J
OURNAL DE
T
HÉORIE DES
N
OMBRES DE
B
ORDEAUX
J
EAN
E
CALLE
ARI/GARI, la dimorphie et l’arithmétique des
multizêtas : un premier bilan
Journal de Théorie des Nombres de Bordeaux, tome 15, no2 (2003),
p. 411-478
<http://www.numdam.org/item?id=JTNB_2003__15_2_411_0>
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ARI/GARI,
la
dimorphie
et
l’arithmétique
des
multizêtas :
unpremier
bilan
par JEAN ECALLE
RÉSUMÉ. Nous tentons, dans ce
Survol,
deprésenter
une struc-ture méconnue :l’algèbre
de Lie ARI et son groupe GARI. Puis nous montronsquels progrès
elle adéjà
permis
de réaliser dansl’étude
arithmético-algébrique
des valeurs zêtamultiples
et aussiquelles possibilités
elle ouvre pourl’exploration
duphénomène
plus général
dedimorphie numérique.
ABSTRACT. This
Survey
presents a novel structure : the Lieal-gebra
ARIalong
with its group GARI. It then goes on to sketchsome of the advances which
ARI/GARI
madepossible
in the fieldof MZV
(multiple
zetavalues)
arithmetics,
and whatpromises
itholds for the
investigation
of therelated,
but much broaderphe-nomenon of numerical
dimorphy.
Table des matires
1.
Importance
etubiquité
des multizêtas 2 2. La fonction zêta deRiemann,
modèle etpoint
dedépart
3 3. Le passage aux multizêtas : cequi demeure,
cequi disparaît,
ce
qui apparaît
44.
Principaux
objectifs
55. Deux mots sur les
moules,
les bimoules et leurssymétries
5 6.Prolongement méromorphe
des multizêtas :aspects
arithmé-tiques
87. Multizêtas
numériques
et multizêtassymboliques
11 8. Sériesgénératrices
zag’ /zzg’
et reformulation duproblème
13 9. Dérivations etautomorphismes
surl’algèbre
des bimoules :ARI/GARI
et les structures annexes 1410.
Origine
et vocation deARI/GARI
2011.
Application
aux multizêtas : les trois niveaux de difficulté 2312. Les bimoules
bisymétrals
pal’ /pil’
ettad’ /izl’
25 13.Isomorphie
explicite
descinq
algèbres
secondaires 27 14. La ’libregénération’
des multizêtas 2915.
Bipartition
immédiate ettripartition
coûteuse 30 16.Décompte
des irréductibles : lesconjectures
deBroadhurst-Kreimer 32
17.
Décompte
des irréductibles pour les multizêtas purs 3318.
Décompte
des irréductibles pour les multizêtas euleriens 36 19. Les formesquadratiques distinguées
et cequi
lesdistingue
3820. La
décomposition
canonique
en irréductibles 4021. Le facteur I et la
dépendance
en r 2
4222. Les facteurs
II,
III et le bimoulearithmético-analytique
loma8/lomi8 :
cequ’on
saitdéjà
de lui et cequ’on
voudraitsavoir de
plus
4323. Redistributivité et élimination des ‘l’ 45
24.
Passage
auxsuperalgèbres
4625. La
dimorphie
et le corps des naturels 49 26. Unpremier
bilan : cequi
estacquis
et cequi
reste à faire 5127. Un aperçu du formulaire 54
28. Addition 1 : construction du moule
loma8/lomi8
5829. Addition 2 :
complément
sur ladécomposition
canonico-explicite
6130. Addition 3 :
complément
sur l’associateur canonico-rationnel 6331. Addition 4 : les relations
"quadratiques" impliquent
la relation"digonale"
6432. Addition 5 :
complément
sur les relations"hexgonale"
et"pentagonale"
67Bibliographie
671.
Importance
etubiquité
des multizêtas Pour tout r, la fonction zêtamultiple
pure est définie par la sérieet son
analogue
modulé(sous-entendu :
modulé par des racines de l’unitéej :=
exp(21riej))
est défini par :Bien que ces séries ne
convergent
absolument que sur le domaine :nous verrons que leurs sommes
possèdent
unprolongement méromorphe
àtC"’ tout
entier,
mais avec des valeurs auxpoints
de Z"qui
se ramènentvue
arithmétique,
seules ces dernières - dites vadeurs multizêta ou multizêtaspour faire bref - méritent donc d’être
retenues,
mais elles le méritentsu-perlativement,
du fait de leur rôle :1)
en théorie de larésurgence
et des invariantsholomorphes
(depuis 1975)
2)
en théorie des noeuds(depuis
1987)
3)
en théorie des nombres(depuis 1985)
4)
dans l’étude desdiagrammes
deFeynman
(depuis
1985)
5)
en relation avec le groupe de Grothendieck-Teichm" ler(depuis 1991)
mais surtout pour ces deux raisons-ci :
(i)
dans tout processus naturel degénération
des constantes transcendantes(qu’il
s’agisse
despériodes
de Kontsevich ou - construction à mon avisplus
adéquate -
du corps Na desnaturels,
etc)
les multizêtas sontparmi
lestoutes
premières
constantes àapparaître
(ii)
elles sont lesplus
simples
à manifester le fascinantphénomène
de la’dimorphie’
ou du ’doubleproduit’ .
Lesplus simples
mais non lesseules,
loin de là ! t C’est
justement
parrapport
à cephénomène
méconnu mais sigénéral
de ladimorphie 1
que les multizêtasprennent
toute leur valeur deparadigme.
Et c’estégalement
ce vaste horizond’applications
futuresqui,
pensons-nous,justifie
l’introduction de toutl’appareil
algébrico-moulien
es-quissé
ici etdéveloppé
dans[E5].
2. La fonction zêta de
Riemann,
modèle etpoint
dedépart
Puisque
c’est ellequ’il
s’agit
degénéraliser,
commençons par nous remé-morer sespropriétés
lesplus saillantes, puis
demandons-nousquelles
sontcelles
qui
ont des chances raisonnables de survivre à lamultiplication
des variables. Cespropriétés
sont :Pl : l’existence d’un
prolongement
méromorphe
à C tout entier. P2 :l’équation
deréflexion,
qui
relie ~ ( s )
à ((1 -
8).
P3 :
l’équation
detranslation, qui exprime
Ç (s)
en fonction des translatéesdroites ((8+1),((8+2),...avec
des coefficients essentiellementpolynômiaux
en
s . 2
P4 : la
premzère factorisation,
enproduit
eulerien :((8) = npEP
(1 -p-S)
P5 : la seconde
factorisation,
moins connue et moins utile :lqui
semble ne pouvoir être conceptualisé de manière adéquate que dans le cadre des algèbres de fonctions birésurgentes avec, pour pendant numérique, la hiérarchie des anneaux de naturels,cf [E4],[ES].
2C’est
d’ailleurs cette équation de translation, plus que l’équation de réflexion, qui mériteraitP6 :
l’apparente
localisation des zéros de~(.)
sur l’axe verticalR(s)
=1/2,
ou
hypothèse
de Riemann.P7 : la dichotomie entre les entiers s
positifs
pairs,
où(8)/1("8
estrationnel,
et les entiers
positifs impairs,
où la naturearithmétique
etest
mystérieuse
(à
noter que cette dichotomie seretrouve,
mais sensiblementmodifiée,
du côténégatif).
..P8 : la très
probable indépendance algébrique
de ~ (3), ((5), ((7),...
P9 : le rôle
’complètement
àpart’
de ((2) =
~r2/ô.
3. Le passage aux multizêtas : ce
qui demeure,
cequi
disparaît,
cequi
apparaît
Des factorisations P4 et
P5,
trop
liées àl’unidimensionalité,
nous devonsfaire notre deuil. On doit en revanche s’attendre à ce que survive
l’équation
de translation ainsi que sa
conséquence
directe : l’existence d’unprolonge-ment
méromorphe
avec lieusingulier
élémentaire et résidusremarquables.
Nous verrons que tel est bien le cas. Même
l’équation
de on le sentbien,
n’est pas vouée àdisparaître
sanstrace ;
toutefois nous ne nousintéresserons
qu’à
sa ’restriction’ auxpoints
entiers. Del’hypothèse
deRie-mann,
également,
quelque
chose doitsurvivre,
pas directement à proposdes multizêtas
(1)
ou(2),
mais de variantesadaptées.
Mais ce sont évidemment les
propriétés
arithmétiques qui
promettent
leplus.
Defait,
iln’y
aura pas iciappauvrissement
maisspectaculaire
enri-chissement,
en raison surtout duphénomène
dedâmorphze, complètement
absent en dimension1,
maisprépondérant
en dimensionssupérieures.
Dequoi
s’agit-il
aujuste ?
De l’existence sur les multizêtas d’un doublecodage,
par le moule Ze* et le moule
Wa*,
et,
attachés à ces deuxcodages,
de deuxprocédés
distincts pour lamultiplication scalaire,
permettant
chacund’ex-primer
toutproduit
de deux multizêtas comme combinaison linéaire àco-efficientes rationnels d’un nombre variable mais fini d’autres multizêtas. De
plus,
les très abondantes donnéesnumériques
dont ondispose aujourd’hui
suggèrent
que ces deux familles de relations - dites relationsquadratiques
-épuisent
effectivement
toutes les relationspossibles.
D’où l’idée de travaillernon pas sur les Multizêtas
numériques.,
dont l’élucidationarithmétique
com-plète
est encore hors deportée,
mais sur les multizêtas.symboliques
ouformels,
c’est-à-dire les Zée et lesWa’,
définis modulo les relations deconversion, qui
permettent
de traduire uncodage
enl’autre,
et les rela-tionsquadratiques,
qui
définissent,
doublement,
la structuremultiplicative.
4.
Principaux objectifs
G 1 : Recherche de fonctions
génératrices
idoines - ce serontZig
etZag’
-permettant
d’exprimer
d’une manièreplus
compacte
lespropriétés
(conver-sion et
multiplication)
des scalaires Zée etW a’
et surtout de borraer le nombre de termesfigurant
dans la linéarisation desproduits
G2 : Montrer la libre
génération,
autrement dit établir que lesQ-anneaux
de multizêtas(purs
oumodulés)
sont des anneaux depolynômes
à uneinfinité
d’indéterminées,
les irréductibles.G3 : Enumérer et décrire ces irréductibles et examiner ce
qui
leurrépond
du côté des fonctions
génératrices.
G4 : Rechercher une base d’irréductibles
qui
soit naturelle et‘zmpartiale’,
i.e. à
égale
distance des deuxcodages
duaux Ze et Wa .G5 :
Regarder
ce que devient la dichotomiepair/impair
et décrire ladépendance
enw2
desmultizêtas,
ainsi que cequi
luicorrespond
du côtédes fonctions
génératrices :
ce seront les moules ettal-/til .
G6 : Recherchersystématiquement
toutes les familles de relations d’paritéfinie
entremultizêtas,
tant du côté scalaire que du côté des fonctionsgénératrices.
G7 :
Puisque
les relationsquadratiques
sontprésumées
exhaustives,
ten-ter d’endéduire,
par voiealgébrique,
toutes les autres familles de relationsconnues à ce
jour :
involution deHoffman,
relationshexagonales
etpenta-gonales,
etc.G8 : Calcul
systématique
des dimensions additives(dimension
duQ-module
des multizêtas de
poids
et delongueur donnés,
etc)
etmultiplicatives
(nom-bres d’irréductibles de
poids
et delongueur
donnés,
etc)
G9 :
Décomposition
canonico-explicite
des multizêtas en irréductibles-étant entendu
qu’il
existe desdegrés
dansl’explicite
etqu’il
resteparfois
une certaine latitude dans la détermination du
canonique
5. Deux mots sur les
moules,
les bimoules et leurssymétries
Abréviations :
Dans toute la suite nous poserons
P(t)
:=1/t ; Q(t)
:-=c/ tan(ct)
et nousabrégerions
comme suit lessommes/différences
de nos variables :Moules :
Les moules sont des
fonctions
d’un nombre variable de voriables : ilsdépen-dent de
séquences
c~ : _(W1, ... , cv,. )
delongueur
rquelconque.
Cessé-quences sont notées en gras, avec indexation
supérieure.
Leproduit
desWi de ces
séquences
sont notés en caractèresordinaires,
avec indexationinférieure. Les
séquences
sont à leur tour affixées aux moules en indicessupérieurs
A =JAI,
vu que les moules sont destinés à être contractés :avec des
objets
duaux(souvent
desopérateurs
différentiels ou élémentsd’une
algèbre
associative),
dits comoules :B, -
qui
portent
leurs -propres indices enposition
inférieure.Principales opérations
sur les moules :Les moules
peuvent
êtreadditionnée,
mulizphés,
composés.
L’addition se fait
composante
parcomposante.
La
multiplication
( mu ou
x)
estassociative,
mais non-commutative :(ne
pas oublier les deuxdécompositions
triviales w = et w _Nous aurons
aussi, quoique
plus
rarement,
recours à lacomposition
desmoules,
notée o et ainsi définie :Principaux
types
desymétrie
pour les moules :La
plupart
des moules utilesprésentent
des’symétries’
simples.
Un moule A8 est dit
symétral
(resp. alternccn
ssi :Un moule A8 est dit
symétrel
(resp. alterne
ssi :Ici
(resp.
dénote l’ensemble desséquences
wob-tenues à
partir
de",1
et parbattage simple
(resp.
contractant).
Dansun
battage
contractant,
deux indicesadjacents wi
et wj maisprovenant
l’un dew 1
et l’ autre dew 2
peuvent
se fondre en :=Les bimoules et les contracteurs :
et - c’est là l’essentiel -
qu’on
soumet à diversesopérations,
unaires oubinaires,
qui
mêlent intimement les deuxséquences 3,
sont de nature’sym-plectique’ ’
ets’expriment
aux moyen dequatre
’contractions’ de base(cf
infra) .
L’une de cesopérations
unaires est le swap :Une autre est le
push :
relié au swap par :
(11)
neg opush
:= anti o swap o anti o swapoù l’involution anti
(resp. neg)
inverse lesséquences w
(resp.
change
lesigne
de tous leurs élémentsNous entreverrons dans la suite
quelques
unes desopérations
binaires.Toutes
impliquent
descontractions,
denotées par lessymboles 1 , r , j , L
et
toujours
relatives à une factorisation dûmentspécifiée
w = ~$de la
séquence
totale. Lesquatre
règles
de contraction sont immédiatementapparentes
surl’exemple qui
suit. Relativement à la factorisation :les
symboles 1 , r , j , L
signalent
leschangements :
avec les abréviations usuelles pour les
sommes/diflérences.
On voit que le
contracteur 1
ajoute
à l’élémentsupérieur-droit
de a tousles éléments
supérieurs
de laséquence
voisineb,
tandis que le contracteurJ
soustrait dechaque
élément inférieur de a l’ élémentinférieur-gauche
de laséquence
voisine b. Et uice versapour f
etL.
Defait,
les variables usont vouées à être additionnées les unes aux autres et les variables v à être
°
soustraites les unes des autres.
Principaux
types
desymétrie
pour les bimoules :La définition de
s ymétral/al ternal
estinchangée.
Celle des ymétrel/al ternel
aussi,
avec la contraction additive wi+ wj
affectant simultanément lesva-riables u et v. Mais il
apparaît
de nouvellessymétries
propres aux bimoules.Ce sont les
types
symétril/alternil
( resp.
s ymétrul/alternul)
qui
sont définis3sinon
ce seraient de banals moules aux indices Wi =( ’i )
dans C2 au lieu de C.vi
comme
symétral/alternal
mais avecchaque
contraction additive z,clzremplacée
par :Ainsi pour un bimoule
symétral A’
et deuxséquences-facteurs
de lon- . gueur 1 et 2 nous avons :mais si A- est
symétrel
(resp.
symétril
ousymétru4
nous devonsajouter
aumembre de droite des termes
contractés, qui
valentrespectivement :
Il y a enfin
quatre
autrestypes
(symétriiljaltemiil, symétru’UljalternuuQ
qui
sont essentiellement les’périodisés’
desprécédents,
avecQ
à laplace
de
P,
mais aussi des termes correctifs en c et des définitions nettementplus
complexes.
A chacun des
types
en’sym-’ correspond
une loi demultiplication
com-mutative
(c’est manifeste)
mais aussi associative(ce
l’estmoins).
6.Prolongement méromorphe
des multizêtas :aspects
arithmétiques
Dans toute la
suite,
les ej
EQ/Z
dénoteront des rationnels définis modulo1 et les ej :=
exp(21ri fj)
désigneront
les racines de l’unitécorrespondantes.
Quant
aux sj, ce seront des entiers >0,
sauf dans cettesection,
où nouslaissons les sj
parcourir
tout C.Au moule Ze* défini en
(2)
et manifestementsymétrel,
associons unmoule
Zea’,
trèsproche
mais manifestements ymétral
et surtout mieuxadapté
à l’étude duprolongement
méromorphe :
avec des
inégalités larges
entre les nj et un facteur demultiplicité
1/kt!...
sila suite se
décompose
enpaquets
dekl, puis k2,
etc,
termes consécutifségaux.
Zea se déduit parpostcomposition
Zea’ := Zée oEzp
de Ze’ parle moule élémentaire
Exp.
dont lescomposantes
delongueur
r valent1/r!".
Pour un r et des Ej
fixés,
les sériesqui
définissent Zée et Zea* ne sont absolumentconvergentes
que sur le >1,
~i ( s 12 )
>2, ... ,
1>
r}
mais leurs sommes admettent unprolongement
méromorphe
sur tG"’ tout entier et un
prolongenent holomorphe uniforme
sur cC"’ - Ladémonstration
prend
uneligne, puisqu’elle
tient tout entière dans la banale identitéqui, injectée
dans les séries(1)(2)(14),
permet
immédiatementd’exprimer
tout multizêta en fonction des multizêtasconvergents,
par une formulequi
généralise
directementl’équation
de translation de la fonction de zêtaclas-sique
(cf
§2,
P3).
De
plus,
on observe uneagréable séparation
desparties
singulière
etrégulière :
pour tout k >0 il y
afactorisation
des moules multizêtasavec des
facteurs
droitsholomorphes
sur tout le domaine >-kl
et des
facteurs gauches
mérorraorphes
sur ce même domaine etporteurs
de
singulariés
toutes rationnelles. Par"singularités
rationnelles" ,
il faut entendre ici des sommes finies demultipôles
de la forme :avec des résidus e8 eux-mêmes rationnels.
Mais on
peut
préciser
encoredavantage :
les sommes :=si + ...
+Sjp
figurant
dans lesmultipôles répondent
toujours
du côté des racines del’ unité à des sommes nulles :=
e, + - - -
+,Ejp
= 0 et les entiers relat ifsm~p
associésparcourent
l’intervalle]
-oo,p].
Le cas le
plus simple
est celui des multizêtassymétrals
pursdont le lieu
singulier
est très exactement :Non-enrichissement
arithmétique,
non-enrichissementalgébrique.
Appelons longueur-positive
d’uneséquence
s :=(s1, ... , s,.).
leplus
grand
entier p :=
p(s)
donnant lieu à une factorisation en pséquences-facteurs
de somme strictementpositive :
seul le dernier facteur s*
pouvant
être vide. Ainsi pour une mêmelongueur
r = 2 on
peut
avoir leslongueurs-positives :
Tout multizêtas ’entier,’ et de
longueur-positive
p 6
est combinaisons linéairefinie,
àcoefficients rationnels,
de multizêtas’entiers-positifs’
et de lon-gueursr~
p. Enparticulzer,
les multizêtas’entiers-négatifs’
(cas
p =0)
sont tous rationnels. A conditiond’ajouter
aux diversQ-anneaux
de mul- ~tizêtas la constante d’Euler et ses
puissances,
l’énoncéprécédent
s’étend àtoutes les valeurs ’lisibles’ aux
points
s Eaprès
retrait des éventuelspôles
qui
s’ y
trouvent7.
On ne
perd
doncrien,
sur leplan
arithmétique,
à oublier les multizêtas’entiers-relatifs’. Mais on ne
perd
rien nonplus
sur leplan
algébrique.
Enefset : par
prolongement
analytique,
lasymétrélité
de Ze" et lasymétralité
de Zea’ s’étendent à C toutentier 8
et enparticulier
à Z" mais lesre-lations
apparemment
’nouvelles’ ainsi obtenues se déduisent toutes parvoie
algébrique
des relations ’anciennes’ entre les seuls multizêtas’entiers-positifs.’
Equation
de réflexion et moules bernoulliens.Les moules bernoulliens
Se, Sesing, Sereg8
servent à, décrire lessingula-rités des
multizêtas, portées
comme on a vu par les facteursZesingic
etZeasing’k’
de( 16), ( 17) .
Leurs indices( )
parcourent
cC x(QI 7l)
et ils sont, J
définis à
partir
des facteurs :au moyen des relations :
avec bien sûr :
6j.e.
répondant à une séquence s E Zr avec p(s) = p7opération
légitime, car les éventuels pôles en question ont des résidus qui, d’après ce quiprécède, sont eux-mêmes des multizêtas ’entiers’. La soustrnction des pôles est donc ici un geste
bien plus anodin que la prise de dérivées partielles - que l’on s’interdit.
8plus
exactement, toute relation de symétrélité/ symétralité qui évite les pôles seraOn leur associe
également
les trois moulesSea*, Seasing8, Seareg
déduitsen
postcomposant
parEXp8 :
et
qui
donnent lieu à la même factorisation :Le moule
Se.
estsymétrel,
mais pas ses facteursSeszng’
niS’ereg’.
Le moule Sea* est
symétral,
mais pas ses facteursS’easzng’
niSeareg’ .
Pour un r et
desej
fixés,
les fonctionsSereg.
etSeareg8
sontholomorphes
en les U j au-dessus de IRT : ces moulesreprésentent
donc lapartie
régulière
de Se et
Sea’,
tandis que etSeasing8
représentent
lapartie
singulière
pure.Enfin,
le facteursingulier
Seasing
vérifie la relationd’impaxité :
et
Sesing8
vérifie une relationanalogue,
quoiqu’un
peu moinssimple.
C’estlà, semble-t-il,
à peuprès
tout cequi
survit del’équation
de réflexion(dite
abusivement
"équation
fonctionnelle")
de lafonction ( classique.
Quant
àl’ hypothèse
deRiemann,
si elle a unanalogue,
seule uneexplo-ration
numérique - qui
reste à faire -pourrait
permettre
de le formulersensément. Il devrait en tout état de cause
porter
non sur Ze* mais surZea’, puisque
les variétés où Zea s’annule(à
l’encontre de celles oùZe-s’ annule)
’passent’
par les zéros desanalogues classiques (
etLx .
En
résumé,
les multizêtas "entiers" :(i)
restent définis pour les Sj entiers relatifs - en dehors dessingularités,
oumême en
celles-ci, après
soustractioncanonique
desmultipôles
(ii)
conservent leurssymétries d’origine
(iii)
s’expriment
comme combinaisons rationnelles des multizêtas’entiers-positifs’
(iv)
les ’nouvelles relations’ desymétrélité
portant
sur les ’nouveauxmul-tizêtas’
n’induisent, après
élimination de cesderniers,
aucune relation ’nou-.velle’ sur les ’anciens multizêtas’.
Ces énoncés vont tous dans le même sens : ils incitent à ne
s’occuper
quedes multizêtas ’entiérs
positifs’.
’T. Multizêtas
numériques
et multizêtassymboliques
Le
premier
codage ,
des multizêtas entiers(d’indices s -
entiers >1)
et modulés est donné par la formule familière :avec
s j
EI~’’‘
,fj
E ei := et avec un indice *qui
signale qu’on
se limiteprovisoirement
au cas’convergent’
( e1 )
n,
qui
’l’ 1
correspond
à la convergence ousemi-convergence
de la série(28).
Le second
codage
est lui-aussisusceptible
d’une définitiondirecte,
via lespolylogarithmes,
mais mieux vautici,
pour allervite,
le dériver dupremier
codage,
moyennant
les formules de conversion :Ici dénote une
séquence
de s - 1 zéros consécutifs(elle
est vide sis =
1).
PourE~
= 0(~
ej
= 1 ),
nous retrouvons les multizêtas usuels.Les multizêtas sont le
prototype
des familles de constantesdimorphes :
ilssont doublement clos pour la
multiplication, puisqu’à
chacun descodages
correspond
une manière distincte de calculer leursproduits.
Ce sont les deuxsystèmes classiques
de relationsquadratiques, qui
enlanguage
mouliens’énoncent comme suit :
(i)
Le mouleZe*
estsymétrel
partout
où il estdéfini
et ilpossède
uneex-tension
symétrèle
unique
Ze au casénéral
s - >
1
ui
assureZe
= 0 .9 1
(ii)
Le mouleWa:
estsymétral
partout
où il estdéfinis
et ilpossède
uneextension
s ymétrale unique
Wa’ au casgénéral
qui
assureWal
= 0 . Mais ces deux extensions -symétrèle
etsymétrale -
ne secorrespondent
plus
exactement par(30).
Soit Mono le mouleélémentaire,
dont toutes les/0,...,0
composantes
sontnulles,
sauf lescomposantes
de la forme ,qui s’expriment
simplement
en fonction des monozêtas :et soit le moule Zee déduit exactemeret du moule Wa. selon la correspon-dance
(30).
Alors lacorrespondance rigoureuse
Ze8 ++ Wa s’écrit :Une masse de données
numériques
et d’indicesthéoriques
([Bro], [Bor],
[MP])
suggèrent
que ce doublesystème
de ’relationsquadratiques’
1épuise
effectivement les contraintes
algébriques
reliant entre eux les ’vrais’mul-tizêtas,
i.e. les multizêtasnumériques.
Il est donc raisonnable deremplacer
ces derniers - dont l’étude
arithmétique
semble pour l’instant hors deportée
9-
par les multizêtas
formels.
ousymboliques,
notésze, wa
avec desmi-nuscules et soumis pour toute contrainte :
9malgré
les travaux d’Apéry ([A],[C]) et aussi ceux, tout récents et très prometteurs, de T. Rivoal ([R])(i)
à lasymétrélité
de zen(ii)
à lasymétralité
de(iii)
à larègle
de conversion(32)
puis
de tâcher d’élucider toutes lesconséquences
algébriques
de(i)+(ii)+(iii).
Relations
’gonales,’.
Outre les deux familles de relations
quadratiques qui
sous-tendent la for-malisationci-dessus,
les vrais multizêtas vérifient une foule de relationsremarquables.
Enparticulier :
(i)
la relationdigonale, 10
à 2termes,
également
connue comme involutionde
Hoffinan
(ii)
la relationpentagonale,
à 5termes,
due à Drinfel’d(iii)
la relationhexagonale,
à 6termes,
elle aussi due à Drinfel’dL’importance
de cesystème
de relations’gonales’
vient de cequ’il
sous-tend la construction des associateurs de Il vaudrait donc la
peine
de montrer sonéquivalence
avec lesystème
de relationsquadratiques,
maispour l’instant seule est
acquisell
l’implication :
frelations quadratiques}
~~rel ation digonal e~
8. Séries
génératrices
et reformulation duproblème
Pris sous formescalaire,
les multizêtas sont assez peu maniables. Ilconvient donc de
remplacer
les ’scalaires’ze*,
par des sériesgénératrices
choisies,
si faire sepeut,
de manière àpréserver
lasimplicité
des deuxsymétries
et latransparence
de larègle
de conversion. Les bonnes définitionssont celles-ci :
Nous avons alors les
équivalences :
i -... _ - ...
-et la
règle
de conversion(32)
devient :10 digonale
et non pas diagonaiepour des moules élémentaires
mana. /mini8
dont les seulescomposantes
non-nulles valent :
Ainsi,
étudier les multizêtas formels revient à chercher et décrire toutesles
paires
zag8 / zig8
qui
sont- de
type
symétral/symétril,
--
liées essentiellement
(i.e.
modulo desconstantes)
par le swap,- à valeurs dans
l’anneau des séries formelles en u ou v.
Remarque.
Alors que les moulesfabriqués
àpartir
desmul-tizêtas formels ont pour
composantes
desimples
sériesformelles,
les moulesZag.
/ Zig8
correspondant
aux ’vrais’ multizêtas ont pourcomposantes
devéritables fonctions
méromorphes
auxpropriétés
intéressantes : ellesvéri-fient par
exemple
dessystèmes
d’équations
aux différences surlequels
selisent non seulement leur
type
desymétrie
(symétral/symétril)
mais encorela
règle
de conversion(37)
qui
fait passer des unes aux autres.9. Dérivations et
automorphismes
surl’algèbre
des bimoules :ARI/GARI
et les structures annexesIl
s’agit
ici d’introduire de manière naturelle la structure dont nous avonsbesoin : celle où
vivent,
se factorisent ets’analysent
nos moulescelle surtout
qui
permet
deconstruire, comprendre
et dénombrer lesbial-temals,
enquoi
sedécompose
en dernièreanalyse.
Dans toute la
suite,
BIMUdésignera l’algèbre
des bimoules avec sonproduit
associatif rrzu et le crochet de Lie associé limu12.
Le groupemulti-plicatif
BIMU*(resp.
l’algèbre
de LieBIMU.)
rassemblera tous les bimoulestels que
MO
= 1(resp. 0).
Les
majuscules
cursivesA8
=etc...désigneront
despaires
d’éléments de BIMU
(L
pourte, ft ,
R pourright).
A cespaires
seront associés desopérateurs
etgaxit(A*)
que nous feronsagir
sur BIMU.Dérivations/automorphismes
de BIMU.Cherchons toutes les dérivations et
automorphismes
de BIMUqui
soient’symplectiques’
i.e.exprimables
au moyen des seulesL
etappariées.
12limu(A’,
B8) := mu(A8, B8) - mu(B’, A8)avec
est une dérivcatzon de BIMU.
Pour un w de
longueur
1,
les sommes:El,:E2
sontnulles ;
pour une .longueur
r, ellescomportent
chacuner (r -
1)/2
termes. Pour tout A8 E BIMU* xBI MU* ,
l’ capplicatzon :
avec
et avec une somme étendue à toutes les
factorisations
est un
automorphismes
de BIMU.La somme dans
(41 )
comporte
toujours
le terme M’. Pour un w delongueur
1,
elle se réduit à ce seul terme.L’algèbre
AXI.Les dérivations axit sont stables pour le crochet de Lie des
opérateurs.
Plusprécisément,
on aidentiquement
pour une loi axi donnée par :
On note AXI
l’algèbre
de Lieformée
despaires
A
EBIMU*
xBIMU*
etmunie de cette loi axi
15.
Le groupe GAXI.
Les
automorphismes gaxit
sont stables pour le crochet de Lie desopérateurs.
Plus
précisément,
on aidentiquement
l4autrement
dit deux séquences-facteurs consécutives ci et ne peuvent êtresimul-tanément vides, mais les séquences-facteurs extrêmes ai et cl peuvent l’être, séparément ou
simultanément. Bien entendu, si bi est précédé (resp. suivi) d’un facteur ai (resp.
ci)
vide, la contraction correspondante bi Horbi
devient inopérante.pour une loi associative
gaxi
donnée par :On note
GAXI
l e groupe de Lieformé*
despaires
A8
EBIMU*
xBIMU*
etmuni de cette loi
gaxi.
Sous-structures de
AXI/GAXI.
Pour se donner un élément de AXI ou
GAXI,
il faut se donner unepaire
AL, AR
d’éléments de BIMU. Mais nous aurons surtout affaire à dessous-algèbres/sous-groupes
deAXI/GAXI
où lespaires
enquestion
se réduisent en fait à un seulélément,
l’autre étant soitnul,
soit déterminé par lepre-mier au moyen d’une involution. Voici le tableau de ces
sous-algébres/sous-groupes :
Les
paires
AMI/GAMI
etANI/GANI
correspondent
à l’annulation de lacomposante
droite ougauche
deA.
Elles nous servirontbeaucoup -
sur-tout la seconde - mais
indirectement,
comme auxiliaires pour l’étude deARI/GARI.
Les
quatre
choixAXIinvol/ G AXIinvol
correspondent
auxquatre
involu-tions linéaires :
(44)
invol E{anti ,
anti opari ,
anti o neg , anti opari
onegl
lesquelles agissent
de la même manière dansl’algèbre
et dans le groupe. De cesquatre
choix,
seul nous servira celuiqui
correspond
à l’involutionantar := anti o
pari,
oùpari
désigne
lamultiplication
par(-1)’’
de lacomposante
delongueur
r. Lapaire
associée sera notéeALI/GALI.
La
paire
ARI/GARI,
fondamentale pour lasuite,
correspond
à l’involu-tion minu(multiplication
par-1)
dansl’algèbre
et à l’involution fortement non-linéaire invmu(prise
de l’inverse relativement à lamultiplication
mou-lienne
Tnu)
dans le groupe.Parmi les 1 ô involutions
engendrées
par minu(multiplication
par-1)
et paranti, pari,
neg,cinq seulement,
à savoir minu et lesquatre
involutions énumérées en(44),
correspondent
à dessous-algèbres
de AXI de la laforme
= Dn a le même énoncé
pour
GAXI,
avec invmu à laplace
Il est
remarquable que id,
neg,pari
ne soient pasparmi
cescinq
involu-tions licites.
Sur les
cinq
algèbres/groupes
ainsiconstruits,
deuxseulement,
à savoirARI/GARl
etALI/GALI
respectent
lessymétries
alternal/symétral,
mais ils lesrespectent
totalement,
non seulement par leur lois internesari/gari
et
aJi/gaJi,
mais aussi par leur actionsarit/garit
etalit/galit
dans BIMU.Comme
justement
nous avons besoin d’une structurequi
respecte
lestypes
alternal/symétral,
le choix semble se réduire àARI/GARI
etALI/GALI.
Mais en réalité iln’y
a pas véritablement àchoisir, puisqu’un
bimoule alternal
(resp. symétral)
estautomatiquent
invariant paret
appartient
par suite à l’intersection AR,IfIALI(resp.
GARTfIGALI),
oùjustement
les deux structures coïncident.En
fait,
leparallélisme
va encoreplus
loin : les bimoulesqui
nous intéres-sent leplus possèdent
une doublesymétrie.
Ils sont parexemple
alternals et deswappé
alternai,
cequi
les rend invariants non seulement par :(47)
swap o mantar o swap o mantar =neg o
push
mais aussi par neg et
push
séparément,
tout au moins pour lescomposantes
de
longueur
r >
2.Or la
plus grande sous-algèbre
de ARI(resp. ALI)
où l’involution swapagt
commeisomorphisme
estprécisément
l’algèbre
ARIpugh
(resp.
ALIneg)
des bimoules
push-invariants
(resp.
neg-invariants)
~~.
Mais il faut tout de même fixer un cadre pour les occasions où nous au-rons à
manipuler
des bimoulesquelconques,
et làplusieurs
raisonspoussent
à choisir
ARI/ G ARI
depréférence
àALI/ G ALI.
Précisons donc les loiscor-respondantes.
Le groupe GARI et son
algèbre
ARI.Le crochet an de ARI est donné par la formule :
qui
sous formedéveloppée
s’écrit :l6En
d’autres termes, non seulement neg et push se séparent, mais ils se répartissent entreavec
b ~
0,
c ,-~ ~
dans chacune des trois sommes(mais
a et dpeuvent
êtrevides) .
La loi
gari
de GARI est donnée par la formule :qui
sous formedéveloppée
s’écrit :avec une somme étendue à tous les s >_ 2 et des
séquences-facteurs sujettes
seulement àbi :1
0
etci.ai+l :1
0.
Les facteursel
eta i+l
peuvent
êtrevides mais
separément
et les facteurs extrêmesal ,cs ,a8+1
aussipeuvent
êtrevides, séparément
ou même simultanément.Ici
B*
dénote l’inverseinvmu(B)
de B8 pour leproduit
moulien mu.La loi binaire
gari
est donc affine en A8 mais violemment non-linéaire enB’.
Sous-structures de
AR~I/GARI.
Symétries simples, symétries
doubles et entre-deux.
Les
plus
intéressantes sous-structures deARI/GARI
sont caractérisées par des restrictions sur law-dépendance
des bimoules( entière,
polaire,
plate,
etc) et/ou
par des contraintesalgébriques
dutype
avec une
première
sommeimpliquant
un nombre fini deséquences
T(w)
fonctions linéaires de w et une seconde
somme ~ ...
n’impliquant
quedes
séquences
w* delongueur
strictement moindre. Les coefficients ET sontsouvent entiers et très
simples
(par
exemple
=1).
Les groupes
S:ub
engendrés
par lesT 17
sont ditssous-jacents
à lasous-structure
envisagée.
Selonqu’ils
sontfinis
ouinfinis,
celle-ci est ditepri-maire ou secondaire.
Les
principales
sous-structuresprimaires
contiennent les bimoules véri-fiant l’une des 5symétries
de base :alternal/il/iil/ul/uul
ousymétral/il/iil/ul/uul.
Les groupessous-jacents
sont alors toutsimplement
les groupes
symétriques Sar
ouS2r, agissant
parpermutation
des rcom-posantes
de laséquence w
ou de saswappée.
Les
principales
sous-structures secondaires contiennent les bimoulesvéri-fiant l’une des 5
symétries
de base et deswappés
vérifiant eux-aussi l’une del7ou
par leurs quotients si l’on n’a pas pris garde à normaliser en prenant l’un d’eux égal à l’identité.ces
symétries -
la même ou une autre. Les groupessous-jacents
correspon-dants,
Sar,
Sir
>, bienqu’engendrés
par deux groupes finis(le
groupeSur
despermutations
de laséquence
w et le groupeS’iT
despermutations
de laséquence
swappée)
sont alors infinis dès que r > 3.On doit donc s’attendre à ce que les
algèbres
secondaires -qui
nousintéressent
plus
directement,
car c’est là que vivent toutes les fonctionsgénératrices
de nos multizêtas - soient d’unecomplexité
biensupérieure
à .
celle des
primaires,
et tel est bien le cas.Toutefois,
et fortheureusement,
entre ces deuxtypes
extrêmes s’insèrentdes
algèbres
intermédiaires ouprésecondaires,
qui
tout engardant
lasimpli-cité des
primaires
(elles
ont un groupesous-jacent
fini dutype
Sa,.,
neg > ouSz,.,
push
>),
s’apparentent
néanmoins de trèsprès
aux secondaires(comme
celles-ci,
ellespossèdent
une involution non triviale - le swap oul’une de ses
variantes)
et en facilitentgrandement
l’étude.Enumérons
quelques
exemples.
L’espace
ARlai/8
de tous les bimoules alternals est unesous-algèbre
deARI et
l’espace
de tous les bimoulessymétrals
est un sous-groupede GART.
Ce sont les deux
exemples-type
de sous-structureprimaire,
correspon-dant à la stabilité pour une
symétrie simple.
L’espace
ARlaI/aI
de tous les bimoulespairs
et bialternals(z. e.
alternalset de
swappé
alternal)
est unesous-algèbre
de ARI.Pareillement, l’espace
de tous les bimoules
pairs
etbisymétrals
est un sous-groupe deGARI.
Ce sont les deux
exemples-type
de sous-structuresecondaire,
correspon-dant à la stabilité pour une
symétrie
double.Ici,
"pair" signifie
neg-invariant :
pour tout r, onimpose
à lacomposante
A1Ul,...,1Ur d’être une fonction
paire
de w. Enfait,
comme on l’adit,
cetteparité
est presque uneconséquence
de la doublesymétrie :
on montre que,chez tout bimoule
bialternal,
lescomposantes
delongueur
r > 2 sontauto-matiquement paires.
Lacomposante
delongueur
1peut
ne pas l’être maispour avoir stabilité pour le crochet an il faut lui
imposer
à elle aussi d’êtrepaire.
Onsignale
cette condition subsidiaire deparité
par unsoulignement :
par
exemple
al/al
ouas/as.
Cetteparité subsidiaire,
assez anodine sur lesalgèbres,
ne l’estplus
du tout sur les groupes. Ainsi les groupesGARlas/as
etGARla,,/i,,
diSèrent-ils radicalement deGARI./. et GARlas/is
(qui
nesont pas des
groupes).
Nous avons
également
entrevu une deuxièmeconséquence
de la doublesymétrie,
à savoir l’invaxia,nce pour une transformation detype
idempotent :
(ii)
lespush
sur(iii)
diverses variantes depushlspush
sur etc.La double
symétrie
a une troisièmeconséquence :
le swap,qui
n’est pas unisomorphisme
d’algèbre/groupe
quand on
l’envisage
surARI/GARI
toutentier,
en devient un dèsqu’on
le restreint àEntre ces sous-structures définies par une
symétrie
tantôtsimple
tantôtdouble,
existe lacatégorie
interrnédiaire,
évoquée plus
haut. Ce sont des*
sous-algèbres/sous-groupes
tels que :qui regroupent
les bimoulespossédant pleinement
unesymétrie plus
des’traces’ d’une seconde
symétrie,
à savoir lapush/spush-invariance
ouquelque
variante. Tout en restant
primaires,
ces sous-structures serapprochent
dessecondaires et en facilitent l’étude. Par
exemple,
la théorie hilbertienne desinvariants leur est
applicable,
mais cesse del’être,
du moinsdirectement,
dès
qu’on
passe au secondaire.10.
Origine
et vocation deARI/GARI
Origine
deARI/GARI.
La structure
ARI/GARI
a été introduite vers la fin des années80,
maisdans un cadre tout différents - l’étude des
perturbations
singulières -
et parle biais d’une transformation moulienne très
particulière :
le scramble. Le scrambleopère
de la manière suivante :où
scram(w)
désigne
l’ensemble de toutes les sequences w* = w dev 1 ,..., v r
même
longueur
r que w =(1£1
:::
et caracterisées par lapropriété
que» vr
pour
tout j
1l,
relativement à une certaine
paire
de séquences
imbriquées :
Il existe exactement r! ! : := 1.3 ...
(2r -1 )
séquences
~w* de cetype.
Chaque
uj
est somme d’un ouplusieurs ui
consécutifs etchaque vj*
est soit dela forme
auquel
cas on pose =1,
soit de la formeVj*-Vj**,
auquel
cas on poseE(w, w*, j )
:=signe( j** - j*) .
(Notez
l’inversion).
Le
produit
de tous cessignes
donne lefacteur-signe global
E (~, ~* ) : _
dans la définition du scrambl e. 1=1
Par
exemple,
pour r = 2 on obtient :Dans la définition
(52),
on apris
pour A. unbimoule,
mais onpourrait
tout aussi bien
prendre
unmoule,
à conditiond’interpréter
lesA~*
commeAu¡vi ,...,1.1,; v; .
On voit ainsi que le scramblechange
indifféremment moules et bimoules en bimoules.L’importance
du scramble tient engrande
part
à cequ’il
préserve
les deuxprincipaux
types
desymétrie : si
un moule ou bimoule A8 est alternal(resp.
symétml), le
bimoules B* =scramble(A8)
l’est aussi.Les
(bi)moules
remarquables
ont souvent des ’scramblés’remarquables.
Ainsi le moulesymétral
V*(z),
qui joue
un rôle central dans l’étude dela
résurgerace
équatzonnelle
et dessystèmes singuliers,
devient le bimoule,S’ (x)
:=scra,m.ble(V’ (x)),
indispensable
en théorie de larésurgence
co-équationnelle
et dessystèmes
singulièrement
perturbés :
voir[E3], [E4],
§1,§2.
Comme
répondant
scalaire des monômes derésurgence
symétrals
V8 (z)
on a les
moniques
hyperlogarithmiques
alternales V*= VWo
qui
figurent
dans les
équations
derésurgence 18 :
Sous l’action du
scramble,
le moulehyperlogarithmique
V* devient le bi-moule tes8 :=scramble(V.),
dit de tesselation([E3]) ,
qui
régit
lagéometrie
de la
résurgence
coéquationelle
etpossède
nombre depropriétés
curieuses,
comme celle d’être localement constant en sa double séries de variables
Ui, vz, bien que tes* se
présente
commesuperposition
de fonctions trèscom-plexes.
Originalité
deARI/GARI.
S’il est vrai que ARI
continent,
comme cas trèsparticuliers,
une sous-struc-tureisomorphe
àl’algèbre
d’Ihara et une autreisomorphe
àl’algèbre
dite.
de
renormalisation,
il serait absurde deparler
icid’équivalence
19.
Outre son180n
omet souvent l’indice inférieur vu quey£1 ’"" ""’’
= 0 si -f- ... w,. ~ wol9Dans
un récent exposé Bourbaki[Cartier2000],
il est dit que l’algèbre ARI est équivalente àl’algèbre d’Ihara. C’est inexact car en fait elle correspond à la sous-algèbre de ARI constituée des
bimoules constants en v, entiers en u, bialternaux et pairs, i.e. une partie infime de ARI. Plus
grave encore, cette partie ne contient aucun des bimoules spéciaux indispensables a l’intelligence
des multizêtas. D’autre part, s’agissant de la méromorphie de ..., s,. ), ce même exposé Bour-baki suggère une démarche inutilement compliquée. Il laisse même planer un doute sur l’exacti-tude du résultat, pourtant connu depuis fort longtemps. On en trouvera une démonstration simple (exposée en avril 2000 Luminy, au colloque polylogarithmes, valeurs multiztas, et conjecture de