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Asymptotique des nombres de Betti des variétés arithmétiques

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Academic year: 2021

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(1)

HAL Id: hal-00290583

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00290583

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�

(2)

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 sur

Q

. Soitégalement

K

⊂ G

0

(R)

un ompat maximal,

X = G

0

(R)/K

est un espae symétrique. Soit

Γ

un sous-groupe arithmétique de

G

0

(Q)

. On onstruit ainsi une variété arithmétique

S(Γ) = Γ\X

. Soit

Γ(n)

la suite des sous-groupes de ongruene de

Γ

, nous sommes intéressés par le om-

portement asymptotique desnombres de Betti

L

2 des variétés

S(Γ(n))

.Plus préisement

nousherhonsdesnombres

α

i et

β

i tels quepour tout

ǫ > 0

:

vol

(S(Γ(n)))

αi−ǫ

ǫ

dim H

i

(S(Γ(n)), C) ≪

ǫvol

(S(Γ(n)))

βi

(1)

la notation

A

n

ǫ

B

n veut dire qu'il existe une onstante

C > 0

ne dépendant que de

ǫ

telle que

A

n

≤ CB

n pour tout

n

. Préisons les groupes que nous allons étudier. Soit

F

un orps de nombres totalement réel. Soit

(E, •)

une extension de orps de

F

ave une

involutionde l'un destypessuivants:

E =

F

as 1

une extension quadratique de

F

as 2,

• =

id as 1

l'involution deGalois de

E

as 2.

(3)

Soit

η ∈ {−1, 1}

. Soit

V

un

E

-espae vetoriel de dimension nie muni d'une forme

sesquilinéaire

(, ) η

-hermitienne. Nous faisons l'hypothèse suivante, dans le as

(1)

nous

supposeronsqueladimension de

V

estpairesi

η = 1

.Soit

G = U (V )

(resp.

G

0

= SU (V )

)

le groupe des isométries de

V

(resp. de déterminant

1

), on peut voir es groupes omme

étantdénissur

Q

parréstritiondessalaires.Onsedonne

L

unréseauentiermaximalde

V

.Alors pour tout idéal

c

de

E

le sous-groupe de ongruene

Γ(c)

est bien déni.Fixons

un tel idéal

c

et

P

un idéal premier inerte et non ramié. Notre résultat prinipal est le

théorème 2.16. Par exemple, laohomologie holomorphe fortement primitive des variétés

de Siegelde rang

n

n'apparaît qu'enles degrés

p(2n − p)

ave

p ≤ n

,onobtient alors :

Théorème 0.1. Si

p <

n−12 :

(2) vol

(S(Γ(cP

k

)))

p n+ 12

(1−2n1 )−ǫ

ǫ

dim H

2p(2n−p),0

(S(Γ(cP

k

), C) ≪

ǫ

vol

(S(Γ(cP

k

)))

p n+ 12

(1+p−n12)+ǫ

La formule deMatsushima montre que:

(3)

H

i

(Γ(cP

k

)\X) = ⊕

A

m

A, Γ(cP

k

)

H

i

(

Lie

(G

0

), K

, A)

A

déritles représentations unitaires de

G

0

(R)

et

m(A, Γ(cP

k

))

est la multipliité de

A

dans

L

2

(Γ(cP

k

\G

0

)

.Lesreprésentations vériant

H

(

Lie

(G

0

), K

, A) 6= 0

sontappeléeslesreprésentationsohomologiques,ellesontétédéterminéesdans[VZ ℄.Ces

représentations sont onstruites à partir d'unealgèbre parabolique

θ

-stable

q

de Lie

(G

0

)

.

Onnote

A

qlareprésentation assoiéeà unealgèbre

q

.Onnote

R(q)

lepluspetitdegrétel

que

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 réels

p ≥ 2

tels que les oeients

K

-nis de

A

q

soient dans

L

p

(G

0

)

.Posons

d(q) =

p(q)2 .Dans[SX℄ lesauteurs onjeturent quepour tout

ǫ > 0

:

(4)

m

A

q

, Γ(cP

k

)

ǫ

[Γ : Γ(cP

k

)]

d(q)+ǫ

généralisantainsisousformeonjeturalelethéorèmede[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)

ave

p > q

, alors pour la ohomologie holomorphe de degré

q

, on trouve

β

q

=

p+q−11 .

SO(n, 1)

,alors pour le

i

ièmenombrede Betti, on trouve

β

i

=

n−12i .

Sp

2nalorspourlaohomologieholomorphe

L

2dedegré

p(2n−p)

,ontrouve

β

p(2n−p)

=

p n

.

(4)

Signalons que dans [Li4 ℄, l'auteur donne des formules exates dans le as

p = 2

. On

remarquequelestermesd'erreurparrapportàl'exposant

p

2n−1 danslaformule(2)tendent

vers zeroquand

n ≫ p

.En général, on donne seulement une majoration de la partie

θ

de

laohomologie.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 de

G

.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=⊗Av

Y

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 algèbre

θ

-stable

q

dont

le Levi n'a qu'un seul fateur non ompat, un ouple

(W

q

, π

q

)

formé d'un espae

−η

-

hermitien

W

qsur

E ⊗

F

R

etd'unesériedisrètede

U (W

q

)

.Leouplevériantlapropriété

suivante :

Θ

χ

q

) = A

q

Θ

χ désigne la orrespondane theta entre la paire de groupes

U (W ) × U (V )

. Soit

W

un

espae hermitiendénisur

E

de signature

W

qalors on peutdénir :

H

q,WR

(S(K

f

), C) = ⊕

π,α

dim(α ⊗ Θ(π

f

))

Kf

H

θR

(S(K

f

), C) = ⊕

W,α

π

dim(α ⊗ Θ(π

f

))

Kf

(5)

La sommeétantindéxéepar lesreprésentationsautomorphesuspidales de

U (W )

de type

π

q à l'inni etles aratères automorphes

α

de

U (1)

de omposantearhimédienne nulle.

Nousexpliquonsesformules danslapartie2 et4.Danslapartie7on démontrequepour

la suite

K(cP

k

)

, les espaes

W

apparaissant dans la somme (5) sont en nombre nis. Il sut don desavoirbornerpourtoute plaenie

v

de

F

:

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 nm

n = dim V

et

m = dim W

. La preuve de la majoration est basée sur des résultats de

Waldspurger([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

(5)

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.Onnote

F

= F ⊗

Q

R ≃ R

[F:Q]. On note

P

l'ensemble des plaes de

F

et pour

v ∈ P

,

F

v laomplétion de

F

par

rapport à

v

. Onnote

F

= Q

v|∞

F

v.On note

A

les adèles de

F

et

A

f les adèles nis de

F

. Plus généralement si

T

est un ensemble ni de plaes, on note

A

T

= Q

v∈T

F

v et

A

T

le produit restreint des

F

v pour

v 6∈ T

.On a

A = A

T

× A

T,en partiulier

A = F

× A

f.

Rappelons que l'on a dans l'introdution un ouple

(E, •)

formé d'une extension de

orps de

F

etd'uneinvolutionde l'un destypessuivants:

E =

F

as 1

une extension quadratique de

F

as 2,

• =

id as 1

l'involution deGalois de

E

as 2.

Dansleas

(2)

,onnote

ǫ

E/F learatèrede

A

×F

/F

×assoiéàl'extensionquadratique

E/F

parlathéorieduorpsdelasse(onpeutledérireexpliitementaumoyendudisriminant

etdusymboledeHilbertde

E

).Soit

η ∈ {−1, 1}

.Soit

V

un

E

-espaevetorieldedimension

niemunid'uneformesesquilinéaire

(, ) η

-hermitienne. Nousfaisonsl'hypothèsesuivante, dansleas

(1)

noussupposeronsqueladimension de

V

est paire si

η = 1

,dansleas

(2)

onpeutsupposersanspertedegénéralité que

η = 1

,nouslefaisons. Onnote

n = dim

E

V

et

r

la dimension d'un sous-espae isotrope maximal déni sur

E

de

V

. Soit

G = U (V )

le groupe des isométries de

V

. Le groupe

G

est de rang déployé

r

. Soit

K

un sous-

groupe ompat maximal de

G(F

)

. Soit

K

f un sous-groupe ompat ouvert de

G(A

f

)

.

Noussommesintéresséspar leomportementasymptotiquedesnombresde Betti

L

2 dela

variétéarithmétiquesuivante :

SKf

(V ) = G(F)\G(A)/(K

× K

f

)

quandlevolumede

K

f tendvers

0

.Noussupposeronsqu'ilexisteuneuniqueplaearhimé- dienne

v

telle que

G(F

v

)

soit non ompat, on a alors trois familles possibles pour

G(F

)

n

= G(F

v

)

:

Dansleas1 si

η = 1

,

O(p, q)

ave

pq 6= 0

et

p + q = n

Dansleas1 si

η = −1

,Sp2k ave

2k = n

(on a alors néessairement

F = Q

)

Dansleas2,

U (p, q)

ave

pq 6= 0

et

p + 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

i

)

estun systèmede représentant deCl

(G, K

f

)

,ona :

SKf

(V ) = ∪

i

G(F ) ∩ γ

i

K

f

γ

i−1

\X

G

.

(6)

Lesensembles Cl

(G, K

f

)

vérient les propriétés suivantes :

Dansleas1si

η = −1

legroupe

G

vérie l'approximationforte,onadonpourtout ompat Cl

(G, K

f

) = {1}

etsi

K

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 algébrique

G

n'est pas onnexe, notons

G

0 saom-

posanteonnexe, ona une suite exate:

1 → G

0

→ G

det

→ {±1} → 1.

Soit

K(1)

un ompat maximal de

G(A

f

)

. On vérie aisément que

det K(1) = {±1}(A

f

)

. On suppose que

K

f

= Q

v

K

v est distingué dans

K

. Posons

K

f0

= K

f

∩ G

0

(A

f

)

. Notons

S

l'ensemble des plaes

det K

v

= 1

. En utilisant le

déterminant on vérie que:

ard

(

Cl

(G, K

f

)) =

ard Cl

(G

0

, K

f0

)

2

ardS−1

.

Dansleas2. Soit

G

0 le groupedérivéde

G

.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 de

G(A

f

)

etposons

K

f,n0

= K

f,n

∩ G

0

(A

f

)

.Soit

S

unensemblenideplaes de

F

,

onsupposeque

K

f,n

S

1

danslesensde[Clo℄.Soit

π

0unesériedisrète de

G

0

(F

)

.On

a 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. Soit

π

une extensionde

π

0à

G(F

)

.Onremarqueque:

Cas1

η = 1

,

G

0

= G

.

Cas1

η = −1

,

m(π

, L

20

(G(F)\G(A)/K

f,n

)) = 2

α

m(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

).

(7)

1.4. Formesharmoniques. Nousallonsdansettesetiondériredupointdevuede

lathéoriedesreprésentationslesformesdiérentiellessuresvariétés.Selonuneonvention

usuelle nous noterons les algèbres de Lie réelles ave un indie

0

etleur omplexié sans

indie.Onnote

l'élémentdeCasimirduentredel'algèbredeLiede

G(F

)

.Soit

k

0

⊂ g

0,

l'algèbre de Liede

K

.Notons

p

0 le supplémentaire orthogonal pour la forme de Killing de

k

0 dans

g

0.Alors

p

s'identieauomplexiéduplantangentdeSKf

(V )

enl'identité.La forme de Killing s'identiant à la métrique surle plan tangent. Les formes diérentielles

L

2 dedegré

i

surSKf

(V )

sont don :

hom

K

(

^

i

p, L

2

(G(Q)\G(A)/K

f

))

On remarque que le entre de l'algèbre de Lie de

G(F

)

agit droite) sur et espae,

don en partiulierl'élément deCasimir

.Le lemmede Kugaarme quel'ensembledes

formesdiérentielles harmoniques

L

2 de degré

i

estégal à:

H

2i

(

SKf

(V )) = hom

K

(

^

i

p, L

2

(G(Q)\G(A)/K

f

)))

Ω=0

.

Onen déduitdon que :

H

2i

(

SKf

(V ), C) = ⊕

π=π⊗πf

hom

K

(

^

i

p, 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 de

k

0.

Les raines

∆(t

0

, g)

sont des éléments de

it

0.On onsidère les sous-algèbres paraboliques

q = l ⊕ u

,

l

est leentralisateur d'unélément

X ∈ it

0 et

u

est lesous-espae engendré

par les raines positives de

X

dans

g

. Alors

u

eststable sousl'involution de Cartan, on a don unedéomposition

u = u ∩ k ⊕ u ∩ p

.Soit

R(q)

ladimension de

u ∩ p

.Le sous-module engendré sous l'ation de

K

par la droite

V

R(q)

u ∩ p

dans

V

R(q)

p

est un sous-espae

irrédutiblenoté

V (q)

quiapparaît avemultipliité

1

dans

V

R(q)

p

.VoganetZukermann

démontrent 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

j

p, A

q

) = 0

si

j < R(q)

hom

K

( V

j

p, A

q

) = C

si

j = R(q)

.

(8)

Le sous-espae:

H

qR(q)

(

SKf

(V ), C) = ⊕

π=π⊗πf

π=Aq

hom(

R(q)

^

p, A

q

) ⊗ π

fKf

≃ ⊕

π=π⊗πf

π=Aq

π

Kff

estappelé lapartie fortement primitive detype

A

q delaohomologie. La orrespondane theta nouspermetde réer deslasses de ohomologie dansla partie fortement primitive

assoiéeà ertaines algèbresparaboliques.

2. Utilisation de la orrespondane theta

2.1. Rappel. Onsedonneunaratèrenontrivial

ψ

de

A

F

/F

.Onsedonneégalement

unaratère

χ

de

A

×E

/E

×vériant

χ

|A×

F

= ǫ

E/F.Soit

W

un

E

-espaevetorieldedimension

nie muni d'uneforme sesquilinéaire

h, i

de sorte que

W

soit

−η

-hermitien. Nous faisons l'hypothèse suivante,dansle as

(1)

noussupposeronsqueladimension de

W

estpaire si

η = −1

. Onnote

m = dim

E

W

.Onsupposera toujours que

n > m

et dansle as (2)que

n > m + 1

.Le

F

-espaevetoriel

W = W ⊗

E

V

estmunide laforme symplétique:

B(, ) =

trE/F

(h, i ⊗ (, )

ι

).

Soit Sp

( W )

(resp.

U (W )

) le groupe des isométriesde

W

(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

χ

, S = ⊗

v

S

v

)

de

U (W )(A) × U (V )(A)

parrestritiondelareprésentationmétaplétique de

M p( W )(A)

. On se donne une plae

v

de

F

et

π

v une représentation irrédutible de

U (W )(F

v

)

.Posons :

Θ

χ

v

, V ) = (π

v

⊗ ω

χ

)

U(W)(Fv)

(La notation

Π

G, si

Π

est une représentation d'un groupe

G

, désigne les oinvariants de

Π

sous l'ation de

G

).

Θ

χ

(π, V )

est une représentation de

U (V )(F

v

)

.Dans [Howe ℄,il est

onjeturéque :

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 pas

2

.

Onnotera alors

θ

χ

v

, V )

l'unique quotientirrédutible de

Θ

χ

v

, V )

.

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