Groupe de travail
d’analyse ultramétrique
D ANIEL B ERTRAND
Lemmes de Schwarz et lemmes d’approximations dans les domaines ultramétriques
Groupe de travail d’analyse ultramétrique, tome 3, no2 (1975-1976), exp. noJ8, p. J1-J12
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LEMMES DE SCHWARZ ET LEMMES D’APPROXIMATIONS DANS LES DOMAINES
ULTRAMÉTRIQUES
Daniel BERTRAND
~y.~ AMICE,
P..ROBBA)
3e
année,, tg5/76:,
n°J8,
1.2 p.Journées
d’analyse ultramétrique [1976. Marseille-Luminy]
1!~ Motivations.. ’
A l’instar de leurs
analogues archimédiens,
laplupart
des démonstrations de transcendancep-adiques
conduisent à considérer la valeur absolue d’un nombrealgé- brique
non nul. Dans les deux cas~ une. formule duproduit
sur les corps de nombrespermet
d’en obtenir une minoration. Lamajnration
de cette valeur absolue reposesur des
considérations analytiques.
Le nombre étudié est valeur d’une fonction ana-lytique
que l’on saitêtre
nulle(resp. petite)
en de nombreuxpoints.
Oninvoque
alors un lemme de Schwarz
(resp.
un lemmed’approximation)
pour obtenir lamaj ora-
tion désiréeo -
Rappelons
cequ’exprime
cetype
delemmes,
enprécisant quelques
notations.Soit K un corps valué
ultramétrique complet,
decaractéristique 0 t
et de ca-ractéristique
résiduelle p . Nousnotons ’1 1 (resp. v )
la valeurabsolue
(resp,
lavaluation)
normalisée deK ,
et|K*| (
le groupe des valeurs du groupe* .
multiplicatif
K .Soit
f == Z ~. a Xn
une, série entière à coefficients dansK ,
tellequ’iL
exis-te un nombre
réel
R >.
0 vérifiant lim,
a t Rn
= 0/ .~Alors,
f définit unefonction
analytique
sur ledisque circonférencié
Pour tout nombre réel r tel
que 0 r 9 ,
posonsjfj (
= supn0 |an| rn.
On a
S.i K est
algébriquement clos,
ou,plus généralement,
si son corpsrésiduel
est infini et si|K*|
est dense dans ~R+ ,
alorset
l’inégalité (1) exprime
leprincipe
du maximum.Le but d’un "lemme de Schwarz"
(resp.
d’un "lemmed’approximation")
est d’amé-liorer sous
l’hypothèse
quef,
ainsiqu’éventuellement
ses pre- mièresdérivées, prennont
des valeurs nulles(resp. petites}
en certainspoints
de
D(0 , r+) .
Ces lemmes sontexposée au §
etau §
3 de cet article.Nous abordons
également
cetype
deproblèmes
pour des fonctionsanalytiques
surune couronne
(,§ 2,2°) ,
et pour des fonctionsanalytiques
deplusieurs
variables(§ 4).
Nousindiquons
danschaque
situation comment les résultats obtenuspeuvent
être
appliqués
à la théorie des nombres transcendants.Les démonstrations données ci-dessous
reposent,
dans laplupart
des cas, sur la théorie dupolygone
de Newton.. Ainsi que nous le mentionnons au cours del’exposé,
d’autres
méthodes peuvent
bien entendu être utilisées~2. Lemmes de Schwarz.
10 Cas des
disques :
Nous reprenons les notations introduitesau §
11.PROPOSITION 1i
([5],
prop.3 ; ~8]~
prop.1.)~ - Soient
f unefonction
analytiquesur le
disque R+ ~. ~ et r 2
deux nombresréels
tels cfueh le nombre de zéros de f
(comptés
avec leur ordre demultiplicité),
dans leAlors,
siri;:;:’ r2 ’
La
proposition
1t est l’énoncé du lemme de Schwarzclassique.
Ladémonstration, qui
en est donnée dans[8]~
utilise la des normes f.-+- If 1 r.
surl’algèbre
des fonctions-analytiques
surD(O, R~). (voir [1], § 3.5.1.).
On noteraque cette
propriété permettrait
aussi de montrer laproposition
2énoncée
ci-des-sous..
Démonstration. -
Soitf(z) a n z.~
ledéveloppement
deTaylor
de f àl’originee.
Pour tout nombre réel p,~
M = -(log R)/(,log
notonsde sorte que si r =
p’"1J. ,
on aIfl
=p-v(f, ).
pouri = 1 , 2 , définissons
lenombre i
parri
=,et considérons
la fonction de Newton de fdont le
graphe
est lepolygone
de Newton de f . Sin(f, ~1:) (resp. N(f , ~1) )
désigne
leplus petit (resp..
leplus grand)
entier tel queen a, pour
tout S
E1), N’(f , f.L1)J ,
ettout
M .,pef , S)
=.v(f , »l’
l’inégalité exprimant
la convexité dupolygone
de Newton(voir [4], [1] ). Ainsi,
v(f , ’? v(f , yà). ,
soitChoisissons 03BE = N (f , 1) .
Le nombre h de zéros de f dans ledisque
étant
inférieur
ouégal
àM(f , ~,.) ,
on a, pour r =r~ ~
Applications. -
Laproposition
1~ est couramment utilisée dans les démonstrations de transcendance(étude
deslogarithmes
de nombresalgébriques, fonctions ellipti-
ques de
We i l-Lu tz , e tc . ) .
Remarque.
- L’inégalité (2)
vaut pour toute valeur de r R . onobtient en
particulier
Mais
p,.). désigne
le nombre de zéros de f(comptés
avec leursmultipli- cités)
de module: dans une clôturealgébrique
de K . SiD(O, r ) désigne
le
disque
noncirconférencié (z. ~ K, )z) r) ,
on a doncdémontré
laproposi-
tion suivante..
PROPOSITION 2 . - On suppose K
algébriquement clos. et on reprend
les notations de laproposition Soit l
le nombre de zéros de f dansr.;) (de
sorteque l h). Alors, si r1 r ,
on a.
2~
Cas des couronnes : Les notations du§
1 segénéralisent
à l’étude des fonc- tionsanalytiques
sur une couronne de K ~ Si f =~~ ~~
~’désigne
une sérieformelle à coefficients dans
K ,
onnote,
pour tout nombreréel.
r >Q $
(Si
K estalgébriquement clos,
et si rappartient
àIK*I,
on a,lorsque
cesexpressions
sont définiesIflr
=If(z)1 )~
Par
ailleurs,
pour tout nombreréeL x ~ 1 ,
nousdésignons
par C la couronne{~
EK. t x"" 1 1 ~ 1 z t ~ x)
.x
PROPOSITION 3
(~,
lemme2). -
SoientR ~
n >1
deux nombresréels,
fune
fonction analytique surCR
admettant h zéros(comptés
avec leurs ordres demultiplicité)
dans et posons a =(log r)/(log R) . Alors,
on ai i i > tout élément ç
d eCR , 1 f(t;>.. 1
(r R)(T-03B1)h/2sup, |f|R
t,le démonstration de
[2]
utilise lapropriété
demultiplicativité
des normesf -
Ifl lx
surl’algèbre
des fonctionsanalytiques sur CR ’
pourR-1
x R .Ainsi que me l’a
indiqué
P.ROBBA,
onpeut également
démontrer laproposition
3 aumoyen de la théorie du
polygone
de valuation.Démonstration. - Soit £(z) = ¿nEZ a n zn
la série de Laurent de f àl’origine.
Pour tout nombre
réel
telque
M =(log R)/(log p) (prendre garde
auchangement
designe 1),
notonsde sorte que, si r
= # ,
on a1 f 1 r
= Nous nous proposons tout d’a- bord de montrerl’ inégali té ( i i ) ..
Nous reprenons la définitionet nous posons x =
jjj
Soit
Y1
=v(f , p,), - ~x
l’ordonnée dupoint M1
d’abscisse xsitué
sur lepolygone
de NewtonP~
de f., Si f étaitinversible
dansl’algèbre
des fonc-tions
analytiques
sur(z
~K, , p~ ~ v(z)
> -~J ,..
lepolygone
aurait uncôté
sur la droite
D
depente (,qui correspond
àr ) passant
parM 11 (sous l’hy2014
pothèse
que h est >0 ).
DoncP f
estsitué,
dans l’intervalle[x t,
. x + ’sous la droite D
(voir (4],.,
SoitY2 = w»
+(h - x)
l’ordonnée chjupoint )
d’abscisse x ~ h sur la droite D . La convexité dupolygone
de New-ton entraîne alors que
v(f , M)
estinférieur
ouégal
à l’ordonnéey~
=y.
du
point ~
d’abscisse 0 situé sur la droite depente -
M(correspondant
àR-1 ) passaht
parM...
Demême, v(f, -M)
est inférieur ouégal
àl’ordonnée
Y4
=Y2 - M(x ... h)
dupoint M4 (voir figure)~
Ainsi $
on aL’hypothèse. M permet d’éliminer
x entre ces deuxinégalités.
O.n obtientsoit,. d’après
la définitionde a = (log R)
=C’est
l’inégalité Cii)
recherchée.L’inégalité (.i)
s’en déduit au moyen du chan-gement
de variable z -~-z*~’ ~
On tire alorsl’ inégalité (iii).
du"principe
dumaximum" (voir {~6~,
th,11)
Applications. -
Laproposition
2s’applique
à l’étude de certainespropriétés
arithmétiques
des fonctionselliptiques
de Tate.3. Lemmes
d’approximations.
Le fait
qu’une
fonctionanalytique
soitpetite
sur un ensemble r depoints
deson domaine de convergence
n’apporte guère
d’information si lespoints
de r sonttrès
rapprochés.
Il faut donc introduire unehypothèse supplémentaire
deréparti-
tion,
ouconsidérer
defaçon plus générale,
la distance minimale despoints
de r .Nous n’étudierons ici que les fonctions
analytiques
sur undisque.
, 1,o Le cas
qénéral :
Nous reprenons les notationsdu §
1..HYPOTHÈSES (H1.) :
la fonction f est analytique surD(O, R+) ;
soient run
sous-ensemble deD(O , r~)
cD(0 , R~)
de cardinalh ~
2 k un nombraentier >
0 ;
pour tout entier n, on note n-ièmedérivée
def,
on pose:
enfin,
en raison desapplications (et
pouralléger
certainscalculs),
nous suppo-serons que 6 est inférieur au rayon de convergence de
l’exponentielle,
de sorteque, pour tout entier
Î $: 1’ *
Dans ces
conditions,
J.-P. BEZIVIN a obtenu le lemmed’approximation suivant,
oùl’on suppose en outre que
R==1,
etIl utilise pour cela certains
polynômes d’interpolation.
Unetechnique
similaireest
exposée
dans[7/]
et[9].
Nous allons montrer le résultat suivante PROPOSITION 4. - Sous leshypothèses (H1) ,
on aDémonstration. - Soit K le
complété
de laclôture algébrique
de K., Pour toutnombre réel
p # 0 ,
notonsD(O, p+) (resp.. l(,Q , p -) )
ledisque circonféren-
cié(resp.
noncirconférencié)
de K de rayon p. Deux caspeuvent
seproduire:
1.er cas : La fonction f a au moins hk zéros
(comptés
avec leurs ordres demultiplicité)
dans ledisque 1(;O , r+), ..
En vertu de laproposition 1~ appliquée
à
1 ,
on a|f|r
2ème cas : La fonction f a au
plus
hk - 1 zéros(comptés
avec leurs ordres demultiplicité)
dans ledisque D(Q , r ) ~ Puisque
lesdisques (D(y , 5; ; "1 E r)
sont
disjoints,
il existe alors un élément"10
de r tel que f a auplus
k-11zéros dans
6-) .
Onpeut,
sansperte
degénéralité,
supposer que"10
= 0(car If(z -
=)~
Posons a = -(log 6)/(log p) t
et reprenons les notationsdu § 1,1°.
Enparticulier, n(f , a)
est le nombfe de zéros de f dans ledisque D(0 , 6") ,
et l’on a donc :n(f , (y) fi
k - 1, . La définition den ( f , a) entraîne
alorssoit
d’où,
en vertu deshypothèse s
Mais la fonction f a au
plus
hk - 1 zéros dansr+) .
On tire donc de laproposition
2l’inégalité Iflô ’
et laproposition
4. est dé-montrée.
L’idée de
distinguer
les deux cas de cette démonstration m’a étésuggérée
par P.ROBBA, qui
a obtenu le résultat suivant :PROPOSITION 5 Sous les
hypothèses (B1)’
en supposant R =1 ,
en
notant 03B2
=(log &)/(log r)
1; :Pour démontrer la
proposition 5,
onpeut reprendre
la démonstrationprécédente jusqu’à l’inégalité ~3~
incluse. Le lemme des trois cercles de Hadamardp-adique
(convexité
dupolygone
devaluation)
fournit alorsl’inégalité :
C’est
l’inégalité qu’exprime
laproposition
5 dans le cas où.(1/a)
= 0 .Applications~ 2014
Laproposition
4:peut
être utilisée. pour obtenir des résultatsd’approximation diophantiennes
par les méthodes de la théorie des nombres trans- cendants(minoration
de combinaisons linéaires delogarithmes p-adiques
de nom~bres
algébriques, etc..).
Du fait de la minoration donnée par la formule duproduit (voir § 1 ) ,
on doit engénéral imposer
que le "termed’approximation"
soit infé-rieur ou
égal
au terme donné par le lemme de Schwarz. Laproposition
5 donne alorsune estimation similaire
(,on
ar 1i/ t3 ) si, et seulement si,
rhk |f|1 / ( r/03B4)hk) .
1 1,
r |f|1 e(r/6) ) .
1
20e Ensembles très bien
répartis :
Lespropositions
4 et 5 sont en un sensopti- males,
comme le montrel’exemple
de la fonction .De
façon plus précise, plaçons-nous
dans le cas où tous les éléments de r sont.équidistants,
et supposons que K soitalgébriquement
clos. S i f a 1 z&-ros dans le
disque D (0 , R+), ,
tous situés sur ledisque 03B4+) (par exemple
s i
f(z)
=d (k - 1.)! )-1.
,03B3~03B3O (x - y)k )’t
on aMais,
pour tout élémentV de r 9
= l’inégalité (3)
ne
peut
être améliorée.On
peut
néanmoinspréciser
lespropositions
4. et 5 dans le cas d’ensembles rparticuliers.. Ainsi,
si r est le sous-ensemble deD(O, ~1~ formé
des h pre-miers él émen ts de la sorte que
on a la
proposition
suivante.PROPOSITION
6. (~7],.
lemme4.). -
Onreprend les hypothèses (H1) ,
avecet
on suppose enoutre
queR=1 ,
1i .’Alors,
Démonstration : Voir
[9].
On notera d’une
part
que l’ensemble rconsidéré
à laproposition
6 est trèsbien
r éparti,
en ce sens que si h =p03BD ,
il estisomorphe
à(Zp/p03BD Zp) .
D’autrepart,
et c’est là une distinctionfondamentale, puisque
Q est localementpact,
c’estjf(ph)j ,
et non pasjfj . qui
a étéétudié §
defaçon plus gêné-
rale,
lamajoration
de laproposition
6: vaut pour(d’après [9] ,
lemme8p,
et unargument
dedensit.é) .
Question
1. s Peut-on améliorerl’exposant
der/ô
dans laproposition 4.,
sousl’hypothèse
que r est très bienréparti ? Supposons
dans ce cas que K soit lo-calement
compact. Que peut-on
alors dire de. zparcout l’idéal-
maximal de l’anneau des entiers de K
(avec
R = 1) ?
4:.. Le cas de
plusieurs
variables.n n
Soit f =
1
ant,...,nd X1 ... Xd
=¿
an Xn
une série formelle à d v:ariable.s à coefficientsdans K,
t.ellequ’il
existe un nombre réel R > G. v.érifiantAlors,
f définit une fonctionanalytique
sur lepolydisque
QÙ
~z~
.. =z. J. 1 désigne
la normeultramétrique
di*l.Kd.
Pour tout nombre réel r tel que
0 r R .
posons |f|r =sup|an| Î
L’application
f ~Îf |r
définit ici encore une normenultiplicative
surl’algèbre
a
(Ji.):
des fonctionsanalytiques
surB(,O , R~), ,
e,t l’on a1° Lemmes de Schwar : Soit r
R ,
et r un sous-ensemble deB(O. r +); .
Sid > 2 ,
le diviseur des zéros de f est engénéral
infini. La considération du cardinal de suffit donc pas à fournir un lemme deSchwarz,
et l’ondoit~
comme
au § 3 ,
introduire deshypothèses
ou desparamètres supplémentaires.
Supposons
ainsi que r est un sous-ensemble de etqu’ il
existe un nom-bre tel que
Inapplication
r ~(.Z /p"
soitbijective ( cas
très bien
réparti ;
on notera que r n’est pas nécessairement unproduit).
Onobtient alors le résultat suivant
(avec
R > r = k = 1i)
:PROPOSITION
7~([B~ proposition 2),. -. Si.
f s’annule surr ,
on aDémonstration : voir-
(8J
...L’exposant pv
de~1~A~ 9 qui provient
del’hypothèse
de bonnerépartition;
peut également
êtreinterprété
comme leproduit
par p de l’inverse de la distan-ce minimale des
points
de r ~. Dans le casgénéral,
ceci conduit à poser la ques- tionsuivante~ qui précise
une remarque deQuestion
2 : Peut-on obtenir un lemme de Schwarz nontrivial,
dutype
te L que
l’exposant ~
de(r/R).
nedépende
que dePar
ailleurs,
laproposition
7i ne tien’: pascompte
desmultiplicités,
et il se-rait
intéressant
de résoudre leproblème suivant, également posé
par S. LANG ~Question
3 : Onreprend
leshypothèses
de laproposition 7,
et on suppose en outre que f s’annule sur r avec un ordre demultiplicité > k ~ où
kdésigne
unnombre entier > Q. ,"- Peut-on améliorer
l’exposant de (1/R)
en fonction de k ?Dans le cas
général, désignons
para(x ,
r ,k~ 9
pour r ~x ~ R ,
l’ensembledes fonctions de
OL(~) qui
admettent lespoints
de r pour zéros demultiplicité
~
k.. Sanspréjuger
de laréponse
auxquestions
2 et3,
nous noteronsle
plus petit
nombre réel tel que(L’ensemble OL(x ? r ? k) ,
muni de lanorme ||x,
est un espace de Banach.D’après l’inégalité (4),
la restrictionTIR p
de(CL(R ? r , 1 |R}
àd(~r. ~
r ,k) ; 1 Ir)
estcontinue,
et le nombreS(,r 9 R ,., r , k.),
est en faitla de
03C0R.r )/
Applications. -
Laproposition
7permet
d’étudier certainespropriétés
des carac-tères
multiplicatifs
du groupe .(Z ) ~
La connaissance du nombreS(r , R , r , k) pourrait permettre
dl obtenir des résultats de transcendance liés àl’exponentielle.
p-adique
sur certaines variétés abéliennes.Remarque~ - Les
analogues
archimédiens desquestions 2
et 3 sont maintenant ré- solus : le lemme de Schwarz àplusieurs
variablescomplexes,
dû à STOLL etBOMBIERI, permet
demontrer,
au moyen d’une évaluation de la masse moyenne du diviseur des zéros def, qu’il
existe une constante c ~ nedépendant
que de la dimensiond,
telle que, si r
cR ,
on a, avec les notations desquestions
2 et3 ,
(voir [3~ ~ 2 ~
lemme2° Lemmes d’approximations : Nous supposons désorma is
S(r, R ,
0393 , k) connu dans le casgénérale
et nous montronscomment,
sanshypothèses supplémentaires
surr ,
onpeut
obtenir un lemmed’approximations
àplusieurs
variables au moyen des seulsparamètres
introduitsau §
30..1/) cHYPOTHÈSES (H.) s
On considère un élément f de un sous-ensemble r de8(0 , r +) ~ B(O, R+),
de cardinaLh 2 fini,.
et un nombre entierk > 0 ;
pourtout élément n de
!!.d ,
on noteDn
la dérivation: à’/ô
nlz1
... ànd zd ,,et
on pose :
enfin,
on supposeici encore que 03B4 p-1/(p-1).
PROPOSITION
8. -Sous
leshypothèses ~~ ~ 9
tR11
=R) ,
Démonstration. - Nous nous proposons de
construire,
en toutpoint y
de r , unpolynôme F
à dvariables,
dedegré totaL ~ (h + 1),k - 2 ~ vérifiant
ouf
H(F03B3).
=IF 03B3|1
ldésigne
le maximum des valeurs absolues des coefficients deF ’V ,.
et tel que, pour toute dérivation d’ordre
lnl k t
on aitC.onsidérons alors le
polynôme F = i yE
rF~
y
. La fonction f - F s’annule sur r
avec un ordre de
mul tiplici té ~
kB . On tire donc de la défini tion(5)
Mais
)?) ~R
etS(r , R , r, k)
1(en
vertu dei,inégaiité (4.)).
Ain-si
Comme sup
y
deg F
supy
deg F03B3, on
aet la
proposition
8 se déduit desinégalités précédentes.
Il reste à construire les
polynômes
F . Soityo
unpoint
de r . Comme au§ 3,
onpeut
supposer, sansperte
degénéralité,
queVa
estplacé
àl’origine,de
sorte que
{y ~ r , y /:. YQ) ’
on aet le
développement
deTaylor
de f àl’origine
s’écritPosons
Q(z) = an
Leshypothèses ~~~~ 5 eô-{k-1) .
Pour tout élément y . de soient
y,
l’une des ooordonnées de y telle que|03B3m 1
=lIyll,
et Ly laprojection Kd
~K ,
f y (z)
=zm .
’
y , y
Considérons le
polynôme
On a
H(P)
=Soit
ô11
un nombreréel,
a61
6 .Puisque :s:>. (y) 1 ~6
pour toutpoint
yde la fonction P est inversible dans
p-1(z)
=l q~ zn
soninverse,
et posonsPar
définition,
on a |qn| |p-1|03B41/03B4|n|1.Mais * et
n
§~
lS~
t?)
= 1;(car
z v -03B3m03B3| = |03B3m03B3 [ pour ~z~ l’ = g 1 |03B3m|).
On en déduit
d’où,
en faisant tendre81
vers 8:H(R) ~ Ô-(k-1)
8Considérons alors le
polynôme
F= QPR t
Ledegré
total de F est inférieurYo ~0
.ou
égal
à(k -1)
+(h - t’)k + k - 1
=(h + 1 )k - 2 ,
et l’on aEnfin,
pourJn) k ~
on vérifie aisément que l’on aD~
F(~)
=~0 pour toutm
~
point
y der~~ et$ puisque PR=~ +~-{ ! ~ c z ,
Le
polynôme
F satisfait donc aux conditionsrequises,
et laproposition
8 estdémontrée.
Applications. -
Laproposition 8, jointe
au calculS(r, R ,
r ,k) , pourrait
fournir des résultats
d’approximation diophantiennes p-adiques
sur certainesvariétés abéliennes.
Question 4 :
L’idée surlaquelle
repose la démonstrationprécédente
a été initiale-ment
exploitée
dans le cas archimédien(voir [3], App. 2).
Laproposition
8peut-
elle
être prouvée
defaçon "plus p-adique", et,
enparticulier, peut-on en
améliorerle résultat dans le cas où r est très bien
réparti ?
BIBLIOGRAPHIE
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VANDER
POORTEN(A.). - Computing
theeffectively computable
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thep-adic
case(à paraître).
(Texte
reçu le 15juillet 1976)
Daniel BERTRAND
Centre de
Mathématiques
Ecole
Polytechnique
Plateau de Palaiseau 91128 PALAISEAU CEDEX