HAL Id: hal-00014071
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Preprint submitted on 18 Nov 2005
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Sur le codage du flot géodésique dans un arbre
Anne Broise, Frédéric Paulin
To cite this version:
Anne Broise, Frédéric Paulin. Sur le codage du flot géodésique dans un arbre. 2005. �hal-00014071�
ccsd-00014071, version 1 - 18 Nov 2005
Anne Broise-Alamihel Frédéri Paulin
Laboratoire deMathématique UMR8628 CNRS
Equipe deTopologieetDynamique (Bât.425)
Université Paris-Sud
91405ORSAYCedex, FRANCE.
e-mail : Anne.Broisemath.u-psud.fr
Département de MathématiqueetAppliations, UMR 8553 CNRS
Eole NormaleSupérieure
45 rued'Ulm
75230PARIS Cedex05,FRANCE
e-mail : Frederi.Paulinens.fr
Résumé
Étant donné un arbre T et un groupe Γ d'automorphismesde T, nous étudions les
propriétésmarkoviennesduotgéodésiquesurlequotientdel'espaedesgéodésiques
de T parΓ.Parexemple,quandT estl'arbredeBruhat-Titsd'ungroupealgébrique linéaireonnexesemi-simpleGde rang1audessusd'unorpsloalnonarhimédien Kb etsi Γest réseau(éventuellement non uniforme)dans G(Kb), nous montronsque
l'ation des puissanes paires de la transformation géodésique est Bernoulli d'en-
tropie nie. Sous des hypothèses générales bénignes, nous montrons que si le ot
géodésique est mélangeant pour une mesure de probabilité de Patterson-Sullivan-
Bowen-Margulis, alors il est lâhementBernoulli.
Abstrat
Given a tree T and a group Γ of automorphisms of T, we study the markovian
properties of the geodesi ow onthe quotient by Γ of the spae of geodesis of T.
For instane, when T is the Bruhat-Tits tree of a semi-simple onneted algebrai group G of rank one over a non arhimedian loal eld Kb, and Γ is a (possibly
non uniform) lattie in G(K)b , we prove that the type preserving geodesi ow is
Bernoulli with nite entropy. Under some mild assumptions, we prove that if the
quotientgeodesiowismixingforaprobabilityPatterson-Sullivan-Bowen-Margulis
measure, then it is looselyBernoulli.
1
1
AMS odes : 20G25, 20E 08,37 A25. Keywords : groupationson trees,Bruhat-Tits
trees,geodesiow,oding,Bernoullishifts.
Soit T un arbre loalementni, Γ un sous-groupe disret d'automorphismes de
T,GT l'espae des géodésiquesde T (i.e. des isométriesℓ:R→T d'origineℓ(0)un
sommet de T), et ϕe : GT → GT la transformation géodésique sur GT, dénie par ℓ 7→ {t7→ℓ(t+ 1)}.
Lebut deet artileestd'étudierladynamiquesymboliquede latransformation
géodésiquequotientϕ : Γ\GT →Γ\GT de ϕe,pourobtenirdespropriétésergodiques
plus nes que elles obtenues dans [BM, Rob℄. Il ne s'agit pas de se restreindre au
asoùΓestunréseauuniforme,quiest bienonnuetbienplusélémentaire(voirpar exemple les référenes [Coo, CP ℄, qui s'intéressent au as plus général des groupes
hyperboliques).Nousnousintéressonsauontraireauasdesréseauxnonuniformes
(voirlelivre[BL ℄pour avoirune idéede larihessedes exemples); en généralonne
peut pas sedébarasser de la torsionpar passage àun sous-groupe d'indieni, ei
est unproblèmeruialen equionerneleodage.Ensupposantquelamesurede
Patterson-Sullivanne harge paslesensemblesde pointsxes d'élémentselliptiques
non triviaux, un premierrésultatde odage (voir paragraphe4) est lesuivant (voir
paragraphe 2 pour des rappelsde dénitions),
Théorème 1.1 Soit µeBM unemesurede (Patterson-Sullivan)-Bowen-Margulispour
Γ surGT.Supposonsquelesystème dynamiquemesuré quotient de(GT,ϕ,e eµBM) par Γ soit de probabilité et mélangeant. Alors il est lâhement Bernoulli.
Voir [BM , Rob℄ (ou le paragraphe 3) pour de grandes lasses d'exemples où
les onditions de nitude de la mesure et de mélange sont vériées. Dans le adre
algébrique, nous amélioronsenore e résultat,de la manièresuivante.
Soit Kb un orps loal, G un groupe algébrique linéaire onnexe semi-simple, déni sur e orps, S un tore Kb-déployé maximal, et Γ un réseau de G = G(K)b .
Les propriétés dynamiques et ergodiques de l'ation de S =S(K)b par translations à droite sur l'espae quotient Γ\G font atuellement l'objet de nombreuses études (voirpar exemple [Mar1, Zim, Mar2, Tom, LW℄).Nous nous intéresserons dans et
artile au as où S est de Kb-rang 1 et Kb est non arhimédien, surtout dans la situation peu étudiée où Γ est non uniforme (l'existene d'un tel Γ implique que Kb est isomorphe à un orps de séries formelles de Laurent sur un orps ni). Pour Kb = Fq((X−1)), G = PGL2, S le sous-groupe diagonal et Γ = PGL2(Fq[X]), la
situationa été omplètement dérite dans [BP℄,en termes arithmétiques.
SiM est lesous-groupeompat maximal de S,ilrevientpresqu'au même(voir
par exemple[Moz , LP℄)d'étudier l'ation par translations àdroite du groupe S/M
sur l'espae Γ\G/M. Celle-i s'interprète en termes d'ations de groupes sur des arbres,delamanièresuivante.SoitTl'arbredeBruhat-Tits[BT ℄de(G,K)b (biparti,
de sommets bleus ou verts). Alors G agit transitivement (par translation au but) sur lesous-espaeG0Tde GTformédes géodésiquesd'origineunsommetvert,etM
est le stabilisateurd'un pointde G0T.L'ation à droite de S/M, quiest isomorphe
à Z, sur G/M, qui s'identie à G0T, orrespond à l'ation des puissanes paires de
LorsqueΓest uniforme,ilestonnu(voirparexemple[CP ℄)quel'ationde S/M
sur Γ\G/M est Bernoulli pour lamesurenaturellesur Γ\G/M venant de lamesure
de Haar sur G (voir par exemple [HK℄ pour les dénitions et rappels de théorie
ergodique). Nousgénéralisons e résultatauas non uniforme.
Théorème 1.2 Pour toutréseau Γ deG=G(K)b , l'ationpar translations àdroite de S/M sur Γ\G/M est Bernoulli d'entropienie.
Nous montrons en fait un résultat (voir le théorème 5.1) valable pour de nom-
breux sous-groupes géométriquement nis d'automorphismes d'arbres loalement
nis au sens de [Rob, Pau ℄.
Plusgénéralement,étant donnéun arbreT etun sous-grouped'automorphismes
Γ de T, nous nous intéresserons auodage du ot géodésique sur Γ\GT. Nousdon-
nonsdans lapartie6desodagesintrinsèques,ausensoùilsn'utilisentquelastru-
ture de graphe de groupes quotient (au sens de [Ser ℄) de T par Γ. Les propriétés
anoniques de ette onstrution devraient être utiles (voir par exemple [LP ℄). Ces
odages markoviens(sur des alphabets éventuellement innis)sont obtenus pour le
as d'ations k-aylindriques au sens de Sela [Sel℄ de n'importe quel groupe Γ sur
n'importequelarbre simpliialT (en partiuliersans supposer T loalementni,et
sans supposer nis lesstabilisateurs de sommetsdans Γ), voirle théorème 6.5.
Les réseaux non uniformes du théorème 1.2 n'agissent pas de manière aylin-
driquesurleurarbredeBruhat-Tits,maisnousmontronsdanslapartie6.2omment
modier es ations pour les rendre aylindriques. En partiulier, l'ation modiée
de l'ationde PGL2(Fq[X]) sur l'arbre de Bruhat-Titsde (PGL2,Fq((X−1))) est 5-
aylindrique,etdonnelieuàun odagepar laméthode générale, quiest trèsprohe
du odage partiulier obtenudans [BP ℄.
La partie 6 de et artile a été érite avant la partie 4.1 de [Pau ℄, où le seond
auteurétudie d'autres propriétésdynamiques du otgéodésique sur un arbre,et en
partiulierertainsargumentsdelapartie4.1de [Pau ℄ontété inspirésdeeux dela
partie6,etpas inversement.Ilfautremarquerquelorsquel'on autorisede latorsion
dans les réseaux, le ot géodésique n'est pas a priori markovien.C'est préisément
pour obtenir un aratère markovien (et don un odage par une dynamique sym-
bolique) que nous avons introduit un ot géodésique d'ordre k sur un arbre dans
la partie6.
Remeriements : Nous remerions J.-P. Thouvenot pour son aide préieuse, en partiu-
lier onernant les référenes, ainsi que S. Mozes et F. Ledrappier. Nous remerions le
rapporteur anonyme d'uneversionpréédentede etartile,ertains deses ommentaires
nousont permis de démontrer lethéorème1.1.
2 Notations et rappels
Nousrenvoyons à[Ser ,Coo,Pau ,Rob℄pour des preuvesetomplémentsoner-
nantettepartie. Pour touteationd'ungroupeΓsur un ensemble, nousnotonsΓx
lestabilisateur d'unpoint x. Parbouled'un espaemétrique,nous entendons boule
fermée.
Si X est un graphe, on note V X l'ensemble de ses sommets et EX l'ensemble
de ses arêtes. Pour toute arête e, on désigne par o(e) son sommet origine, t(e) son
sommet terminal et e son arête opposée. Les longueurs d'arêtes (des réalisations géométriques) sont supposées égales à 1.
Onappellegraphe degroupes, etonnote(X, G∗),ladonnée des objetssuivants:
un grapheX (supposé onnexe dans lasuite);
pour tout sommetv de X, un groupe Gv;
pour toutearête e de X,un groupe Ge, telque Ge=Ge;
pour toutearête e de X,un morphisme injetifρe :Ge →Gt(e).
Par exemple, si Γ est un groupe d'automorphismes (sans inversion) d'un arbre
T,alors legrapheX = Γ\T est muni d'unestruturede graphede groupes, appelée
graphe de groupes quotient et notée Γ\\T. On proède ainsi pour la onstruire. On
xeunrelevéev dansT de haquesommetvde X,unrelevéeedansT dehaquearête e de X, onimpose queee=ee etonxe un élémentge de Γ telqueget(e) =g t(ee). On
dénitalorsGe etGv ommelesxateursdansΓde eeetev.Alorsρe:Ge →Gt(e) est
dénie omme la restrition à Ge de la onjugaison par ge−1. Le graphe de groupes
quotientΓ\\T nedépendpas(àisomorphismedegraphesdegroupesprès),duhoix des ee, ev et ge (voir [Ser ℄ pour tout omplément). Si T est loalement ni et Γ est
disret, alors lesgroupesGe etGv sont nis. Side plus Γ\T est ni, alors Γ\\T est
un graphe(onnexe) ni de groupesnis.
SoitT unarbresimpliial,munidesatopologiefaible.L'espaedesgéodésiquesde
T est l'espaeGT des appliationssimpliialesinjetives de Rdans T (ave Rmuni
de sa struture simpliialeusuelle d'ensemblede sommets Z),muni de latopologie
ompate-ouverte.CommeT estunarbre,laonditiond'injetivitéestéquivalenteà la ondition d'injetivité loale. Notons Aut(T)son groupe d'automorphismes sans inversion. Il est loalement ompat pour la topologie ompate-ouverte si T est
loalementni.
Le groupe Z agit sur GT par translations à la soure (n, f) 7→ {x 7→ f(x+ n)}.Le groupe Aut(T) agit par homéomorphismes sur GT par omposition au but (γ, f) 7→ {x 7→ γf(x)}. Ces deux ations ommutent. Appelons transformation géodésique sur GT l'appliation ϕe : GT → GT dénie par ℓ 7→ {t 7→ ℓ(t + 1)}.
Appelons renversement du temps sur GT l'appliation eτ : GT → GT dénie par ℓ 7→ {t7→ℓ(−t)}.
Soit Γ un sous-groupe de Aut(T). On munit les quotients Γ\T et Γ\GT de la
topologie quotient. On note π : T → Γ\T et π′ : GT → Γ\GT les projetions
anoniques. L'appliation ϕe induit une appliation ontinue ϕ : Γ\GT → Γ\GT,
aussi appelée la transformation géodésique sur Γ\GT. L'appliation eτ induit une
appliation τ : Γ\GT → Γ\GT, que nous appelerons renversement du temps sur
Γ\GT.
Soit T un arbre loalementni. Notons T ∪∂T la ompatiationpar l'espae des bouts de T, et ∂2T le produit ∂T ×∂T privé de sa diagonale. Rappelons que
toute arêtee de T dénit unepartitionen deux parties ∂eT etc∂eT de ∂T, de sorte
que toute droitegéodésique d'originedans ∂eT etd'extrémité dans
c∂eT parourt e
suivantl'orientationde e.NousdironsqueT est uniformes'ilexiste un sous-groupe disret dans Aut(T) telque le grapheΓ\T soit ni. Par exemple, un arbre régulier
ou bi-régulier est uniforme.
Notonsx0 un point basede T. L'entropievolumique de T,qui ne dépend pas de x0, est
δT = lim sup
n→∞
1
nlog Card(B(x0, n)∩V T).
Soit Γ un sous-groupe disret de Aut(T). En partiulier, l'ation de Γ sur GT
est proprementdisontinue (mais pasforémentlibreen général),etdon Γ\GT est
loalementompat.
Le groupe Γ est dit non élémentaire s'il ne préserve ni point ni paire de points de T ∪∂T. Ilexiste alors un unique pluspetitsous-arbre Γ-invariantnon vide,noté TΓ,min.
On appellerayon uspidal de groupes un graphede groupesnis (R, G∗)ave R
un rayon,de suitedesarêtesonséutives(en)n∈NorientéesversleboutdeR,telque
pourtoutn dansN− {0},lemorphismeGen →Go(en) soitsurjetif.LegroupeΓ est
ditgéométriquementni s'ilest non élémentaire etsile graphede groupes quotient
Γ\\TΓ,minestréuniond'ungraphenidegroupesniset,reollésenleursextrémités, d'unnombre nide rayons uspidauxdegroupes.Voir[Pau ℄pour l'équivaleneave
la dénition dynamiqueusuelle (ommedans [Rob℄),et des développements.
Nousrenvoyons parexempleà[BH℄pourladénitiondeshoroboules(ferméespar
défaut) dans un espae métrique géodésique CAT(0). Comme montré dans [Pau℄,
la préimage des rayons uspidaux maximaux dans TΓ,min forme alors une famille
disjointe Γ-invariante maximale d'horoboules ouvertes. Les points à l'innis de es horoboules, qui sont don les extrémitésdes rayons géodésiques relevant les rayons
uspidaux, seront appelés les points paraboliques bornés de Γ (voir [Rob, Pau℄ pour
l'expliationdynamique).
Par exemple, soit Kb un orps loal non arhimédien, G un groupe algébrique
linéaire onnexe semi-simple sur Kb, de Kb-rang 1. Soit Γ un réseau de G =G(K)b .
Soit T l'arbre de Bruhat-Tits de (G,K)b . Alors, par un théorème de A. Lubotzky
[Lub ℄, l'ation de Γ sur T est géométriquement nie etT =TΓ,min.
SoitΓunsous-groupegéométriquementnideAut(T).NousdironsqueΓpossède
la propriété de Selbergs'il admetun sous-grouped'indie ni, dont tout élément de
torsionest onjuguéàun élémentdu grouped'unsommetintérieurd'unsous-rayon
uspidaldeΓ\\T.Parexemple,'estvraisiΓ\\T n'apasdesous-rayonuspidal(voir
[Ser ℄).ParlelemmedeSelberg[Alp℄,'est aussivraipour Γun réseaude G=G(K)b
agissantsurl'arbredeBruhat-Titsde(G,K)b ,aveKb unorpsloalnonarhimédien
et G un groupe algébrique linéaireonnexe semi-simple sur Kb, de Kb-rang 1. Cette
propriété est aussi vériée si tout stabilisateur de point parabolique borné dans Γ
est résiduellementni, ar onpeut alorsutiliser lerésultat susnomméde [Ser ℄ pour
enleverla torsionsur legrapheprivéde ses rayons uspidaux, et reollerdes rayons
uspidauxorrespondantàdessous-groupesd'indienidesstabilisateursdepoints
paraboliquesbornés.Rappelonsqu'un groupeestrésiduellementnisil'intersetion
de ses sous-groupesd'indie ni est réduite àl'élémentneutre.
L'exposantritiqueδ=δΓ deΓ,quinedépendpasdex0,estl'élémentde[0,+∞]
tel quela série de Poinaré de Γ
P(s) = PΓ,x0(s) =X
γ∈Γ
e−sd(x0,γx0)
onverge pour s > δ etdiverge pour s < δ. Le groupe Γ est de type divergent si sa
série de Poinaré P(s)diverge pour s=δ.
Si Γ est de type divergent d'exposant ritique ni non nul, alors il existe (voir
[Coo℄)une famille(µx)x∈V T de mesures niessur ∂T, appelée mesure de Patterson-
Sullivan,unique à salaire multipliatifprès, de supports ∂TΓ,min, telle que
∀γ ∈Γ, γ∗µx =µγx,
∀x, y ∈V T, ∀ξ∈∂T , dµdµx
y(ξ) = e−δβξ(x,y),
où βξ(x, y) = d(x, z)−d(z, y) pour tout sommet z susamment prohe de ξ.
Pourtoutegéodésiqueℓ,notonsℓ−, ℓ+lespointsde∂T origineetextrémitéde ℓ.
L'appliationGT →∂2T ×Z, quiàℓ assoie(ℓ−, ℓ+, t)ave tladistane algébrique
sur ℓ entre ℓ(0) et le point de ℓ le plus prohe de x0, est un homéomorphisme. Ce paramétragedépend dupointbasex0.SiΓestde typedivergentd'exposantritique
ni nonnul,ondénitune mesuremeBM surGT,appelée mesure deBowen-Margulis, par
dmeBM(ℓ−, ℓ+, t) = dµx0(ℓ−)dµx0(ℓ+)dt dx0(ℓ−, ℓ+)2δ ,
oùdx0 est ladistane sur ∂T déniepar dx0(ℓ−, ℓ+) =e−u ave ulalongueurde l'in-
tersetiondes rayons géodésiquesissus dex0 onvergeantversℓ−etℓ+.(L'originede
ette mesure remonte aussi auxtravauxde Patterson-Sullivan, mais nous préférons
donner des noms diérents à deux mesures diérentes, la mesure de Patterson-
Sullivanqui vitsur ∂T etelle de Bowen-Margulisqui vit sur GT.) Lamesure meBM
ne dépend pas de x0. Elle est invariante par la transformation géodésique sur GT
et par Γ. Elle induit don une mesure mBM sur Γ\GT, appelée mesure de Bowen-
MargulissurΓ\GT.LesupportdemBMestΓ\GTΓ,min.LorsqueΓestoompat,ette
mesure est lamesure d'entropie maximalepour ϕ (voir[CP , Kai, Bou℄).Lorsque T
est un arbre de Bruhat-Tits ommedans l'introdution,alors larestrition de meBM
à G0T (déni dans l'introdution) s'identie (à un salaire multipliatif près) ave l'image dans G/M de lamesure de Haarde G.
Lesrésultatsdeeparagraphedéoulentessentiellementderésultatsonnus(voir
[BM , Rob℄). En partiulier, lestrois premières assertions de laproposition suivante
déoulent du Corollary 6.5de [BM ℄, l'avant-dernière de la Proposition 7.3 de [BM℄
etladernièreassertion,en utilisantl'avantdernièreetlatroisième,déoulede [Rob℄
(adaptantdes idéesde [DOP ℄). Nousne donnons la preuve regroupée que par soui
de omplétude.
Proposition 3.1 Soit T un arbre loalementni et Γ un sous-groupe géométrique- ment ni de Aut(T). Si TΓ,min est uniforme, alors
δΓ est ni, non nul;
δΓ =δTΓ,min;
Γ est de type divergent;
pour tout point parabolique borné ξ de ∂T et tout point y0 dans V T, il existe
une onstante c≥ 1 telle que 1c enδΓ ≤ Card (B(y0,2n)∩Γξy0) ≤c enδΓ pour
tout n dans N;
pour tout point parabolique borné ξ de ∂T, on a δΓξ =δΓ/2;
la mesure de Bowen-Margulissur Γ\GT est nie.
Remarques. (1) L'hypothèse queTΓ,min est uniforme ne peut être omise. En eet,
pour tout n dans N, posons qn = 22n et Γn = (Z/2Z)qn. Notons que Γn s'injete
naturellement dans Γn+1. Considéronslegraphede groupessuivant (detype Nagao au sens de [BL℄), qui est géométriquement ni (et de volume ni) :
Γ1
Γ1
Γ1 Γ0
Γ2 Γ2
Γ3 Γn
Γn
Γn+1
Soit T le revêtement universel de e graphe de groupes (qui est un arbre non uni-
forme, ar de valenes non uniformément bornées) et Γ son groupe fondamental, pour des hoix indiérents de points bases (voir [Ser ℄). Si x0 est un sommet de T,
préimage del'originede e rayonde groupes,alors laboulede rayon2n etde entre x0 ontientau moins qn/qn−1−1 =qn−1−1 points,don
δΓ ≥lim sup
n→∞
1
2nlog(qn−1−1) = +∞,
et l'exposantritique de Γest inni.
(2)SoitT un arbre loalementni etΓ′ un sous-groupedisret de AutT.Alors δΓ′ ≤δT, ar
PΓ′,x0(s) = (Card Γ′x0) X
y∈Γx0
e−sd(x0,y)≤(Card Γ′x0) X
y∈V T
e−sd(x0,y),
qui onverge si s > δT. Si Γ′ est non élémentaire, alors δΓ′ est non nul, ar alors Γ′
ontient au moins un groupe libre de rang 2 de Shottky (voir par exemple [Lub℄).
Si les valenes de T sont uniformément bornées, disons par q+ 1, alors δΓ′ est ni,
ar δT ≤logq.