Tores complexes

Etant donn´ee une vari´et´e ab´elienne sur un corps fini Fq avec q = pe, nous pouvons relever la vari´et´e sur une extension alg´ebrique K de Qp puis la plonger dans Cp et utiliser le principe de Lefschetz. Nous obtenons alors des r´esultats sur le relev´e de la vari´et´e dans K et par r´eduction modulo P les r´esultats se transportent sur la vari´et´e originale sur Fq. Ce principe de demonstration est applicable pour les vari´et´es ordinaires. Il faut cependant faire attention `a avoir de bonnes propri´et´es de r´eduction modulo p.

Par ailleurs, la majorit´e des r´esultats de cette th`ese sont applicables sur des corps de fonctions. De ce fait nous pouvons consid´erer que les param`etres des courbes ou les coordonn´ees des points sont des param`etres formels. Il faut cependant faire attention au fait que les corps de fonctions ne sont pas obligatoirement parfaits.

2.3.2 Tores complexes

Cette section est bas´ee sur le chapitre 4 de [CS86] ´ecrit par Rosen.

Un tore complexe de dimension g est le quotient de Cg par un r´eseau Λ. Il est clair que Cg/Λ est une vari´et´e analytique compacte. Soit Λ1et Λ2 deux r´eseaux de Cg. Si α ∈ Matg×g(C) est telle que αΛ1⊂ Λ2

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alors la multiplication par α,

φα: 

C^g/Λ1 −→ _Cg/Λ2

z 7−→ αz mod Λ2,

est une application holomorphe entre les deux tores. Ce sont en fait les seules pr´eservant 0. Propri´et´e 2.3.1. L’application

{α ∈ Matg(C) αΛ1⊂ Λ2} −→ {φ : Cg/Λ₁→ Cg/Λ₂ holomorphe et telle que φ(0) = 0}

α 7−→ φ_α

est une bijection.

L’´equivalent de la polarisation pour les tores est fourni par l’existence d’une forme hermitienne particu-li`ere. Pr´ecisons la convention que nous utilisons pour les formes hermitiennes : ce sont des applications H de C^g× Cg

dans C qui sont C-lin´eaires par rapport `a la premi`ere variable et telle que H(x, y) =H(y, x).^¯ De ce fait elles sont anti-lin´eaires par rapport `a la deuxi`eme variable.

Une forme hermitienne H se d´ecompose en une partie r´eelle et une partie imaginaire : pour tout vecteurs x, y de C^g, nous avons H(x, y) = E(ix, v) + iE(x, y) o`u E = =(H) est une forme bilin´eaire altern´ee `a valeurs r´eelles. Pour tout x, y, nous avons la relation E(ix, iy) = E(x, y).

D´efinition 2.3.2. Soit T = C^g/Λ un tore et soit H une forme hermitienne sur ce tore. On dit que H est une forme de Riemann si sa partie imaginaire E = =(H) v´erifie E(Λ, Λ) ⊂ Z.

Un tore est polaris´e s’il existe une forme de Riemann H non d´eg´en´er´ee dessus. Il est principalement polaris´e si de plus Pf(=(H)) = 1 (o`u Pf est le pfaffien).

Demander que Pf(=(H)) = 1 implique que E = =(H) est non d´eg´en´er´ee. On parle alors de forme symplectique.

Matrice des p´eriodes Pour tout r´eseau Λ ⊂ Cg

, il existe une base de Λ sur R constitu´ee de 2g vecteurs. Nous pouvons ´

ecrire le r´eseau Λ comme Λ = P Z2g o`u P est une matrice de Matg×2g(C). Dans le cas o`u le tore est principalement polaris´e, la matrice P peut ˆetre choisie comme ´etant la base dans laquelle la matrice de E = =(H) est : J :=  0 Idg − Idg 0  .

Streng [Str10, II.4.1] donne un algorithme permettant de transformer une base quelconque du r´eseau en une base symplectique. Par d´efinition, E(P x, P y) = txJ y. Lang [Lan72, chapitre 8] prouve que la matrice P v´erifie des conditions suppl´ementaires suivantes appel´ees conditions de Riemann :

P J^{−1 t}P = 0, 2i( ¯P J^{−1 t}P )⁻¹> 0

o`u > 0 signifie que la matrice hermitienne est d´efinie positive. En fait la forme de Riemann est, sur la base canonique de C^g,

H(u, v) = ^tu 2i( ¯P J^{−1 t}P )⁻¹
¯v.

Posons P = (P1, P2) avec P1 et P2 dans Matg×g(C), les matrices Pi sont inversibles car elles sont compos´ees de g vecteurs lin´eairement ind´ependants. En consid´erant l’application

C^g −→ _Cg

z 7−→ P₂⁻¹z Le tore Cg/Λ est isomorphe `a Cg/Λ<sub>Ω</sub>o`u Λ_Ω= ΩZg

+ Zg avec Ω = P₂⁻¹P₁ ∈ GL(g, C). Les relations de Riemann imposent les conditions suivantes sur Ω :

tΩ = Ω, =(Ω) > 0.

D´efinition 2.3.3. L’ensemble des matrices de GL(g, C) sym´etriques et de partie imaginaire d´efinie po-sitive est appel´e espace de Siegel et est not´e Hg.

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Action du groupe symplectique

Un autre choix de base symplectique produit, en g´en´eral, une matrice Ω⁰ de Hg diff´erente de Ω. Explicitons ce qui se passe : soit P⁰ = (P₁⁰, P₂⁰) une autre base symplectique du r´eseau telle que E ait la mˆeme matrice J dans cette nouvelle base, il existe une matrice γ de GL2g(Z) telle que P⁰ = Ptγ (la transpos´ee permettant d’avoir une action `a gauche). La matrice de E dans la nouvelle base est alors γJtγ. Or par hypoth`ese, celle-ci est ´egale `a J donc γ appartient au groupe symplectique Sp(2g, Z) o`u

Sp(2g, Z) =γ ∈ GL2g(Z), γJ^tγ = J Posons γ =  A B C D  A, B, C, D ∈ Matg×g(Z). L’´equation P⁰= Ptγ implique que

P₁⁰= P1^tA + P2^tB, P₂⁰ = P1^tC + P2^tD. Revenons sur le lien entre les matrices Ω et Ω⁰. Nous avons

Ω⁰ = ^tΩ⁰ = ^tP₁^0tP₂⁰⁻¹ = ^t(P1^tA + P2^tB)^t(P1^tC + P2^tD)⁻¹ = (A^tP₁+ B^tP₂)(C^tP₁+ D^tP₂)⁻¹ = (A^tP1^tP₂⁻¹+ B)^tP2^tP₂⁻¹(C^tP1^tP₂⁻¹+ D)⁻¹ = (A^tΩ + B)(C^tΩ + D)⁻¹ Ω⁰ = (AΩ + B)(CΩ + D)⁻¹

Avant d’´etudier l’action de Sp(2g, Z) sur les ´el´ements de Hg, donnons quelques propri´et´es du groupe symplectique : Lemme 2.3.4. γ ∈ Sp(2g, Z) ⇐⇒ γ⁻¹∈ Sp(2g, Z) ⇐⇒ t γ ∈ Sp(2g, Z) Soit γ =  A B C D 

∈ Mat_2g×2g(Z), nous avons les ´equivalences suivantes

γ ∈ Sp(2g, Z) ⇐⇒

 tAC et ^tDB sont sym´etriques

tAD − tCB = Id

⇐⇒ 

AtB et DtC sont sym´etriques AtD − BtC = Id Par ailleurs si γ =  A B C D 

appartient `a Sp(2g, Z) alors la matrice γ⁻¹ est donn´ee par

γ⁻¹=

 tD −tB −tC tA

 .

D´emonstration. La matrice γ appartient `a Sp(2g, Z) si et seulement si γJtγ = J . En multipliant `a gauche par γ⁻¹ et `a droite par tγ<sup>−1</sup> nous obtenons l’´equation J = γ<sup>−1</sup>Jtγ<sup>−1</sup> qui montre que γ<sup>−1</sup> appartient `

a Sp(2g, Z). Quand nous prennons l’inverse de cette derni`ere ´equation nous obtenons −J = tγ(−J )t(tγ) ce qui montre que tγ appartient aussi `a Sp(2g, Z).

Pour montrer la deuxi`eme assertion du lemme, il suffit de calculer le produit de matrices  A B C D  J  tA tC tB tD  =  AtB − BtA AtD − BtC −DtA + CtB CtD − DtC 

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Cette matrice doit ˆetre ´egale `a J et donc nous obtenons la premi`ere ´equivalence. Pour montrer la deuxi`eme, nous appliquons cette ´equivalence `a tγ au lieu de γ. Grˆace `a ces relations, nous v´erifions que

 A B C D   tD −tB −tC tA  =  tD −tB −tC tA   A B C D  = Id_2g d’o`u la forme de γ⁻¹.

D´efinition 2.3.5. Le groupe Sp(2g, Z) agit sur Hg par

Sp(2g, Z) × Hg −→ Hg  A B C D  , Ω 7−→ γ.Ω = (AΩ + B)(CΩ + D)−1

On peut v´erifier que cette action est bien d´efinie. En particulier, il faut montrer que γ.Ω appartient bien `a H_g.

Quand nous consid´erons seulement l’action de Sp(2g, Z) sur le demi-espace de Siegel, nous voyons que − Id2g agit trivialement (ceci n’est plus le cas si nous rajoutons l’action sur Cg). Nous avons alors le th´eor`eme suivant

Th´eor`eme 2.3.6. L’ensemble des classes de vari´et´es ab´eliennes principalement polaris´ees de dimension g modulo isomorphismes est en bijection avec PSp(2g, Z)\Hg.

Soient Ω1et Ω2deux repr´esentants de la mˆeme classe de PSp(2g, Z)\Hg. Les tores C^g/ΛΩ₁ et C^g/ΛΩ₂

sont isomorphes. Il doit donc, d’apr`es la propri´et´e 2.3.1, exister une matrice α ∈ GLg(C) telle que l’isomorphisme soit donn´e par la multiplication par α. Un rapide calcul permet de trouver α et montre la propri´et´e suivante.

Propri´et´e 2.3.7. Soient Ω₁ et Ω₂ deux matrices de H_g correspondant `a des tores (principalement pola-ris´es) isomorphes. Il existe alors une matrice γ =

 A B C D  de Sp(2g, Z) telle que γ.Ω₁:= (AΩ1+ B)(CΩ₂+ D)⁻¹= Ω₂.

L’isomorphisme entre les deux tores ´etant donn´e par C^g/Ω1Z^g+ Z^{g −→ Cg}/Ω2Z^g+ Z^g

z 7−→ γ.Ω₁z := t(CΩ1+ D)⁻¹z = (−Ω2C + A)z Quand cela est clair par le contexte, nous ´ecrivons γ.z au lieu de γ._Ω1z.

Si nous d´ecomposons z ∈ Cg/Ω1Z^g+ Zg en z = Ω1a + b o`u a et b appartiennent `a Rg, nous avons γ.z = γ. (Ω1a + b) = (γ.Ω1) (Da − Cb) + (−Ba + Ab) = Ω2(Da − Cb) + (−Ba + Ab) Cette d´ecomposition est utile pour ´etudier l’action sur les points de n-torsion du tore.

Sous-groupes du groupe symplectique

Nous allons souvent nous int´eresser `a des classes particuli`eres d’isomorphismes. Commen¸cons par d´efinir les groupes de congruences suivants.

D´efinition 2.3.8. Pour n ≥ 1, posons Γ0(n) =  A B C D  ∈ Sp(2g, z), C ≡ 0 mod n  Γ_n=  A B C D  ∈ Sp(2g, z), B ≡ C ≡ 0 mod n, A ≡ D ≡ Idgmodn  Γn,2n=  A B C D 

∈ Γn, diag ^tAC
≡ diag tDB
≡ 0 mod 2n 

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Avec les notations de la propri´et´e2.3.7, nous avons pour tout a, b ∈ C^g γ.(Ω₁a + b) = (Ab − Ba) + Ω₂(−Cb + Da) mod Λ_Ω2. Toute matrice de Γ₀(n) laisse globalement invariant le sous-groupe symplectique 1

nZ^g/Zg des points de n-torsion du tore. Il y a en fait une bijection entre Γ0(n)\Hg et les classes d’´equivalence de paires (A, K₁) o`u A est une vari´et´e ab´elienne principalement polaris´ee et o`u il existe K₂tel que

A[n] = K1⊕ K2

soit une d´ecomposition symplectique de la n-torsion. Les classes d’´equivalences (A, K1) sont prises mo-dulo la relation d’´equivalence suivante : (A, K1) est ´equivalent `a (A⁰, K₁⁰) si et seulement s’il existe un isomorphisme de A vers A⁰ envoyant K1 sur K₁⁰.

Soit x et y deux points de n-torsion. Posons x = Ωa + b et y = Ωc + d avec a, b, c, d appartennant `

a 1

nZ^g/Zg. D´efinissons alors

˜

e_n(x, y) = exp −2iπn(^tad −^tbc)
.

Le groupe Γ(n) correspond `a l’ensemble des isomorphismes qui fixent les points de n-torsion. De plus, le couplage ˜en de n’importe quelle paire d’´el´ements de n-torsion reste inchang´e.

Dans la suite, il sera alors utile de consid´erer les sous-groupes suivants. D´efinition 2.3.9. Pour n ≥ 1, posons

˜ Γ_n=  A B C D  ∈ Sp(2g, z), B ≡ C ≡ 0 mod n, A ≡ D ≡ ± Id_gmodn  , ˜ Γn,2n=  A B C D 

∈ ˜Γn, diag ^tAC
≡ diag tDB
≡ 0 mod 2n 

.

La diff´erence par rapport aux groupes Γ_n et Γ_n,2nest que nous autorisons les matrices `a ˆetre congrues `

a ± Id modulo n.