HAL Id: hal-00290583
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Preprint submitted on 25 Jun 2008
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arithmétiques
Mathieu Cossutta
To cite this version:
Mathieu Cossutta. Asymptotique des nombres de Betti des variétés arithmétiques. 2008. �hal-
00290583�
par
Mathieu Cossutta
Résumé. NousétudionslaquestiondelaroissanedesnombresdeBettideertaines
variétés arithmétiquesdansdes revêtementsdeongruene.Pluspréisementnos résultats
portentsurlesvariétésdeSiegeletlesvariétésassoiéesàdesgroupesorthogonaux.Noux
expliquons omment un théorème de Waldspurger permet de majorer et de minorer es
nombres.LesrésultatsobtenusvontdanslesensdeonjeturesdeSarnaketXue[SX℄.
Abstrat. WestudythequestionofthegrowthofBettinumbersofertainarithmeti
varietiesintowerofongrueneoverings.Infat,ourresultsareaboutSiegelvarietiesand
varietiesassoiatedtoorthogonalgroups.WeexplainhowatheoremofWaldspurgeranbe
usedtoobtainlowerandupperbound.Ourresultsareinthediretionofonjeturesmade
bySarnakandXue[SX℄.
0. Introdution
Soit
G
0 un groupe algébriqueonnexe semi-simple surQ
. SoitégalementK
∞⊂ G
0(R)
un ompat maximal,
X = G
0(R)/K
∞ est un espae symétrique. SoitΓ
un sous-groupe arithmétique deG
0(Q)
. On onstruit ainsi une variété arithmétiqueS(Γ) = Γ\X
. SoitΓ(n)
la suite des sous-groupes de ongruene deΓ
, nous sommes intéressés par le om-portement asymptotique desnombres de Betti
L
2 des variétésS(Γ(n))
.Plus préisementnousherhonsdesnombres
α
i etβ
i tels quepour toutǫ > 0
:vol
(S(Γ(n)))
αi−ǫ≪
ǫdim H
i(S(Γ(n)), C) ≪
ǫvol(S(Γ(n)))
βi+ǫ(1)
la notation
A
n≪
ǫB
n veut dire qu'il existe une onstanteC > 0
ne dépendant que deǫ
telle que
A
n≤ CB
n pour toutn
. Préisons les groupes que nous allons étudier. SoitF
un orps de nombres totalement réel. Soit
(E, •)
une extension de orps deF
ave uneinvolutionde l'un destypessuivants:
E =
F
as 1une extension quadratique de
F
as 2,• =
id as 1
l'involution deGalois de
E
as 2.Soit
η ∈ {−1, 1}
. SoitV
unE
-espae vetoriel de dimension nie muni d'une formesesquilinéaire
(, ) η
-hermitienne. Nous faisons l'hypothèse suivante, dans le as(1)
noussupposeronsqueladimension de
V
estpairesiη = 1
.SoitG = U (V )
(resp.G
0= SU (V )
)le groupe des isométries de
V
(resp. de déterminant1
), on peut voir es groupes ommeétantdénissur
Q
parréstritiondessalaires.OnsedonneL
unréseauentiermaximaldeV
.Alors pour tout idéalc
deE
le sous-groupe de ongrueneΓ(c)
est bien déni.Fixonsun tel idéal
c
etP
un idéal premier inerte et non ramié. Notre résultat prinipal est lethéorème 2.16. Par exemple, laohomologie holomorphe fortement primitive des variétés
de Siegelde rang
n
n'apparaît qu'enles degrésp(2n − p)
avep ≤ n
,onobtient alors :Théorème 0.1. Si
p <
n−12 :(2) vol
(S(Γ(cP
k)))
p n+ 12
(1−2n1 )−ǫ
≪
ǫdim H
2p(2n−p),0(S(Γ(cP
k), C) ≪
ǫvol
(S(Γ(cP
k)))
p n+ 12
(1+p−n12)+ǫ
La formule deMatsushima montre que:
(3)
H
i(Γ(cP
k)\X) = ⊕
Am
A, Γ(cP
k)
H
i(
Lie(G
0), K
∞, A)
où
A
déritles représentations unitaires deG
0(R)
etm(A, Γ(cP
k))
est la multipliité deA
dansL
2(Γ(cP
k\G
0)
.Lesreprésentations vériantH
∗(
Lie(G
0), K
∞, A) 6= 0
sontappeléeslesreprésentationsohomologiques,ellesontétédéterminéesdans[VZ ℄.Ces
représentations sont onstruites à partir d'unealgèbre parabolique
θ
-stableq
de Lie(G
0)
.Onnote
A
qlareprésentation assoiéeà unealgèbreq
.OnnoteR(q)
lepluspetitdegrételque
H
i(
Lie(G
0), K
∞, A
q)
estnon nul,on a:dim H
R(q)(
Lie(G
0), K
∞, A) = 1.
Soit
p(q)
la limite inférieure sur les réelsp ≥ 2
tels que les oeientsK
∞-nis deA
qsoient dans
L
p(G
0)
.Posonsd(q) =
p(q)2 .Dans[SX℄ lesauteurs onjeturent quepour toutǫ > 0
:(4)
m
A
q, Γ(cP
k)
≪
ǫ[Γ : Γ(cP
k)]
d(q)+ǫgénéralisantainsisousformeonjeturalelethéorèmede[DGW℄.Laformule(3)ombinée
à ette onjeture donne don une prédition sur le nombre
β
i souhaité dans la formule(1). Donnons troisexemplessupposons quelapartie nonompate de
G
0(R)
soit :
SU (p, q)
avep > q
, alors pour la ohomologie holomorphe de degréq
, on trouveβ
q=
p+q−11 .
SO(n, 1)
,alors pour lei
ièmenombrede Betti, on trouveβ
i=
n−12i .Sp
2nalorspourlaohomologieholomorphe
L
2dedegrép(2n−p)
,ontrouveβ
p(2n−p)=
p n
.
Signalons que dans [Li4 ℄, l'auteur donne des formules exates dans le as
p = 2
. Onremarquequelestermesd'erreurparrapportàl'exposant
p
2n−1 danslaformule(2)tendent
vers zeroquand
n ≫ p
.En général, on donne seulement une majoration de la partieθ
delaohomologie.Nousallonsmaintenant dénirette partie etexpliquerleshémade notre
preuve. Notre méthode est adélique, dans une première partie nous rappelons quelques
faits lesvariétésarithmétiques danse adre.Soit
K
f un sous-groupe ompat ouvertdes adèles nies deG
.Onintroduitlavariétéarithmétique:S(K
f) = G(Q)\G(A)/(K × K
f).
La formule deMatsushima adélique (on supposeque
K
f= Q
v∤∞
K
v) estlasuivante:dim H
qR(S(K
f), C) = ⊕
A=⊗AvY
v∤∞
dim A
Kvv.
La somme portant sur les représentations automorphes
A ⊂ L
2(G(F )\G(A))
de om-posante arhimédienne
A
q. Dans [Li1 ℄ l'auteur assoie à toute algèbreθ
-stableq
dontle Levi n'a qu'un seul fateur non ompat, un ouple
(W
q, π
q)
formé d'un espae−η
-hermitien
W
qsurE ⊗
FR
etd'unesériedisrètedeU (W
q)
.Leouplevériantlapropriétésuivante :
Θ
χ(π
q) = A
qΘ
χ désigne la orrespondane theta entre la paire de groupesU (W ) × U (V )
. SoitW
unespae hermitiendénisur
E
de signatureW
qalors on peutdénir :H
q,WR(S(K
f), C) = ⊕
π,αdim(α ⊗ Θ(π
f))
KfH
θR(S(K
f), C) = ⊕
W,α⊕
πdim(α ⊗ Θ(π
f))
Kf(5)
La sommeétantindéxéepar lesreprésentationsautomorphesuspidales de
U (W )
de typeπ
q à l'inni etles aratères automorphesα
deU (1)
de omposantearhimédienne nulle.Nousexpliquonsesformules danslapartie2 et4.Danslapartie7on démontrequepour
la suite
K(cP
k)
, les espaesW
apparaissant dans la somme (5) sont en nombre nis. Il sut don desavoirbornerpourtoute plaeniev
deF
:dim Θ(π
v)
Kv.
Les parties3 et 5sont onsarées à ladémonstration desthéorèmes 2.10et2.14. Il s'agit
de démontrer quesi
P|p
est inerteetimpaire :(6)
dim π
K(Pp k)N P
k2(n−2m)≤ dim Θ(π
p)
K(Pk)≤ dim π
pK(Pk+1)N P
k+12 nmoù
n = dim V
etm = dim W
. La preuve de la majoration est basée sur des résultats deWaldspurger([Wald1 ℄et[Wald2℄).Lapreuvedelaminorationsuruneversionloaledela
formuleduproduitsalairede Rallis.Lapartie 8démontreunemajorationpourlesplaes
divisant
2
.Globalement ononlut en faisantle produit surlesplaes nies desinégalités (6)etenutilisant lethéorèmede [Clo℄surlamultipliitédesséries disrètesdanslespe-tre uspidal. Ces résultats peuvent se généraliser à de nombreuses autres représentations
ohomologiques. Nousespérons pouvoiryrevenirpar lasuite.
Mes plus sinères remeriements vont à mon direteur de thèse Niolas Bergeron. Ces
m'avoir expliqué ave beauoup de gentillesse lapreuve de la partie 8. Enn je voudrais
remerier BenjaminShraenpourde nombreusesreletures.
1. Variété arithmétique.
1.1. Dénition. Soit
F
unorpsdenombretotalementréel.OnnoteF
∞= F ⊗
QR ≃ R
[F:Q]. On noteP
l'ensemble des plaes deF
et pourv ∈ P
,F
v laomplétion deF
parrapport à
v
. OnnoteF
∞= Q
v|∞
F
v.On noteA
les adèles deF
etA
f les adèles nis deF
. Plus généralement siT
est un ensemble ni de plaes, on noteA
T= Q
v∈T
F
v etA
Tle produit restreint des
F
v pourv 6∈ T
.On aA = A
T× A
T,en partiulierA = F
∞× A
f.Rappelons que l'on a xé dans l'introdution un ouple
(E, •)
formé d'une extension deorps de
F
etd'uneinvolutionde l'un destypessuivants:E =
F
as 1une extension quadratique de
F
as 2,• =
id as 1
l'involution deGalois de
E
as 2.Dansleas
(2)
,onnoteǫ
E/F learatèredeA
×F/F
×assoiéàl'extensionquadratiqueE/F
parlathéorieduorpsdelasse(onpeutledérireexpliitementaumoyendudisriminant
etdusymboledeHilbertde
E
).Soitη ∈ {−1, 1}
.SoitV
unE
-espaevetorieldedimensionniemunid'uneformesesquilinéaire
(, ) η
-hermitienne. Nousfaisonsl'hypothèsesuivante, dansleas(1)
noussupposeronsqueladimension deV
est paire siη = 1
,dansleas(2)
onpeutsupposersanspertedegénéralité que
η = 1
,nouslefaisons. Onnoten = dim
EV
et
r
la dimension d'un sous-espae isotrope maximal déni surE
deV
. SoitG = U (V )
le groupe des isométries de
V
. Le groupeG
est de rang déployér
. SoitK
∞ un sous-groupe ompat maximal de
G(F
∞)
. SoitK
f un sous-groupe ompat ouvert deG(A
f)
.Noussommesintéresséspar leomportementasymptotiquedesnombresde Betti
L
2 delavariétéarithmétiquesuivante :
SKf
(V ) = G(F)\G(A)/(K
∞× K
f)
quandlevolumede
K
f tendvers0
.Noussupposeronsqu'ilexisteuneuniqueplaearhimé- diennev
∞ telle queG(F
v∞)
soit non ompat, on a alors trois familles possibles pourG(F
∞)
n= G(F
v∞)
:Dansleas1 si
η = 1
,O(p, q)
avepq 6= 0
etp + q = n
Dansleas1 si
η = −1
,Sp2k ave2k = n
(on a alors néessairementF = Q
)Dansleas2,
U (p, q)
avepq 6= 0
etp + q = n
.1.2. Composantes onnexes. En général, par manque d'approximation forte les
variétés préédentes ne sont pas onnexes. Une des omposantes onnexes est toujours
donnéepar :
G(F ) ∩ K
f\X
G.
L'ensembledesomposantesonnexes estdéritpar les doubleslasses suivantes :
Cl
(G, K
f) = G(F )\G(A
f)/K
f.
Plus préisement si
(γ
i)
estun systèmede représentant deCl(G, K
f)
,ona :SKf
(V ) = ∪
iG(F ) ∩ γ
iK
fγ
i−1\X
G.
Lesensembles Cl
(G, K
f)
vérient les propriétés suivantes :Dansleas1si
η = −1
legroupeG
vérie l'approximationforte,onadonpourtout ompat Cl(G, K
f) = {1}
etsiK
f′⊂ K
f :[G(F ) ∩ K
f: G(F ) ∩ K
f′] = [K
f: K
f′],
onposera
G
0= G
.Dans leas 1 si
η = 1
le groupe algébriqueG
n'est pas onnexe, notonsG
0 saom-posanteonnexe, ona une suite exate:
1 → G
0→ G
det→ {±1} → 1.
Soit
K(1)
un ompat maximal deG(A
f)
. On vérie aisément quedet K(1) = {±1}(A
f)
. On suppose queK
f= Q
v
K
v est distingué dansK
. PosonsK
f0= K
f∩ G
0(A
f)
. NotonsS
l'ensemble des plaes oùdet K
v= 1
. En utilisant ledéterminant on vérie que:
ard
(
Cl(G, K
f)) =
ard Cl(G
0, K
f0)
2
ardS−1.
Dansleas2. Soit
G
0 le groupedérivédeG
.Onaune suite exate:1 → G
0→ G
det→ U (1) → 1.
Enutilisant que
G
0 estsimplement onnexe on vérie que:Cl
(G, K
f) =
Cl(U (1), det K
f).
1.3. Multipliité des sériesdisrètes. Soit
K
f,n une suite desous-groupeompat ouvert deG(A
f)
etposonsK
f,n0= K
f,n∩ G
0(A
f)
.SoitS
unensemblenideplaes deF
,onsupposeque
K
f,n→
S1
danslesensde[Clo℄.Soitπ
0∞unesériedisrète deG
0(F
∞)
.Ona alors [Clo℄:
vol
(K
f,n0) ≪ m π
∞0, L
20(G
0(F )\G
0(A)/K
f,n0)
≪
vol(K
f,n0)
L
20 désignelespetreuspidal. Soitπ
∞une extensiondeπ
0∞àG(F
∞)
.Onremarqueque:Cas1
η = 1
,G
0= G
.Cas1
η = −1
,m(π
∞, L
20(G(F)\G(A)/K
f,n)) = 2
αm(π
0∞, L
20(G
0(F )\G
0(A)/K
f,n0))
(7)
pour un ertain
α
.Cas2,
(8)
m(π
∞, L
20(G(F )\G(A)/K
f,n)) =
ard
(
Cl(U (1), det K
f,n) m(π
∞0, L
2c(G
0(F) ∩ K
f,n\X
G).
1.4. Formesharmoniques. Nousallonsdansettesetiondériredupointdevuede
lathéoriedesreprésentationslesformesdiérentiellessuresvariétés.Selonuneonvention
usuelle nous noterons les algèbres de Lie réelles ave un indie
0
etleur omplexié sansindie.Onnote
Ω
l'élémentdeCasimirduentredel'algèbredeLiedeG(F
∞)
.Soitk
0⊂ g
0,l'algèbre de Liede
K
∞.Notonsp
0 le supplémentaire orthogonal pour la forme de Killing dek
0 dansg
0.Alorsp
s'identieauomplexiéduplantangentdeSKf(V )
enl'identité.La forme de Killing s'identiant à la métrique surle plan tangent. Les formes diérentiellesL
2 dedegréi
surSKf(V )
sont don :hom
K∞(
^
ip, L
2(G(Q)\G(A)/K
f))
On remarque que le entre de l'algèbre de Lie de
G(F
∞)
agit (à droite) sur et espae,don en partiulierl'élément deCasimir
Ω
.Le lemmede Kugaarme quel'ensembledesformesdiérentielles harmoniques
L
2 de degréi
estégal à:H
2i(
SKf(V )) = hom
K∞(
^
ip, L
2(G(Q)\G(A)/K
f)))
Ω=0.
Onen déduitdon que :
H
2i(
SKf(V ), C) = ⊕
π=π∞⊗πfhom
K∞(
^
ip, π
∞) ⊗ π
Kff,
lasommeétantindexéeparlessous-représentationsirrédutiblessousl'ationde
G(A)
de:L
2(G(F )\G(A))
Ω=0.
Lesreprésentations
π
∞ vériant les deuxpropriétés :
hom
K∞( V
∗p, π
∞) 6= 0
l'ation duCasimir (une onstante notée
π
∞(Ω)
) esttriviale,sont appelées les représentations ohomologiques. Elles ont été lassiées par Vogan et
Zukermanndans[VZ ℄.Nousnousxons maintenant unesous-algèbredeCartan
t
0 dek
0.Les raines
∆(t
0, g)
sont des éléments deit
∗0.On onsidère les sous-algèbres paraboliquesq = l ⊕ u
,oùl
est leentralisateur d'unélémentX ∈ it
0 etu
est lesous-espae engendrépar les raines positives de
X
dansg
. Alorsu
eststable sousl'involution de Cartan, on a don unedéompositionu = u ∩ k ⊕ u ∩ p
.SoitR(q)
ladimension deu ∩ p
.Le sous-module engendré sous l'ation deK
∞ par la droiteV
R(q)u ∩ p
dansV
R(q)p
est un sous-espaeirrédutiblenoté
V (q)
quiapparaît avemultipliité1
dansV
R(q)p
.VoganetZukermanndémontrent qu'ilexiste une unique représentation unitaire irrédutible
π
∞ vériant :
hom(V (q), π
∞) 6= 0
π
∞(Ω) = 0
.Nousnotons
A
qette représentation. Elle vériede plus:hom
K∞( V
jp, A
q) = 0
sij < R(q)
hom
K∞( V
jp, A
q) = C
sij = R(q)
.Le sous-espae:
H
qR(q)(
SKf(V ), C) = ⊕
π=π∞⊗πfπ∞=Aq
hom(
R(q)
^
p, A
q) ⊗ π
fKf≃ ⊕
π=π∞⊗πfπ∞=Aq
π
Kffestappelé lapartie fortement primitive detype
A
q delaohomologie. La orrespondane theta nouspermetde réer deslasses de ohomologie dansla partie fortement primitiveassoiéeà ertaines algèbresparaboliques.
2. Utilisation de la orrespondane theta
2.1. Rappel. Onsedonneunaratèrenontrivial
ψ
deA
F/F
.Onsedonneégalementunaratère
χ
deA
×E/E
×vériantχ
|A×F
= ǫ
E/F.SoitW
unE
-espaevetorieldedimensionnie muni d'uneforme sesquilinéaire
h, i
de sorte queW
soit−η
-hermitien. Nous faisons l'hypothèse suivante,dansle as(1)
noussupposeronsqueladimension deW
estpaire siη = −1
. Onnotem = dim
EW
.Onsupposera toujours quen > m
et dansle as (2)quen > m + 1
.LeF
-espaevetorielW = W ⊗
EV
estmunide laforme symplétique:B(, ) =
trE/F(h, i ⊗ (, )
ι).
Soit Sp
( W )
(resp.U (W )
) le groupe des isométriesdeW
(resp.W
). La paire de groupes(U (W ), U (V ))
formeune paireduale danslesensde Howe[Howe ℄.Notons aussiMp( W )
lerevêtement métapletique deSp
( W )
qui estune extension :1 →
S1→
Mp( W ) →
Sp( W ) → 1.
D'après notamment Rao,Perrin etKudla[K℄, lehoix de
χ
détermine unsindage :i
χ: U (W )(A) × U (V )(A) → M p( W )(A).
Nousrappelonsdanslapartie6quelquespropriétésdeetteappliationainsiqu'unrésultat
de Pan [Pan1℄.Cehoix détermine une représentation
(ω
χ, S = ⊗
vS
v)
deU (W )(A) × U (V )(A)
parrestritiondelareprésentationmétaplétique deM p( W )(A)
. On se donne une plaev
deF
etπ
v une représentation irrédutible deU (W )(F
v)
.Posons :Θ
χ(π
v, V ) = (π
v⊗ ω
χ)
U(W)(Fv)(La notation
Π
G, siΠ
est une représentation d'un groupeG
, désigne les oinvariants deΠ
sous l'ation deG
).Θ
χ(π, V )
est une représentation deU (V )(F
v)
.Dans [Howe ℄,il estonjeturéque :
Conjeture 2.1 (Howe).
Θ
χ(π, V )
admet ununique quotientirrédutible.La proposition a été démontrée ([Howe ℄, [Wald1 ℄ et [Wald2 ℄) dans presque tout les
as:
Théorème 2.2 (Howe et Waldspurger). Laonjeture deHoweest vraiesilaplae
v
ne divise pas2
.Onnotera alors