HAL Id: hal-00407542
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Preprint submitted on 12 Jan 2010
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Équidistribution galoisienne d’une classe d’isogénie de courbes elliptiques
Rodolphe Richard
To cite this version:
Rodolphe Richard. Équidistribution galoisienne d’une classe d’isogénie de courbes elliptiques. 2006.
�hal-00407542�
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◆♦t♦♥s Γ ❧❡ ❣r♦✉♣❡ ♠♦❞✉❧❛✐r❡ Γ(1) := PSL(2, Z) q✉♦t✐❡♥t ❞❡ SL(2, Z) ♣❛r s♦♥
❝❡♥tr❡ { +Id; − Id }✳ ❈❡ ❣r♦✉♣❡ ❛❣✐t à ❣❛✉❝❤❡✱ ♣❛r ❤♦♠♦❣r❛♣❤✐❡s✱ s✉r ❧❡ ❞❡♠✐✲♣❧❛♥
❞❡ P♦✐♥❝❛ré H := { z ∈ C |ℑ (z) > 0 }✿
± a b c d
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❛♣♣❧✐q✉❡ τ s✉r a · τ + b c · τ + d .
❖♥ s✬✐♥tér❡ss❡ à ❧✬❡s♣❛❝❡ q✉♦t✐❡♥t Γ \ H ✱ q✉❡ ❧✬♦♥ ♠✉♥✐t ♥❛t✉r❡❧❧❡♠❡♥t ❞❡ ❧✬✉♥✐q✉❡
str✉❝t✉r❡ ❞❡ s✉r❢❛❝❡ ❞❡ ❘✐❡♠❛♥♥ ❢❛✐s❛♥t ❞❡ ❧✬❛♣♣❧✐❝❛t✐♦♥ H → Γ \ H ✉♥ r❡✈êt❡♠❡♥t
❤♦❧♦♠♦r♣❤❡✱ r❛♠✐✜é ❛✉✲❞❡ss✉s ❞❡s ❞❡✉① ♣♦✐♥ts q✉❡ s♦♥t ❧❛ ❝❧❛ss❡ ❞❡ i ❡t ❝❡❧❧❡ ❞❡
❧❛ r❛❝✐♥❡ ❝✉❜✐q✉❡ ❞❡ ❧✬✉♥✐té (1 + i √ 3)/2✳
❈❡ r❡✈êt❡♠❡♥t s❡ ❞é❝r✐t ❛✐♥s✐✿ ❧❛ ❢♦♥❝t✐♦♥ ♠♦❞✉❧❛✐r❡ j s✉r H ❡st ❞♦♥♥é❡ ♣❛r
❧❛ sér✐❡ ❞❡ ▲❛✉r❡♥t à ❝♦❡✣❝✐❡♥ts ❡♥t✐❡rs ❜✐❡♥ ❝♦♥♥✉❡ ✭❬✷✶❪✱ ❱■■✳➓✸✳✸✮
j(τ) = 1
q + 744 + 196884 · q + . . . ✱ ♦ù q = exp(2πiτ),
❞❡ r❛②♦♥ ❞❡ ❝♦♥✈❡r❣❡♥❝❡ 1 ❡♥ q✳ ❈❡tt❡ ❢♦♥❝t✐♦♥ ❡st ✐♥✈❛r✐❛♥t❡ s♦✉s ❧✬❛❝t✐♦♥ ❞❡ Γ
❡t ✐♥❞✉✐t ✉♥ ❜✐❤♦❧♦♠♦r♣❤✐s♠❡
Γ \ H →
∼C .
▲❛ ❢♦♥❝t✐♦♥ j ❢❛✐t ❛✐♥s✐ ❞❡ H ✉♥ r❡✈êt❡♠❡♥t ❤♦❧♦♠♦r♣❤❡ ❞❡ C ✱ ❣❛❧♦✐s✐❡♥ ❞❡
❣r♦✉♣❡ Γ ❡t à r❛♠✐✜❝❛t✐♦♥ ❞♦✉❜❧❡ ❛✉ ❞❡ss✉s ❞❡ j = 1728 ❡t tr✐♣❧❡ ❛✉ ❞❡ss✉s
❞❡ j = 0✳
▲✬✐♥t❡r♣rét❛t✐♦♥ s✉✐✈❛♥t❡ ❡♥ t❡r♠❡s ❞❡ ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s ❡st ❜✐❡♥ ❝♦♥♥✉❡✿
à t♦✉t ♣♦✐♥t τ ❞❡ H ♦♥ ❛ss♦❝✐❡ ❧❡ rés❡❛✉ Z + τ Z ❞❡ C ❛✐♥s✐ q✉❡ ❧❡ t♦r❡ q✉♦✲
t✐❡♥t E
τ:= C/(Z+τZ) ✳ ❈❡ ❞❡r♥✐❡r ❡st ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡✳ ▲❛ ❝❧❛ss❡
❞✬✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡ ❞❡ E
τ❡st ❞ét❡r♠✐♥é❡ ♣❛r ✉♥ ♠♦❞✉❧❡✱ s♦♥ j✲✐♥✈❛r✐❛♥t j
Eτ∈ C
✭❬✷✸❪✱ ■■■✳➓✶✱ Pr♦♣✳ ✶✳✹✭❝✮✮✳ P❛r ❡①❡♠♣❧❡✱ ❧❛ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ E ❞♦♥♥é❡
♣❛r ❧✬éq✉❛t✐♦♥ ❞❡ ❲❡✐❡rstr❛ÿ ❤♦♠♦❣è♥❡
✶E : Y
2Z = X
3+ aXZ
2+ bZ
3, ❛✈❡❝ a, b ∈ C ✜①és✱
✶❖♥ ❝♦♥✈✐❡♥t ❛❧♦rs ❞❡ ❝❤♦✐s✐r ❝♦♠♠❡ ♦r✐❣✐♥❡ ❞❡ ❧❛ ❧♦✐ ❞❡ ❣r♦✉♣❡ s✉rE❧❡ ♣♦✐♥t ✓à ❧✬✐♥✜♥✐✔✱
❞❡ ❝♦♦r❞♦♥♥é❡s ❤♦♠♦❣è♥❡s[X:Y :Z] = [0 : 1 : 0]✳
✷
❛ ❝♦♠♠❡ ♠♦❞✉❧❡ j(E) = 1728(4a)
3/16(4a
3+ 27b
2)✳ ❊♥ ❢❛✐t ❝❡t ❡①❡♠♣❧❡ ❡st
❡①❤❛✉st✐❢✿ t♦✉t❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ ❡st ✐s♦♠♦r♣❤❡ à ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❞✉ t②♣❡
♣ré❝é❞❡♥t ✭❬✷✸❪✱ ■■■✳➓✸✱ Pr♦♣✳ ✸✳✶✮✳ ❉❛♥s ❧❡ ❝❛s ❞❡s ❝♦✉r❜❡s E
τ✱ ✐❧ s✬❛❣✐t ❞❡
❧✬éq✉❛t✐♦♥
Y
2Z = 4X
3+ 60G
4(τ)XZ
2+ 140G
6(τ)Z
3❞♦♥t ❧❡s ❝♦❡✣❝✐❡♥ts s✬♦❜t✐❡♥♥❡♥t à ♣❛rt✐r ❞❡s sér✐❡s ❞✬❊✐s❡♥st❡✐♥ G
4❡t G
6✳ ❉❡
❧❛ s♦rt❡ ❧✬✉♥✐❢♦r♠✐s❛t✐♦♥ ❞❡ E(C) s✬♦❜t✐❡♥t ✭❬✷✸❪✱ ❱■✳➓✹✱ Pr♦♣✳ ✸✳✻✮ ❛✉ ♠♦②❡♥ ❞❡
❧❛ ❢♦♥❝t✐♦♥ ℘(z; τ) ❞❡ ❲❡✐❡rstr❛ÿ✱ ❡t ❞❡ s❛ ❞ér✐✈é❡ ℘
′(z; τ) ❡♥ ❧❛ ✈❛r✐❛❜❧❡ z✱ ♣❛r
❧❛ ❢♦r♠✉❧❡
C → E(C) z 7→ [℘(z; τ) : ℘
′(z; τ) : 1].
▲❡ rés✉❧t❛t ♣r✐♥❝✐♣❛❧ ❞❡ ❝❡ t❡①t❡ r❡❧✐❡ ❞❡✉① ❝♦♥str✉❝t✐♦♥s ♥❛t✉r❡❧❧❡s s✉r Γ \ H ✿
✶✳ ❉✬✉♥❡ ♣❛rt ✐❧ ❡①✐st❡ s✉r H ✉♥❡ ♠❡s✉r❡ ❜♦ré❧✐❡♥♥❡ ✐♥✈❛r✐❛♥t❡ ♣❛r ❤♦♠♦❣r❛✲
♣❤✐❡s✱ ✉♥✐q✉❡ à ✉♥❡ ❝♦♥st❛♥t❡ ♠✉❧t✐♣❧✐❝❛t✐✈❡ ♣rès✳ ❖♥ ❝❤♦✐s✐t ✉s✉❡❧❧❡♠❡♥t
❧❛ ♠❡s✉r❡ ❞❡ P♦✐♥❝❛ré✱ ❞♦♥♥é❡ ♣❛r ❧❛ ❢♦r♠❡ ✈♦❧✉♠❡
y
−2· ❞x ∧ ❞y = i/ ℑ (τ)
2· ❞τ ∧ ❞¯ τ .
❖♥ ❡♥ ❞é❞✉✐t ✉♥❡ ♠❡s✉r❡ ❧♦❝❛❧❡♠❡♥t ✜♥✐❡ µ ˜ s✉r ❧❛ ❜❛s❡ ❞✉ r❡✈êt❡♠❡♥t Γ \ H ✳
❈✬❡st ✉♥❡ ♠❡s✉r❡ ❞❡ ♠❛ss❡ ✜♥✐❡✿ Vol(Γ \ H) = π/3 ✭❬✷✷❪✱ ❚❤é♦rè♠❡ ✷✳✷✵✮✳
❖♥ ❧✉✐ ♣ré❢ér❡r❛ ❧❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té µ :=
∼µ /(π/3)✱ q✉❡ ❧✬♦♥ ♥♦♠♠❡r❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té
❤②♣❡r❜♦❧✐q✉❡
✷✳
✷✳ ❉✬❛✉tr❡ ♣❛rt ❧❛ ❞r♦✐t❡ ❛✣♥❡ s✉r C ❡st ✉♥❡ ✈❛r✐été ❛❧❣é❜r✐q✉❡ ❞é✜♥✐❡ s✉r Q ✳
❊♥ ♣❛rt✐❝✉❧✐❡r ♦♥ ♣❡✉t ❝♦♥s✐❞ér❡r ❧✬❛❝t✐♦♥ à ❣❛✉❝❤❡ ❞❡ G al( C / Q ) s✉r ❧❡s j✲✐♥✈❛r✐❛♥ts ❞❡ ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s✳ ❊①♣❧✐❝✐t❡♠❡♥t✱ ét❛♥t ❞♦♥♥é ✉♥ ❛✉t♦✲
♠♦r♣❤✐s♠❡ σ ❞❡ C ✱ s✐
j = 1728(4a)
3/16(4a
3+ 27b
2)
❡st ❧✬✐♥✈❛r✐❛♥t j ❞❡ ❧❛ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ E ❞✬éq✉❛t✐♦♥ Y
2= X
3+ aX + b✱
❛❧♦rs
σ(j) = 1728(4σ(a))
3/16(4σ(a)
3+ 27σ(b)
2)
❡st✱ q✉❛♥t à ❧✉✐✱ ❝❡❧✉✐ ❞❡ ❧❛ ❝♦✉r❜❡ E
σ❞✬éq✉❛t✐♦♥ Y
2= X
3+σ(a)X +σ(b)✳
✷▲✬✐♠❛❣❡ ❞✐r❡❝t❡ ❞❡ ❝❡tt❡ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té s✉rC✱ ✐♥❞✉✐t❡ ♣❛r ❧❛ ❢♦♥❝t✐♦♥j✱ ❡st ✉♥❡ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té à ❞❡♥s✐té s✉rC✱ q✉❡ ❧✬♦♥ ♥♦t❡r❛ ❛✉ss✐µ❀ ❡❧❧❡ ❡st ❞♦♥♥é❡ ♣❛r ✉♥❡ ❢♦r♠❡ ✈♦❧✉♠❡ à ❝♦❡✣❝✐❡♥ts
❛♥❛❧②t✐q✉❡s✱ s❛✉❢ ♣❡✉t✲êtr❡ ❡♥0❡t1728✳ ❈❡s ❝♦❡✣❝✐❡♥ts s✬é❝r✐✈❡♥t ❡♥ t❡r♠❡ ❞❡ ❧❛ ❢♦♥❝t✐♦♥
❤②♣❡r❣é♦♠étr✐q✉❡2F1(−11//66 13//44;j)✳ ❊♥ ❡✛❡t✱ ❧✬✐♥✈❡rs❡ ❞❡ ❧❛ ❢♦♥❝t✐♦♥j❡st ✉♥❡ ❢♦♥❝t✐♦♥ ♠✉❧✲
t✐❢♦r♠❡ q✉✐ s❡ ❞é❝r✐t ❡♥ t❡r♠❡ ❞✬✉♥❡ éq✉❛t✐♦♥ ❞✐✛ér❡♥t✐❡❧❧❡ ❋✉❝❤s✐❡♥♥❡ ❞✬♦r❞r❡2à ❞❡✉① ♣ô❧❡s s✉rC✱ ❧✬éq✉❛t✐♦♥ ✭❤②♣❡r❣é♦♠étr✐q✉❡✮ ❞❡ P✐❝❛r❞✲❋✉❝❤s ✭❬✷✼❪✮✳
✸
❚♦✉t❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ E ❛❞♠❡t ✉♥❡ éq✉❛t✐♦♥ ❞❡ ❲❡✐❡rstr❛ÿ Y
2= X
3+aX +b ♦ù ❧✬♦♥ ❛ ❝❤♦✐s✐ a ❡t b ❞❛♥s ❧❡ s♦✉s✲❝♦r♣s Q (j(E)) ❞❡ C ✭❬✷✸❪✱ ■■■✳➓✶✱
Pr♦♣✳ ✶✳✹✮✳ ❘é❝✐♣r♦q✉❡♠❡♥t s✐ E ❡st ❞♦♥♥é❡ ♣❛r ✉♥❡ éq✉❛t✐♦♥ à ❝♦❡✣❝✐❡♥ts
❞❛♥s ✉♥ ❝♦r♣s K✱ ❛❧♦rs j(E) ∈ K✳ P❛r ❝♦♥séq✉❡♥t✱ ét❛♥t ❞♦♥♥és ✉♥ ❝♦r♣s L
✐♥❝❧✉s ❞❛♥s C ✱ ❡t ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ E ❛❞♠❡tt❛♥t ❞❡s éq✉❛t✐♦♥s à
❝♦❡✣❝✐❡♥ts ❛❧❣é❜r✐q✉❡s s✉r L✱ ❧✬✐♥✈❛r✐❛♥t j(E) ❡st ❛❧❣é❜r✐q✉❡ s✉r L❀ ❛✉tr❡♠❡♥t
❞✐t j(E) ♥✬❛❞♠❡t q✉✬✉♥❡ ♦r❜✐t❡ ✜♥✐❡ s♦✉s ❧✬❛❝t✐♦♥ ❞❡ G al(C/L)✳ ❖♥ ❝♦♥s✐❞èr❡
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✐♥✈❛r✐❛♥t❡ ♣❛r G al(C/L)❀ ♦♥ ❧❛ ♥♦t❡ δ
L(j(E))✳
▲❡ rés✉❧t❛t ♣r✐♥❝✐♣❛❧ ❞❡ ❝❡ t❡①t❡✱ ❞❛♥s ❧❡ ❝❛s ❞❡ ❧✬❡s♣❛❝❡ Γ \ H ✱ ❛✣r♠❡ q✉❡
❞❛♥s ❝❡rt❛✐♥❡s s✐t✉❛t✐♦♥s ♦♥ r❡tr♦✉✈❡ ❧❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té ❤②♣❡r❜♦❧✐q✉❡ µ ❝♦♠♠❡ ❧✐♠✐t❡
❞❡ ♣r♦❜❛❜✐❧✐tés ❛t♦♠✐q✉❡s ❞❡ ❧❛ ❢♦r♠❡ δ
L(j(E))✳ P❧✉s ♣ré❝✐sé♠❡♥t
❚❤é♦rè♠❡ ✶✳✶✳ ❙♦✐t L ✉♥ ❝♦r♣s ❞❡ t②♣❡ ✜♥✐ ❝♦♥t❡♥✉ ❞❛♥s C ✳
➱t❛♥t ❞♦♥♥é❡ ✉♥❡ s✉✐t❡ (E
n)
n∈N❞❡ ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s ❝♦♠♣❧❡①❡s ❞é✜♥✐❡s ♣❛r
❞❡s éq✉❛t✐♦♥s à ❝♦❡✣❝✐❡♥ts ❛❧❣é❜r✐q✉❡s s✉r L✱ s✉♣♣♦sé❡s ❞❡✉① à ❞❡✉① ♥♦♥ ✐s♦✲
♠♦r♣❤❡s✱ s❛♥s ♠✉❧t✐♣❧✐❝❛t✐♦♥ ❝♦♠♣❧❡①❡✱ ❡t ♠✉t✉❡❧❧❡♠❡♥t ✐s♦❣è♥❡s✱ ❧❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✲
✐té δ
L(j(E
n)) ❝♦♥✈❡r❣❡ ✈❡rs ❧❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té ❤②♣❡r❜♦❧✐q✉❡ µ ❧♦rsq✉❡ n t❡♥❞ ✈❡rs + ∞✳
❆✉tr❡♠❡♥t ❞✐t✱ ♣♦✉r t♦✉t❡ ❢♦♥❝t✐♦♥ ❝♦♥t✐♥✉❡ ❜♦r♥é❡ f : C → R ✱ δ
L(j(E
n))(f ) := 1
# G al(C/L) · j(E
n)
X
z∈Gal(C/L)·j(En)
f (z) → µ(f ) :=
Z
C
f ❞ µ
❧♦rsq✉❡ n → + ∞ .
❊♥ t❡r♠❡s ✐♠❛❣és✱ ❧❛ s✉✐t❡ ❞❡s ♦r❜✐t❡s ❞❡ j(E
n) s♦✉s G al(C/L) s✬éq✉✐❞✐str✐❜✉❡
♣♦✉r ❧❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té µ ❧♦rsq✉❡ n t❡♥❞ ✈❡rs + ∞✳
❉❛♥s ❧✬é♥♦♥❝é ✶✳✶✱ ❧✬❤②♣♦t❤ès❡ q✉❡ ❧❡s ❝♦✉r❜❡s ❝♦♥s✐❞éré❡s ♣r♦✈✐❡♥♥❡♥t ❞✬✉♥❡
♠ê♠❡ ❝❧❛ss❡ ❞✬✐s♦❣é♥✐❡ ❡st ✐♥❞✐s♣❡♥s❛❜❧❡✳ ◆❡ ❝♦♥s✐❞ér♦♥s q✉❡ ❧❡ ❝❛s ♦ù L = Q ✳
▲❡s ♦r❜✐t❡s s♦✉s G al( ¯ Q/Q) ❞❡ ♥♦♠❜r❡s ❛❧❣é❜r✐q✉❡s ♥✬♦♥t ♣❛s✱ ❡♥ ❣é♥ér❛❧✱ ❧❛
♣r♦♣r✐été ❞✬éq✉✐❞✐str✐❜✉t✐♦♥ é♥♦♥❝é❡✱ ♠ê♠❡ s✐ t♦✉t ♥♦♠❜r❡ ❛❧❣é❜r✐q✉❡ ❡st j✲
✐♥✈❛r✐❛♥t ❞✬✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡✳ ➚ t✐tr❡ ❞✬❡①❡♠♣❧❡ ❧❡s ♦r❜✐t❡s ❞❡ r❛❝✐♥❡s ❞❡
❧✬✉♥✐té s✬éq✉✐❞✐str✐❜✉❡♥t ❧❡ ❧♦♥❣ ❞✉ ❝❡r❝❧❡ ✉♥✐té✱ ❡t ✉♥❡ s✉✐t❡ ❞❡ s✐♥❣❧❡t♦♥s ❢♦r♠és
❞❡ ♥♦♠❜r❡s r❛t✐♦♥♥❡❧s ♥❡ ♣❡✉t ❛✉ ♠✐❡✉① s✬éq✉✐❞✐str✐❜✉❡r q✉❡ ♣♦✉r ✉♥❡ ♠❛ss❡ ❞❡
❉✐r❛❝✱ ❡t ❝❡ ✉♥✐q✉❡♠❡♥t s✐ ❝❡s r❛t✐♦♥♥❡❧s ❢♦r♠❡♥t ✉♥❡ s✉✐t❡ ❞❡ ❈❛✉❝❤②✳
❲✐❧❧✐❛♠ ❉✉❦❡ ❛ ♠♦♥tré ❧✬❛♥❛❧♦❣✉❡ ❞✉ rés✉❧t❛t ♣ré❝é❞❡♥t✱ ♣♦✉r ❧❡s ❝♦✉r❜❡s
❡❧❧✐♣t✐q✉❡s à ♠✉❧t✐♣❧✐❝❛t✐♦♥ ❝♦♠♣❧❡①❡ ✭❬✽❪✮✳ ❙❛ ❞é♠♦♥str❛t✐♦♥ ✉t✐❧✐s❡ ❞❡s ♠ét❤✲
♦❞❡s s♣❡❝tr❛❧❡s ✭❜♦r♥❡s ❞❡ s♦✉s✲❝♦♥✈❡①✐té ❞❡ ❇✉r❣❡ss✱ ❞✬■✇❛♥✐❡❝✱ ❧❡s ❝♦♥❥❡❝t✉r❡s
❞❡ ❲❡✐❧✱ ❧❡s ❢♦r♠❡s ❞❡ ▼❛❛ÿ✮✳ ❊❧❧❡ ♣❡r♠❡t ♣❛r ❝♦♥tr❡ ❞❡ ♥❡ ♣❛s s✉♣♣♦s❡r q✉❡
❧❡s ❝♦✉r❜❡s ❝♦♥s✐❞éré❡s s♦✐❡♥t ✐s♦❣è♥❡s✳
❯♥ ♣r❡♠✐❡r ❢❛✐t ♥♦♥ tr✐✈✐❛❧ ❝♦♥t❡♥✉ ❞❛♥s ❧✬é♥♦♥❝é ✶✳✶ ❡st ❧❡ ❝♦r♦❧❧❛✐r❡ s✉✐✈❛♥t
❈♦r♦❧❧❛✐r❡ ✶✳✷✳ P♦✉r ✉♥❡ s✉✐t❡ (E
n)
n∈Nt❡❧❧❡ q✉❡ ❞❛♥s ❧❡ t❤é♦rè♠❡✱ ❧❡ ❞❡❣ré [L(j(E
n)) : L] t❡♥❞ ✈❡rs + ∞ ❧♦rsq✉❡ n t❡♥❞ ✈❡rs + ∞✳ ❊♥ ♣❛rt✐❝✉❧✐❡r✱ s✉r ✉♥
✹
❝♦r♣s K ❞❡ t②♣❡ ✜♥✐ s✉r Q ✜①é✱ ✐❧ ♥✬② ❛ q✉✬✉♥ ♥♦♠❜r❡ ✜♥✐ ❞❡ ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s C ✲✐s♦❣è♥❡s à ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❞♦♥♥é❡✱ ❝♦♠♣té❡s à C ✲✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡ ♣rès✳
❙✐ j(E
i) ❡st tr❛♥s❝❡♥❞❛♥t ♣♦✉r ✉♥ ✐♥❞✐❝❡ i✱ ✐❧ ❡♥ ❡st ❞❡ ♠ê♠❡ ♣♦✉r ❝❤❛q✉❡
✐♥❞✐❝❡✳ P♦✉r ✉♥ t❡❧ ❝❛s
✸✱ ❧❡ ❝♦r♦❧❧❛✐r❡ s❡ ❞é❞✉✐t ❞❡s rés✉❧t❛ts ❞❡ ❙❤✐♠✉r❛ ❡t ❍❡❝❦❡✳
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PGL(2, Z) \ PGL(2, R)✱ ♥♦tr❡ ♣r♦❜❧è♠❡ s❡ r❛♠è♥❡ à ét✉❞✐❡r ❞❡s ✓♦r❜✐t❡s ❞❡
❍❡❝❦❡✔ ❛✉ s❡♥s ❞❡ ❬✾❪✳ ❈❡ ❞❡r♥✐❡r ♣r♦❜❧è♠❡ ❡st rés♦❧✉ ❞❛♥s ❬✾❪ ❡♥ s❡ ❜❛s❛♥t s✉r ❞❡s ♠ét❤♦❞❡s ❡r❣♦❞✐q✉❡s ✐ss✉❡s ❞❡s t❤é♦rè♠❡s ❞❡ ❘❛t♥❡r
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N❧❛ r❛❝✐♥❡ ♣r✐♠✐t✐✈❡ N✲✐è♠❡ ❞❡
❧✬✉♥✐té exp(2πi/N) ❞❡ C ✳ ❘❛♣♣❡❧♦♥s q✉❡ Γ(N ) ⊳ Γ(1) ❞és✐❣♥❡ ❧❡ N✲✐è♠❡ s♦✉s✲
❣r♦✉♣❡ ♣r✐♥❝✐♣❛❧ ❞❡ ❝♦♥❣r✉❡♥❝❡✱ ✐♠❛❣❡ ❞❛♥s PSL(2, Z) ❞✉ ♥♦②❛✉ ❞✉ ♠♦r♣❤✐s♠❡
❞❡ ré❞✉❝t✐♦♥ ♠♦❞✉❧♦ (N ) ✿ SL(2, Z ) → SL(2, Z /(N ))✳
◆♦t♦♥s E[N ] ❧❡ s♦✉s✲❣r♦✉♣❡ ❞❡s ♣♦✐♥ts ❞❡ N ✲t♦rs✐♦♥ ❞✬✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡
❝♦♠♣❧❡①❡✳ ❈✬❡st ✉♥ ❣r♦✉♣❡ ✐s♦♠♦r♣❤❡ à (Z/(N))
2✳ ❙❡ ❞♦♥♥❡r ✉♥❡ str✉❝t✉r❡
❝♦♠♣❧èt❡ ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N s✉r ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ E✱ ❝✬❡st ❝❤♦✐s✐r ✉♥
✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡ β ❡♥tr❡ (Z/(N ))
2❡t ❧❡ s♦✉s✲❣r♦✉♣❡ E[N ] ❞❡s ♣♦✐♥ts ❞❡ N✲t♦rs✐♦♥
❞❡ E❀ ❝❡❧❛ r❡✈✐❡♥t ❛✉ss✐ à s❡ ❞♦♥♥❡r ✉♥❡ Z/(N)✲❜❛s❡ (P
1, P
2) = β ((1, 0), (0, 1))
❞❡ ❧❛ N ✲t♦rs✐♦♥ ❞❡ E✳
▲✬❛❝❝♦✉♣❧❡♠❡♥t ❞❡ ❲❡✐❧ ❞❡ E ❞é✜♥✐t ✉♥❡ ❢♦r♠❡ ❜✐❧✐♥é❛✐r❡ ❛❧t❡r♥é❡ ♥♦♥ ❞é✲
❣é♥éré❡ ❝❛♥♦♥✐q✉❡ e
N: E[N ] × E[N ] → µ
Nà ✈❛❧❡✉r ❞❛♥s ❧❡ ❣r♦✉♣❡ µ
N❞❡s r❛❝✐♥❡s N✲✐è♠❡s ❞❡ ❧✬✉♥✐té✳ ◆♦✉s ❝♦♥✈✐❡♥❞r♦♥s ❞✬✉t✐❧✐s❡r ❧❛ ♥♦r♠❛❧✐s❛t✐♦♥
❞❡ ❬✶✸❪✱ ✶✽ ➓✶ ❆♣♣✳ ❈❡tt❡ ♥♦r♠❛❧✐s❛t✐♦♥ ❡st ❛✉ss✐ ❝♦♠♣❛t✐❜❧❡ ❛✈❡❝ ❧❛ ❞é✜♥✐t✐♦♥
❞❡ ❬✷✹❪ ✭❝❢✳ ❊①❡r❝✐❝❡ ✶✳✶✺✮✱ q✉✐ r❡♣r❡♥❞ ❧❛ ❝♦♥str✉❝t✐♦♥ ❞❡ ❬✷✷❪✳
P♦✉r t♦✉t ♣♦✐♥t τ ❞❡ H ✱ ❧❛ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ E
τ= C/(Z + τZ) ♣♦rt❡ ✉♥❡
str✉❝t✉r❡ β(τ) ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N ❝❛♥♦♥✐q✉❡✿ ❡♥ ❡✛❡t ❧❛ N✲t♦rs✐♦♥ ❞❡ E
τ❡st ❡♥❣❡♥❞ré❡
♣❛r ❧❡s ✐♠❛❣❡s P
1(τ) ❡t P
2(τ) ❞❡s ❞❡✉① ♣♦✐♥ts 1/N ❡t τ /N ❞❡ C ✳ ❖♥ ❡♥ ❞é❞✉✐t
✉♥❡ r❛❝✐♥❡ ♣r✐♠✐t✐✈❡ ❞❡ ❧✬✉♥✐té ζ(τ) = e
N(P
1(τ), P
2(τ)) ❝❛♥♦♥✐q✉❡♠❡♥t ❛ss♦❝✐é❡
à τ ✳ P❛r ❝❛❧❝✉❧✱ ♦♥ tr♦✉✈❡ ζ(τ) = ζ
N♣♦✉r t♦✉t τ ❞❛♥s H ✭❬✶✸❪✱ ✶✽ ➓✶ ❆♣♣✳✱
♦✉ ❬✷✹❪✱ ❊①❡r❝✐❝❡ ✶✳✶✺✮✳
❖♥ ✈ér✐✜❡ q✉❡ ❞❡✉① ♣♦✐♥ts τ ❡t τ
′❞❡ H ❞♦♥♥❡♥t ❧✐❡✉ à ❞❡✉① ❝♦✉r❜❡s (E
τ, β(τ ))
❡t (E
τ′, β(τ
′)) ❛✈❡❝ str✉❝t✉r❡ ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N ✐s♦♠♦r♣❤❡s s✐ ❡t s❡✉❧❡♠❡♥t s✐ τ = γ · τ
′❛✈❡❝ γ ∈ Γ(N )✳ ❊♥ ❢❛✐t Γ(N ) \ H ♣❛r❛♠ètr❡ ❛✐♥s✐ t♦✉t❡s ❧❡s ❝❧❛ss❡s
❞✬✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡ ❞❡ ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s ♠✉♥✐❡s ❞✬✉♥❡ str✉❝t✉r❡ ❝♦♠♣❧èt❡ ❞❡ ♥✐✈❡❛✉
N ❞♦♥t ❧❛ r❛❝✐♥❡ ❞❡ ❧✬✉♥✐té ❛ss♦❝✐é❡ ❡st ζ
N✳ P♦✉r k ∈ Z/(N )
⋆✱ ♦♥ ♦❜t✐❡♥t ❧❡s str✉❝t✉r❡s ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ ❞❡ r❛❝✐♥❡ ❞❡ ❧✬✉♥✐té ❛ss♦❝✐é❡ ζ
Nk✱ ❡♥ ❝♦♥s✐❞ér❛♥t✱ ❛✉ ❝❤♦✐①✱
❧❡s ❜❛s❡s ❞✉ t②♣❡ (k/N, τ /N ) ♦✉ (1/N, kτ /N )✳
❉❛♥s ❧❡ ❝❛s N = 1✱ Γ(N ) \ H s✬✐❞❡♥t✐✜❡ à ❧✬❡♥s❡♠❜❧❡ A
1( C ) ❞❡s ♣♦✐♥ts ❝♦♠✲
♣❧❡①❡s ❞❡ ❧❛ ❞r♦✐t❡ ❛✣♥❡ A
1✳ ❉❡ ❢❛ç♦♥ ❛♥❛❧♦❣✉❡✱ ❧❛ ❝♦✉r❜❡ ♠♦❞✉❧❛✐r❡ Y (N)
❡st ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❛❧❣é❜r✐q✉❡ ✭❛✣♥❡ ❡t ❣é♦♠étr✐q✉❡♠❡♥t ❝♦♥♥❡①❡✮ s✉r Q(ζ
N) q✉✐
✓♣❛r❛♠ètr❡
✺✔ ❧❡s ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s ♠✉♥✐❡s ❞✬✉♥❡ str✉❝t✉r❡ ❝♦♠♣❧èt❡ ❞❡ ♥✐✈❡❛✉
N ❞♦♥t ❧❛ r❛❝✐♥❡ ❛ss♦❝✐é❡ ❡st ζ
N✳ ▲✬❡s♣❛❝❡ ❛♥❛❧②t✐q✉❡ Y (N )( C ) ❢♦r♠é ❞❡ s❡s
♣♦✐♥ts ❝♦♠♣❧❡①❡s s✬✐❞❡♥t✐✜❡ ❛✐♥s✐ ❛✈❡❝ ❧❛ s✉r❢❛❝❡ ❞❡ ❘✐❡♠❛♥♥ Γ(N ) \ H ✳ P♦✉r N = 1✱ ♦♥ r❡tr♦✉✈❡ ❧❡ ❜✐❤♦❧♦♠♦r♣❤✐s♠❡ Γ \ H →
∼A
1(C) ✐♥❞✉✐t ♣❛r ❧❛ ❢♦♥❝t✐♦♥ j✳
▲✬❡s♣❛❝❡ Γ(N ) \ H ♣♦rt❡ ❞♦♥❝ ✉♥❡ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té ❤②♣❡r❜♦❧✐q✉❡ ❝❛♥♦♥✐q✉❡✱ ♥♦té❡ µ✱
❛✐♥s✐ q✉✬✉♥❡ ❛❝t✐♦♥ ❞✉ ❣r♦✉♣❡ G al(C/Q(ζ
N))✳
✺❙tr✐❝t♦ s❡♥s✉ ✐❧ s✬❛❣✐t ❞✬✉♥ ❡s♣❛❝❡ ❞❡ ♠♦❞✉❧❡ ❣r♦ss✐❡r ♣♦✉rN= 1♦✉2✱ ❡t ✜♥ ♣♦✉rN≥3✱
❞✉ ♣r♦❜❧è♠❡ ❞❡ ❝❧❛ss✐✜❝❛t✐♦♥ ❛ss♦❝✐é✳ ❖♥ ♣❡✉t ♣❛r ❡①❡♠♣❧❡ ♣r❡♥❞r❡ ❧❛ ✜❜r❡ ❣é♥ér✐q✉❡ ❞❡s Spec(Z[1/N, ζN])✲s❝❤é♠❛s ❝♦♥str✉✐ts ❞❛♥s ❬✼❪ ♦✉ ❬✶✷❪✳
✼
▲❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té µ s❡ ❝♦♥str✉✐t ❝♦♠♠❡ ❞❛♥s ❧❡ ❝❛s ❞❡ Γ \ H ❞ét❛✐❧❧é ❡♥ ✐♥tr♦✲
❞✉❝t✐♦♥✳ ▲✬❛❝t✐♦♥ ❞❡ G al( C / Q (ζ
N)) s❡ ❞é❝r✐t ❛✐♥s✐✿ ❙♦✐t σ ∈ G al( C / Q (ζ
N)) ❡t s♦✐t z ∈ Y (N )(C)✳ ❆❧♦rs x ♣❡✉t êtr❡ r❡♣rés❡♥té ♣❛r ✉♥❡ ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡
❝♦♠♣❧❡①❡ E ❞♦♥♥é❡ ♣❛r ✉♥❡ éq✉❛t✐♦♥ ❞❡ ❲❡✐❡rstr❛ÿ Y
2Z = X
3+ aXZ
2+ bZ
3❡t ♠✉♥✐❡ ❞✬✉♥❡ ❜❛s❡ (P
1= [X
1: Y
1: Z
1], P
2= [X
2: Y
2: Z
2]) ❞❡ ❧❛ N✲
t♦rs✐♦♥✳ ❉ès ❧♦rs ❧❡ ♣♦✐♥t σ(z) ❡st r❡♣rés❡♥té ♣❛r ❧❛ ❝♦✉r❜❡ E
σ❞♦♥♥é❡ ♣❛r Y
2Z = X
3+ σ(a)XZ
2+ σ(b)Z
3❡t ♠✉♥✐❡ ❞❡ ❧❛ ❜❛s❡ (P
1σ= [σ(X
1) : σ(Y
1) : σ(Z
1)], P
2σ= [σ(X
2) : σ(Y
2) : σ(Z
2)])✳ ❖♥ ✈ér✐✜❡ q✉✬à ❝❡tt❡ ❞❡r♥✐èr❡ ♦♥ ❛ss♦❝✐❡
❧❛ r❛❝✐♥❡ e
N(P
1σ, P
2σ) = σ(e
N(P
1, P
2)) = σ(ζ
N) = ζ
N✱ ♣✉✐sq✉❡ σ ❛❣✐t ❝♦♠♠❡
❧✬✐❞❡♥t✐té s✉r Q(ζ
N)✳
❙♦✐t L ✉♥ ❝♦r♣s ❞❡ t②♣❡ ✜♥✐ ❝♦♥t❡♥✉ ❞❛♥s C ❡t ❝♦♥t❡♥❛♥t Q(ζ
N)✳ ❙♦✐t z ∈ Y (N )(C) ✉♥ ♣♦✐♥t ❝♦♠♣❧❡①❡ s✉♣♣♦sé ❛❧❣é❜r✐q✉❡ s✉r L✳ ❆❧♦rs ❧✬♦r❜✐t❡ ❞❡ z s♦✉s G al( C /L) ❡st ✜♥✐❡✱ ❡t ❡st ❧❡ s✉♣♣♦rt ❞✬✉♥❡ ✉♥✐q✉❡ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té ❜♦ré❧✐❡♥♥❡
❛t♦♠✐q✉❡ G al(C/L)✲✐♥✈❛r✐❛♥t❡✱ q✉❡ ❧✬♦♥ ♥♦t❡r❛ δ
L(z)✱ s✉r Y (N )(C)✳
▲❡ rés✉❧t❛t ♣r✐♥❝✐♣❛❧ ❞❡ ❝❡ t❡①t❡ ❡st ✉♥❡ ❣é♥ér❛❧✐s❛t✐♦♥ ❞❡ ❧✬é♥♦♥❝é ✷✳✶ ❛✉
❝❛s ❞❡s str✉❝t✉r❡s ❝♦♠♣❧èt❡s ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N✳ ■❧ ♣❡r♠❡t✱ s✉r ❧❛ s✉r❢❛❝❡ ❞❡ ❘✐❡✲
♠❛♥♥ Y (N )( C )✱ ❞✬♦❜t❡♥✐r ❧❛ ♠❡s✉r❡ ❤②♣❡r❜♦❧✐q✉❡ µ ❝♦♠♠❡ ❧✐♠✐t❡ étr♦✐t❡ ❞❡
♣r♦❜❛❜✐❧✐tés ❛t♦♠✐q✉❡s ❞✉ t②♣❡ δ
L(z)✳ P❧✉s ♣ré❝✐sé♠❡♥t
❚❤é♦rè♠❡ ✷✳✶✳ ❙♦✐t L ✉♥ ❝♦r♣s ❞❡ t②♣❡ ✜♥✐ ❝♦♥t❡♥✉ ❞❛♥s C ❡t ❝♦♥t❡♥❛♥t Q (ζ
N)✳
❙♦✐t z
n∈ Y (N )(C) ✉♥❡ s✉✐t❡ ❞❡ ♣♦✐♥ts ❞❡✉① à ❞❡✉① ❞✐st✐♥❝ts✳ ❙✉♣♣♦s♦♥s q✉❡ ❧❡s z
ns♦♥t r❡♣rés❡♥tés ♣❛r ❞❡s str✉❝t✉r❡s ❝♦♠♣❧èt❡s ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N s✉r ❞❡s
❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s ❝♦♠♣❧❡①❡s E
n❞❡✉① à ❞❡✉① ✐s♦❣è♥❡s ❡t s❛♥s ♠✉❧t✐♣❧✐❝❛t✐♦♥
❝♦♠♣❧❡①❡ ❞é✜♥✐❡s ♣❛r ❞❡s éq✉❛t✐♦♥s à ❝♦❡✣❝✐❡♥ts ❛❧❣é❜r✐q✉❡s s✉r L✳
❆❧♦rs δ
L(z
n) ❝♦♥✈❡r❣❡ ✈❡rs µ ❧♦rsq✉❡ n t❡♥❞ ✈❡rs + ∞✳
❆✉tr❡♠❡♥t ❞✐t✱ ♣♦✉r t♦✉t❡ ❢♦♥❝t✐♦♥ ❝♦♥t✐♥✉❡ ❜♦r♥é❡ f : Y (N)(C) → R ✱ δ
n(f ) := 1
# G al(C/L) · z
nX
z∈Gal(C/L)·zn
f (z) → µ(f ) :=
Z
Y(N)(C)
f ❞µ
❧♦rsq✉❡ n → + ∞ .
❖♥ ❞✐r❛ q✉❡ ❧❛ s✉✐t❡ ❞❡s ♦r❜✐t❡s ❞❡ x
ns♦✉s G al( C /L) s✬éq✉✐❞✐str✐❜✉❡ ♣♦✉r
❧❛ ♣r♦❜❛❜✐❧✐té µ✳
▲❡ t❤é♦rè♠❡ ✶✳✶ ❡st ✉♥ ❝❛s ♣❛rt✐❝✉❧✐❡r ❞❡ ❧✬é♥♦♥❝é ♣ré❝é❞❡♥t ♣♦✉r N = 1✱
♠♦❞✉❧♦ ❧✬✐❞❡♥t✐✜❝❛t✐♦♥ Y (1)(C) ≃ Γ(1) \ H →
∼C ✳
❙♦✐t L ¯ ❧❛ ❢❡r♠❡t✉r❡ ❛❧❣é❜r✐q✉❡ ❞❡ L ❞❛♥s C ✳ ▲❡ ❢❛✐t q✉❡ E
ns♦✐t ❞é✜♥✐❡ s✉r L ¯ éq✉✐✈❛✉t à ❝❡ q✉❡ z
n❛♣♣❛rt✐❡♥♥❡ ❛✉ s♦✉s✲❡♥s❡♠❜❧❡ Y (N)( ¯ L) ❞❡ Y (N )(C)✳ ❈❡❧❛
r❡✈✐❡♥t ❛✉ss✐ à ❞✐r❡ q✉❡ j(E
n) ∈ L✳ ▲❡s ♣r♦❜❛❜✐❧✐tés ¯ δ
L(z
n) s♦♥t ❞♦♥❝ ❜✐❡♥
❞é✜♥✐❡s✳ ❈♦♠♠❡ ❧❡s E
ns♦♥t ❞❡✉① à ❞❡✉① ✐s♦❣è♥❡s✱ ✐❧ s✉✣t ♠ê♠❡ ❞❡ s✉♣♣♦s❡r q✉❡ z
n♥✬❛♣♣❛rt✐❡♥t à Y (N)( ¯ L)✱ ✈♦✐r❡ q✉❡ j(E
n) ∈ L✱ ✉♥✐q✉❡♠❡♥t q✉❡ ♣♦✉r ✉♥❡ ¯ s❡✉❧❡ ✈❛❧❡✉r ❞❡ ❧✬✐♥❞✐❝❡ n ✭❬✷✸❪✱ ■■■✳➓✹✮✳
✽
✸ ❆❝t✐♦♥ ❣❛❧♦✐s✐❡♥♥❡ s✉r ✉♥❡ ❝❧❛ss❡ ❞✬✐s♦❣é♥✐❡
❉❛♥s ❝❡tt❡ s❡❝t✐♦♥ ♥♦✉s ❞é❝r✐✈♦♥s s♦✉s ✉♥❡ ❢♦r♠❡ ♣❧✉s ❝♦♠♠♦❞❡ ❧❛ ❝❧❛ss❡ ❞✬✐s♦✲
❣é♥✐❡ ❞✬✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ ✭❝❢✳ Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✸✳✶✮✳ ❉❡ ♣❧✉s✱ ❞❛♥s
❧❡ ❝❛s ❞✬✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❞é✜♥✐ss❛❜❧❡ s✉r ✉♥ ❝♦r♣s L ❞❡ t②♣❡ ✜♥✐✱ ♥♦✉s ❡①♣❧✐❝✐t♦♥s
❧✬❛❝t✐♦♥ ❞❡ G al( C /L) s✉r s❛ ❝❧❛ss❡ ❞✬✐s♦❣é♥✐❡ ✭Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✸✳✸✮✳ ❊♥✜♥ ♥♦✉s
❡①♣❧✐❝✐t❡r♦♥s ❝♦♠♠❡♥t r❡❧✐❡r ❧❡s ❡♥s❡♠❜❧❡s q✉❡ ♥♦✉s ❛✉r♦♥s ♦❜t❡♥✉s ❛✈❡❝ ❧❡s
❝♦✉r❜❡s ♠♦❞✉❧❛✐r❡s ✐♥tr♦❞✉✐t❡s ♣ré❝é❞❡♠♠❡♥t ✭Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✸✳✻✮✳ ❈❡ s♦♥t ❞❡s
♣r♦♣r✐étés ❜✐❡♥ ❝♦♥♥✉❡s ❡t ❧❡ s❡✉❧ ♣♦✐♥t ❞✐✣❝✐❧❡✱ ✐❞❡♥t✐✜❡r ❧✬❛❝t✐♦♥ ❣❛❧♦✐s✐❡♥♥❡
❞❛♥s ❧❡ ❝❛s ❛❧❣é❜r✐q✉❡✱ s❡r❛ ❡♥ ❢❛✐t ✉♥ ❝♦r♦❧❧❛✐r❡ ❞✉ t❤é♦rè♠❡ ❞❡ ❧✬✐♠❛❣❡ ♦✉✈❡rt❡
❞❡ ❙❡rr❡✳
❘❛♣♣❡❧♦♥s ❜r✐è✈❡♠❡♥t q✉❡ Z ˆ ❞és✐❣♥❡ ❧❡ ❝♦♠♣❧été ❞❡ Z ♣♦✉r ❧❛ ❜❛s❡ ❞❡ ✈♦✐s✐✲
♥❛❣❡s ❞❡ 0 ❞♦♥♥é❡ ♣❛r ❧❡s ✐❞é❛✉① ♥♦♥ ♥✉❧s ❞❡ Z ✱ ❝✬❡st✲à✲❞✐r❡ s❡s s♦✉s✲❣r♦✉♣❡s
❛❞❞✐t✐❢s ❞✬✐♥❞✐❝❡ ✜♥✐✿ ❖♥ ❛ Z ˆ = lim
←−
N∈(N>0,×)Z/(N)✳ ❈✬❡st ✉♥ ❛♥♥❡❛✉ ♣r♦✜♥✐✱
❞♦♥❝ ❝♦♠♣❛❝t ❡t t♦t❛❧❡♠❡♥t ❞✐s❝♦♥t✐♥✉❀ ✐❧ ❝♦♥t✐❡♥t Z ❝♦♠♠❡ s♦✉s✲❛♥♥❡❛✉ ❞❡♥s❡✳
❖♥ t✐r❡ ❞✉ ❧❡♠♠❡ ❝❤✐♥♦✐s ❧❛ ❞é❝♦♠♣♦s✐t✐♦♥ Z ˆ = Y
p♣r❡♠✐❡r
Z
p❡♥ t❡r♠❡ ❞✬❛♥♥❡❛✉①
❞✬❡♥t✐❡rs p ✲❛❞✐q✉❡s✳ ❖♥ ❢♦r♠❡ ❧✬❛♥♥❡❛✉ A
f≃ Z ˆ ⊗
ZQ ❞❡s ❛❞è❧❡s ❛✉① ♣❧❛❝❡s ✜♥✐❡s✱
♦ù ❧✬♦♥ ❝♦♥s✐❞èr❡ ❧❛ t♦♣♦❧♦❣✐❡ ❞✐s❝rèt❡ s✉r Q ❡t Z ✳ ❈✬❡st ✉♥ ❛♥♥❡❛✉ ❧♦❝❛❧❡♠❡♥t
❝♦♠♣❛❝t ❝♦♥st✐t✉é ❞❡s s✉✐t❡s (n
p/m
p)
p♣r❡♠✐❡r❞❡ Y
p♣r❡♠✐❡r
Q
p♥✬❛❞♠❡tt❛♥t ✉♥
❞é♥♦♠✐♥❛t❡✉r q✉❡ ♣♦✉r ❛✉ ♣❧✉s ✉♥ ♥♦♠❜r❡ ✜♥✐ ❞✬✐♥❞✐❝❡s✳ ❊♥✜♥ A ≃ R × A
f❞és✐❣♥❡ ❧✬❛♥♥❡❛✉ ❞❡s ❛❞è❧❡s✳ ■❧ ❡st ❧✉✐ ❛✉ss✐ ❧♦❝❛❧❡♠❡♥t ❝♦♠♣❛❝t❀ ❡♥ ♦✉tr❡ Q s❡
♣❧♦♥❣❡✱ ❞❡ ❢❛ç♦♥ ❞✐❛❣♦♥❛❧❡✱ s✉r ✉♥ s♦✉s✲❛♥♥❡❛✉ ❞✐s❝r❡t ❡t ❝♦❝♦♠♣❛❝t ❞❡ ❝❡❧✉✐✲❝✐✳
◆♦✉s ✐♥tr♦❞✉✐s♦♥s ❧❛ ♥♦t❛t✐♦♥ s✉✐✈❛♥t❡✱ ♦ù G ❡st ✉♥ ❣r♦✉♣❡ ❛❧❣é❜r✐q✉❡ ❧✐♥é❛✐r❡
s✉r Q ♣♦✉r ❧❡q✉❡❧ ❧❛ ❢♦r♠✉❧❡ G(Z) ❛ ✉♥ s❡♥s✱ ♣❛r ❡①❡♠♣❧❡ ❧♦rsq✉❡ G ❡st ✉♥ s♦✉s
❣r♦✉♣❡ ❞❡ GL(n)✿ ❖♥ ❞és✐❣♥❡r❛ ♣❛r G[N Z ] ✭r❡s♣❡❝t✐✈❡♠❡♥t G[N Z ˆ ]✮ ❧❡ ♥♦②❛✉
❞✉ ♠♦r♣❤✐s♠❡ ré❞✉❝t✐♦♥ ♠♦❞✉❧♦ NZ ✭r❡s♣✳ N Z ˆ ✮ G(Z) → G(Z/NZ) ✭r❡s♣✳
G( ˆ Z) → G(Z/N Z)✮❀ ❝✬❡st ❧❡ s♦✉s✲❣r♦✉♣❡ ❞❡ G(Z) ✭r❡s♣✳ G( ˆ Z)✮ ❞❡s ♠❛tr✐❝❡s
❝♦♥❣r✉❡s à ❧✬✐❞❡♥t✐té ♠♦❞✉❧♦ (N)✳
❱♦✐❝✐ ❧❡ ♣r❡♠✐❡r ❞❡s é♥♦♥❝és q✉❡ ♥♦✉s ❛❧❧♦♥s ❞é♠♦♥tr❡r
Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✸✳✶✳ ❙♦✐t E ✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ s❛♥s ♠✉❧t✐♣❧✐❝❛t✐♦♥
❝♦♠♣❧❡①❡✱ ❡t s♦✐t β : (Z/(N ))
2→
∼E[N ] ✉♥❡ str✉❝t✉r❡ ❝♦♠♣❧èt❡ ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N s✉r E ❞❡ r❛❝✐♥❡ ❞❡ ❧✬✉♥✐té ❛ss♦❝✐é❡ é❣❛❧❡ à ζ
N✳ ❖♥ s❡ ✜①❡ é❣❛❧❡♠❡♥t✱ ♣♦✉r s✐♠♣❧✐✜❡r✱ ✉♥❡ ❜❛s❡ ❞❡ T(E) ˆ r❡❧❡✈❛♥t β✳
✶✳ ❆❧♦rs ❧❡s ❝❧❛ss❡s ❞✬✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡ ❞❡ ❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s ❝♦♠♣❧❡①❡s E
′✐s♦✲
❣è♥❡s à E ♠✉♥✐❡s ❞✬✉♥❡ str✉❝t✉r❡ ❝♦♠♣❧èt❡ β
′❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N ❢♦r♠❡♥t ✉♥
❡♥s❡♠❜❧❡ Isog
N(E) q✉✐ s✬✐❞❡♥t✐✜❡ ♥❛t✉r❡❧❧❡♠❡♥t à Q
⋆\ Isom(A
f2, V ˆ (E))/GL(2)[N Z], ˆ
✾
❝✬❡st✲à✲❞✐r❡✱ ét❛♥t ❞♦♥♥é q✉❡ ❧✬♦♥ s✬❡st ❝❤♦✐s✐ ✉♥❡ ❜❛s❡ ❞❡ T ˆ (E)✱ à Q
⋆\ GL(2, A
f)/GL(2)[N Z ˆ ]
♦✉ ♠ê♠❡✱ ❝♦♠♣t❡ t❡♥✉ ❞✉ t❤é♦rè♠❡ ❞✬❛♣♣r♦①✐♠❛t✐♦♥ ❢♦rt❡✱ à Q
⋆\ GL(2, Q)GL(2, Z)/GL(2)[N ˆ Z]. ˆ
✷✳ ❊♥ ♦✉tr❡✱ ❧✬❛♣♣❧✐❝❛t✐♦♥ q✉✐ ❢❛✐t ❝♦rr❡s♣♦♥❞r❡ à ❧❛ ❝❧❛ss❡ ❞✉ ❝♦✉♣❧❡ (E, β
′)
❧❛ r❛❝✐♥❡ ♣r✐♠✐t✐✈❡ N ✲✐è♠❡ ❛ss♦❝✐é❡ s✬✐❞❡♥t✐✜❡ ❛❧♦rs à ❧✬❛♣♣❧✐❝❛t✐♦♥
Q
⋆\ GL(2, Q )GL(2, Z ˆ )/GL(2)[N Z ˆ ] −→ µ
N( C ), Q
⋆· (q · z) · GL(2)[N Z] ˆ 7−→ (ζ
N)
❞ét(z).
✸✳ ❉és✐❣♥♦♥s ♣❛r Isog
N,ζN(E) ❧❡ s♦✉s✲❡♥s❡♠❜❧❡ ❞❡s ♣♦✐♥ts ❞❡ Y (N )( C ) q✉✐
s♦♥t r❡♣rés❡♥tés ♣❛r ✉♥❡ str✉❝t✉r❡ ❞❡ ♥✐✈❡❛✉ N ❞❡ r❛❝✐♥❡ ❛ss♦❝✐é❡ ζ
Ns✉r
✉♥❡ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ ❝♦♠♣❧❡①❡ ✐s♦❣è♥❡ à E✳
❆❧♦rs Isog
N,ζN(E) s✬✐❞❡♥t✐✜❡ ❛✉ s♦✉s✲❡♥s❡♠❜❧❡ ❞❡ Isog
N(E) ✐♥❞✉✐t ♣❛r Q
⋆\ GL(2, Q)GL(2)[N Z]/GL(2)[N ˆ Z]. ˆ
◗✉❡❧q✉❡s r❡♠❛rq✉❡s ❛✈❛♥t ❞❡ ♣♦✉rs✉✐✈r❡✳ ❚♦✉t ❞✬❛❜♦r❞ ❧❡s ❛❝t✐♦♥s ❞❡s ❞❡✉①
❣r♦✉♣❡s Aut( A
f2) ❡t Aut( ˆ V (E)) s✉r Isom( A
f2, V ˆ (E)) s❡ ❢♦♥t ♣❛r ❝♦♠♣♦s✐t✐♦♥✱
à ❞r♦✐t❡ ♣♦✉r Aut(A
f2) ❡t à ❣❛✉❝❤❡ q✉❛♥t à Aut( ˆ V (E))❀ ❝❡ s♦♥t ❞♦♥❝ ❞❡s ❛❝t✐♦♥s à ❞r♦✐t❡ ❡t à ❣❛✉❝❤❡ r❡s♣❡❝t✐✈❡♠❡♥t
✻✳ ❊♥ ❝❡ q✉✐ ❝♦♥❝❡r♥❡ s❡❝♦♥❞ ♣♦✐♥t ❞❡ ❧❛
❝♦♥❝❧✉s✐♦♥✱ ✐❧ ❢❛✉t s❛✈♦✐r q✉❡ t♦✉t é❧é♠❡♥t g ❞❡ GL(2, A
f) ♣❡✉t s❡ ♠❡ttr❡ s♦✉s
❧❛ ❢♦r♠❡ q · z ❛✈❡❝ q ∈ GL(2, Q) ❡t z ∈ GL(2, Z) ˆ ✭❬✶✶❪✱ ♣❛❣❡ ✻✻✮✳
◆♦✉s ♥♦✉s ✐♥s♣✐r♦♥s ❞❡ ❧✬❡①♣♦s✐t✐♦♥ ❞❡ ❬✼❪✱ ♣❛❣❡ ✼✺✿ ❙♦✐t k ✉♥ ❝♦r♣s ❛❧✲
❣é❜r✐q✉❡♠❡♥t ❝❧♦s ❞❡ ❝❛r❛❝tér✐st✐q✉❡ 0❀ s❡✉❧s ♥♦✉s ✐♠♣♦rt❡r♦♥t ❧❡s ❝❛s ♦ù k ❡st C ✱ Q ¯ ♦✉ ♣❧✉s ❣é♥ér❛❧❡♠❡♥t ❧❛ ❢❡r♠❡t✉r❡ ❛❧❣é❜r✐q✉❡ ❞❛♥s C ❞✉ ❝♦r♣s L ❞❡ t②♣❡
✜♥✐ ❝♦♥s✐❞éré ❞❛♥s ✷✳✶✳ ❖♥ ❝♦♥s✐❞èr❡ ❧❛ ❝❛té❣♦r✐❡ Q ✲❧✐♥é❛✐r❡ E ℓℓ(k) ⊗ Q ❞❡s
✓❝♦✉r❜❡s ❡❧❧✐♣t✐q✉❡s à ✐s♦❣é♥✐❡ ♣rès✔ s✉r k ❞é✜♥✐❡ ❛✐♥s✐✿
• ▲❡s ❝❛té❣♦r✐❡s E ℓℓ(k) ❡t E ℓℓ(k) ⊗ Q ♦♥t ❧❡s ♠ê♠❡s ♦❜❥❡ts✳ ❖♥ ♥♦t❡r❛
t♦✉t❡❢♦✐s E ⊗ Q ❧❛ ✓❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ à ✐s♦❣é♥✐❡ ♣rès✔ ✐♥❞✉✐t❡ ♣❛r E✳
• ▲❡s ✢è❝❤❡s ❞❡ E ℓℓ(k) ⊗ Q ✭❡t ❧❡✉r ❝♦♠♣♦s✐t✐♦♥✮ s♦♥t ❞♦♥♥é❡s ♣❛r ❧❛ ❢♦r♠✉❧❡
Hom(E ⊗ Q, F ⊗ Q) := Hom(E, F ) ⊗
ZQ.
✻▲❛ ❝♦♥✈❡♥t✐♦♥ q✉❡ ♥♦✉s ✉t✐❧✐s♦♥s ♣♦✉r ❧❛ ❧❛tér❛❧✐s❛t✐♦♥ ❞❡s ❛❝t✐♦♥s ❞❡ ❣r♦✉♣❡ ❡st ♦♣♣♦sé❡ à
❝❡❧❧❡ ❞❡s ➱❧é♠❡♥ts ❞❡ ♠❛t❤é♠❛t✐q✉❡ ❞❡ ◆✳ ❇♦✉r❜❛❦✐✿ ♥♦✉s ♥♦♠♠❡r♦♥s ✉♥ é❧é♠❡♥tgH❞❡G/H
✉♥❡ ❝❧❛ss❡ à ❞r♦✐t❡✳
✶✵
❊♥ ♣❛rt✐❝✉❧✐❡r E ⊗ Q ❡st ✐s♦♠♦r♣❤❡ à F ⊗ Q s✐❣♥✐✜❡ q✉❡ E ❡t F s♦♥t ✐s♦❣è♥❡s✳
▲❛ ❝♦♥s✐❞ér❛t✐♦♥ ❞✉ ♠♦❞✉❧❡ ❞❡ ❚❛t❡ ✐♥❞✉✐t ✉♥ ❢♦♥❝t❡✉r ❛❞❞✐t✐❢
[f : E → F ] 7→ [ ˆ T(f ) : ˆ T (E) → T ˆ (F)]
❞❡ E ℓℓ(k) ✈❡rs ❧❛ ❝❛té❣♦r✐❡ M od
Zˆ❞❡s Z ˆ ♠♦❞✉❧❡s✳ ❈❡❧✉✐✲❝✐ ✐♥❞✉✐t ❛✉ss✐ ✉♥
❢♦♥❝t❡✉r [f : E ⊗ Q → F ⊗ Q] 7→ [ ˆ V (f ) : ˆ V (E ⊗ Q) → V ˆ (F ⊗ Q)] ❞❡ E ℓℓ(k) ⊗ Q
✈❡rs M od
Af✳ ❖♥ r❡tr♦✉✈❡ ❛❧♦rs Hom
Eℓℓ(k)(E, F ) ❝♦♠♠❡ ❧❡ s♦✉s✲❡♥s❡♠❜❧❡ ❞❡s
♠♦r♣❤✐s♠❡s f ∈ Hom(E ⊗ Q, F ⊗ Q) t❡❧s q✉❡ V ˆ (f )( ˆ T (E)) ⊆ T ˆ (F )✳
❙♦✐t V ˆ ✉♥ A
f✲♠♦❞✉❧❡ ❧✐❜r❡ ❞❡ r❛♥❣ 2✳ ❯♥ rés❡❛✉ ❞❡ V ˆ ❞és✐❣♥❡r❛ ✐❝✐ ✉♥
s♦✉s✲❣r♦✉♣❡ ❝♦♠♣❛❝t ♦✉✈❡rt T ˆ ❞❡ ❝❡❧✉✐✲❝✐✳ ▲❛ ❞♦♥♥é❡ ❞❡ T ˆ éq✉✐✈❛✉t à ❝❡❧❧❡
❞✬✉♥❡ GL(2, Z)✲❝❧❛ss❡ à ❞r♦✐t❡ ❞✬✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡s ˆ A
f✲❧✐♥é❛✐r❡s ❞✉ ♣❧❛♥ A
f2❛✈❡❝ V ˆ ✿ à ❧❛ ❝❧❛ss❡
B ∈ Isom(A
f2, V ˆ )/GL(2, Z) ˆ
❝♦rr❡s♣♦♥❞ ❧❡ rés❡❛✉ β( ˆ Z
2)✱ ♦ù β : A
f2→
∼V ˆ ❞és✐❣♥❡ ♥✬✐♠♣♦rt❡ q✉❡❧ ✐s♦♠♦r✲
♣❤✐s♠❡ ❞❡ ❝❧❛ss❡ B✳ ❊♥ ♦✉tr❡✱ ❧❡ ❝❤♦✐① ❞❡ ❧✬✉♥❡ ❞❡s GL(2)[N Z]✲❝❧❛ss❡s ❝♦♥t❡♥✉❡s ˆ
❞❛♥s B
C ∈ B/GL(2)[N Z ˆ ] ⊆ Isom( A
f2, V ˆ )/GL(2)[N Z ˆ ],
r❡✈✐❡♥t à ❝❤♦✐s✐r ✉♥ ✐s♦♠♦r♣❤✐s♠❡ ❞❡ (Z/(N))
2≃ Z ˆ
2⊗ Z/(N) ❛✈❡❝ ϕ( ˆ Z
2) ⊗ Z/(N )✿ ❝❡❧✉✐ ✐♥❞✉✐t ♣❛r β ⊗ Z/(N )✱ ♣❡✉ ✐♠♣♦rt❡ β ∈ C✳
❖♥ ❞é✜♥✐t ❡♥s✉✐t❡ ❧❛ ❝❛té❣♦r✐❡ E ℓℓ(k)
′❞❡s ❝♦✉♣❧❡s (E ⊗ Q, B)✱ ♦ù B ❡st ✉♥
rés❡❛✉ ❞❡ V ˆ (E ⊗ Q )✱ ♣♦✉r ❧❛q✉❡❧❧❡
Hom((E ⊗ Q, B), (F ⊗ Q, C)) ⊆ Hom(E ⊗ Q, F ⊗ Q)
❡st ❞é✜♥✐ ♣❛r V ˆ (f )(β( ˆ Z
2)) ⊆ γ( ˆ Z
2)✱ ♣♦✉r β ∈ B ❡t γ ∈ C✳ ■❧ ❡st ✐♠♠é❞✐❛t q✉❡ ❧✬♦♥ ♦❜t✐❡♥t ❛✐♥s✐ ✉♥❡ ❝❛té❣♦r✐❡ éq✉✐✈❛❧❡♥t❡ à E ℓℓ(k)✱ ✉♥❡ éq✉✐✈❛❧❡♥❝❡ ét❛♥t
❝❡❧❧❡ q✉✐ ❛ss♦❝✐❡ à ❧❛ ❝♦✉r❜❡ ❡❧❧✐♣t✐q✉❡ E ❧❡ ❝♦✉♣❧❡ (E ⊗ Q, T ˆ (E))✳ ❉❡ ♣❧✉s t♦✉t ♦❜❥❡t (E
′⊗ Q, B) ❞❡ E ℓℓ(k)
′t❡❧ q✉❡ E
′❡st ✐s♦❣è♥❡ à E✱ ❡st ✐s♦♠♦r♣❤❡
à (E ⊗ Q, B
′) ♣♦✉r ✉♥ B
′❝♦♥✈❡♥❛❜❧❡✱ ♣❛r ❡①❡♠♣❧❡ V ˆ (f )
⋆B✱ ♣♦✉r f ❝❤♦✐s✐
❞❛♥s Isom(E
′⊗ Q , E ⊗ Q )✳
❖♥ ❞é✜♥✐t ❡♥✜♥ ❧❡ ❣r♦✉♣♦ï❞❡ E ℓℓ
N(k)✱ ❝♦♠♠❡ ❧❛ ❝❛té❣♦r✐❡ ❞♦♥t ❧❡s ♦❜❥❡ts s♦♥t ❧❡s ❝♦✉♣❧❡s (E ⊗ Q, B) ♦ù B ∈ Isom( ˆ V (E), A
f2)/GL(2)[N Z] ˆ ❡t ❛②❛♥t
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