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Sur la $\overline{\mathbb F}_l$-cohomologie des variétés de Shimura unitaires simples.

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

HAL Id: hal-01238906

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01238906v2

Preprint submitted on 6 Apr 2016

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Sur la F _l-cohomologie des variétés de Shimura unitaires simples.

Pascal Boyer

To cite this version:

Pascal Boyer. Sur la F _l-cohomologie des variétés de Shimura unitaires simples.. 2015. �hal-

01238906v2�

(2)

SHIMURA UNITAIRE SIMPLE par

Boyer Pascal

esum´ e. — On ´ etudie les classes de cohomologie de torsion des vari´ et´ es de Shimura de type Kottwitz-Harris-Taylor et on montre qu’elles se rel` event

` a une place arbitraire pr` es

en une repr´ esentation automorphe. En application ` a tout syst` eme de valeurs propres de Hecke modulo l apparaissant dans la F l -cohomologie d’une vari´ et´ e de Shimura de type Kottwitz-Harris-Taylor, on associe une F l -repr´ esentation galoisienne dont les valeurs propres des Frobenius sont donn´ ees par celles de Hecke. Par rapport ` a la construction bien plus g´ en´ erale de Scholze dans [10], on gagne ` a la fois la simplicit´ e des arguments et le contrˆ ole aux places ramifi´ ees et ` a celles divisant l.

Abstract (On the F l -cohomology of a simple unitary Shimura variety)

We study the torsion cohomology classes of Shimura varieties of type Kottwitz-Harris- Taylor and we show that

up to an arbitrary place

one can raise them to an automorphic representation. In application, to any mod l system of Hecke eigenvalues appearing in the F l - cohomology of a Shimura’s variety of Kottwitz-Harris-Taylor type, we associate a F l -Galois representation which Frobenius eigenvalues are given by Hecke’s. Compared to the highly more general construction of Scholze in [10], we gain both the simplicity of the proof and the control at places ramified and at those dividing l.

Table des mati` eres

Introduction. . . . 2

1. G´ eom´ etrie des vari´ et´ es de Shimura unitaires simples. . . . 3

2. Syst` emes locaux d’Harris-Taylor et leur Q l -cohomologie . . . . 6

3. Cohomologie d’un F l -syst` eme local. . . . 9

R´ ef´ erences. . . 13

Classification math´ ematique par sujets (2010). — 11F70, 11F80, 11F85, 11G18, 20C08.

Mots clefs. — Vari´ et´ es de Shimura, cohomologie de torsion, id´ eal maximal de l’alg` ebre de Hecke, localisation de la cohomologie, repr´ esentation galoisienne.

L’auteur remercie l’ANR pour son soutien dans le cadre du projet PerCoLaTor 14-CE25.

(3)

Introduction

Soit F = F + E un corps CM d’anneau des entiers O F et o` u F + est une extension finie de Q totalement r´ eelle et E/ Q est quadratique imaginaire. Pour KGL n ( A F ) un sous- groupe ouvert compact de GL n sur les ad` eles finies de F , on note

X K := GL n (F )\ h D × GL n ( A F ) i /K

o` u D := GL n (F ⊗ Q R )/ R >0 K est l’espace sym´ etrique pour GL n (F ⊗ Q R ) avec K un sous-groupe compact maximal. Pour S un ensemble fini de places de F stable par la conjugaison complexe contenant les places au dessus de p et les places ramifi´ ees sur F + , dans [10] Peter Scholze associe

— ` a tout syst` eme de F l -valeurs propres de Hecke hors de S, apparaissant dans la coho- mologie de X K o` u K = K S K S avec K S = Q v6∈S GL n (O F

v

),

— une F l -repr´ esentation semi-simple de dimension d, du groupe de Galois de F ,

de sorte qu’en toute place v 6∈ S, les valeurs propres du Frobenius Fr v sont donn´ ees par les valeurs propres de Hecke.

Les restrictions sur S portant sur les places ramifi´ ees sur F + ne sont pas s´ erieuses contrairement ` a ce qui se passe au dessus de p. Le but premier de ce travail est de s’attaquer

`

a la question portant sur la compatibilit´ e aux places au dessus de p dans une situation consid´ erablement plus simple o` u l’espace localement sym´ etrique X K est d´ esormais une vari´ et´ e de Shimura de type Kottwitz-Harris-Taylor, i.e. associ´ ee ` a un groupe de similitudes G/ Q donn´ e par une alg` ebre ` a division B centrale et de dimension d 2 sur une extension CM F/ Q dont les signatures ` a l’infini sont (1, d − 1)× (0, d) × · · · ×(0, d). Pour tout sous-groupe compact ouvert I assez petit de G( A ), on note X I /F la vari´ et´ e de Shimura de niveau I associ´ ee. On choisit une place v de F telle que p := v | Q est d´ ecompos´ ee p = yy c dans E et telle que dans l’´ ecriture

G( Q p ) ' (B y op ) × × Q × p ' Q × x × Y

z

i

(B z op

i

) × ,

avec p = Q i z i dans F + o` u on identifie les places de F + au dessus de p avec les places de F au dessus de y, le facteur associ´ e ` a v est GL d (F v ).

Th´ eor` eme. — Soit π ¯ une F l -repr´ esentation irr´ eductible de G( A ). On suppose qu’il existe

— un entier i,

— un sous-groupe ouvert compact I de G( A ),

— un Q l -syst` eme local L ξ associ´ e ` a une Q l -repr´ esentation irr´ eductible alg´ ebrique enti` ere ξ de G/ Q suppos´ ee l-petite

tels que π ¯ est un sous-quotient irr´ eductible de H i (X I,¯ η , L ξ

Z

l

F l ). Alors pour toute place v de F comme ci-avant, il existe une Q l -repr´ esentation automorphe enti` ere Π de G( A ) cohomologique relativement au syst` eme local L ξ telle que :

Π a des vecteurs invariants sous JI o` u J et I sont ´ egaux hors de v, i.e ´ egaux hors de p et en p, via l’isomorphisme pr´ ec´ edent, seule la composante index´ ee par v est ´ eventuellement diff´ erente,

— la r´ eduction modulo l de Π v a le mˆ eme support supercuspidal que π ¯ v ;

(4)

π ¯ v,∞ est un sous-quotient de la r´ eduction modulo l de Π v,∞ . Remarques :

— comme ξ est suppos´ e l-petite, sa r´ eduction modulo l est irr´ eductible de sorte qu’` a isomorphisme pr` es, il n’y a qu’un unique r´ eseau stable ;

— toute repr´ esentation irr´ eductible ¯ ξ de G( F l ) s’obtient d’apr` es [8], comme la r´ eduction modulo l d’une repr´ esentation irr´ eductible alg´ ebrique enti` ere ξ qui est l-petite ;

— la repr´ esentation ¯ π ne se rel` eve pas n´ ecessairement en une repr´ esentation automorphe sur ¯ Q l , c’est cependant valable si on autorise ` a modifier une et une seule composante locale en gardant le support supercuspidal (1) .

Grˆ ace aux travaux de Harris et Taylor [7], on peut associer ` a un Π comme dans le th´ eor` eme pr´ ec´ edent, une repr´ esentation σ(Π) de Gal( ¯ F /F ) telle que :

— en toute place finie w de F ne divisant pas l, la restriction de σ(Π) au groupe de Weil en w est la repr´ esentation galoisienne attach´ ee ` a Π w par la correspondance de Langlands locale ;

— pour w une place divisant l alors σ(Π) est potentiellement semi-stable en w et pour tout plongement τ : F , → Q l , les param` etres de Hodge-Tate de σ(Π) sont donn´ es par ceux de la repr´ esentation alg´ ebrique ξ selon la formule du th´ eor` eme VII.1.9 de [7].

En particulier en toute place w de F telle que Π w est non ramifi´ ee, la r´ eduction modulo l des param` etres de Satake de Π w , qui d’apr` es le th´ eor` eme pr´ ec´ edent est ´ egale aux param` etres de Satake de ¯ π w , correspond aux F l -valeurs propres de Fr w agissant sur un sous-quotient irr´ eductible σ(¯ π) quelconque de la r´ eduction modulo l de σ(Π), autrement dit la situation est similaire ` a celle de [10]. En outre en une place au dessus de l, les param` etres de Hodge- Tate de σ(Π) sont donn´ es par ceux de la repr´ esentation alg´ ebrique ξ de G/ Q .

Remarque : ` a chaque choix d’une repr´ esentation l-petite ξ 0 dont la r´ eduction modulo l est isomorphe ` a celle de ξ, et d’une place v 0 de F v´ erifiant les conditions pr´ ec´ edentes, on associe ` a ¯ π une F l -repr´ esentation galoisienne. Cette collection de repr´ esentations partagent la propri´ et´ e que les valeurs propres des Frobenius aux places non ramifi´ ees sont fix´ ees, donn´ ees par les param` etres de Satake de ¯ π.

1. G´ eom´ etrie des vari´ et´ es de Shimura unitaires simples

Soit F = F + E un corps CM avec E/ Q quadratique imaginaire, dont on fixe un plonge- ment r´ eel τ : F + , → R . Pour v une place de F , on notera

F v le compl´ et´ e du localis´ e de F en v,

— O v l’anneau des entiers de F v ,

$ v une uniformisante et

q v le cardinal du corps r´ esiduel κ(v) = O v /($ v ).

Soit B une alg` ebre ` a division centrale sur F de dimension d 2 telle qu’en toute place x de F , B x est soit d´ ecompos´ ee soit une alg` ebre ` a division et on suppose B munie d’une involution de seconde esp` ece ∗ telle que ∗ |F est la conjugaison complexe c. Pour βB ∗=−1 ,

1. Cette condition est clairement n´ ecessaire.

(5)

on note ] β l’involution x 7→ x ]

β

= βx β −1 et G/ Q le groupe de similitudes, not´ e G τ dans [7], d´ efini pour toute Q -alg` ebre R par

G(R) ' {(λ, g) ∈ R × × (B opQ R) × tel que gg ]

β

= λ}

avec B op = BF,c F . Si x est une place de Q d´ ecompos´ ee x = yy c dans E alors G( Q x ) ' (B y op ) × × Q × x ' Q × x × Y

z

i

(B z op

i

) × , (1)

o` u, en identifiant les places de F + au dessus de x avec les places de F au dessus de y, x = Q i z i dans F + .

Dans [7], les auteurs justifient l’existence d’un G comme ci-dessus tel qu’en outre :

— si x est une place de Q qui n’est pas d´ ecompos´ ee dans E alors G( Q x ) est quasi- d´ eploy´ e ;

— les invariants de G( R ) sont (1, d − 1) pour le plongement τ et (0, d) pour les autres.

1.2. Notation. — On fixe un nombre premier l non ramifi´ e dans E et on note Spl l’en- semble des places v de F telles que p v := v | Q 6= l est d´ ecompos´ e dans F et B v × ' GL d (F v ).

Rappelons, cf. [7] bas de la page 90, qu’un sous-groupe ouvert compact de G( A ) est dit

assez petit

s’il existe une place x pour laquelle la projection de U v sur G( Q x ) ne contienne aucun ´ el´ ement d’ordre fini autre que l’identit´ e.

1.3. Notation. — Soit I l’ensemble des sous-groupes compacts ouverts

assez petits

de G( A ). Pour I ∈ I , on note X I,η −→ Spec F la vari´ et´ e de Shimura associ´ ee, dit de Kottwitz-Harris-Taylor.

Remarque : pour tout v ∈ Spl, la vari´ et´ e X I,η admet un mod` ele projectif X I,v sur Spec O v de fibre sp´ eciale X I,s

v

. Pour I d´ ecrivant I, le syst` eme projectif (X I,v ) I∈I est naturellement muni d’une action de G( A ) × Z telle que l’action d’un ´ el´ ement w v du groupe de Weil W v de F v est donn´ ee par celle de − deg(w v ) ∈ Z , o` u deg = val ◦ Art −1 o` u Art −1 : W v ab ' F v × est l’isomorphisme d’Artin qui envoie les Frobenius g´ eom´ etriques sur les uniformisantes.

1.4. Notations. — (cf. [1] §1.3) Pour I ∈ I, la fibre sp´ eciale g´ eom´ etrique X I,¯ s

v

admet une stratification de Newton

X I,¯ s

v

=: X I,¯ ≥1 s

v

X I,¯ ≥2 s

v

⊃ · · · ⊃ X I,¯ ≥d s

v

o` u X I,¯ =h s

v

:= X I,¯ ≥h s

v

X I,¯ ≥h+1 s

v

est un sch´ ema affine, lisse de pure dimension dh form´ e des points g´ eom´ etriques dont la partie connexe du groupe de Barsotti-Tate est de rang h. Pour tout 1 ≤ h < d, nous utiliserons les notations suivantes :

i h+1 : X I,¯ ≥h+1 s

v

,X I,¯ ≥h s

v

, j ≥h : X I,¯ =h s

v

,X I,¯ ≥h s

v

, ainsi que j =h = i hj ≥h .

Pour tout 1 ≤ h < d, les strates X I =h

v

v

n

s

v

sont g´ eom´ etriquement induites sous l’action

du parabolique standard P h,d (F v ) de Levi GL h (F v ) × GL d−h (F v ), au sens o` u il existe un

(6)

sous-sch´ ema X I =h

v

v

n

s

v

,1 muni d’une action par correspondances de G( A ∞,v ) ×GL d−h (F v ) × Z tel que :

X I =h

v

v

n

s

v

' X I =h

v

v

n

s

v

,1 × P

h,d

(O

v

/($

nv

)) GL d (O v /($ v n )).

1.5. Notation. — On note X I ≥h

v

v

n

s

v

,1 l’adh´ erence de X I =h

v

v

n

s

v

,1 dans X I ≥h

v

v

n

s

v

et j 1 ≥h : X I =h

v

v

n

s

v

,1 ,X I ≥h

v

v

n

s

v

,1 .

Rappelons que les repr´ esentations irr´ eductibles alg´ ebriques de GL d sont en bijection avec l’ensemble X ( G d m ) + des poids dominants − → a := (a 1 ≤ · · · ≤ a d ) ∈ Z d : la repr´ esentation correspondante est celle dont l’action de diag(t 1 , · · · , t d ) sur le vecteur de plus haut poids est donn´ ee par la multiplication par t a 1

1

· · · t a d

d

. En notant St la repr´ esentation standard St de GL d , la repr´ esentation associ´ ee ` a − → a est donn´ ee par c a St ⊗|− a | o` u |− → a | = P d i=1 a i et c a est la fonction sym´ etrique de Young. Pour a 0a 1 , la repr´ esentation

Λ d St) ⊗a

0

c (a

1

−a

0

≤···a

d

−a

0

) St ⊗|− a |−da

0

d´ efinit un Z -r´ eseau stable de la repr´ esentation associ´ ee ` a − → a . En ce qui concerne les repr´ esentations irr´ eductibles alg´ ebriques de G, d’apr` es [7] p97, elles sont classifi´ ees par les (d + 1)-uplets µ := (a 0 , − → a σ ) o` u a 0 ∈ Z et − → a σ ∈ X ( G d m ) + pour σ d´ ecrivant les plongements F , → C prolongeant un E , → C fix´ e. La recette pr´ ec´ edente pour GL d , permet de d´ efinir des Z -r´ eseaux stables.

Remarque : d’apr` es [8], les F l -repr´ esentations irr´ eductibles de G( F l ) sont encore classifi´ ees par les poids dominants comme ci-dessus, ` a la diff´ erence pr` es que µ et µ+(l, · · · , l) donnent la mˆ eme repr´ esentation irr´ eductible.

1.6. D´ efinition. — Avec les notations pr´ ec´ edentes, on dit que µ = (a 0 , − → a σ ) est l-petit si pour tout prolongement σ de σ 0 , le poids − → a σ = (a σ,1 ≤ · · · ≤ a σ,d ) est tel que pour tout i = 1, · · · , d − 1, on a

a σ,i+1a σ

i

l.

Fait : toute F l -repr´ esentation irr´ eductible alg´ ebrique de G( F l ), associ´ e donc ` a un poids dominant µ d´ efini modulo (l, · · · , l), est la r´ eduction modulo l d’un poids dominant µ qui est l-petit. En outre comme la r´ eduction modulo l d’une repr´ esentation alg´ ebrique irr´ eductible de G associ´ ee ` a un param` etre l-petit, est irr´ eductible, tous ses r´ eseaux stables sont isomorphes.

Soit alors ξ une ¯ Q l -repr´ esentation alg´ ebrique irr´ eductible ξ de G. D’apr` es le th´ eor` eme de Baire, celle-ci est d´ efinie sur une extension finie K de Q l . On note W ξ,K l’espace de cette repr´ esentation et W ξ,O un r´ eseau stable o` u O d´ esigne l’anneau des entiers de K . Notons λ une uniformisante de O et soit pour n ≥ 1, un sous-groupe distingu´ e I n ∈ I de I ∈ I, compact ouvert agissant trivialement sur W ξ,O/λ

n

:= W ξ,O ⊗ O O/λ n . On note alors L ξ,O/λ

n

le faisceau sur X I dont les sections sur un ouvert ´ etale T −→ X I sont les fonctions

f : π 0 X I

n

× X

I

T −→ W ξ,O/λ

n

telles que pour tout kI et Cπ 0 X I

n

× X

I

T , on a la relation f (Ck) = k −1 f (C).

(7)

1.7. Notation. — On pose alors L ξ,O = lim

n

L ξ,O/λ

n

et L ξ,K = L ξ,O ⊗ O K.

On utilisera aussi la notation L ξ, Z ¯

l

et L ξ, Q ¯

l

pour les versions sur Z ¯ l et Q ¯ l respectivement.

1.8. D´ efinition. — Une C -repr´ esentation irr´ eductible Π ∞ de G( A ) est dite ξ- cohomologique s’il existe un entier i tel que

H i ((LieG( R )) ⊗ R C , U τ , Π ξ ) 6= (0)

o` u U τ est un sous-groupe compact modulo le centre de G( R ), maximal, cf. [7] p.92. On no- tera d i ξ (Π ∞ ) la dimension de ce groupe de cohomologie. Une ¯ Q l -repr´ esentation irr´ eductible Π de G( A ) sera dit automorphe ξ-cohomologique s’il existe une C -repr´ esentation ξ- cohomologique Π ∞ de G( A ) telle que ι l

Π

⊗ Π ∞ est une C -repr´ esentation automorphe de G( A ).

2. Syst` emes locaux d’Harris-Taylor et leur Q l -cohomologie Fixons une place v ∈ Spl.

2.1. D´ efinition. — Dans [7], les auteurs, via les vari´ et´ es d’Igusa de premi` ere et seconde esp` ece, associent ` a toute repr´ esentation ρ v de l’ordre maximal D × v,h de D v,h × , un syst` eme local L(ρ v ) sur X I,¯ =h s .

Rappelons, cf. [1], que L(ρ v ) est

g´ eom´ etriquement induit

au sens suivant. Soit L 1 la restriction de L ` a la strate X I,¯ =h s,1 , alors L 1 est muni, cf. [1] §1.4.2, d’une action de G( A ∞,p ) × P h,d (F v ) × Z tel que le sous-groupe unipotent de P h,d (F v ) agit trivialement alors que l’action du facteur GL h (F v ) de son Levi agit via val ◦ det : GL h (F v ) Z . Le syst` eme local L(ρ v ) est alors muni d’une action ´ equivariante de G( A ∞,p ) ×GL d (F v )× Z qui se d´ ecrit comme suit :

L := L 1 × P

h,d

(F

v

) GL d (F v ),

o` u g´ eom´ etriquement GL d (F v ) permute les sous-sch´ emas X I,¯ =h s,a index´ es par aGL d (F v )/P h,d (F v ).

2.2. D´ efinition. — Pour π v une repr´ esentation irr´ eductible cuspidale de GL g (F v ) et t ≥ 1, on note π v [t] D la repr´ esentation de D × v,tg associ´ ee ` a St tv ) par la correspondance de Jacquet-Langlands.

Remarque : toute repr´ esentation irr´ eductible de D × v,h est de la forme π v [t] D pour h = tg.

2.3. Notation. — Pour Π t une repr´ esentation de GL tg (F v ), on introduit alors HTv , Π t )(n) := L(π v , t)[dtg] ⊗ Π t ⊗ Ξ

tg−d+n2

⊗ L (π v )

o` u L est la correspondance Langlands sur F v , Ξ : 1

2 Z −→ Z

×

l

(8)

est d´ efinie par Ξ( 1 2 ) = q 1/2 et

GL tg (F v ) agit diagonalement sur Π t et sur L(π v , t) ⊗ Ξ

tg−d+n2

via son quotient GL tg (F v ) Z ,

— le groupe de Weil W v en v agit diagonalement sur L (π v ) et le facteur Ξ

tg−d+n2

via l’application deg : W v Z qui envoie les frobenius g´ eom´ etriques sur 1.

Une Z l -version enti` ere sera not´ ee HT Γv , Π t )(n) o` u Γ esigne un r´ eseau stable, par forc´ ement sous la forme d’un produit tensoriel.

2.4. Notations. — Soient π 1 et π 2 des repr´ esentations de respectivement GL n

1

(K ) et GL n

2

(K ). On note alors

π 1 {n} := π 1 ⊗ | det | n ;

π 1 × π 2 l’induite ind GL P

n1+n2

(K)

n1,n1+n2

(K) π 1 {n 2 /2} ⊗ π 2 {−n 1 /2}.

2.5. D´ efinition. — Une repr´ esentation irr´ eductible Π de GL d (F v ) est dite elliptique s’il existe un diviseur g de d = sg et une repr´ esentation irr´ eductible cuspidale π v de GL g (F v ) tels que Π est un sous-quotient de

π v { 1 − s

2 } × π v { 3 − s

2 } × · · · × π v { s − 1 2 }.

Cette induite admet par ailleurs un unique quotient (resp. sous-espace) irr´ eductible que l’on note St sv ) (resp. Speh sv )) : c’est une s´ erie discr` ete.

Remarque : avec cette d´ efinition une repr´ esentation est elliptique si et seulement si, cf. [6]

lemme 2.1.6, son caract` ere est non nul sur les ´ el´ ements elliptiques semi-simples r´ eguliers.

2.6. D´ efinition. — On rappelle que π 0 v est inertiellement ´ equivalente ` a π v si et seulement s’il existe un caract` ere ζ : Z −→ Q × l tel que π v 0 ' π v ⊗ (ζ ◦ val ◦ det).

Remarque : Les faisceau pervers HTv , Π t )(n) ne d´ epend en un certain sens que de la classe d’´ equivalence inertielle de π v . Nous utiliserons exclusivement cette ind´ ependance dans le cas o` u Π t est une repr´ esentation elliptique relativement ` a π v , i.e. un sous-quotient de π v { 1−t 2 } × · · · × π v { t−1 2 }. Ainsi par exemple pour Π t = St tv ) et χ : Z −→ Q

× l , les faisceaux pervers HTv , St tv )) et HTvχ, St tvχ)), munis de leurs actions par corrrespondance, sont isomorphes. Dans cette situation on a en outre

HTv , Π t )(n) = e π

v

HT (π v , Π t )(n)

o` u HT (π v , Π t )(n) est un faisceau pervers irr´ eductible. Dans la suite on utilisera la notation HT (π v , Π t )(n) dans ce contexte.

Fixons ` a pr´ esent une repr´ esentation irr´ eductible alg´ ebrique ξ de G. ´ Etant donn´ e un

syst` eme local d’Harris-Taylor HTv , Π t ), on note [H !∗ iv , Π t )] (resp. [H ! iv , Π t )]) l’image

(9)

de lim

I∈I

H i X I,¯ ≥tg s

v

, j !∗ ≥tg HTv , Π t ) ⊗ L ξ,

Q

l

resp. lim

I∈I

H i X I,¯ ≥h s

v

, j ! ≥tg HTv , Π t ) ⊗ L ξ,

Q

l

dans le groupe de Grothendieck Groth(v, h) des repr´ esentations admissibles de G( A ) × Z . 2.7. Proposition. — Soit Π t une repr´ esentation irr´ eductible elliptique relativement ` a π v et soit π un constituant irr´ eductible de [H !∗ iv , Π t )] ou de [H ! iv , Π t )]. Il existe alors une repr´ esentation automorphe irr´ eductible Π de G( A ), cohomologique pour ξ telle que

Π ∞,v ' π ∞,v et

Π v a mˆ eme support cuspidal que π v .

emonstration. — Commen¸cons par le cas de [H !∗ iv , Π t )] : le calcul explicite est donn´ e

§3 de [2] mais pour la commodit´ e du lecteur nous allons donner une preuve plus ra- pide de l’´ enonc´ e ci-dessus. On part de l’´ egalit´ e 2.6.3 de [2] prouv´ ee dans [1] qui exprime j !∗ ≥tg HTv , Π t ) comme une somme altern´ ee d’extensions par z´ ero de syst` emes locaux d’Harris-Taylor. Le calcul de la somme altern´ ee des groupes de cohomologie ` a support compact d’un syst` eme local d’Harris-Taylor HTv , Π t ) ⊗ V ξ,

Q

l

est donn´ ee dans [7] V.5.4, V.6.4, VI.2.4, cf. aussi la formule 3.3.2 de [2] : ce calcul s’exprime en appliquant ` a la cohomologie globale de la vari´ et´ e de Shimura, le foncteur

red π

v

[t]

D

: Groth

GL d (F v )

−→ Groth

D v,tg × /D × v,tg × GL d−tg (F v )

d´ efini comme la compos´ ee des deux applications suivantes : Groth

GL d (F v )

−→ Groth

GL tg (F v ) × GL d−tg (F v )

[Π] 7→ [J P

op

tg,d

(Π) ⊗ δ 1/2 P

tg,d

] et

Groth

GL tg (F v ) × GL d−tg (F v )

−→ Groth

D × v,tg /D v,tg × × GL d−tg (F v )

αβ 7→ vol(D × v,tg /F v × ) −1 P ψ Tr α(ϕ π

v

[t]

D

⊗ψ

)ψ ⊗ β, o` u

P tg,d op est le parabolique oppos´ e au parabolique standard P tg,d et

J P

op

tg,d

est le foncteur de Jacquet des vecteurs coinvariants sous le sous-groupe uni- potent de P tg,d op tordu par δ −1/2 P

op

tg,d

(−) := | det(ad(−) |LieN

op

tg,d

)| 1/2 ;

ψ d´ ecrit les caract` eres de F v × ;

ϕ π[t]

D

⊗ψ

est un pseudo-coefficient tel que, cf. [7] lemme I.3.4, si π 0 v n’est pas un sous-

quotient irr´ eductible de (π v ⊗ψ){− 1−t 2 }×· · ·×(π v ⊗ψ){ t−1 2 }, alors Tr π 0π

v

[t]

D

⊗ψ

) =

0 et sinon il est ´ egal ` a un signe multipli´ e par vol(D × F

v

,tg /F v × ).

(10)

On en d´ eduit alors que si Π t est elliptique pour π v , i.e. a pour support cuspi- dal n π v { 1−t 2 }, · · · , π v { t−1 2 } o , alors, avec les notations ci-dessus, pour tout constituant irr´ eductible αβ d’un J P

op

tg,d

(Π) ⊗ δ P 1/2

tg,d

et pour tout ψ tel que Tr α(ϕ π

v

[t]

D

⊗ψ

)ψ 6= 0, la repr´ esentation Π tψ a mˆ eme support cuspidal que α et donc l’induite (Π tψ) × β aura mˆ eme support cuspidal que la repr´ esentation Π de d´ epart. Ainsi en utilisant que la somme altern´ ee des groupes de cohomologie de X I s’exprime ` a l’aide des repr´ esentations automorphes ξ-cohomologiques de G( A ), on en d´ eduit que la conclusion de la proposition est valable pour le calcul de la somme altern´ ee de la cohomologie ` a support compact des HTv , Π t ) ⊗ V ξ,

Q

l

et donc, d’apr` es l’´ egalit´ e 2.6.3 de [2], pour la somme altern´ ee

P

i (−1) i [H !∗ iv , Π t )]. Par puret´ e on en d´ eduit que le r´ esultat est valable pour chacun des [H !∗ iv , Π t )].

En ce qui concerne les [H ! iv , Π t )] individuellement, on part de l’´ egalit´ e (2.6.2) de [2] qui exprime j ! ≥tg HTv , Π t ) en terme d’extensions interm´ ediaires de syst` emes locaux d’Harris- Taylor : cette ´ egalit´ e peut ˆ etre vu comme une filtration de j ! ≥tg HTv , Π t ) qui fournit une suite spectrale E 1 i,j calculant les [H ! iv , Π t )] ` a l’aide de la cohomologie de ces extensions interm´ ediaires. On vient de voir que la propri´ et´ e de l’´ enonc´ e est valable pour chacun des E 1 i,j et donc aussi pour l’aboutissement de cette suite spectrale, d’o` u le r´ esultat.

3. Cohomologie d’un F l -syst` eme local

Consid´ erons ` a pr´ esent un niveau fini I ∈ I et notons Bad(I) l’ensemble form´ e des places w de Q divisant I ou ramifi´ ees dans F . On fixe en outre une place v ∈ Spl et ξ une Q l - repr´ esentation alg´ ebrique enti` ere irr´ eductible enti` ere associ´ ee ` a un poids dominant l-petit de sorte que le syst` eme local associ´ e admet, ` a isomorphisme pr` es, une unique Z l -structure L ξ,

Z

l

. D’apr` es le changement de base propre, la cohomologie de X I,¯ η ` a coefficients dans le syst` eme local L ξ,

Z

l

, est donn´ ee par la cohomologie de X I,¯ s

v

` a coefficients dans Ψ I,v ⊗ L ξ,

Z

l

o` u

Ψ I,v := η

v

,I ( Z l )[d − 1]( d − 1 2 ) est le faisceau pervers des cycles ´ evanescents sur X I,¯ s

v

. 3.1. Notations. — On note

I v le sous-groupe compact isomorphe ` a I en toute place distincte de p = v | Q alors qu’en p, son facteur associ´ e ` a la place v, cf. la formule (1), est GL d (O v ) ;

Iv le syst` eme inductif infini de niveaux (I v K(v n )) n∈ N o` u K(v n ) := Ker GL d (O v ) GL d (O v /($ n v )) ;

Ψ Iv

le faisceau pervers de Hecke sur le syst` eme projectif (X J,¯ s

v

) J∈Iv

;

T Iv la Z l -alg` ebre de Hecke de G( A ) hors S = Bad(I) ∪ {v | Q }.

(11)

3.2. D´ efinition. — On dira d’un T Iv [GL d (F v )]-module M qu’il v´ erifie la propri´ et´ e P(ξ), s’il admet une filtration finie

(0) = Fil 0 (M ) ⊂ Fil 1 (M ) · · · ⊂ Fil r (M ) = M telle que pour tout k = 1, · · · , r, il existe

— une repr´ esentation automorphe Π k irr´ eductible et enti` ere de G( A ), cohomologique pour ξ

— une repr´ esentation irr´ eductible enti` ere Π e k,v de mˆ eme support cuspidal que Π k,v

— et un T Iv [GL d (F v )]-r´ eseau stable Γ de (Π ∞,v k ) I

v

⊗ Π e k,v muni d’une surjection

´ equivariante

Γ gr k (M ) := Fil k (M)/ Fil k−1 (M ).

3.3. Lemme. — La propri´ et´ e P(ξ) est stable par sous-quotient.

emonstration. — En raisonnant par r´ ecurrence sur la longueur de la filtration, il suffit de traiter le cas d’un suite exacte courte

0 → Fil 1 (M ) −→ M −→ gr 2 (M ) → 0.

Soit alors f : M N un quotient et Fil 1 (N ) l’image de Fil 1 (M) par f de sorte que f induit une surjection gr 2 (M ) gr 2 (N ) := N/ Fil 1 (N ). Soient, pour i = 1, 2, un r´ eseau stable Γ i de (Π ∞,v i ) I

v

⊗ Π e i,v . En composant les surjections Γ 1 Fil 1 (M ) et Γ 2 gr 2 (M ), avec respectivement, Fil 1 (M ) Fil 1 (N ) et gr 2 (M ) gr 2 (N ), on en d´ eduit que N v´ erifie P(ξ).

Soit ` a pr´ esent N ,M et Fil 1 (N ) = N ∩ Fil 1 (M ). On consid` ere alors le tir´ e en arri` ere A  //

Γ 1

Fil 1 (N )  // Fil 1 (M )

qui est n´ ecessairement de la forme demand´ ee. On proc` ede de mˆ eme pour gr 2 (N ) :=

N/ Fil 1 (N ).

Remarque : soit M un T Iv [GL d (F v )]-module qui est libre en tant que Z l -module libre. Si M v´ erifie P(ξ) alors son dual M = Hom

Z

l

(M, Z l ) en tant que T Iv [GL d (F v )]-module, v´ erifie P(ξ ). Pour M v´ erfiant P(ξ) qui est de torsion en tant que Z l -module, par d´ efinition il s’´ ecrit sous la forme 0 → L 0 −→ L −→ M → 0 o` u L et L 0 sont des T Iv [GL d (F v )]-modules, libres en tant que Z l -modules et v´ erifiant P(ξ), alors de la suite exacte courte

0 → L −→ (L 0 ) −→ M → 0.

et de ce qui pr´ ec` ede, on en d´ eduit que M v´ erifie P(ξ ).

3.4. Proposition. — Soit π v une Q l -repr´ esentation irr´ eductible enti` ere cuspidale de GL g (F v ) dont la r´ eduction modulo l, not´ ee %, est suppos´ ee supercuspidale. Alors pour toute repr´ esentation irr´ eductible elliptique Π t relativement ` a π v , et pour tout i, les T Iv [GL d (F v )]-modules H i (X Iv

s

v

, p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ⊗ L ξ,Z

l

)) erifient la propri´ et´ e P(ξ).

(12)

Remarque : d’apr` es le r´ esultat principal de [5], comme % est supercuspidal, on a une unique notion d’extension intermd´ ediaire de HT Γv , Π t ), i.e.

p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ' p+ j !∗ =tg HT Γv , Π t ), ce qui nous permettra d’utiliser la dualit´ e de Verdier.

emonstration. — D´ emonstrons le r´ esultat par r´ ecurrence sur t de s = b d g c ` a 1. Pour t = s, d’apr` es [1], on a

p j !∗ =tg HT Γ (π v , Π t ) ' j ! =tg HT Γ (π v , Π t )

de sorte que, les strates X J,¯ =tg s

v

´ etant affines, les H i (X Iv

s

v

, p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ⊗ L ξ,

Z

l

) sont nuls pour i < 0 et sans torsion pour i = 0. En utilisant que l’´ egalit´ e des extensions interm´ ediaires p et p+ et la dualit´ e de Grothendieck-Verdier, on obtient la nullit´ e de la cohomologie pour tout i 6= 0 et la libert´ e du H 0 . On conclut en utilisant la proposition 2.7.

Supposons ` a pr´ esent le r´ esultat acquis jusqu’au rang t + 1.

3.5. Lemme. — Pour tout t 0t + 1 et pour Π t

0

elliptique relativement ` a π v , les T Iv [GL d (F v )]-modules H i (X Iv

s

v

, j ! =t

0

g HT Γ

0

v , Π t

0

) ⊗ L ξ,

Z

l

) erifient la propri´ et´ e P(ξ) pour tout i ∈ Z .

emonstration. — D’apr` es [3], j ! =t

0

g HT Γ

0

v , Π t

0

)) admet une filtration dont les gradu´ es sont des p-extensions interm´ ediaires de syst` emes locaux HT Γ

00

v , Π t

00

) avec Π t

00

elliptique relativement ` a π v , pour t 00t 0 . Cette filtration fournie une suite spectrale calculant les H i (X Iv

s

v

, j ! =t

0

g HT Γ

0

v , Π t

0

) ⊗ L ξ,

Z

l

), dont, d’apr` es l’hypoth` ese de r´ ecurrence pr´ ec´ edente, les termes initiaux v´ erifient la propri´ et´ e P(ξ). Le r´ esultat d´ ecoule alors du lemme 3.3.

Consid´ erons ` a pr´ esent dans le cas g > 1, la suite spectrale E 2 p,q = H c p (X Iv

s

v

, H q p j !∗ =tg HT Γ (π v , Π t ) ⊗ L ξ,

Z

l

)

= ⇒

H p+q (X Iv

s

v

, p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ⊗ V ξ,

Z

l

).

Remarque : pour g = 1, les arguments qui suivent sont valables pourvu qu’on utilise la suite spectrale associ´ ee ` a la stratification qui, d’apr` es [1], est de la forme

E 1 p,q = H c p+q (X Iv =p−1

s

v

, HT Γ

0

v , Π p−1 ) ⊗ L ξ,

Z

l

) = ⇒ H p+q (X Iv

s

v

, p j !∗ =t HT Γ )(π v , Π t ) ⊗ L ξ,

Z

l

).

D’apr` es [3], les faisceaux de cohomologie H q p j !∗ =tg HTv , Π t ) ⊗ V ξ,

Z

l

sont sans torsion et donc donn´ es, cf. [1], par des syst` emes locaux HT Γ

0

v , Π t

0

)(n 0 ) pour Π t

0

elliptique relati- vement ` a π v et n 0 ∈ Z qu’il est inutile de pr´ eciser ici. Ainsi les termes E 2 p,q v´ erifient :

— la propri´ et´ e P(ξ) pour tout q > tgd d’apr` es l’hypoth` ese de r´ ecurrence,

— sont nuls pour q < tgd, par perversit´ e ;

— les strates ´ etant affines, ils sont nuls pour les couples (p, q) de la forme (p, tg − d) avec p < 0 et

E 2 0,tg−d est sans torsion.

(13)

Du lemme 3.3, on en d´ eduit que les E n v´ erifient la propri´ et´ e P(ξ) pour tout n ≤ 0. Comme par hypoth` ese p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ' p+ j !∗ =tg HT Γv , Π t ), par application de la dualit´ e de Grothendieck-Verdier on obtient que les E n pour n > 0 v´ erifient aussi la propri´ et´ e P(ξ).

3.6. Corol laire. — Soient π v une repr´ esentation irr´ eductible cuspidale enti` ere de GL g (F v ) et Π t une repr´ esentation elliptique relativement ` a π v . Alors les T Iv [GL d (F v )]- modules

H i

X Iv

s

v

, F

p

j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ⊗ L ξ,

F

l

)

erifient la propri´ et´ e P(ξ), o` u F (−) := F lL

Z

l

(−) est le foncteur de r´ eduction modulo l, Remarque : dans l’´ enonc´ e pr´ ec´ edent on ne suppose plus que la r´ eduction modulo l de π v est supercuspidale. D’apr` es [11], il existe un diviseur g −1 de g = kg −1 ainsi qu’une (2) repr´ esentation irr´ eductible cuspidale π v,−1 dont la r´ eduction modulo l, not´ ee %, est super- cuspidale et telle que la r´ eduction modulo l de π v est l’unique sous-quotient non d´ eg´ en´ er´ e de la r´ eduction modulo l de St kv,−1 ).

emonstration. — Rappelons que pour tout F q -sch´ ema X et tout Z l -faisceau pervers libre P , on a les suites exactes courtes

0 → H n (X, P ) ⊗ Z

l

F l −→ H n (X, F P ) −→ H n+1 (X, P )[l] → 0. (2) D’apr` es [9] l’´ egalit´ e p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) = p+ j !∗ =tg HT Γv , Π t ) est ´ equivalente au fait que F commute avec l’extension interm´ ediaire, i.e.

F

p j !∗ =tg HT Γv , Π t ) ' j !∗ =tg HT

F

l

(%, r lt ))

dans le groupe de Grothendieck des F l -faisceaux pervers sur X Iv

s

v

. Ainsi dans le cas o` u la r´ eduction modulo l de π v est supercuspidale, le r´ esultat d´ ecoule de la proposition pr´ ec´ edente.

Il reste alors ` a traiter le cas o` u la r´ eduction modulo l de π v n’est plus supercuspidale mais seulement cuspidale. D’apr` es la proposition 3.2.4 de [5], dans le groupe de Grothendieck des F l -faisceaux pervers, pour Π t elliptique relativement ` a π v , on a une ´ egalit´ e de la forme

F

p

j !∗ =tg HT Γv , Π t ) = X

t

0

≥t

j !∗ =t

0

g HT

F

l

(%, Π t

0

)(n 0 )

o` u les n 0 sont des entiers qu’il est inutile de pr´ eciser et de mˆ eme les Π t

0

sont des F l - repr´ esentations dont tous les constituants irr´ eductibles sont des sous-quotients de la r´ eduction modulo l d’une repr´ esentation elliptique relativement ` a π v,−1 , qu’il est ` a nouveau inutile de pr´ eciser plus. Le r´ esultat d´ ecoule alors du fait que d’apr` es le lemme 3.3, la propri´ et´ e P(ξ) se lit dans le groupe de Grothendieck et du cas o` u π v,−1 en utilisant que la commutation de F avec p j !∗ =t

0

g .

2. Bien entendu π v,−1 n’est pas uniquement d´ efini, tout rel` evement de sa r´ eduction modulo l convien-

drait.

(14)

On peut ` a pr´ esent d´ emontrer le th´ eor` eme de l’introduction. Dans [4], on d´ efinit des filtrations exhaustives de stratification d’un faisceau pervers libre et ce quels que soient les coefficients. Appliqu´ e au Z l -faisceau pervers libre Ψ Iv

des cycles ´ evanescents, on montre dans [3] que les gradu´ es sont de la forme p j !∗ =tg HT Γv , St tv ))(n) pour π v irr´ eductible cuspidale de GL g (F v ), l’entier t variant de 1 ` a b d g c, avec Γ un Z l -r´ eseau stable et n d´ ecrivant un certain ensemble fini d’entier, qu’il est inutile ici de pr´ eciser.

Remarque : pour obtenir les p-versions des extensions interm´ ediaires, il faut prendre les constructions de [4] utilisant les morphismes d’adjonction j ! j → Id. Si on utilisait dua- lement Id → jj , on obtiendrait les p+ extensions interm´ ediaires de ces syst` emes locaux relativement ` a d’autres r´ eseaux.

Par application du foncteur F et en notant que les gradu´ es de notre filtration de strati- fication exhaustive sont libres, on obtient une filtration de Ψ Iv

, F

l

⊗ L ξ,

F

l

dont les gradu´ es sont les F

p j !∗ =tg HT Γv , St tv ))(n) ⊗ L ξ,

F

l

. Cette filtration fournit une suite spectrale calculant les H i (X Iv

s

v

, Ψ Iv

, F

l

⊗ L ξ,

F

l

) ` a partir des H i

X Iv

s

v

, F

p

j !∗ =tg HT Γ (π v , St tv ))(n) ⊗ L ξ,F

l

.

D’apr` es le corollaire pr´ ec´ edent, les termes initiaux de cette suite spectrale v´ erifie P(ξ) de sorte que d’apr` es le lemme 3.3, il en est de mˆ eme de l’aboutissement, ce qui finit de prouver le th´ eor` eme de l’introduction.

ef´ erences

[1] P. Boyer. Monodromie du faisceau pervers des cycles ´ evanescents de quelques vari´ et´ es de Shimura simples. Invent. Math., 177(2) :239–280, 2009.

[2] P. Boyer. Cohomologie des syst` emes locaux de Harris-Taylor et applications. Compositio, 146(2) :367–403, 2010.

[3] P. Boyer. La cohomologie des espaces de Lubin-Tate est libre. soumis, 2013.

[4] P. Boyer. Filtrations de stratification de quelques vari´ et´ es de Shimura simples. Bulletin de la SMF, 142, fascicule 4 :777–814, 2014.

[5] P. Boyer. Faisceaux pervers entiers d’Harris-Taylor. preprint, 2015.

[6] J.-F. Dat. Nonabelian Lubin-Tate theory and elliptic representations. (Th´ eorie de Lubin-Tate non-ab´ elienne et repr´ esentations elliptiques.). Invent. Math., 169(1) :75–152, 2007.

[7] M. Harris, R. Taylor. The geometry and cohomology of some simple Shimura varieties, volume 151 of Annals of Mathematics Studies. Princeton University Press, Princeton, NJ, 2001.

[8] Jens Carsten Jantzen. Representations of algebraic groups. Pure and Applied Mathematics 131, 1987.

[9] D. Juteau. Decomposition numbers for perverse sheaves. Annales de l’Institut Fourier, 59 (3), pages 1177–1229, 2009.

[10] P. Scholze. On torsion in the cohomology of locally symmetric varieties. Preprint Bonn, 2013.

[11] M.-F. Vign´ eras. Induced R-representations of p-adic reductive groups. Selecta Math. (N.S.),

4(4) :549–623, 1998.

(15)

Boyer Pascal • E-mail : boyer@math.univ-paris13.fr, Universit´ e Paris 13, Sorbonne Paris Cit´ e,

LAGA, CNRS, UMR 7539, F-93430, Villetaneuse (France), PerCoLaTor : ANR-14-CE25

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