G´ eom´ etrie p-adique des courbes modulaires
Laurent Fargues
5 novembre 2009
G´ eom´ etrie des courbes modulaires sur C
N ≥ 3 un entier
Sh
N= espace de modules des couples (E, η) o` u E est une courbe elliptique et η : ( Z /N Z )
2−−→
∼E [N]
= Courbe alg´ ebrique lisse sur Q H
±= C \ R
Γ(N) =
γ ∈ SL
2( Z ) | γ ≡ Id mod N
Γ(N) ⊂ GL
2( R ) << H
±par homographies
Uniformisation de la surface de Riemann Sh
N( C ) : a
(Z/NZ)×
Γ(N)\ H
±' Sh
N( C )
G´ eom´ etrie des courbes modulaires sur C
N ≥ 3 un entier
Sh
N= espace de modules des couples (E, η) o` u E est une courbe elliptique et η : ( Z /N Z )
2−−→
∼E [N]
= Courbe alg´ ebrique lisse sur Q
H
±= C \ R Γ(N) =
γ ∈ SL
2( Z ) | γ ≡ Id mod N
Γ(N) ⊂ GL
2( R ) << H
±par homographies
Uniformisation de la surface de Riemann Sh
N( C ) : a
(Z/NZ)×
Γ(N)\ H
±' Sh
N( C )
G´ eom´ etrie des courbes modulaires sur C
N ≥ 3 un entier
Sh
N= espace de modules des couples (E, η) o` u E est une courbe elliptique et η : ( Z /N Z )
2−−→
∼E [N]
= Courbe alg´ ebrique lisse sur Q H
±= C \ R
Γ(N) =
γ ∈ SL
2( Z ) | γ ≡ Id mod N
Γ(N) ⊂ GL
2( R ) << H
±par homographies
Uniformisation de la surface de Riemann Sh
N( C ) : a
(Z/NZ)×
Γ(N)\ H
±' Sh
N( C )
G´ eom´ etrie des courbes modulaires sur C
N ≥ 3 un entier
Sh
N= espace de modules des couples (E, η) o` u E est une courbe elliptique et η : ( Z /N Z )
2−−→
∼E [N]
= Courbe alg´ ebrique lisse sur Q H
±= C \ R
Γ(N) =
γ ∈ SL
2( Z ) | γ ≡ Id mod N
Γ(N) ⊂ GL
2( R ) << H
±par homographies
Uniformisation de la surface de Riemann Sh
N( C ) : a
(Z/NZ)×
Γ(N)\ H
±' Sh
N( C )
L’uniformisation
a
(Z/NZ)×
Γ(N)\ H
±' Sh
N( C )
est donn´ ee sur la composante ind´ ex´ ee par ¯ 1 ∈ ( Z / NZ )
×par H
±−→ Sh
N( C )
τ 7−→ C / Z ⊕ Z τ, η o` u
( η(1, 0) =
N1mod Z ⊕ Z τ
η(0, 1) =
Nτmod Z ⊕ Z τ
G´ eom´ etrie sur Z
Th´ eor` eme
1. La vari´ et´ e alg´ ebrique Sh
Nposs` ede un (( bon )) mod` ele entier modulaire S
Nsur Z .
2. Lorsque (N, p) = 1, S
N⊗ Z
(p)est lisse (sans singularit´ es) sur Z
(p).
G´ eom´ etrie sur Z
Th´ eor` eme
1. La vari´ et´ e alg´ ebrique Sh
Nposs` ede un (( bon )) mod` ele entier modulaire S
Nsur Z .
2. Lorsque (N, p) = 1, S
N⊗ Z
(p)est lisse (sans singularit´ es) sur Z
(p).
G´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p
Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire,
E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞,
E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
mI
E [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere,
E [p
∞] = E b = unique groupe formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie modulo p
Stratification de Newton
(N, p) = 1
S
N⊗ F
p= courbe alg´ ebrique lisse sur F
p= espace de modules de courbes elliptiques en caract´ eristique p Si E = courbe elliptique sur F
p, 2 cas :
I
E [p]( F
p) ' Z /p Z , E est ordinaire, E [p
∞] ' Q
p/ Z
p× µ
p∞, E b ' G c
m IE [p]( F
p) = {0}, E est supersinguli` ere, E [p
∞] = E b = unique groupe
formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
p(S
N⊗ F
p)
ord= ouvert de S
N⊗ F
p(S
N⊗ F
p)
ss= S
N⊗ F
p\ (S
N⊗ F
p)
ord= nombre fini de points
−→ stratification de Newton de S
N⊗ F
pG´ eom´ etrie p-adique
Tubes au dessus des points supersinguliers
j : Sh
N−→ A
1Posons X := j
−1B (0, 1)
⊂ Sh
N⊗ Q d
nrp ano` u B (0, 1) = {x ∈ ( A
1)
an| |x|
p≤ 1}
X = lieu de bonne r´ eduction de la courbe elliptique universelle Sp´ ecialisation :
sp : X −→ S
N⊗ F
p( (( r´ etraction )) de la fibre g´ en´ erique sur la fibre sp´ eciale) x ∈ S
N( F
p), tube au dessus de x= sp
−1(x)
| {z }
fibre de Milnor
' ˚ B (0, 1)
car S
N⊗ Z
pest lisse
G´ eom´ etrie p-adique
Tubes au dessus des points supersinguliers
j : Sh
N−→ A
1Posons X := j
−1B (0, 1)
⊂ Sh
N⊗ d Q
nrp ano` u B (0, 1) = {x ∈ ( A
1)
an| |x|
p≤ 1}
X= lieu de bonne r´ eduction de la courbe elliptique universelle
Sp´ ecialisation :
sp : X −→ S
N⊗ F
p( (( r´ etraction )) de la fibre g´ en´ erique sur la fibre sp´ eciale) x ∈ S
N( F
p), tube au dessus de x= sp
−1(x)
| {z }
fibre de Milnor
' ˚ B (0, 1)
car S
N⊗ Z
pest lisse
G´ eom´ etrie p-adique
Tubes au dessus des points supersinguliers
j : Sh
N−→ A
1Posons X := j
−1B (0, 1)
⊂ Sh
N⊗ d Q
nrp ano` u B (0, 1) = {x ∈ ( A
1)
an| |x|
p≤ 1}
X= lieu de bonne r´ eduction de la courbe elliptique universelle Sp´ ecialisation :
sp : X −→ S
N⊗ F
p( (( r´ etraction )) de la fibre g´ en´ erique sur la fibre sp´ eciale) x ∈ S
N( F
p), tube au dessus de x= sp
−1(x)
| {z }
fibre de Milnor
' ˚ B (0, 1)
car S
N⊗ Z
pest lisse
G´ eom´ etrie p-adique
Int´erpr´etation modulaire des fibres de Milnorp-adiques
Th´ eor` eme (Serre-Tate)
D´ eformer une famille de vari´ et´ es ab´ eliennes d´ efinie sur une base annul´ ee par une puissance de p ⇐⇒ d´ eformer son groupe formel
X = espace des d´ eformations d’un groupe formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
pX ' Spf W ( F
p) J x K
(non canoniquement)
Corollaire
Si x ∈ S
Nss( F
p), sp
−1(x) ' X
anG´ eom´ etrie p-adique
Int´erpr´etation modulaire des fibres de Milnorp-adiques
Th´ eor` eme (Serre-Tate)
D´ eformer une famille de vari´ et´ es ab´ eliennes d´ efinie sur une base annul´ ee par une puissance de p ⇐⇒ d´ eformer son groupe formel
X = espace des d´ eformations d’un groupe formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
pX ' Spf W ( F
p) J x K
(non canoniquement)
Corollaire
Si x ∈ S
Nss( F
p), sp
−1(x) ' X
anG´ eom´ etrie p-adique
Int´erpr´etation modulaire des fibres de Milnorp-adiques
Th´ eor` eme (Serre-Tate)
D´ eformer une famille de vari´ et´ es ab´ eliennes d´ efinie sur une base annul´ ee par une puissance de p ⇐⇒ d´ eformer son groupe formel
X = espace des d´ eformations d’un groupe formel p-divisible de dimension 1 et hauteur 2 sur F
pX ' Spf W ( F
p) J x K
(non canoniquement)
Corollaire
Si x ∈ S
Nss( F
p), sp
−1(x) ' X
anPour une coordonn´ ee x et un param` etre formel T bien choisis, si f (T ) = 1 + X
k≥1
X
I⊂{0,...,k−2}
I∩I+1=∅
1 p
k−|I|x
P
0≤i≤k−1 i∈I∪I+1/
pi
T
pk= T + x
p T
p+ x
p+1p
2+ 1
p
T
p2+ x
1+p+p2p
3+ x
p2p
2+ x p
2T
p3+ x
1+p+p2+p3p
4+ x
p2+p3p
3+ x
1+p3p
3+ x
1+pp
3+ 1
p
2T
p4+ . . .
f ∈ ( Q
p[x ]) J T K alors
F (X , Y ) = f
−1(f (X ) + f (Y )) ∈ Z
pJ X , Y K !!!
F = loi de groupe formel universelle, f = log
FPour une coordonn´ ee x et un param` etre formel T bien choisis, si f (T ) = 1 + X
k≥1
X
I⊂{0,...,k−2}
I∩I+1=∅
1 p
k−|I|x
P
0≤i≤k−1 i∈I∪I+1/
pi
T
pk= T + x
p T
p+ x
p+1p
2+ 1
p
T
p2+ x
1+p+p2p
3+ x
p2p
2+ x p
2T
p3+ x
1+p+p2+p3p
4+ x
p2+p3p
3+ x
1+p3p
3+ x
1+pp
3+ 1
p
2T
p4+ . . .
f ∈ ( Q
p[x ]) J T K alors
F (X , Y ) = f
−1(f (X ) + f (Y ))
∈ Z
pJ X , Y K !!!
F = loi de groupe formel universelle, f = log
FPour une coordonn´ ee x et un param` etre formel T bien choisis, si f (T ) = 1 + X
k≥1
X
I⊂{0,...,k−2}
I∩I+1=∅
1 p
k−|I|x
P
0≤i≤k−1 i∈I∪I+1/
pi
T
pk= T + x
p T
p+ x
p+1p
2+ 1
p
T
p2+ x
1+p+p2p
3+ x
p2p
2+ x p
2T
p3+ x
1+p+p2+p3p
4+ x
p2+p3p
3+ x
1+p3p
3+ x
1+pp
3+ 1
p
2T
p4+ . . .
f ∈ ( Q
p[x ]) J T K alors
F (X , Y ) = f
−1(f (X ) + f (Y )) ∈ Z
pJ X , Y K !!!
F = loi de groupe formel universelle, f = log
FLa tour de Lubin-Tate
X
an' ˚ B
1syst` eme local p-adique de rang n
X
anπ
1˚ B
1<< T
p(D´ ef. universelle) ' Z
2pGL
2( Q
p) << (X
K)
K⊂GL2(Zp)= tour de Lubin-Tate
O×D
\\
O
D= ordre maximal dans une alg` ebre de quaternion sur Q
pX
GL2(Zp)= X
an= base de la tour
La tour de Lubin-Tate
X
an' ˚ B
1syst` eme local p-adique de rang n
X
anπ
1˚ B
1<< T
p(D´ ef. universelle) ' Z
2pGL
2( Q
p) << (X
K)
K⊂GL2(Zp)= tour de Lubin-Tate
O×D
\\
O
D= ordre maximal dans une alg` ebre de quaternion sur Q
pX
GL2(Zp)= X
an= base de la tour
La tour de Lubin-Tate
X
an' ˚ B
1syst` eme local p-adique de rang n
X
anπ
1˚ B
1<< T
p(D´ ef. universelle) ' Z
2pGL
2( Q
p) << (X
K)
K⊂GL2(Zp)= tour de Lubin-Tate
O×D
\\
O
D= ordre maximal dans une alg` ebre de quaternion sur Q
pX
GL2(Zp)= X
an= base de la tour
La tour de Lubin-Tate
X
an' ˚ B
1syst` eme local p-adique de rang n
X
anπ
1˚ B
1<< T
p(D´ ef. universelle) ' Z
2pGL
2( Q
p) << (X
K)
K⊂GL2(Zp)= tour de Lubin-Tate
O×D
\\
O
D= ordre maximal dans une alg` ebre de quaternion sur Q
pX
GL2(Zp)= X
an= base de la tour
Fibre de Milnor en niveau quelconque
(N, p) = 1
x ∈ S
Nss( F
p), sp
−1(x) = X
ank ≥ 1, S
pkN⊗ F
p| {z }
singulier
−→ S
N⊗ F
p| {z }
lisse
totalement ramifi´ e au dessus de x
y
k∈ S
pkN( F
p), y
k7−→ x
sp
−1(y
k) ' X
Id+pkM2(Zp)Fibre de Milnor en niveau quelconque
(N, p) = 1
x ∈ S
Nss( F
p), sp
−1(x) = X
ank ≥ 1, S
pkN⊗ F
p| {z }
singulier
−→ S
N⊗ F
p| {z }
lisse
totalement ramifi´ e au dessus de x
y
k∈ S
pkN( F
p), y
k7−→ x
sp
−1(y
k) ' X
Id+pkM2(Zp)Fibre de Milnor en niveau quelconque
(N, p) = 1
x ∈ S
Nss( F
p), sp
−1(x) = X
ank ≥ 1, S
pkN⊗ F
p| {z }
singulier
−→ S
N⊗ F
p| {z }
lisse
totalement ramifi´ e au dessus de x
y
k∈ S
pkN( F
p), y
k7−→ x
sp
−1(y
k) ' X
Id+pkM2(Zp)Sur les espaces de Lubin-Tate
I
Existent pour GL
n(F) pour tout n et [F : Q
p] < +∞ ↔ certaines vari´ et´ es de Shimura
I
Correspondance de Langlands locale , → cohomologie `-adique de la tour de L.T.
I
Lien avec les groupes d’homotopie stables des sph` eres. K-th´ eorie de Morava
I
G´ eom´ etrie reli´ ee ` a celle de l’immeuble de Bruhat-Tits de PGL
n/QpSur les espaces de Lubin-Tate
I
Existent pour GL
n(F) pour tout n et [F : Q
p] < +∞ ↔ certaines vari´ et´ es de Shimura
I
Correspondance de Langlands locale , → cohomologie `-adique de la tour de L.T.
I
Lien avec les groupes d’homotopie stables des sph` eres. K-th´ eorie de Morava
I
G´ eom´ etrie reli´ ee ` a celle de l’immeuble de Bruhat-Tits de PGL
n/QpSur les espaces de Lubin-Tate
I
Existent pour GL
n(F) pour tout n et [F : Q
p] < +∞ ↔ certaines vari´ et´ es de Shimura
I
Correspondance de Langlands locale , → cohomologie `-adique de la tour de L.T.
I
Lien avec les groupes d’homotopie stables des sph` eres. K-th´ eorie de Morava
I
G´ eom´ etrie reli´ ee ` a celle de l’immeuble de Bruhat-Tits de PGL
n/QpSur les espaces de Lubin-Tate
I
Existent pour GL
n(F) pour tout n et [F : Q
p] < +∞ ↔ certaines vari´ et´ es de Shimura
I
Correspondance de Langlands locale , → cohomologie `-adique de la tour de L.T.
I
Lien avec les groupes d’homotopie stables des sph` eres. K-th´ eorie de Morava
I