Séminaire Henri Cartan
G ORO S HIMURA
Modules des variétés abéliennes polarisées et fonctions modulaires, I
Séminaire Henri Cartan, tome 10, no2 (1957-1958), exp. no18, p. 1-8
<http://www.numdam.org/item?id=SHC_1957-1958__10_2_A9_0>
© Séminaire Henri Cartan
(Secrétariat mathématique, Paris), 1957-1958, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la collection « Séminaire Henri Cartan » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/conditions). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
18-01
MODULES DES VARIÉTÉS ABÉLIENNES
POLARISÉES
ET FONCTIONS
MODULAIRES,
I.par Goro SHIMURA.
Séminaire
H. CARTANE.N.S., 1957/58
5
mai1958
On
pourrait regarder
lathéorie
des fonctionsmodulaires
deSiegel
comme lathéorie
des modules desvariétés abéliennes,
ouplus précisément
desvariétés abé-
lionnes
polarisées
de la familleprincipale.
Eneffet,
onpeut
fairecorrespondre
à tout
point
z del’espace
deSiegel S
n unevariété abélienne projective A(z) ayant (z 1 )
comme matrice despériodes ;
etl’application
z~ A(z)
donneune
correspondance biunivoque
entrel’espace quotient $ Z)
et l’ensemble des structures devariété abélienne polarisée
de la familleprincipale,
commeWEIL l’a
signalé
à la fin del’exposé
2.L’objet
de cetexposé
est dereprésenter
d’une
manière concrète
c6tte relation endémontrant
que les "modules" desvariétés
A(z) polarisées
par les sectionshyperplanes, regardés
comme fonctions de z ~engendrent
les fonctions modulaires deSiegel.
Dans cebut,
on va d’abords’occuper
des notions de "module" d’une
variété abélienne polarisée
et devariété
de Kummer.1.
Variétés polarisées.
Soient V une
variété algébrique complète non-singulière
en co-dimension1, définie par rapport
à un corpsk ~
et X un diviseur sur V rationnel par rap-port
à k . SoitL(X , k)
l’ensemble des fonctions f surV , définies
parrapport
àk ,
telles que l’on ait(f ) ~%~ ~ X ,
où(f ) désigne
lediviseur
de lafonction
° f . Ondésignera
parl (X)
la dimension del’espace
vectorielL(X, k)
sur k .
Soient {fo ,
... ,f ’
une base deL(X , k)
surk ,
et x unpoint
générique
de V parrapport
àk ;
soitV (X , f )
le lieu de(f o (x),...,fn(x))
par
rapport
à k dansl’espace projectif
de dimension n. On obtient alors uneapplication
rationnelle F de V surV(X ~ f) , ayant
kcomme
corps dedéfinition,
définie parF(x) = (f o (x) ,
... ~f n (x) ) .
Nous dirons que le divi-seur X est
ample
si cetteapplication
F est birationnelle etbirégulière ;
cette
définition
nedépend
que de X et non du choix dek ~ f. ~
x .Avec
les mêmes
notationsV ~ X ,
ondésignera par C(X)
l’ensemble de tous les di- viseurs K’ sur V pourlesquels
il existe deux entiers strictementpositifs
n ~ m’tels que mX soit
algébriquement équivalent
à m’X’ . L’ensembleC(X) s’appellera
une
polaris~ation
de V si~’(x)
contient un diviseurample.
Nous entendronspar
variété polarisée ~
unevariété algébrique
V surlaquelle
estdonnée
unepolarisation C
et ladésignerons
par~V , ~ ~ .
Nous dironsqu’une variété polarisée t~T ~ (~~ ~
estdéfinie
parrapport
à un corps k ~ si V estdéfinie
parrapport
àk J
et siC
contient un diviseur rationnel parrapport
à k .Soit ~
un
isomorphisme
de k sur un corpsk’ ;
soient(V ~ ~ )
unevariété polarisée
définie
parrapport
àk ~
et X un diviseur dansC
rationnel parrapport
à k .On obtient alors une
polarisation C(X6)
deV~ ~
que l’ondésignera
par~~ .
~,
Variétés
abéliennespolariséES.
Rappelons
d’abordquelques
notions etpropriétés
des diviseurs sur unevariété
abélienne.
Soient A unevariété abélienne~
X un diviseur sur A et a unpoint
de A . Ondésignera
par X a latransformée
de X par la translationx ~ x + a sur A . L6
diviseur
X est ditnon-dégénéré
s’iln’y
aqu’un
nombrefini
d’éléments
ùdG
A tels queX u
soitlinéairement équivalent
à X .LEMME 1
(WELL [5]). -
Soit X un diviseur sur unevariété abélienne
A . S ilexiste un entier n > 0 tel ue nX soit
ample,
Xest non-dégénéré. Réciproque-
ment,
si X estpositif non-dégénéré,
il existe un entier 0 tel que nX soitample
pour n > n .2. -
Soient
X un diviseurnon-dégénéré
sur unevariété abélienne
Aet
Y un diviseur sur
A , algébriquement équivalent
â X .Alors,
z1 existeun point
u de A tel que Y soit
linéairement équivalent
àX .
,En
effet,
en faisantcorrespondre
u à la classe deX - X ,
on obtient unhomomorphisme
de A sur lavariété
de Picard deA ;
si X estnon-dégénéré,
cet
homomorphisme
estsurjectif ;
il existe donc unpoint
u de A telque
Y - X soit
linéairement équivalent
à X -X ;
d’oùrésulte
le 2.Le lemme suivant est dû à
MATSUSAKA.
LEMME 3 . -
Soient
A unevariété abélienne
de dimension net
X un diviseurpositif non-dégénéré
sur A . Alors on aoù deg désigne deg (X ... X )
pour noints
tL , ... , ude
A-
’ ... ’ 1
"n
--1 ~ -tels que le
produit
d’intersection soitdéfini.
LEMME 4. -
Soient A
et A’ deuxvariétés abéliennes
demême dimension, 03BB un homomorphisme de A
surA’ , et
X’ un divisEUrpositif non-dégénéré
sur A’ .On a alors ’
où
j~(~) désigne
ledegré
de1’homomorphisme ~ .
C’est une
conséquence immédiate
du lemme 3.Soient (A ~ C)
et(A’ ~ 9’)
deuxvariétés abéliennes polarisées
demême dimension~
unhomomorphisme (isomorphisme)
de A sur A’ . Nousappellerons
~
unhomomorphisme (isomorphisme)
de(A ~ ($)
sur(Il’, G~)
s’il existe un diviseur X’ dansC’
tel queP~ (X~)
soit contenu dansC ;
s’il en estainsi , -1(Y) est contenu dans C ,
pour toutYeC’ . D’après
notredéfinition
et
d’après
WELL [5], pour toutevariété abélienne polarisée (A , C ) ,
il y atoujars
un
isomorphisme
deQ )
sur unevariété abélienne polarisée XI)
telleque A’ soit une
variété projectiveet C’contienne
les sectionshyperplan6s
de A’ ,THEOREME 1. - Soient il
et
Il.’ deuxvariétés abéliennes
dans un espaceprojectif;
soient
C et ç’ respectivement
lespolarisations
de A et de A’définies
par les sectionshyp6rpla. Supposons
que A~~
A’ ne soient contenus dans aucunhyperplan et
que lessystèmes linéaires
dessections hyperplanes
de A et de A’soient
complets. Alors~
pour que(A’ ~ G’)
soitisomorphe
à(~ ~ C ) ,
il fautet il suffit que A’ soit une
transformée
de A par une transformation tive.Soit H un
hyperplan
de1~espace
ambiant pour A et soient Y =Y’ =
H.A’ , Supposons
que A’ soit unetransformée
de A par une transformationprojective f ; désignons
par Fl’application
de A sur A’ induite par~P *
Il existe alors un
isomorphisme 1
de il sur A’ t et unpoint
A’ t tel quel’on.
aitF(x)
=~(x)
+ b pour x&A .
Soit a unpoint
de A tel que l’on ait b = -(a) .
Onvérifie aisément
que-1((Y’)
=F-1(Y’) ;
ce dernier estalgébriquement équivalent
àF (YI)
e Comme Y’ est unesection hyperplane
de .A et comme F est induit par une transformation
projective,
on voit queF (Y*)
est une section
hyperplane de A ,
de sorte que estalgébriquement équivalent
àY ;
ccidémontre
que(A , C )
estisomorphe
à(A’ , C’) . Réci-
proquement,
supposonsqu’il
existe unisomorphisme $
de(A , C )
sur’) . D’après
notredéfinition,
il existe deux entierspositifs
r ~ s tels quer ~
soitalgébriquement équivalent
à sY ~ Parsuite, d’après
le lemme 2et le lew::e.
3,
on ar~
=s~~ bl (Y) , où
n est la dimension de h .D’autre
part,
onvoit,
en vertu de notrehypothèse,
que( -1 (Y’ ))
et1 (Y)
sont
égaux
à N +1 ,
Nétant
ladimension
del ’espace
ambiant pour à . On adonc r = s ; d’où
résulte
que-1 (Y’ )
estalgébriquement équivalent
à Y .le lemme
2,
il existe unpoint
u de 1> tel que-1 (Y’ )
soitlinéaire-
ment
équivalent
àY ;
il existe donc une fonction g sur à tellequ’on
ait(g) = É
-1(Y’)-u- Y .
Soit(Xo ,
’ ° ’XN)
lesystème
descoordonnées
deambiant pour 11 et soient
f. ,
i fl i les fonctions sur 1» et sur l’à’ induites.par
Xi/03A3j Î j
oùf ti Xi
* ° estl’équation
d’Unhyperplan.
Soit k un corps de
définition
pourà , %
et g parrapport auquel
uet les
§ j
sont rationnels .D’après
notrehypothèse,
lesf.
1 forment une basede
L (Y ’ k )
Soit hi la fonction sur iidéfinie
parh . i (x )
=( f§ (x
+u ) )
g( x)
par
rapport
àk ,
xétant
unpoint générique
de A parrapport à
k . Onvérifie facilement
queL(Y , k) ,
de sorte que leshi s’expriment
sous lesformes
h.
1 *Ù
3§ , J f .
J(0 à
1 £N) ,
où lesg . ,
iJ sont deséléments
de k . Comme leshi
2 sontlinéairement indépendants
surk ,
la matrice(ij)
est in-versible, Soit x un
point générique
de 1> parrapport
àk ;
alors lessont les
coordonnées
de x ; et deplus,
on voit que lesh. 1 (x)
sont les .coordonnées
de
t§ (x
+u) . Il
enrésulte
que À’ est latransformée
de ii par la transfor- mationprojective donnée
par la matrice( b .. ) ;
cequi complète
ladémonstration
lJ du
théorème
1 .Soit V une
variété algébrique
dansl’espace projectif ’
dedimension
N .Soient k un corps de
définition
pour V et une matrice dedegré
N +1 ,
dont les
coordonnées
sont(N
+1 )2
variablesindépendantes
sur k .Soient
V’ .
latransformée
de V par latransformation projective (a. )
-+(03A3
ta )
. r~
1 J°’-°
ij
3où
(ai)
EP ,et
z lepoint
de Chow deV’ .
Comme le corpsk(z)
est contenudans
k(t) , k(z)
est une extensionrégulière
dek j
donc onobtient
unevariété fi
comme le lieu de z parra,pport
à k . Onpeut facilement vérifier
que$
nedépend .
que de V et non du choix de k et de(t) .
Lavariété
s’appellera
lafamille projective
de V . Soient V et V’deux variétés algé-
briques
dans un espaceprojectif; soient ,[1
et$ ’ repectivement
16sfamilles
projectives
deV
et de V’ ,Alors,
pour que l’on aitJ% =, ,jÎ’ ,
il faut et ilsuffit que V’ soit une
transformée
de V par unetransformation projective.
"B
THÉORÈME 3 . -
Soient Àune variété abélienne
dans unespace projectif, C la
polarisation
de hdéfinie par
les sectionshyperplanes
6tjÙ
la familleprojective
de A .Supposons
que A ne soit contenu dans aucunhyperplan
et quele
système linéaire
des sectionshyperplanes de
A soitcomplets
Soient k uncorps de
définition
pour lE et 6" unisomorphisme
de k sur un corps k’ .Alors,
pour que l’on ait il faut et il suffit que
C~)
soitisomorphe
~ (A , C ) .
On
vérifie
facilement que6 est
la familleprojective
deA6 . Alors
lethéorème
2 est une
conséquence
duthéorème
1.3
Le corps du module d’unevariété abélienne polarisée.
Soit (A ~ C )
unevariété abélienne polarisée,
et soitC
l’ensemble de tous les diviseursamples
dansC . Chaque élément
X deC
’ledéfinit
une immersionbirationnelle birégulière
de A dans unespace projectif. Désignons
par(A , X)
la famille
projective
del’image
de cette immersion.D’après
le lemme2,
si X’ estalgébriquement équivalent
àX ~
on a~(A ~ X’)
=X) .
PROPOSITION 1. - Les
notations étant
commeci-dessus, soient
K K’respective-
ment lesplus petits
corps dedéfinition
pour~(A ~ X)
etpour 3~ ~
où m est un entier
positif. Alors $
K est une extensionpurement inséparable
do K’ . De
plus,
si lacaractéristique
p du corps de base ne divise pas m ~on a K = K’ .
Soit z un
point générique
deS~(A ~ X)
parrapport
à K .D’après
notredéfinition
de la familleprojective,
z est lepoint
de Chowd’uhe variété àbé- lienne A isomorphe
à A . Soit X une sectionhyperplane
de A . On voitfacilement (A , X)
=(Ao , X)
et(A , mX)
=(Ao , mX ) . Comme Ao
est
défini
parrapport
àK(z)
et commeA
n’est contenu dans aucunhyperplan,
on
peut prendre X
de tellefaçon qu’il soitrationnel
parrapport
àK(z) il Par
suite
(Ao , mX)
estdéfini
parrapport
àK(z) ;
d’oùrésulte qu’on
aK(z) ~
K’ Soit f unisomorphisme
deK(z)
sur un corps,qui
estl’identité
sur K ~ On a
alors (A ~ X)d
=~(A ~ X) ; d’après
lethéorème 2, C )
estisomorphe
à(A , ) ;
où est uneprolongation
de 6 .D’après
lemême
théorème
on(A ~
=3f(A ~ mX) ; donc ~
estl’identité
sur K’ . Onon
déduit
que le corpscomposé
KK’ est une extensionpurement inséparable
deK .
D’après
lamême raison,
KK’ estpurement inséparable
surK’ .
Comme’K(z)
est
régulier
surK ,
on doit avoir KK’ =K ;
cequi démontre
lapremière
assertionde la
proposition. Supposons
maintenant que lacaractéristique
p ne divise pas .m . Soit z’ un
point générique
de~ mX)
parrapport
àK’ ;
il existeune
variété abélienne
h’ 1 dont lepoint de Chow
est z’ .Soit
Y une sectionhyperplane
de ~i’ rationnelle parrapport
àKt~(~~~ , D’après
notreconstruction,
il existe un diviseur X’ sur li’ tel que mX’ soit
algébriquement équivalent
à
Y .
Onpeut
facilementdémontrer qu’il
existe un corps kséparablcnent
en-gendré
surK’(z’)
et unepuissance pr
de p tels quepr
X’ soit rationnelpar
rapport
à k . Comme m etpr
sontpremiers
entre 6ux il existe deux entiers a ~ b telsqu’on
ait am +bpr ~ ~ ;
alors aY +X’)
estalgé- briquement équivalent
àX’ ;
et l’on voit facilement~
Comme aY +
XI)
est rationnel parrapport
àk f ~ ~~l i X)
estdéfini
parrapport
àk ;
il enrésulte qu’on
a k ~ K ~. D’autrepart,
k estséparablement engendré
surK’ ;
onpeut
en conclure K ==K’ ~
car on a vuplus
haut que K estpurenent inséparable
sur K’ ..
Soient
les notations(A ~ C ) , C ~ X) .
oosme ci-dessus. Onpeut démontrer qu’il
existe un diviseur Y sur A tel que tout Xdans e
:talgébriquement équivalent
à unmultiple mY ,
où m est un entierpositif.
SoitK
le corps minimum dedéfinition
pour~ ~~~ ~ mY)
pourchaque
entierpositif
m tel que soit
ample.
Soient m et r~’ deux entierspositifs
tels que mY et m’Y soientamples.
Il existe un entierpositif
s tel que sm’YY soitample ;
où l’onpeut
supposer que p ne divise pas s .D’après
laproposition 1,
les corps
Km
etKnt
sont des extensionspurement inséparables
deKsmml ;
d’après
lamême proposition,
si p ne divise pas m ~ on aK , ~ K S1~1 ~ ~
desorte
qu’alors
K est une extensionpurement inséparable
deKt.
Parsuite,
m m
si p ne divise ni
Km = Km,.
Nousappellerons
cemême
corps le corps du nodule de la
variété abélienne polarisée (A , ) ;
le corpsdu module K
est
une extensionpurement inséparable
deK
pour tout n ; et l’on a K = Km
si la
caractéristique
p ne divise pas m. Soient k un corps dedéfinition pour ~~i ~ (3 )
contenant K unisomorphisme
de k surun corps
k’ ; d’après
lethéorème 2,
pour que~~l ~ ~ )
soitisomorphe
à(AO , 6 ) ,
il faut et il suffit que 6 soitl’identité
sur K . Dans le casoù la
caractéristique
est0 ~ ~
le corps du module .K estdéterminé par
cettepropriété ;
on a K = K m pourchaque
m ;donc, .K
estengendré
par lepoint
de Chow de
,~ (A , mY)
sur le corpsQ
des nombresrationnels,
pour tout m.De toute
façon,
onverrait,
dans lethéorème 1,
que lespoints
de Chow des.
~ ~~ ~ peuvent être .regardés,
sans restrictionpour
lacaractéristique,
comme dex "modules" de
(A , ) .
4.
variétés
de Kummer.Soient
(~1 ~ C )
unevariété abélienne polarisée
et G le groupe,des
phismes
de(~y ~ ~ ~ ;
onpeut démontrer
que G est d’ordr6 fini.Nous
entendrons’par une
variété
de Kummer de A unevariété quotient
de A parrapport à G ,
c’est-à-dire
uncouple (W , h) famé
d’unevariété
W et d’uneapplication
rationnelle h de A sur W
jouissant
despropriétés
suivantes : 1° h estdéfini partout
surA ;
2~ pour
3 °
si h’ est uneapplica tion
rationnelle de A sur unevariété
W’ satisfai- sant à h’ = h’o
pourtout 03B3~ G ,
il existe uneapplication
rationnelle g de W sur W ~ telle que l’ on aith’ ==goh et que
g soitdéfini
en toutpoint h(a)
pourleauel
h’ estdéfini
en a.Il existe
toujours
un tel(W : h) (SERRE [2 ]) ;
onpeut
construire W commeune
variété projective
Deplus,
onpeut
en vertu desrésultats
dansWEIL
[3], qu’il
existe unevariété
de Kummer(W , h)
satisfaisant auxconditions
suivantes .
(W1 )
West défini sur
lecorps
K du module de(A , ) .
(W2)
h estdéfini
sur tout corps dedéfinition
pour(~~ J ~ ~ contenant
K.(W3 ) Si 6
est unisomorphisme
d’un cor s dedéfinition
pour(A , )
conte-nant
K,
etss
est unisomorphisme
de(A , )
surC6) ,
on ah ~ h~ o /~ ~
18-08 BIBLIOGRAPHIE
Les notions d’une
variété polarisée,
d’un corps du nodule et d’unevariété
de Kummer sont dues àWEIL [4]
età MATSUSAKA [1] ;
ce dernier atraité
le casgénéral
devariétés quelconques.
Dans le cas devariétés abéliennes,
MATSUSAKAa
considéré
une structure d’unevariété
surlaquelle
estfixé
unpoint ;
maison
peut
voir que celan’engendre
aucunedifférence
essentielle entre[1]
et cetexposé.
[1]
MATSUSAKA(Teruhisa). -
Polarizedvarieties,
fields of noduli andgeneralized
Kummer varieties of
polarized
abelianvarieties, Amer.
J. ofMath.,
t.80, 1958,
p.45-82.
[2]
SERRE(Jean-Pierre). - Sur
latopologie
desvariétés algébriques
encaracté- ristique
p ,Symposium
deTopologie algébrique [Mexico. 1956] (à paraître).
[3]
WEIL(André). -
The field of definition of avariety,
Amer. J. ofMath.,
t.78, 1956,
p.509-524.
[4]
WEIL(André). -
On thetheory
ofcomplex multiplication, Proceedings
of theinternational
Symposium
onalgebraic
numbertheory [Tokyo-Nikko. 1955]. - Tokyo,
Science Council ofJapan, 1956 ;
p. 9-22.[5]
WEIL(André). -
On theprojective embedding
of abelianvarieties, Algebraic geometry
andtopology,
ASymposium
in honor of S. Lefschetz. -Princeton,
Princeton