Séminaire Henri Cartan
H ENRI C ARTAN
Ouverts fondamentaux pour le groupe modulaire
Séminaire Henri Cartan, tome 10, no1 (1957-1958), exp. no3, p. 1-12
<http://www.numdam.org/item?id=SHC_1957-1958__10_1_A3_0>
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3-01
OUVERTS FONDAMENTAUX POUR LE GROUPE MODULAIRE par Henri CARTAN
Séminaire
H.CARTAN, E.N.S., 1957/58.
25 novembre 1957
1. Opérations
du groupesymplectique
dansl’espace
deSiegel.
, On
reprend
enpartie
la fin deprécédent,
avecquelques
nodificatiom Jansnotations ;
ondélire
notammentque
le groupesymplectique spère à gauohe
dans
l’espace
deSiegel, conformément
aux habi-tudes.Le groupe
symplectique
est le sous-groupe des matricesGL(2n , 20
qui
conservent la formebilinéaire alternée
forme dont la matrice J est
{
o 1
~ .
La conditionqui exprime
que M est’
B -1
n 0~ /
symplectique
est ~Utilisant les minuscules latines pour
désigner
les matrices à nlignes
et n co-~’"’’-~. .
-
lonnes,
Alors
(1)
se traduit parque det
(M) =
1 si M estsymplectique.
Deplus!
si M estsymplec- tique, l’est ;
donc les relations(2)
sontéquivalentes
aux suivantes(obtenues
en
remplaçant
M partM) :
(2~) a t b = b t a,
On s’intéresse au
quotient
du groupe G =Sp(n , R~
par le sous-groupecompact
maximal K =
Sp(n , 0(2n , R~ ~
formé des matricesorthogonales
etsymplectiques (précisons
que cequotient G/K
se compose des classesà gauche MK ,
où M par-court
G).
Pour que Mappartienne
àK ~
il faut et il suffit que l’onait,
outre(l ) ~
la relation JM = MJ(qui exprime
que M estlinéaire-commplexe pour
1"-structure
complexe définie par J
sur On trouve ainsi les M de la formeoù a et b satisfont aux conditions
qui expriment
que a + ib est unitaire. Ainsi K s ’identifie àU(n) .
.---...---,-...-___.~.._____~ -.
À
chaque
£il OE associons Mqui
estsymplectique, symétrique
et po- sitive nondégénérée;
pour que hi et M’ aientmême image,
il faut et il suffitque M et Fi’ scient dans la même classe à
gauche
suivantK ;
comme toute ma-trice
symplectique positive
P est de la forme M avec Msymplectique (ce
qui
se voit enréduisant
P à la formediagonale
par une transformationsymplecti- que) ,
on voit quel’espa,ce homogène G/K
se réalise commel’espace
des matricesP
symplectiques
etsymétriques positives;
Gopère
àgauche
dans cet espace par(M , p) )
MptM ~
Dire
qu’une
Psymétrique
estsymplectique,
revient à dire que(PJ)2
= -12n .
Donc PJ
défini t
unestructure complexe
sur Lecomplexifié C2n
deR2n
est alors somme directe de deux sous-espaces vectoriels
(complexes)
V etV’ ,
de dimension
(complexe)
n ,conjugués
l’un del ’autre,
V étant défini par(4 )
x OE V y*+% PJX = - ixSi x et y sont dans
V ,
la formebilinéaire symétrique iÎ(x , y)
estégale
à la forme
a,lternée iJ(x, y) ,
donc estidentiquement nulle;
etpuisque P-1
est)0 ,
On aP-1(x , x)
> 0 pour xG V ,
xù 0 ;
d’où finalement5 > Jx , y>
= 0 pour x éV ,
y éV ; iJx , z> >
0 pour xé V ,
x/
0 .Réciproquement,
soit V un sous-espace vectoriel de dimension n de satis- faisant à(5 ) .
Alors l’intersection de V et de sonconjugué
V’ est réduite à0 ,
car si x c V
fl V’ ,
en doit avoirJ(x, Z)
= 0 . Définissons une matriceréelle
P par la condition
(4) ;
alors(5 ) exprime
que Pestsymétrique
et »0 , ;
etPuisque (PJ)2
= -12n ,
P estsymplectique.
Ainsi
G/K
s’identifie maintenant àl’espace
des sous-espaces vectoriels de di- mension n deC2n qui
satisfont à(5 ) .
Pour définir un tel sous-espaceV ,
don-nons-nous une
application C-linéaire
L :en --% ayant
V pouriwage ;
Lest déterminée par
V ,
sauf que Lpeut
êtreremplacée
pa.rLk,
où k est une matrice inversible à nlignes
et n colonnes. On voit immédiatement que si Lest l’une des matrices attachées à
P ,
la matrice ML est l’une des matricesattachées à MP
Les
conditions(5) donnent,
pourL ~
les conditionsnécessai-
res et suffisantes
Explicitens,
enécrivant
L sous laforme (uv) B / j
, u et vétant
des matrices(complexes)
à nlignes
et ncolonnes ; (6)
devientLa
deuxiène
relation(6 ’ ) exprime
que lapartie imaginaire
duprodui t
scalaireherni tien des veoteurs ux et vx est>
0 , quel
que soit le vecteu: non nulx G
en .
Il enrésulte
que ux£
0 et vxù
0 pour xà 0 ,
autrement dit onQ d0t
(L) 1 0 ,
det(v) /
0 . Donc la classe de la matrice L =( uv)
estcaracté-
risée
parqui
est une natricecomplexe
z . Les relations(6)
deviennentEn
définitive, l’espace homogène G/K
s’identifie àl’espace de Siegel Sn ,
formé
des matricescomplexes sysmétriques
z(à
nlignes
et ncolonnes)
tellesque 0 .
Explicitons
lesopérations
de G si M est une ma-trice
symplectique (ac bd) ,
on a vu que M transformen
L en
ML ,
doncopère
sur u et v comme suit :
Dor,
sur z =uv-1 ,
Mopère
parIl est facile
d’expliciter
lacorrespondance
entre lespoints
et lesmatrices P
symplectiques, symétriques
etpositives. D’après (4),
on aEn
séparant
le réel etl’imaginaire,
et enposant
z = x +iy ,
on trouveOn voit en
tenps
que la natrice Psymplectique
et laplus générale
ala forme
( /s- b B )
où a et cl sontsymétriques éÔ 0 ,
c =tb ,
ac =ba .
cd =
db ,
ad2014b
= 1n
(ces
conditions ne sont pas toutesindépendantes) ;
si Pest une telle
matrice,
la matrice zassociée
estEn
particulier,
à P *12n correspond
la matrice zégale
à J lé SOUS- groupecompact
?É de G est le groupe destabilité
dupoint
z =Cherchpns
les
éléments
de Gqui opèrent identiquement dans Sn ;
ce sont les matrices( ab)
telles que~~’ ~
_~ ~
Ceci
exige
b = (3(remplacer
2; parJB
z ~A
étant un scalaireréel) ;
(leplus
a doit commuter a" ’ec tout z , donc a est de la forme
/B
*1 , etpuisque
a
a
= 1n ~
on a
A == -
1 . En lesopérations
de G =~)
dans_~y
ndéfinissent
unereprésentation fidèle
duquotient
de G par le sous-groupe à 2élé-
formé de12n
et-12n
c2.
Autre modèle pour de Siegel.
Par la transformation de
Cayley
J-)
se transférée dans l’ensemble des n-matricescomplexes
etsymétriques
w , telles que ww ensemblequi
est évidemment un ouvertborné
de’ .
Le groupe
symplectique
se transforme dans un groupe transitifd’automorphismes
decet
ouvert,
à savoiroù a et b sont des matrices
complexes
satisfaisant àLe groupe de stabilité du
point
w = 0 estSous cette
forme,
ce "domaine bornéhomogène"
aV2_Í t étéindiqué
par E. CARTAN(~ i i ,
Partie1,
vol.2,
p. 1293 ?"Type
Il résulte d’un théorèmegénéral
dela théorie des espaces
symétriques (loc~ cit, )
que ce domaine n’admet pas d’autreautomorphisme
que ceux du groupeprécédent.
Onpeut
d’ailleurs le vérifier : c’estun donaine cerclé
(i.e.
stable par les homothéties derapport ei03B8 ),
et l’on saitque tout
automorphisme
d’un domaine cercléborné, qui
laisse fixel’ origine,
est unetransformation linéaire sur les variables
complexes ;
il reste seulement àvérifier,
par un c alcul
élémentaire,
que les seules transformationslinéaires qui
laissentstable ont la forme
(12).
Revenant à
l’espace
deSiegel 5n ,
on voitqu’il
n’admet pas d’autre automor-phisme analytique-complexe
que ceux définis par la forculc(9).
3. Invariants différentiels.
On va
chercher dans $ ,
desexpressions
différentielles invariantes par le groupe G =Sp(n , R) .Un
calcul immédiat montre que si z’ =(az
+b)(cz
+d ~ ~1 ,
,on a
~ ~ z
et tdésignant
lesdifférentielles
de z etz’)
Etant
donné z w x a- les matrices(a
bqui
transforment z dans lepoint
c d
1 ,1 sont celles de for~~e
~
, . , i
où a ~ ib est la natrice unitaire la
plus
La formuleindique
alors comment la transformation considéréeapplique l’espace
des covecteurstangents
aupoint z
surl’espace
des covecleurstangents
aupoint
Onen déduit
et le second re
est aussi égal
à( ~
Ceci prouve que la for-me différentielle
(quadratique hermitienne)
est
invariante par
le groupe G . Elle nepeut
être nulle que si la formeest
nulle,
cequi exige 03B4z
= 0 . Doncl’expression (15)
définit unds2 hermi-
tien défini positif,
invariant par G . On va voir e ccdsz
est kählérien.Pour
cela,
onconsidère
la formequadratique extérieure 03A9 associée
auds2 ,
à savoir
Or
1 ( ~ y )00FF 1 _ - ~ (y 1 ) ~
de sorte queIl s ’ensuit que
àÉà
= 0 : leds2
est bienkählérien.
Si x =
(x.. )
ety~~
=yJ . ,
on aij ij
en élevant
03A9 à
à lapuissance extérieure
d’ordren(n+1) 2,
on voit que la formeextérieure
est invariante par G
(le symbole TT désigne
unproduit extérieur).
Nous avonsainsi
trouvée
dansl’élément
de volume invariant parG i lequel!
comme on
sait,
est biendéfiniun
facteur constantprès .
On voit que cetélément
devolune invariant est le
produit
deséléments
de volume euclidien del’espace
de xet de de
(en p o sant toujours
z = x +iy).
4.
Sous-groupes remarguables.
Dans G ==
Sp(n , R) ,
onconsidérera,
outre K =Sp(n , 0(2n , R) ,
les sous-groupes suivants s .
T : sous-groupe
des
c
bd)tels que c =
0 p
lestransformations de
ndéfinies par T sont les suivantes
Le groupe T
possède
un sous-groupeinvariant U ,
formé des matrices1
n S .
) ,
Où s estsymétrique ;
les transformations de U sont les translations0 I
n
Z ~
z + s . Le groupe T Estproduit
direct crcisé de U et du sous-groupe H famé dos transformations.
Pour que deux
matrices .a bB j et b’) appartiennent
à la même classe à~c d c’
droite suivant
U i
il faut et il suffit que c = d = d= .Le groupe
modulaire
se cor:pose du sous-groupe de G formé des matricesa
"bB
a j
àéléments
entiers . Ilpossède
les sous-groupes suivants :JT
définit les transformations z~ a(z
+ où s estsymétrique
àéléments entiers,
a est unimodulaire àcoefficients
entiers(en effet,,
a etd = sont à coefficients
entiers)
définit
les translations z ~ z + s, ssymétrique entière ;
H ~ 0393 définit
les"homothéties"
z~
azta , où -
a est unimodulaireentière.
Si z’ est transformé de z par une transfornation de
F’ ~
on a,d’après (14) :
5.
Définition
d’une famille d’ouverts fondamentaux.A
chaque
nombre réel u > 0 associons l’ouvert.~~u ) défini
connuesuit : étant donné z = x +
iy ,.
notonsxjk
leséléments
de la matricesymétrique
x ,. et nettons
y -1
sous la forme d est une matricediagonale (à élé-
raents
di > 0),
et v uno matricetriangulaire
au sensstrict,
c est-à-dire--
2014u
(cf. Exposé 1,
p.7-8). Alors,
pardéfinition, "(u)
se compose des z = x +iy
satisfaisant aux
inégalités (en
nonbrefini) :
(Les inégalités (ii) expriment
que avec les notations del’exposé 1,
P.8).
~ ~
Pour 0 assez
grande
l’ouvert est un ouvertfondamental
pour le groupe
nodulaire JT’ *
D’unefaçon précise (cf.
les conditions ’(M)
del’Exposé 2,
p.1) :
(a)
pour tout u >0 ,
la mesure invariante de estfinie ;
(b)
si une matricesymplectique
Mappartient
à0393 (notation
del’Exposé 2,
p.1 )
il n’existe
qu’un
nombre fini de M. 6f
telles que rencontre..- - ..- .-. 1 ~
* i
(c )
si uy 0
est assezgrande l’ espace
deSiegel
est réunion des transformés de~(u ) .r
les 1~~ JT’ .
L’assertion
(a)
est presque évidente : lesinégalités (i ) f (ii )! (iii) entraînent
en effet que de?
~. (u )
dansl’espace y’" )
estbornée ;
donc cetteimage
si un volune euclidien fini.On va démontrer
(b).
Observens d’ abordque
est le groupe des natricessymplec- tiques
à coefficients rationnels. On a vu(paragraphe 1)
quel’application qui?
àchaque
z = x +iy ~ Sn,
associe la matriceP-1 définie
par(10’ est
unphisme
deSn
n surl’espace
des matricessymplectiques, symétriques
et~0.
Le groupe G =
opère sur Gn
parSoit l’ouvert de
Gn , image
de(u)
par(y .
Dans
l’espace
de toutes les matricesréelles, symétriques
et 7>0 à 2nlignes
et 2n
colonnes, considérons
les ouvertsS’ (v) (notation
del’Exposé 1,
p.8).
Soit
03C0
la matrice unimodulaireoù
(e )..
=Ô... (symbole
deKronecker).
On a =t03C0
= On voitfacilement que les
inégalités (i), (ii), (iii) expriment
que si la ma-trice
P"~ définie
par(10~)
satisfait àpour un v ~ 0 convenable
(dépendant
sculcnent deu).
Or si I~I~ .~ 3
il n’existequ’un
nombre fini de(unirodulairc
à coefficientsentiers)
telles querencontre M.S’
(v) :
celarésulte
duthéorème
deSiegel (cf. Exposé I ~
p.8).
L’asscrtion
(b)
de l’énoncé en résulte. ’Il reste à prouver l’ assertion
(c)
de l’énoncé. Elle varésulter
d’une suite depropositions.
PROPOSITION 1, .- Etant donné
z ~ Sn ,
il existe un Mo~0393
tel que .det(In(mz)) det(Im(Moz))
pour toute M& JT’ .
Diaprés (16 ~ ~
nedépend
que de la classe à droite de M suivant le sous-groupe T~ f .
Laproposition
1 résulte a lors évidemment de laPROPOSITION 2. - Pour tout ~ >
0 ,
iln’y
aqu’un nonbre
fini de classesà droite
suivant
T ~ 0393 , jouissant
dela propriété que
pour les M d’unetelle classe.
Pour prouver la
proposition 2,
on observe d’abord quo, danschaque
classe suivanton
peut
choisir l~î demanière
que la matricepositive (Ln(Mz) ~1
soitréduite
au sens de Minkowski : car si on pose pour un instant Mz =z’ ~
onpeut, grâce
e..u groupe deshomothéties remplacer
z’ 1 par az’ 1ta ,
où a estunimodulaire
entière ;
siy’
!désigne
Inz’ , y’-1
estr6nplacé
parqui,
pour un choix convenable de a , est réduite a u s ens (le Minkowski.On voit alors que la
proposition 2
résultera du~
/~
bB
LEMME. - z ~ Sn étant donné, considérons
les M =( )~0393
telles que--1
n c d -....-.._:.
soit réduite au sens de
Minkowski, et (que
03B1> o . Alors(3
et
d Depeuvent prendre qu’un
nombre fini de valeurs.Nous admettons
provisoirement
cequi
sera établiplus
loin. Laproposition
1 nous dit alors que
chaque point S
n est congru,modulo 0393 ,
à unpoint
z telque
Observons que,
d’après (14),
lacondition (17) équivaut
à,
PROPOSITION 3. - La relation
~17~ entraÍne : j ~,~ 1 a
En
effet,
onapplique (17’ )
dans le oùOn a alors cz + d = O
/ ,
et p;=r suite(17’ ) entraîne z Î k l .
Cela
éta.nt,
considérons un z satisiaisant à(17) .
Rcr.i>laç ant
z par aza (a
unimodulaire
entière convenable),
onpeut
supposer que(Im
est réduite au sensde
Minkovski,
sans qqe(17)
cesse d’être vérifiée. 0npeut ensuite,
enremplaçant
z par z * s
s
matricesymétrique réelle,
à coefficients entiersconvenables),
faire en sorte que la
partie
réelle x du nouveau z satisfasse à|xjk| 1/2 ;
ceci ne modifie pas (Im z)-1 , et (17) reste vérifiée. On a donc prouvé la
PROPOSITION 4. - Tout
point
deS
n est con nodulo0393 ,
à unpoint
zde
l’ensemble Xn ("domaine
fondamental" deSiegel) défini
par les conditionssui--
vantes :1 o det
det(Im z )
pour toute Me.-T ;
2°
(Im z)
estréduite
au sens deMinkowski ;
3° |xjk | 1/2, où x
=désigne
lapartie réelle
Nous sommes maintenant en mesure de prouver l’assertion
(c)
duthéorème.
Il suffitde montrer que les conditions
1~~
2~ et 3~ de laproposition
4entraînent
les condi- tions(i), (ii), (iii)
duthéorème, dès
aue u > 0 est assezgrand.
Or on sait(Ex- posé 1 )
que la condition 2°implique
que(Im
SI(il)
pour un uconvenable,
autrement dit : 2~ entraîne
(ii).
Il est trivial que 3~entraîne (i)
pour u ~1/2.
Enfin~
1~ et3~ entraînent ((1" après
laproposition 3 )
et comme d nn =
~y ) ,
nn(ii~. ~
estvérifiée lorsque
u3 ~
" JAinsi la démonstration du
théorème
estachevée,
â celaprès qu’il
reste à établirle lemme
qui
a été admis. Ms =z ~ t
Im z = y ~ Im z t ~y’ ,
~ 1’ aide de
~14 ~?
onvérifie
queSoient u.. iz les éléments
diagonaux g
dey’" ; Y
. on aen notant
c. 1
etd.
lesi-ièmes lignes
des matrices c etd ;
chacun des deuxtermes du second nombre est ;o ,
Lorsque
Mparcourt
le sous-groupe dise retJ~ ~
les u.. sont minorés par un nombre >0 fixe
(une
fois zdonne) :
car, y étant~ 0 ~ cy t c
estminoré
par un nombre ’>0 fixelorsque c ~
0(puisque
c està éléments
entiers ) ;
et pour c =C) ~
estminoré
par un nombre > 0 fixelorsque d ~
0 està éléments entiers.
Simaintenant
on suppose quey’-1
est ré-duite au sens de
Minkowski,
leproduit
desu..
estmajoré
par un nombrefixe, puie-
que par
hypothèse.
De là résulte que chacun des u.. estmajoré ;
nais ceci
implique, d’après (18),
quec.
etd. 1.
nepeuvent prendre qu’un
nombrefini de valeurs
(car
dès que l’une descomposantes
dec3
est assezgrande, ci
yest
grand ;
et si lescomposantes
decl
rcstentbornées,
et que l’une au moins desconposantes
ded. j-
estgrande, (c. 2014
x +d. -*- )y" (x
+ estgrand).
Le lemme est donc
démontré.
6. Les groupes
Sur
l’espace
considérons un lattice/B ~ et,
aulieu
de la formealternée
J(x , y)
du n~1, considérons
une forme alternée nondégénérée F(x , y) ,
à va-leurs
entières
sur/B ~
SoitCr~
le groupe des matricesréelles qui
conserventF ~
etrf
le sous-groupe des matrices transformant/B
en Onpar la
théorie
des diviseursélémentaires~ qu’on peut
choisir une base demanière
que ^
soit le’ lattice despoints
àcoordonnées entières,
et que F prenne la formecanonique
Supposons
donc que F ait cetteforme,
etque /B
soit le lattice despoints entiers ;
par le
changement
de variablesla forme F devient à nouveau la forme J du
paragraphe 1,
etG..
devient donc 1le groupe
symplectique
G ==R) .
Quant au sous-groupediscret. 0393f ,
ildevient le groupe des matrices
symplectiquos
M tellesque 0394
M0394-1
ait seséléments entiers,
en notantA
la matrice(1n0 003B4) , où 03B4 désigne
la matricediagonale ayant
pouréléme
nts les entiers03B41 . Ainsi
devient le sous-groupe039303B4
du groupesymplectique
formé des matrices(ac b. telles 1
que les matricessoient à
éléments
entiers. Un tel groupe039303B4 s’appellera
ungroupe paramodulaire.
Il résulte des
considérations générales
del’Exposé
2qu’un
tel groupe paramo- dulaire est minkowskien dans c ’est-à-dire satisfait à la condition(M) (Exposé 2,
page1 ) .
Mais il ne semble pasqu’on général
il existe dansJ")
un ouvert fondamental
(pour
legroupe 039303B4 considéré)
danslequel
y soitbornée
corme c’était le cas pour le groupe modulaire.
3-12
BIBLIOGRAPHIE
[1]
CARTAN(Elie). -
Oeuvrescomplètes. - Paris, Gauthier-Villars, 1952-1955.
3parties
en 6 volumes.[2]
SIEGEL(C.L.). - Einfünhrung
in die Theorie der Modulfunktionen n-tenGrades,
Math.