V. Nouvelle construction de la fonctionnelle de Poisson lin´eaire et g´en´eralisation non lin´eaire conjecturale
Il est int´eressant de chercher `a raffiner la construction du paragraphe pr´ec´edent et `a d´efinir des termes compl´ementaires “non cuspidaux”
KψG,ρ: (G×G×Qr)(F)\(G×G×GLr)(A)→C et
KeψG,ρ: (G×G×Qopr )(F)\(G×G×GLr)(A)→C permettant de r´ealiser l’´egalit´e
KψG,ρ+KψG,ρ=KeψG,ρ+KeψG,ρ
sur (G×G×GLr)(A) tout entier, et donc de d´efinir directement un noyau automorphe (G×G×GLr)(F)\(G×G×GLr)(A)→C
comme pr´evu dans la conjecture I.11.
On doit imp´erativement trouver un tel raffinement si l’on cherche `a construire des noyaux du transfert global parρ qui soient compatibles avec le transfert local en toute placex∈ |F| sans exception. On part alors d’une famille de fonctions locales deψ(r)-type de Whittaker
KψG,ρ:G(Fx)×GLr(Fx)→C
qui sont des “noyaux locaux” du transfert parρen toute placex∈ |F|: cela signifie que leur d´ecomposition spectrale ne fait apparaˆıtre que des paires (πx, π0x) de repr´esentations lisses admissibles irr´eductibles unitaires deG(Fx) et GLr(Fx) telles queπx0 soit le transfert local deπxparρen un sens d´ej`a connu sans ambigu¨ıt´e.
Afin de r´ealiser ce programme, on a besoin d’une “formule de Poisson non lin´eaire avec termes de bord”
relative `a ρ(ouρr0, r0 ≥2) qui s’applique `a toutes les fonctions “de typeL global” surG(A) (ouGr0(A)).
Autrement dit, on a besoin de d´efinir sur l’espace des fonctions de type Lglobal une fonctionnelle lin´eaire, compl´ementaire de l’´evaluation
h7→ X
γ∈G(F)
h(γ),
telle que leur somme, not´ee par convention
h7→“ X
γ∈G(F)
h(γ)”,
v´erifie la formule de Poisson
“ X
γ∈G(F)
h(γ)” = “ X
γ∈G(F)
bh(γ)”, ∀h .
Dans le but de proposer une d´efinition conjecturale d’une telle “fonctionnelle de Poisson non lin´eaire relative `aρ(ouρr0,r0 ≥2)”, on pose la d´efinition suivante :
D´efinition V.1.–
En n’importe quelle placex∈ |F| −Sρ, consid´erons une fonction sph´erique hx:G(Ox)\G(Fx)/G(Ox)→C
qui est “de typeLlocal” relativement `aρ:GboΓF →GLr(C).
Autrement dit, elle se d´ecompose spectralement sous la forme hx(g) =|detG(g)|−x12 · |detρ(g)|−x12 ·
Z
ImTbxd
dλ·Lx
ρ, λ−1, q−
1
x2
·hx,λ(g), g∈G(Fx),
o`udλd´esigne toujours la mesure de Plancherel sur l’espaceImTbxd/SxGdes caract`eres unitairesλde l’alg`ebre de Hecke sph´erique HGx,∅ de G(Fx), et chaque g 7→ hx,λ(g) est une fonction sph´erique, vecteur propre de valeur propreλ, et dont la d´ependance en λ∈Tbxd est polynomiale.
Alors, pour tout entierN ∈N, on notehNx la fonction surG(Fx)d´efinie par la d´ecomposition spectrale hNx(g) =|detG(g)|−x12 · |detρ(g)|−x12 ·
Z
ImTbxd
dλ·Lx
ρ, λ−1, q−x12
·IxN
ρ, λ, q−x12
·hx,λ(g), g∈G(Fx),
o`u IxN(ρ, λ, Z)d´esigne le polynˆome en λ∈Tbxd etZ qui est le produit du polynˆome Lx(ρ, λ, Z)−1
et du monˆome de degr´eN qui figure dans le d´eveloppement en s´erie formelle de l’inverse Lx(ρ, λ, Z).
Remarques :
(i) On note l’´egalit´e
X
N∈N
IxN(ρ, λ, Z) = 1
dans l’anneau des s´eries formelles enZ `a coefficients dansC[Tbxd]SxG. Elle implique que, pour toutg∈G(Fx), la s´erie
X
N∈N
hNx(g)
converge vershx(g).
(ii) Pour tout entierN∈N, laψx-transform´ee de FourierhcNx dehNx relativement `aρest `a support compact dansG(Fx).
(iii) Il est possible de g´en´eraliser la d´efinition ci-dessus `a toutes les fonctions de type L sur G(Fx) en n’importe quelle placex∈ |F|, mais nous n’en aurons pas besoin.
Cette d´efinition permet de formuler la conjecture suivante :
Conjecture V.2.–
(i) Pour toute fonction produit
h= O
x∈|F|
hx:G(A)→C
qui est de typeLglobal relatif `aρ, et pour toute placex0∈ |F| −Sρ en laquelle le facteur localhx0 de hest sph´erique, la s´erie
X
N∈N
X
γ∈G(F)
hNx
0⊗
O
x6=x0
hx
(γ) est convergente, et sa sommeS(h)ne d´epend pas du choix de la placex0.
(ii) La fonctionnelle lin´eaire induite sur l’espace des fonctions de typeL global relatif `aρsur G(A) h7→S(h)
est laiss´ee invariante par la ψ-transformation de Fourier relative `aρ, et il en est donc de mˆeme de la fonctionnelle
h7→
X
γ∈G(F)
h(γ)
+
X
γ∈G(F)
bh(γ)
−S(h) = “ X
γ∈G(F)
h(γ)”.
Remarque :
D`es lors que la partie (i) de la conjecture implique qu’elle est bien d´efinie, la fonctionnelle h7→S(h)
est invariante par translation `a gauche ou `a droite parG(F), et il en est donc de mˆeme de la fonctionnelle h7→“ X
γ∈G(F)
h(γ)”.
On prouve facilement : Proposition V.3.–
Si E est une alg`ebre finie s´eparable de degr´e r sur F, qui correspond `a une action du groupe de Galois ΓF sur l’intervalle {1,2, . . . , r}, le tore “lin´eaire”
TE= ResE/FGm, muni de la repr´esentation standard
ρE :TbEoΓF =
Y
1≤i≤r
C×
oΓF →GLr(C)
de son dualTbE= Q
1≤i≤rC×, v´erifie la conjectureV.2ci-dessus.
Plus pr´ecis´ement, les fonctions localement constantes `a support compact sur AE = A⊗F E sont les fonctions de typeL global relatif `aρE surTE(A) =A×E, et la fonctionnelle de Poisson standard
h7→ X
γ∈E
h(γ)
co¨ıncide avec la fonctionnelle de la conjectureV.2 h7→“ X
γ∈TE(F)
h(γ)”.
Remarque :
Cette proposition s’applique en particulier au tore lin´eaire d´eploy´eGrm. On retrouve alors la fonctionnelle de Poisson
h7→ X
γ∈Fr
h(γ)
surAr.
Avec plus de travail, on d´emontre au paragraphe VII.2 de [Lafforgue, 2012] : Th´eor`eme V.4.–
Le groupe lin´eaire
GLr,
muni de la repr´esentation standard de GLcr= GLr(C), v´erifie la conjecture V.2ci-dessus.
Plus pr´ecis´ement, les fonctions localement constantes `a support compact sur Mr(A) sont les fonctions
“de type L global” relatif `a la repr´esentation standard de GLcr sur GLr(A), et la fonctionnelle de Poisson standard
h7→ X
γ∈Mr(F)
h(γ)
co¨ıncide avec la fonctionnelle de la conjectureV.2 h7→“ X
γ∈GLr(A)
h(γ)”.
Remarques :
(i) La d´emonstration de ce th´eor`eme utilise
• le th´eor`eme de d´ecomposition spectrale de Langlands,
• la description par Moeglin et Waldspurger du spectre automorphe discret de GLr,
• les propri´et´es des fonctionsLlin´eaires globales rappel´ees dans le th´eor`eme III.2,
• les estim´ees de Jacquet et Shalika pour les modules des valeurs propres de Hecke des facteurs locaux non ramifi´es des repr´esentations automorphes cuspidales unitaires de GLr(A).
(ii) Bien que nous ne l’ayons pas v´erifi´e par ´ecrit, on devrait pouvoir g´en´eraliser la d´emonstration de ce th´eor`eme jusqu’`a montrer que la conjecture de transfert automorphe global parρdeG`a GLrimplique la conjecture V.2 pour le groupe r´eductifGmuni deρ:GboΓF →GLr(C).
On rappelle que, par hypoth`ese, la repr´esentation de transfertρ: GboΓF → GLr(C) induit un homo- morphisme
ρT :Tb→Tbr= (C×)r
du tore maximalTb deG, dual du tore maximalb T deG, dans le tore maximalTbr= (C×)r de GLr(C).
Si ΓF agit dans GLr(C) par permutation desrvecteurs de la base canonique deCr, cette action d´efinit uneF-alg`ebre s´eparable E de degr´er. Le dualTbE du toreTE = ResE/FGms’identifie `a Q
1≤i≤r
C× muni de l’action par permutation de ΓF, et l’homomorphisme
ρT :Tb→Tbr= (C×)r=TbE
devient ΓF-´equivariant, donc admet un homomorphisme dual bien d´efini surF ρ∨T :TE→T .
Cet homomorphisme identifieT au tore quotient du tore “lin´eaire” TE = ResE/FGm par le sous-tore Tρ
dual du conoyauTbρ deρT.
Par int´egration le long des fibres de
TE(A)→T(A), on d´eduit de la proposition V.3 :
Corollaire V.5.–
Supposons comme ci-dessus que ΓF agit sur Cr par permutation de ses r vecteurs de base, d´efinissant uneF-alg`ebre s´eparable E de degr´er.
Et supposons de plus que les homomorphismes
TE(Fx) → T(Fx), x∈ |F|, TE(A) → T(A),
et TE(F) → T(F) induits parρ∨T :TE→T soient surjectifs.
Alors, associant `a la repr´esentation ρT :TboΓF →GLr(C)le caract`ere detρT :T→Gm trivial, on a : (i) Les fonctions “de typeL” local [resp. global] surT(Fx)[resp. T(A)] sont les fonctions
hx:tx7→
Z
Tρ(Fx)
dtρ·hx(txtρ) [resp. h:t7→
Z
Tρ(A)
dtρ·h(t tρ)]
d´eduites par int´egration des fonctionshx [resp. h] localement constantes `a support compact surEx = E⊗FFx [resp.AE=E⊗FA].
(ii) Les fonctions de type Lglobal surT(A)v´erifient la conjectureV.2.
Remarque :
Pour que les hypoth`eses de surjectivit´e de ce corollaire soient v´erifi´ees, il suffit d’apr`es le “th´eor`eme 90”
de Hilbert que le noyauTρ de l’´epimorphismeρ∨T :TE→T soit de la forme Tρ∼= ResE0/FGm
pour une certaineF-alg`ebre s´eparableE0.
A partir de ce corollaire, on d´` emontre dans le paragraphe VII.5 de [Lafforgue, 2012] : Th´eor`eme V.6.–
Sous les hypoth`eses du corollaireV.5ci-dessus, le groupe r´eductifGmuni deρ:GboΓF →GLr(C)v´erifie la conjectureV.2apr`es moyennisation par les op´erateurs de coefficients unipotents constants
Z
NB(F)\NB(A)
du .
Autrement dit, pour toute fonction produit h= O
x∈|F|
hx:G(A)→C
qui est “de typeLglobal relatif `aρ”, et pour saψ-transform´ee de Fourier relative `aρ bh= O
x∈|F|
bhx:G(A)→C, on a :
(i) Pour toute placex0∈ |F| −Sρ en laquelle le facteur localhx [resp.bhx] deh[resp.bh] est sph´erique, la s´erie
X
N∈N
Z
NB(F)\NB(A)
du· X
γ∈G(F)
hNx0⊗
O
x6=x0
hx
(γu)
[resp. X
N∈N
Z
NB(F)\NB(A)
du· X
γ∈G(F)
bhNx
0⊗
O
x6=x0
bhx
(u−1γ)]
est convergente, et sa somme ne d´epend pas du choix de la placex0. (ii) Les deux sommes associ´ees dans (i)`ahetbhsont ´egales.
Rappelons que l’on cherche `a construire `a partir de la fonction “cuspidale”
KψG,ρ: (G×G×Qr)(F)\(G×G×GLr)(A)→C une fonction compl´ementaire “non cuspidale”
KψG,ρ: (G×G×Qr)(F)\(G×G×GLr)(A)→C telle que la somme
KψG,ρ+KψG,ρ: (G×G×GLr)(A)→C soit invariante `a gauche par (G×G×GLr)(F) tout entier.
Une telle construction est r´ealis´ee dans le chapitre VIII de [Lafforgue, 2012] dans le cas du transfert partout non ramifi´e, c’est-`a-dire lorsqueSρ=∅ et queKψG,ρ
x :G(Fx)×GLr(Fx)→Cest un noyau local du transfert local non ramifi´e par ρen toute placex∈ |F|.
Dans cette construction, la fonction compl´ementaire
KψG,ρ: (G×G×GLr)(A)→C
est d´efinie `a partir des “termes de bord” de la “formule de Poisson non lin´eaire relative `aρ” pour les fonctions de typeLglobal sur le groupe crois´eGr−1(A).
Afin de montrer que cette fonction compl´ementaire est invariante `a gauche parQr(F) et “non cuspidale”, on a besoin d’en savoir en peu plus sur le support de la fonctionnelle de Poisson “de bord”
h7→“ X
γ∈G(F)
h(γ)”−
X
γ∈G(F)
h(γ)
=
X
γ∈G(F)
bh(γ)
−S(h).
La formulation de cette propri´et´e g´eom´etrique n´ecessaire `a la construction demande d’introduire un objet g´eom´etrique auxiliaire, d´ej`a introduit par Braverman et Kazhdan, le “semi-groupe dual” de la repr´esentation de transfertρ:GboΓF →GLr(C).
On rappelle d’abord la d´efinition des semi-groupes : D´efinition V.7.–
Etant donn´´ e un groupe r´eductifGsur un corps k, un semi-groupe Gde groupe Gest une vari´et´e affine int`egre qui contientGcomme ouvert dense et telle que le morphisme de multiplicationG×G→Gse prolonge en
G×G→G .
Si G est un groupe r´eductif quasi-d´eploy´e sur un corps k, muni d’un tore maximal T d´efini sur k, l’adh´erence sch´ematiqueT deT dans un semi-groupe normal Gde groupeGest une vari´et´e torique affine normale de toreT sur laquelle agit le groupe de WeylSG. On montre que, r´eciproquement, toute vari´et´e torique affine normaleT de toreT sur laquelle agitSG provient d’un semi-groupe normalGde groupeG, unique `a unique isomorphisme pr`es. Par combinaison avec la th´eorie des vari´et´es toriques, on a donc : Proposition V.8.–
Soit un groupe r´eductifGquasi-d´eploy´e sur un corpsk, muni d’un tore maximalT d´efini surk.
Se donner un semi-groupe normal G de groupe G sur k ´equivaut `a se donner, dans le r´eseau XT des caract`eres deT, un cˆone poly´edral satur´eXT stable par l’action du groupe de WeylSG et par celle du groupe de GaloisΓk ou, ce qui revient au mˆeme, son cˆone dual X∨
T dans le r´eseauXT∨ des cocaract`eres de T. Revenons maintenant `a notre groupe r´eductif G quasi-d´eploy´e sur le corps de fonctions F, et `a notre repr´esentation de tranfert
ρ:GboΓF →GLr(C) qui induit un homomorphisme
ρT = (ρ1T, . . . , ρrT) :Tb→Tbr= (C×)r. On peut poser :
D´efinition V.9.–
On appelle “semi-groupe dual de la repr´esentation ρ” le semi-groupe normal G de groupe G associ´e au cˆone satur´eXT∨ deXT∨=X
Tb engendr´e par les poidsρ1T, . . . , ρrT :Tb→C× de la repr´esentationρ ou, ce qui revient au mˆeme, par les SG-orbites des plus hauts poids des facteurs irr´eductibles deρ:Gb→GLr(C).
Remarque :
Cette notion avait d´ej`a ´et´e introduite par Braverman et Kazhdan, en des termes diff´erents mais ´equivalents.
On note aussitˆot :
Lemme V.10.–
(i) LorsqueG= GLr etρest la repr´esentation standard de Gb= GLr(C), le semi-groupeGdual deρn’est autre que le semi-groupe matricielMr.
(ii) Dans le cas g´en´eral, et pour tout degr´er0≥2, le semi-groupeGr0 dual de la repr´esentation crois´ee ρr0 :Gbr0oΓF →GLrr0(C)
s’identifie `a la normalisation du sous-sch´ema ferm´e
{(g, g0)∈G×Mr0 |detG(g) = det(g0)}.
Int´eressons-nous d’abord `a la vari´et´e torique affine normaleT de toreT qui d´efinit le semi-groupe normal Gde groupe G. On a :
Lemme V.11.–
Supposons comme plus haut queΓF agit sur l’espaceCr deGLr(C)par permutation de sesr vecteurs de base, d´efinissant uneF-alg`ebre s´eparable E de degr´er.
Alors l’homomorphisme de tores
ρ∨T :TE= ResE/FGm→T , dual deρT :Tb→ Q
1≤i≤rC×=TbE, se prolonge en un homomorphisme de vari´et´es toriques TE = ResE/FA1→T
qui identifieT au quotient de TE par le sous-tore Tρ deTE dual deTbρ= Coker
Tb−−→ρT TbE
. Remarque :
L’´enonc´e signifie que les caract`eres bien d´efinis surT sont exactement les caract`eres bien d´efinis surTE
que le sous-toreTρ deTE laisse invariants.
Il implique que tout point g´eom´etrique deT est image d’au moins un point g´eom´etrique deTE, et que deux points g´eom´etriques deTE ont mˆeme image dansT si et seulement si les adh´erences de leurs orbites sous l’action deTρ se rencontrent.
On d´eduit de ce lemme et du corollaire V.5 : Corollaire V.12.–
Sous les hypoth`eses du corollaire V.5, consid´erons toujours le tore T muni de la repr´esentation ρT : TboΓF →GLr(C) `a laquelle on associe le caract`ere detρT :T →Gm trivial.
Alors, siT≤1 d´esigne l’ouvert deT r´eunion deT et des orbites de codimension1, les fonctions “de type L” local [resp. global] relatif `aρT
T(Fx) → C, x∈ |F|, [resp. T(A) → C]
se prolongent par continuit´e `aT≤1(Fx)[resp. T≤1(A)].
Remarque :
En fait, ces fonctions se prolongent par continuit´e `a Treg(Fx) [resp. Treg(A)] si Treg ⊃T≤1 d´esigne le plus grand ouvert deT au-dessus duquel le sous-toreTρ deTE agit librement dansTE.
On sait d’apr`es la th´eorie g´en´erale des semi-groupes normaux que les orbites deGsous la double action deG`a gauche et `a droite sont en nombre fini, et toutes localement ferm´ees.
Elles sont engendr´ees par les orbites deT sous l’action deT.
Deux orbites de T engendrent la mˆeme orbite deGsi et seulement si elles sont images l’une de l’autre par l’action du groupe de WeylSG.
En particulier, les orbites de codimension 1 de G correspondent aux orbites de codimension 1 de T, modulo l’action deSG.
Utilisant ce fait, on peut d´emontrer `a partir du corollaire V.12 : Proposition V.13.–
Sous les hypoth`eses du corollaireV.5 ou du corollaireV.12, supposons en outre que ρ:GboΓF →GLr(C)
induit un isomorphisme
ZF
Gb
−→∼ Zbρ
deZF
Gb ={z∈Z
Gb|σ(z) =z , ∀σ∈ΓF} dans le commutateur Zbρ⊂GLr(C)de la repr´esentation ρ.
Choisissons pour
detρ:G→Gm
l’unique caract`ere d´efini sur F tel que, pour toute composante ρiT de ρT = (ρ1T, . . . , ρrT) :Tb →Tbr= (C×)r qui est le plus haut poids de l’une des composantes irr´eductibles de Gb−→ρ GLr(C), on ait
hdetρ, ρiTi=hδB, ρiTi o`u δB :B→B/NB=T →Gm d´esigne le caract`ere modulaire.
Alors, si G≤1 d´esigne l’ouvert de Gr´eunion deGet des orbites de codimension 1, on a : (i) Les fonctions “de typeL” local [resp. global] relatif `aρ
G(Fx) → C, x∈ |F|, [resp. G(A) → C]
se prolongent par continuit´e `aG≤1(Fx)[resp. G≤1(A)].
(ii) Pour tout degr´er0≥2, les fonctions “de typeL” local [resp. global] surGr0(Fx),x∈ |F|, [resp.Gr0(A)]
se prolongent par continuit´e `a l’ouvert de
Gr0(Fx) ⊂ G(Fx)×Mr0(Fx) [resp. Gr0(A) ⊂ G(A)×Mr0(A)]
image r´eciproque deG≤1(Fx)[resp. G≤1(A)].
Remarque :
Le fait que l’homomorphisme ZF
Gb → Zbρ induit par ρ soit un isomorphisme implique que les facteurs irr´eductibles de la repr´esentation ρ:GboΓF →GLr(C) apparaissent tous avec la multiplicit´e 1.
Cette proposition permet de compl´eter la conjecture V.2 par la conjecture suivante : Conjecture V.14.–
Sous les hypoth`eses de la propositionV.13ci-dessus, on a :
(i) Pour toute fonction produit de typeL global relatif `aρsurG(A), h= O
x∈|F|
hx:G(A)→C,
la diff´erence
“ X
γ∈G(F)
h(γ)”− X
γ∈G(F)
h(γ)
d´epend lin´eairement des seules restrictions de chaque facteurhx,x∈ |F|, aux orbites de codimension 1 deG(Fx).
(ii) Pour tout degr´er0≥2, et pour toute fonction de type Lglobal relatif `aρr0 sur Gr0(A), h:Gr0(A)→C,
la diff´erence
“ X
γ∈Gr0(F)
h(γ)”− X
γ∈Gr0(F)
h(γ)
d´epend lin´eairement des seules restrictions de haux points de Gr0(A)⊂G(A)×Mr0(A) de la forme
(m, δ) avec m∈G≤1(A)etδ∈Mr0(F)−GLr0(F).
Le casr0=r−1 de la conjecture V.14(ii) ci-dessus est ce que l’on a besoin de connaˆıtre sur la fonctionnnelle de Poisson de bord
h7→“ X
γ∈Gr−1(F)
h(γ)”− X
γ∈Gr−1(F)
h(γ),
outre la formule de Poisson surGr−1(A)
“ X
γ∈Gr−1(F)
h(γ)” = “ X
γ∈Gr−1(F)
bh(γ)”
pour construire des termes compl´ementaires “non cuspidaux”
KψG,ρ: (G×G×Qr)(F)\(G×G×GLr)(A)→C,
KeψG,ρ: (G×G×Qopr )(F)\(G×G×GLr)(A)→C, qui r´ealisent l’´egalit´e
KψG,ρ+KψG,ρ=KeψG,ρ+KeψG,ρ et d´efinissent des noyaux du transfert par ρde la forme
KG,ρ=KψG,ρ+KψG,ρ: (G×G×GLr)(F)\(G×G×GLr)(A)→C.
Cette construction est r´ealis´ee, dans le cas partout non ramifi´e, au chapitre VIII de [Lafforgue, 2012].