J
OURNAL DE
T
HÉORIE DES
N
OMBRES DE
B
ORDEAUX
H
ERVÉ
T
HOMAS
Trivialité du 2-rang du noyau hilbertien
Journal de Théorie des Nombres de Bordeaux, tome
6, n
o2 (1994),
p. 459-483
<http://www.numdam.org/item?id=JTNB_1994__6_2_459_0>
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TRIVIALITÉ
DU 2-RANG DU NOYAU HILBERTIEN.HERVÉ THOMAS
ABSTRACT. - We give exhaustive list of biquadratic fields K = Q(i,
~m)
and K =Q(~2,
~m)
without 2-exotic symbol, i.e. for which the 2-rank of the Hilbert kernel (or wild kernel) is zero. Such K = Q(i,~m)
arelogarithmic principals
[J3].
We detail an exemple of this technical numericalexploration and quote the family of theories and results we utilize. The
2-rank of tame, regular and wild kernel of K-theory are connected with local
and global problem of embedding in a Z2-extension. Global class field
theory can describe the 2-rank of the Hilbert kernel and reveals existence
of symbols on K not given by local class field theory.
Introduction
Les
2-rangs
des noyauxmodérés,
réguliers
et hilbertiens de la K-théorie sont reliés à desproblèmes
locaux ouglobaux
deplongement
dans uneZ2-extension. La théorie
globale
du corps de classespeut
décrire le2-rang
du noyauhilbertien, grâce
entres autres à des résultats de Tate( ~Tl ~,
[T2])
sur le groupe
K2K
dessymboles
sur un corps de nombresK,
et révélerainsi l’existence de
symboles qui
ne sont pas donnés par la théorie locale.Nous isolons ici des
phénomènes
révélateurs de laprésence
de telssymboles
ditsexotiques.
L’explicitation
concrète de tellesapplications
se révèlerait sans aucun doute très intéressante etpermettrait
de relier diversaspects
arithmétiques
d’un corps de nombres.Nous sommes amenés à nous
préoccuper
de 2-extensions vivant dans le schéma de la 2-ramificationabélienne,
cadre danslequel
la ramification restreinte laisse unespoir
deparvenir
à une théorie du corps de classesexplicite.
C’est ainsi que G. Gras(cf.
~G~,~, [G2])
a réussi à déterminer leradical initial de la
composée
desZ2-extensions grâce
à unlogarithme
adhoc.
Ici,
ce sont les idèles que nous utilisons(et
plus précisément
le 2-adifié du groupe des idèles construit par J.-F. Jaulent[Ji ] ) .
Eneffet,
nous mettons l’accent sur la notion « localementpartout
Z2-plongeable
» introduite parF. Bertrandias et J.-J.
Payan
il y a unevingtaine
d’années dans le but detrouver une condition sufhsante à la
conjecture
deLeopoldt
(cf.
[BP],
ou encore[si]).
La trivialité de la
2-partie
du noyaurégulier
R2K
dansK2K
fournitune telle condition suffisante et conduit à la notion de corps
2-régulier
ou2-rationnel : pour de tels corps de nombres
K,
la 2-extension abélienne2-ramifiée
oo-décomposée
maximaleMK
coïncide avec lacomposée
ZK
des
Z2-extensions
de K et on a7G2+T2.
Nous renvoyons à[CH],[GJ],[MN]
et à leurs références pour la résolution de telsproblèmes.
De
plus, rappelons
que pour K totalementréel,
la torsion deGal(MK/K)
a un
aspect
analyse 2-adique
donné par J. Coates dans[Co].
Ici,
les corps trouvés avec un2-rang
du noyau hilbertien trivialapparti-ennent à une famille
plus
vaste que les corps2-réguliers. Lorsque
les racinesquatrièmes
de l’unité sont dansK,
de tels corps ont un groupe des classeslogarithmiques
[J3]
trivial en 2 et vérifient lesconjectures
deLeoplodt
et de Gross(en
2).
Pour arriver à des résultats
numériques
de calcul du2-rang
du noyauhilbertien,
la théorie des idèles doit êtreexplicite.
Plusprécisément,
fac-toriser dans les localisés du corps de nombres en les
premiers
divisant2,
connaître
numériquement
les classes et les unités de K sont à la base denos résultats. Le groupe
Gal(MK/ZK)
correspondant
aux sous-extensions2-élémentaires
Mk
etZk
deMK
etZK
(cf. §2)
est un sous-groupe dugroupe de classes de rayon
Gal(Mk 1 K)
(cf. §2)
mais les calculs visant à saconnaissance ne
peuvent
se cantonner à des congruences « traditionnelles» intervenant dans la théorie des classes de rayon. Il est essentiel d’obtenir
des
renseignements
basés sur des écritures locales de certains élémentsglobaux
(cf.
§2, §3
et~Th~).
Un autre
aspect
est le théorème relatif àl’ex-conjecture
de Birch-Tatelorsque
K est totalement réel =cv2(K)~~x(-1)~
(selon
Wiles([Wi]),
il reste à montrer en toutegénéralité
la2-partie
del’égalité).
Sig-nalons que des chercheurs de Bordeaux
(citons
H. Cohen et l’un de sesétudiants E.
Tollis)
calculent pour certains corps de nombres des valeurs dela fonction zêta de Dedekind en
particulier
aux entiersnégatifs
cequi
nous apermis
de vérifier nos affirmationpour K
=Q( J2,
sur de nombreusesvaleurs de m.
Notations
Nous donnons ci-dessous les
principales
notations et résultats que nousutilisons.
Notations
globales :
Pour K un corps de
nombres,
(ri, r2)
est sasignature,
p K le groupe desracines de l’unité contenues dans le groupe
multiplicatif
KX .des classes d’idéaux et de S-classes d’idéaux au sens ordinaire. et
s’entendent au sens restreint.
EK
(resp.
représente
les unités(resp.
lesS-unités)
totalement pos-itives de l’anneau des entiersOK; EK
(resp.
EK)
est le groupe des unités(resp.
desS-unités)
au sens ordinaire deC~K
(les
signatures
n’interviennentPas).
Pour un groupe G de torsion
quelconque,
G(2)
est son2-sous-groupe
deSylow et
2G
le sous-groupe des éléments annulés par 2.est un entier naturel sans facteur
carré, les fi
sontimpairs,
Notations locales : .’
Pour un corps local
KsrJ
avec fl3
uneplace
au dessus d’un p deZ,
nousno-tons ~c~ le groupe des racines de l’unité locales.
2 (~)
est lapartie 2-primaire
de(N~ -1) ~
le cardinal dequi
a deux sous-groupesdissem-blables = et
~c~ _
~~pr~ ~ .
est une uniformisante localequi
d’un
point
de vue théorie du corps de classes estenvoyée
parl’application
d’Artin locale wqg sur le « Frobenius »
arithmétique.
désigne
lesous-groupe des unités
principales,
elles sont congrues à 1 modulo l’idéal de lavaluation noté La
possibilité
de factorisationmultiplicative
existe dansun corps local :
et
U ^_
si(ul )libre
désigne
un souso - o o o o - r-srJ o o
Zp-module
libre maximal deU1B.
Pour b
2,
représente
leprolongement
dulogarithme
P-adique
définisur
Us1
nul sur la torsion et sur2~
(normalisation
d’Iwasawa) .
Notations liées à la théorie locale du corps de classes :
Ici,
l’étude menée nous conduit àregarder
des 2-extensions abéliennes.Pour
chaque place
nous notons la 2-extension abélienne maximale deSi
~
estfinie,
nous avonsd’après
Si 13
estréelle,
il vient de même :En
chaque
place
finie13,
nous considérons lesymbole
de Hilbert depro-fondeur maximale défini par :
pq3 est de cardinal et wqg est
l’application
d’Artin locale.Et le
symbole
régulier correspondant
est :Pour une
place réelle,
et nous avonspour x > 0 ou y >
0;
si les deux réels sontnégatifs,
la valeur est Pourm 1 mp,
lesymbole
de Hilbert deprofondeur
m estDe
même,
nous notons pour lesplaces
finies(
Dans la théorie locale du corps de
classes,
lesplaces
(devenues)
complexes
de K n’interviennent pas.Ainsi,
dans lesdiagrammes
qui suivent,
13
nereprésente
jamais
uneplace complexe.
Il en est de même dans la théorieglobale, lorsque
nous utilisons tout comme dans[Th]
le le f-adifié du groupedes idèles construit par J.-F.Jaulent
1. Enoncé du
problème
et lien avec la 2-ramification abéliennePour un corps de nombres
K,
ladescription
du groupeK2K
via lessymboles,
démontrée par Matsumoto~Mat~
amène à sepréoccuper
desnoyaux suivants
qui
mesurent cequi
échappe
respectivement
auxsymboles
modérés,
réguliers
ou sauvages : on compare le groupeK2K qui
factorisetous les
symboles
sur K aux groupesreprésentant
les familles desymboles
hilbertien est ainsi révélateur de l’existence de
symboles
ditsexotiques.
H2K
est le noyau hilbertien ou sauvage,R2K
est le noyau ditrégulier
etK20K
le noyau modéré. Lesplaces complexes
n’interviennent pas.Localement,
lessymboles
de Hilbert factorisentchaque symbole
continuà valeur dans un groupe fini. Le tilde
signifie
quel’image
nepeut
excéderl’ensemble des familles de racines de l’unité liées par la loi de
réciprocité.
Et lasurjectivité
(Moore
puis
Chase-Waterhouse)
affirme que c’est la seule liaison. Ces noyaux sont finisd’après
H. Garland( ~Gar~ )
et nousconnais-sons leurs
générateurs
( ~Bas - Tant]).
Malgré
cela,
sauf casparticuliers,
laconnaissance
explicite
de ces noyaux nouséchappe
car nous ne savons pas trouver, en toutegénéralité,
les relations de liaison entre deux éléments dugroupe
K2K qui
est un groupe de torsiond’après
le résultat de Garland.Nous
regardons
maintenant tous ces groupes de torsion en leur2-Sylow.
Les résultats de Tate
(cf.
[Tat2])
montrent que lemorphisme
naturel(-1~ ~~ K X -~2
K2 K
induit par lesymbole
universel{20131?’}
estsurjectif
et que son noyau le radical deTate,
est unF2-espace
vectorielde dimension 1 + r2 :
, ,,....
Ainsi,
nous avons undictionnaire
entre les éléments annulés par 2 dansces noyaux de la K-théorie et certains radicaux kummeriens du schéma de la 2-ramification abélienne de K que nous allons étudier
plus
précisément
Les radicaux kummeriens
9XK,
9X9,
-15K
sont définis auchapitre
2; x
ESj K
signifie
queK(fl)
est localementpartout
Z2-plongeable
auxplaces
finieset x est totalement
positif.
Par
ailleurs,
le radical kummerien3K
correspondant
aux extensionsglobalement 22-plongeable
est deF2-dimension
égale
à1+r2
sous laconjecture
deLeopoldt
pour lecouple
(corps
K, premier
2).
Citons aussi0lK
le radical construit sur les unitéslogarithmiques
(cf.
[Jau2]);
il est intéressant de comparer ce dernier à3K
lorsque
i E KI(voir §2
pour tousces radicaux kummeriens et
§3 -
2 pour Nous avons :Ainsi,
nous sommes tout naturellement conduit à étudier minutieusementla différence
précise
entre le localementpartout
et leglobalement
Z2-plon-geable.
Comme le2-rang
du noyau hilbertien est donné par := nous avons en
particulier :
THÉORÈME
1. Critère de trivialité pour la2-partie
du noyau hilbertien. Sous laconjecture
deLeopoldt
en 2pour K
(i. e.
1 +r2), il
vient :Sous la
conjecture
de Gross en 2 pour K(i.
e.dimF2 S)1K
= 1 -f-r2)
enprésence
des racines4iemes
del’unité,
on a :Comme on va le
voir,
toutes les 2-extensions abéliennes intervenantci-dessus à travers leurs radicaux sont 2-ramifiées.
Aussi,
en vue des calculsexplicites,
nous allonsrépertorier
lesprincipales
2-extensions abéliennescomptant
parmi
celles 2-ramifiées de K.2.
Principales
pro-2-extensions
abéliennes 2-ramifiéesLe but de ce
paragraphe
est depréciser
letype
de calculs locaux àentreprendre.
Ladescription idélique
de l’inventaire ci-dessous de radicaux kummeriens est certestechnique
mais c’est leprix
pour arriver aux résultatsexplicites
du§4.
2.a.
Description
kummérienneUne 2-extension E de K et
plus généralement
unepro-2-extension
con-tient un sous-corps maximal à groupe de Galois sur K
d’exposant
2 : nousle notons E‘ . Ce corps admet une
description
kummérienne sur .K et nousdisons que le radical
correspondant
est attaché à E. Une 2-extension de K est dite « 2-ramifiée »lorsque
la ramification est cantonnée au dessus de2
(et
qu’à
l’infini lacomplexification
deplaces
réelles estpossible).
Cette fenêtre de ramificationpermet
à une variétéimportante
de 2-extensions deprendre
place
dans le schéma de la 2-ramification abélienne et bien souvent, seules despropriétés
localespermettent
de caractériser les radicauxcorre-spondants.
Nous donnons successivement pour chacune des 2-extensions étudiées sadéfinition,
son radical et le mode d’obtention de celui-ci. Nousdésignons
par uq3 une unité13-adique,
Elq3
un carré et aq3 un entierrelatif.
*
MK
est la 2-extension abélienne de~,
2-ramifiée et maximale. Les seulesplaces
finies autorisées às’y
ramifier sont celles divisant 2 et lesplaces
réellespeuvent
secomplexifier.
Le radical kummérien associé se note
OO1K.
Les conditions locales le caractérisant sont les suivantes :Le calcul
pratique
dero1K
repose sur la suite exacte scindéeci-après
qui
indique
cequ’il
est nécessaire de connaîtrenumériquement
et donne laIF2-dimension de
VRK :
/ 1
*
MK
est la 2-extension abélienne maximale de K avec lescaractéris-tiques
suivantes : les seulesplaces
finiespouvant
se ramifier sont cellesdivisant 2 et aucune des ri
places
réelles de K ne secomplexifie.
Le radical associé : .
-Son obtention
numérique
s’effectue en sélectionnant lesreprésentants
totalement
positifs
de9XK.
*
HK
est lacomposée
des 2-extensions abéliennes de K localementpartout
22-plongeables
(en
cequi
concerne lesplaces
réelles,
elles restentSa méthode d’obtention repose sur une sélection des
représentants
de en tenantcompte
des nouvelles conditions à vérifier auxplaces
sau-vages. Ce tri est basé sur des formules
explicites
pour calculer lapartie
sauvage de
symboles
de Hilbert auxplaces
divisant 2.Lorsque
2(13)
>2,
rappelons
la formulation très utile suivante(on
trouve celle de droite dans[J4]) :
*
ZK
est lecomposé
desZ2-extensions
de K.Rappelons
que, sousla
conjecture
deLeopoldt,
le corps de nombres Kpossède
(1
+r2)
Z2-extensions linéairement
disjointes
(et
pasplus).
Le radical kummerien associé
3x
est dans la chaîne d’inclusion :3K
C’5 K
C C Il est obtenunumériquement
grâce
à la théorie ducorps de classes :
~K
ne saurait être décrit par les seules conditions localesqui
ont atteint leurapogée
lors del’approche
par(cf
[Th]);
3x
estl’orthogonal
de dans la dualité kummérienne donnée par lessymboles
de Hilbert :* Nous groupons
quatre
2-extensions de K incluses dansCK
le2-corps
de classes de Hilbert.
CK
est la 2-extension abélienne maximale de K sousles conditions suivantes : aucune
place
finie de K ne se ramifie mais lesplaces
réellespeuvent
secomplexifier.
Apparaissent
aussiCK le
2-corps
declasses absolu de Hilbert
(les
places
réelles de K restentréelles),
DK
(resp.
DK)
le sous-corps maximal deCK
(resp.
den9)
avec lesplaces
divisant 2de K totalement
décomposées.
d’apparition :
Ici,
désigne
une unitéadéquate
que l’on détermine lors des calculsexplicites:
pour uneplace q3
divisant2,
est la seule extensionquadratique
deKqg
qui
est nonramifiée;
c’est aussi lepremier
étage
de laZ2-extension
non ramifiée deK~.
*
Enfin,
des considérations de dualité amènent à introduire la 2-extensionabélienne de K localement
partout
cyclotomique
auxplaces
finies etmax-imale sous cette condition.
Il lui
correspond
un radical kummérien que nousnotons é5 K ,
donné par :,.- - "
Considérons maintenant le sous-groupe noté
f2.K
défini par :Remarquons
que les différencesentre CiK
etD K
reposent
sur cellesex-istant entre
m et
IÀK(2)
(voir
lemme 3§3
pour desexemples).
Nous sommes intéressé par le
quotient 6 K
déf
Eneffet,
commeexpliqué
dans[J2],
saF2-dimension
égale
le2-rang
deGal(HKIZK)
(cf.
§2.b
pour ladescription
idélique
de ce groupe deGalois).
Enparticulier,
nous avons :THÉORÈME 2.
Expression
du2-rang
du noyau hilbertien. Sous laconjec-ture de
Leopoldt
en 2 pour K(i. e.
sous La conditionsdimF23K
= 1 +r2), il
vient :
Ainsi,
le calcul du2-rang
du noyau hilbertienqui indique
s’il y a desau calcul du
2-rang
d’un groupe de Galois obtenugrâce
à la théorieglobale
du corps de classes.
On voit que les définitions de tous les radicaux kummériens ci-dessus
font
appel
aux mêmes conditions auxplaces
finiesétrangères
à 2. Mis àpart
S)1K,
3K,
ùK ,
les différences entre tous les autres radicauxreposent
surdes conditions locales
spécifiques
à chacun auxplaces
sauvages et réelles.2.b. Détermination
idélique
du groupeGal(HK /ZK)
La
description idélique
des groupes de Galois intervenant ici est éclairée par la construction de J.-F. Jaulent du 2-adifié du groupe des idèles de K.Le sous-groupe 2-divisible du groupe des idèles
classiques
estsupprimé
et lesK~
(voir
lesnotations)
remplacent
les Nous renvoyons à(et
à[Th]
pour son utilisation dans un contextesimilaire).
Ici,
rappelons
querest .
7Zx
représente
les idèlesprincipaux Z2
(&7, K’envoyés
dansx
=Il
o Nous avons successivement ici
(sous
laconjecture
deLeopoldt
en 2 pourK):
Les groupes à droite des
signes d’isomorphisme,
obtenusgrâce
à la théorie du corps declasses,
sontnumériquement
à calculer pour éclaircir les pro-blèmesqui
nouspréoccupent:
la théorie des idèles doit êtreexplicite
surle corps K. Chacun de ces
quatre
groupes de Galoisayant
unaspect
arithmétique
particulier,
leurs obtentionsnumériques
sont de difficultéinégales.
Concernant
Gal (HK /ZK)
qui
mesure par dualité la différence de nature entre être « localementpartout
Z2-plongeable
» et être «globalement
72-plongeable
»(passage
defJx
à3x),
notonsqu’un
idèle deest en relation avec des idèles
principaux
dont les valuations auxplaces
finies sont desmultiples
de 2. Plusprécisément,
considérons un idèledont la classe modulo
engendre
unecomposante
cyclique
deil
profondeur
2’~ deGal(HK/Zx)
(n
un entiernaturel).
Nous avons(7~§ )qg =
où est une famille de racines de l’unité et un idèle
principal.
Ainsi, concrètement,
nous recherchons les écrituresidéliques
à uneprécision
adéquate
d’unsystème
d’unités fondamentales de K et decertains
générateurs
d’idéaux. Ces derniers sont notés ici(ai)i;
ce sont deséléments de
C~K qui
interviennent dans unedécomposition
en somme decomposantes
cycliques
du2-Sylow
du groupe des classes.Une fois que nous
disposons
de cet ensemble d’idèlesprincipaux
nous sommes à mêmed’expliciter
lesgénérateurs
deGal(HK/ZK) (cf.
[Th]
pour un
algorithme
d’obtention de ce groupe de Galois dans le cas de larecherche du radical initial des
Zs-extensions
d’un corpsbiquadratiques
Q( yC3,
~)).
Pardualité,
ceux-ci nouspermettent
alors de sélectionner ceux des éléments deJ)K
qui
sont en fait dans3K.
Nous voyons que lathéorie des idèles doit être
explicite
pour d’éventuels calculs etqu’il
nousfaut
principalement
factoriser dans les localisés au dessus de 2.3. Résultats
explicites
pour des corpsbiquadratiques
Dans ce
paragraphe,
nousénonçons
les résultatsexplicites
obtenus pourdes corps
biquadratiques
Q(1,
ouQ( v’2,
et, enparticulier,
nousdonnons la liste exhaustive de tels corps sans
2-symbole
exotique.
Le lecteurprend
connaissance desconclusions,
ildispose
de démonstrations pour lecas numéro 8 relatif à K =
Q( v’2,
B/7~).
Les autres calculs sont du mêmetype,
nous ne pouvons donner toutes lesdémonstrations,
faute deplace.
Rappelons
qu’il s’agit
principalement
de calculer le2-rang
du groupe de GaloisGal(HKIZK),
que cela amène à sepréoccuper
de calculs locaux trèsprécis
avec des idèles.3.a. Etude des corps
Q(JK, 1) .
Cette étude
s’appuie
etenglobe
celle des sous-corpsquadratiques
réels etimaginaires
déjà
menée par Browkin & Schinzel(cf.
[BS]).
Dans le schémagaloisien
suivant,
nous avonsGal (K/Q)
L-~ p > eT >=C2
xC2,
Citons deux lemmes
préliminaires,
leur preuve étant essentiellement baséesur la formule des classes
ambiges évoquée
au§4 :
LEMME 2. La
quantité
di’fnJF2fJK
estsusceptible
d’êtreinférieure
àd’une unité pour m -
~1 (8~
ou m -:i:2[16].
Parmi ces valeurs de m, il y a 8 cas, étudiésci-dessous,
pourlesquels
dimJF29JtK
= 4 et ainsi le2-Sylow
du noyau hilbertien est
susceptible
d’être trivial. Enumérons ces huit caspour m, " ..
Justification
des lemmes : nous avons accès à laF2-dimension
dedonnée
§2.a,
via la formule des classesambiges rappelée
auparagraphe
4 etaprès
les calculs locauxqui
en découlent(§4).
Deplus,
pour les m du lemme1,
Gal(MKIHK)
est trivial(cf. §2.b)
d’oùYJK
=9RK;
pour m -~1[8],
nous avons
C4
et pour m m~2(16), Gal(MK/HK) =
C2
(cf. §2.b)
cequi
veut diredimJF2YJK
=(0
ou1).
Tout cecipermet
de sélectionner les huit cas cités.Nous avons étudiés minutieusement ces huit cas. L’anneau des entiers
m dans
[ah].
Lapartie impaire
du groupe des classes d’idéaux s’identifieà la somme directe de celles des sous-corps
quadratiques k,
et k. Contrastepour le
2-Sylow
deCl K
qui
a lui un2-rang
calculablegrâce
à la formule desclasses
ambiges
mais de lacapitulation
ou de la création de nouvelles classespeuvent
modifier laprofondeur
descomposantes
cycliques
deClK (2)
parrapport
à celles deClk,
(2)
etClk
(2) .
Notons e une unité fondamentale deK et ~r celle > 1 de 1~. e et er
peuvent
coïncider ou alors être liées par~2
= avec a E{O, 1,2, 3}.
Deuxrenseignements
primordiaux
sont lediagramme
des localisés de K et de ses sous-corps en lesplaces
au dessusde 2 et les
2-groupes
de racines de l’unité dans lesKq3
où Ip
2
dansDonnons les résultats détaillés pour les
quatre
premiers
cas. Les calculspour arriver à ces conclusions sont similaires à ceux décrits pour le cas 8
PROPOSITION 1. Dans les
quatre
premiers
casci-dessus,
nous avons :. CAS 1 ET 2.
Il- _1
div(e)
est lediviseur
logarithmique’
associé
àset v
représente
les valuationslogarithmiques
(cf
[J3]).
· CAs 3.Hypothèses :
m =fI
=7[8].
Notations :Nous résumons maintenant les résultats obtenus pour le noyau hilbertien. Nous avons donné les conditions les
plus
simples
à vérifiernumériquement.
Par
exemple,
dans le cas m =7[8], e =
et la condition « 16~’ u
»correspond
à untype
d’écriture locale auxplaces
divisant 2 pour l’unitéfondamentale e. Cela a une
répercussion
ensuite pour la trivialité ou nonde
Gal(HK/ZK)
qui
est construit en examinant certains idèlesprincipaux
(cf §2).
Les conditions obtenuesreposent
sur la théorie du corps declasses,
il
s’agit
de congruences. Nous informons que maintes vérifications ont étéfaites sur ordinateur
grâce
enparticulier
aux variables dusystème
infor-matique
Pari. Deplus,
toutes les démonstrations sontdisponibles
pour lelecteur
curieux,
elles sont du mêmetype
que celle fournie pour le cas dit 8de K =
Q(,/2-,
THÉORÈME 2. Les corps
biquadratiques
Q( y’m,
i)
et leurs sous-corpsquadra-tiques
réels k = etimaginaires
k* =~(~)
donnant lieu à un2-noyau
hilbertien. trivial sont les suivants: .’Rappelons
queH2~
et sont triviaux(cf.
(BT~).
Concernant le noyau modéré enrespectant
l’ordre des casci-dessus,
nous avons :des entiers est donnée par :
En
effet, lorsque
le2-Sylow
du noyau hilbertien estnul,
les structures des2-Sylow
des noyauxréguliers
et modérés sont données par lesisomorphismes :
Celui de droite est donné par les
signatures
et lesparties
sauvages dessymboles
de Hilbert.3.b. Etude des
Jm).
Ces corps totalement réels
(rappelons
qu’ici
m >2)
offrent unepalette
plus
variée aux conditionsarithmétiques regardées
compte
tenu du rôle dessignatures.
m= Il î
est un entierimpair,
sans facteurcarré,
m > 1. ~I~Comme
précédemment,
une étudepréliminaire
avec la formule des T-classesambiges
de[Ji]
(voir
aussi§4)
permet
de sélectionner neufs cas. Nousénonçons
simultanément lesprincipales
conclusions.PROPOSITION 2. Résultats pour les corps
biquadratiques
réelsr2
signifie
icirg2(H2K).
Concernant les cas 5 et8,
(*)
signifie
que nousimposons :
« un seul des deux nombresJ2
et 1+ V2
est norme de K àk2
= »(m
=41, 73, 89,137, ..., 457, ...),
et(**)
«2 + Ui
n’est pas norme de K àk2
» cequi
arrive parexemple
pour(m
=7,23,71,...,311,...).
Justification
des résultats annoncés :Quelques
notations : pu divise 2 dansun des trois corps
quadratiques
que le contextepermet
dedéterminer,
13,,
divise 2 dans
O K .
Nous oublions les barresqui
signifient
modulo les carrés dans l’écriture des radicaux kummeriens.est
2-régulier
(cf introduction)
et la transmission de cettepro-priété
à K = nes’opère
que pour les cas 1 et 3. La valeur
/ _ . rB /... r.::’ ’B
des
symboles
de Hilbertégale
à -1 pour de tels m, la vérification la connaissance des groupes locaux deracines de l’unité
permettent
d’affirmer cela. Defaçon plus
précise :
LEMME 3. Soit m > 1 un entierimpair
sansfacteur
carré, K
=Q( .J2,
un corpsbiquadraiique
réel.En
effet,
la théorie du corps de classes donne =dimF2’D K.
Lesinégalités
entre etdimF2’DK
résultent des différences éventuelles entre les groupes de racines de l’unité d’ordre2-primaire
locales etglobales
d’après
les définitionsidéliques
de ces radicaux kummériens(§2.a).
Compte
tenu de la liste de ces groupes de racines de l’unité suivant les cas, nous avons ainsi :
(pour
m -:L3[8],
6K -
VK), (pour
m -1[8],
dimF2C!3K
=+
(Ooul)), (pour
m -7[8],
diMF,OK
=(Ooul)).
Et comme la
F2-dimension
deOK
égale
ici le2-rang
du noyau hilbertien(§2.a),
le lemme 3 est montré.Le lemme 4 suivant a le même but que le lemme
3,
à savoir encadrerrg2(Gal(HK/ZK))
=dimF2C!3K
avec des «objets classiques » .
.En
effet,
les élémentsglobaux
pouvant
fournir,
à travers leurs écritureslocales,
desgénérateurs
de sont les unités et certainsgénéra-teurs d’idéaux
(se
reporter
auxexplications
de la fin du§2).
Ceci donnel’inégalité
de droite. Dans un secondtemps,
nousregardons
ces idèlesprincipaux
en les localisés de K au dessus de 2.Puis,
par desproduits
adéquats
entre ces idèlesprincipaux,
nous construisons lesgénérateurs
de6 K
conformément à sa définition. Le nombre minimal de telsgénérateurs
donne
l’inégalité
degauche.
Notons que pour ce lemme4,
K est un corpsde nombres
quelconque.
Jusqu’à présent,
seules les conclusions relatives aux cas 1 et 3 ont été établies.Maintenant,
détaillons les calculs du cas8,
les autres se traitentdans le même
esprit,
idem pour les corpsQ (i,
/m-).
Cetexemple
illustre les calculsentrepris
sur tous les autres cas. Lamajeure partie
des calculsidéliques
s’effectue en le ou les localisés de K en lesplaces
de ,S’ où nousexploitons
lapossibilité
de factorisation.Remarquons
qu’une 22
basemultiplicative
des unitésprincipales
n’est pastoujours
aussisimple
à trouver suivant les cas. Des calculspréliminaires
avec la formule des classesambiges
montrent que nous avons ici :Répertorions
quelques
renseignements numériques :
LEMME 5. Avec les notations
précédentes
nous avons :des
phénomènes
comparables.
Nous
regardons
maintenant les écritures locales des éléments intéressantspour bâtir
Gal(HK/ZK)
(cf §2).
Ici(le
cas 8 estsimple),
ce sontuniquement
un
système
d’unités fondamentales.Quant
aux deux autres nombres intervenantdans OO1K
(7rk
définie moduloEK),
nous avons :EXEMPLE. Pour
Nous nous apercevons que pour les valeurs de m de ce cas
8,
nous pou-vons construire ungénérateur
deGal(HKIZK)
en formant l’idèleprincipal
, en
gommant
sescomposantes
relativement aux groupesJ
de racines de l’unité
puis
enextrayant
une racine2h-ième
pour h
un nombrerésultats
annonçés
pour le cas 8 des corpsQ(Ui,
est achevée.Les écritures locales des éléments
susceptibles
de bâtirOK
suivent des scénarios enparties
prévisibles
vus lesimpératifs
amenés par les2-rangs
connus des groupes
Clx,
Clx,
CIK.
Néanmoins,
les nombres utilisenttous les
degrés
de libertépossibles
laissés par le fait que ce seultype
derenseignements
donnés par desobjets
liés aux valuations ordinaires estin-sufhsant.
Ainsi,
il y aplusieurs possibilités parfois
(voir
lesrésultats);
laspécificité
des corpsbiquadratiques, principalement
allure de leursZ2-bases
multiplicatives
des unitésprincipales
des localisés en2,
contrôle de la prove-nance desunités,
permet
de conclure. Cecijustifie
la vision des radicauxselon le
§2,
en utilisant la structuremultiplicative
d’un corps local mais mal-heureusement des cas amènent des calculsplus compliqués,
il estprudent
de programmer
informatiquement
pour éclaircir cesproblèmes.
Lesystème
Pari, originaire
deBordeaux,
offre l’utilisation de variablesadaptées
à de telsproblèmes,
enparticulier
des entiers extrêmementgrands.
Cetaspect
important
pour la vérification ne sera pas abordé ici cartrop
long
à décrire.Avec ce cas
8,
nous visualisons aisément la structuregaloisienne
desunités
qui
est l’un desarguments
utilisés par Brumer pour établir la validité de laconjecture
deLeopoldt
dans le cas absolument abélien.4. Familles
d’arguments
utilisées au cours de cette recherche effectiveComme le lecteur a pu s’en
apercevoir,
le travail esttechnique.
Ils’agit
de théorie du corps de classes effective avec le calcul du2-rang
deGal(HKIZK)
et le maître mot est congruence(ou
écriturelocale).
Nosinvestigations
utilisentprincipalement
des théories et résultats que nouscitons maintenant.
Pour obtenir les
2-rangs
des groupes de classesnous utilisons la formule des T-classes
ambiges
de[Ji]
relativement à uneextension
cyclique
K d’un corps de nombres k :où
Tf
désigne
lesplaces
finies de kqui appartiennent
àT,
celles desplaces
réelles de k mises dans Tqui
secomplexifient
dans K.E5
désigne
les T-unités.Les calculs des différents facteurs intervenant dans la formule des classes
ambiges
sont locaux et interviennent leprincipe
deHasse,
la formule duproduit
pour lessymboles
de Hilbert(la
loi deréciprocité
dans le cadred’extensions
kummeriennes),
des calculs de congruences. Le rôle de k estLa théorie du corps de classes
proprement
dite estomniprésente,
enpar-ticulier les lien entre le
2-rang
de certains groupes de classesqui
sont desgroupes de Galois et les
F2-dimensions
des radicaux kummerienscorrespon-dants.
Nous utilisons la
spécificité
des corpsbiquadratiques,
unepartie
descalculs se ramenant aux sous-corps
quadratiques.
Mais comme lepremier
est
2,
desphénomènes perturbateurs
empêchent
de tout déduire de calculs dans les sous-corpsquadratiques.
Où l’on
s’aperçoit
que l’on a besoin de formulesexplicites
desymboles
de Hilbert sauvage, c’est à dire relatives à la
partie 2-primaire
auxplaces
divisant 2. La
partie
modéré d’unsymbole
de Hilbert estanalogue
à l’action d’un Frobenius mais lapartie
sauvage estbeaucoup plus
délicate. Dans les travauxpréliminaires
avec les sous-corpsquadratiques,
nous avonstrouvé de telles formules en étudiant le
plongement
kummerien dans uneZ2-extension
d’un corpsquadratique
(imaginaire).
Ces travaux ont étéeffectués dans le cadre de la thèse de de l’auteur mais sont
trop
longs
pour être
rappellés
ici. Letype
de formule trouvée est le suivant : pour-m =
14[16],
~2(~) _
puis
nous choisissonsQ2( ae)X =
(-1)(1
+v14Yl2(1
+2) Z2 14 .
piireprésente
l’idéal de la valuation dansQ2 ( ùù)
et nouscalculons,
grâce
aux travauxprécédement évoqués :
Nous factorisons dans un corps local en
privilégiant
sa structuremul-tiplicative,
et pour cela nous fixons une formeexplicite
d’uneZ2-base
desunités
principales.
Nous utilisons ainsipleinement
lapossibilité
de rendre la théorie du corps de classeseffective,
le 2-adifié du groupe des idèles construit par J.-F.Jaulent se révélantparticulièrement
bienadapté
ici,
surtout avecla notion « localement
partout
plongeable
»qui
se marie bien avec unedescription
idélique
du groupe de GaloisGad(Hx/ZK).
Au§3
se trouvedéjà
un corps local « factorisé » . . Un autreexemple :
pour m -1[8]
etK =
i),
il vient :Notons que les écritures locales des éléments
globaux regardés
sont enparties
prévisibles
compte
tenu de leurs normesabsolues,
mais aucunse
complique
et il nous faut utiliser les différences fines issues dessignatures
entre certains radicaux kummeriens.
5.
Remarques
sur la transmission de «rg2 (H2k)
= 0 » à desex-tensions K de k
Soit k avec
rg2(H2k)
=0,
ce que nousappelons
avoir lapropriété
(sdse) (sans
2-symbole
exotique).
Quelles
sont les extensions K de kqui
bénéficient de
(sdse) ?
PROPOSITION 3. Si F est une extension de k de
degré
impair,
vérifiant la
conjecture
deLeopoldt
en 2,
lescomposantes
cycliques
deGal(HkIZk)
seconservent dans
Gal(HF/ZF).
ï e dans
JK ,
nous aurions un idèleprincipal
.If
avec t) EJK
o ’
et 3
EJk qui
appartiendrait
à sans être dansl’image
deJLK(2)
q3
dans La
conjecture
deLeopoldt
étant validepour K
(et
pourk),
cecine
peut
se réaliser que siy2
=~2n ~ z
où ycorrespond à t)
et z à 3, avec~2n E
~CK(2).
Mais~K : k]
ne seraitplus
impair.
Dans la
suite,
nousregardons
seulement le cas où K = E k.Comme nous le
rappelons
dansl’introduction,
leproblème
de latrans-mission de la
2-régularité
(i.e.
de la trivialité derg2(R2k))
estcomplètement
résolu par les travaux de[GJ]
et[MN].
Des chercheurs(voir
début du§3)
ont résolu leproblème
de la transmission de la «2-régularité
» . . Cettepropriété
se traduit ici par les conditionséquivalentes
suivantes :(iv)
K n’aqu’un
idéalpremier,
au dessus de2,
CLK(2) _ (c~n))(2)
et les S-unités réalisent toutes les
signatures.
Pour la
propriété
(sdse),
desphénomènes plus
fins localement sont àregarder.
Onpeut
voir enparticulier
que ce n’estplus
unepropriété
héréditaire
(si
un corps lapossède,
il n’en est pas forcément de mêmepour les
sous-corps).
Rappelons qu’interviennent
dans sonexpression
lesécritures locales en 2 d’un
système
d’unités fondamentales de K et degénérateurs
d’idéaux enrapport
avecClK(2)
(§2),
ceci modulo les carrés locaux. Notons que si nouspossédons
cesrenseignements,
il nous estalors
possible
de vérifiernumériquement
laconjecture
deLeopoldt
dans lecorps K
pour lepremier 2, qu’entraine
lapropriété
(sdse).
Bienen-tendu,
lescouples
{l~, ,K)
avec même nombre de Dirichlet(ceci
n’arrive quesi K = x E
kx,
K tot.complexe
et k tot.réel)
voire mêmes unitéssont ceux dont l’étude est la
plus
aisée.Pour illustrer ces propos, nous avons traité
l’exemple
des corps l~ = , où m est comme au§3.
PROPOSITION 4. Résultats pour les corps
imaginaires J
où
(*)
signifie
que nousimposons la
condition 2 +V2 fi;
NOTA. Dans le cas 3 et 4 ci-dessus la
2-partie
du n-noyau modéréeK20K)(2)
estengendrée
par lesymbole - 1, 1 +
Justifications
de ces résultats : pour les cas 1 et2,
il est aisé de voirgrâce
à la formule des classes
ambiges
citée au§5
que 1~ transmet sa2-régularité
à K. Les autres cas amènent des calculs
analogues
à ceux décrits au§4
mais
grandement
facilités par lapersistance
de 1 +V2
à être encore l’unitéfondamentale de K.
De
plus,
notons que pour les cas 4 à6, CI K ) C4 ~ C2.
En restant dans ces casparticuliers:
LEMME 6. Soient comme ci-dessus K et k avec le même norrzbre de i=r
Dirichlet noté r. Ecrivons
Ek =
Supposons
deplus
(êi)PII
Ei=i
(kI)8
pour Pchaque
Pu pu2.
2.
0 On a o alorsrg2 (H2K) >
-
r(et
dedemême pour
1),
avecégalité
àgauche
sous laconjecture
deLeopoldt.
Preuve. De telles écritures locales d’un
système
d’unités fondamentalesfont
apparaître
autant decomposantes
cycliques
dans le groupe de GaloisLes
espoirs
de ne pas traiter que des casparticuliers
(cf
lemme5)
lorsque
l’on ne s’autorise que des calculs dans k sont minces. Les
arguments
« traditionnels » à base de théorie du corps declasses,
de classes d’idéauxambiges
ne fournissentqu’une première
approximation
en nousindiquant
siune extension K = de J~
ayant
(sdse)
ou n’en étant pastrop
éloignée
est
susceptible
deposséder
cettepropriété
(sdse).
Après
cetravail,
en toutegénéralité,
nous ne proposons pas d’alternative à l’action de travailler dansK pour vérifier
numériquement
laconjecture
deLeopoldt,
pour calculer des dimensions de radicaux kummériens tels(8 K ,
RÉFÉRENCES.
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Université de Bordeaux 1
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