Deux Applications Arithmétiques Des Travaux D'arthur
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Deux applications arithmétiques des travaux d’Arthur Olivier Taïbi To cite this version: Olivier Taïbi. Deux applications arithmétiques des travaux d’Arthur. Théorie des nombres [math.NT]. Ecole Polytechnique X, 2014. Français. pastel-01066463 HAL Id: pastel-01066463 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-01066463 Submitted on 20 Sep 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. École Doctorale 447 Thèse de doctorat Discipline : Mathématiques présentée par Olivier Taïbi Deux applications arithmétiques des travaux d’Arthur dirigée par Gaëtan Chenevier Soutenue le 19 septembre 2014 devant le jury composé de : Gaëtan Chenevier École Polytechnique Directeur de thèse Laurent Clozel Université Paris XI Examinateur Guy Henniart Université Paris XI Examinateur Colette Mœglin Université Paris VI Rapporteuse David Renard École Polytechnique Examinateur Jean-Loup Waldspurger Université Paris VI Examinateur Rapporteurs absents lors de la soutenance : Toby Gee Imperial College London Rapporteur Benedict Gross Harvard University Rapporteur Remerciements Je tiens en premier lieu à exprimer ma reconnaissance à Gaëtan Chenevier pour avoir dirigé ma thèse. Travailler sous sa direction fut un réel plaisir. Au-delà de ses grandes connais- sances et de sa disponibilité, j’ai bénéficié de son enthousiasme et de ses encouragements. Sa hauteur de vue lui permet de motiver des objets sophistiqués par des applications arith- métiques simples et élégantes. J’ai été frappé par cette qualité, précieuse pour un thésard, lorsque je l’ai vu exposer ses travaux avec Laurent Clozel sur les corps de nombres peu ramifiés. Toby Gee, Benedict Gross et Colette Mœglin ont accepté de rapporter ma thèse. Il s’agit d’une lourde tâche et je les en remercie vivement. Laurent Clozel, Guy Henniart, David Renard et Jean-Loup Waldspurger me font l’honneur de faire partie du jury, je voudrais pour cela leur exprimer ma gratitude. Je souhaite à nouveau remercier Colette Mœglin et Jean-Loup Waldspurger. Alors que je cherchais une démonstration trop compliquée du lemme 2.6.1.1, ils m’ont gentiment expliqué qu’il découlait simplement d’un de leurs lemmes. La seconde partie de cette thèse a nécessité d’effectuer des calculs parallèles, mobilisant presque tous les ordinateurs du DMA. Je remercie donc le SPI pour sa bienveillance. J’ai eu la chance d’enseigner à l’ENS pendant ces trois dernières années. Cette expé- rience fut passionnante, et a permis un équilibre mathématique. Elle m’a également placé dans l’atmosphère conviviale et chaleureuse du DMA. Je remercie donc tous mes collègues et amis avec qui j’ai passé d’agréables moments, mathématiques ou non ; en particulier Arnaud, Henri et Quentin. J’ai la chance de confondre travail et passion. C’est l’une des nombreuses choses que je dois à mes parents. Je profite donc de cette occasion pour leur exprimer ma gratitude. Merci enfin à Chloé, grâce à qui cette thèse fut préparée dans le bonheur. 1 Table des matières 1 Introduction4 1.1 Formes modulaires................................5 1.2 Formes automorphes et représentations galoisiennes..............7 1.3 Résultats obtenus dans cette thèse.......................9 2 Eigenvarieties for classical groups and complex conjugations in Galois representations 10 2.1 Introduction.................................... 10 2.2 Assumptions on forthcoming results of Arthur................. 13 2.3 The eigenvariety for definite symplectic groups................ 14 2.3.1 The eigenvariety............................. 14 2.3.2 Unramified and “completely refinable” points............. 18 2.4 Galois representations associated with automorphic representations of sym- plectic groups................................... 23 2.4.1 A consequence of Arthur’s description of the discrete spectrum for classical groups.............................. 23 2.4.2 Galois representations stemming from symplectic forms are generi- cally almost irreducible......................... 26 2.5 Similar results for even orthogonal groups................... 32 2.6 The image of complex conjugation: relaxing hypotheses in Taylor’s theorem 33 2.6.1 Regular, L-algebraic, self-dual, cuspidal representations of GL2n(AF ) having Iwahori-invariants........................ 34 2.6.2 Regular, L-algebraic, self-dual, cuspidal representations of GL2n+1(AF ) having Iwahori-invariants........................ 37 2.6.3 Almost general case........................... 41 2.6.4 A supplementary, non-regular case................... 43 3 Dimensions of spaces of level one automorphic forms for split classical groups using the trace formula 47 3.1 Introduction.................................... 47 3.2 Notations and definitions............................ 50 3.3 Computation of the geometric side of Arthur’s trace formula......... 51 3.3.1 Elliptic terms............................... 52 3.3.2 Computation of the elliptic terms in the trace formula........ 54 2 3.3.3 Computation of the parabolic terms using elliptic terms for groups of lower semisimple rank......................... 69 3.4 Endoscopic decomposition of the spectral side................. 76 3.4.1 The spectral side of the trace formula................. 76 3.4.2 Euler-Poincaré characteristic of cohomological archimedean Arthur packets.................................. 86 3.5 Application to vector-valued Siegel modular forms.............. 96 3.5.1 Bounded symmetric domains of symplectic type and holomorphic discrete series............................... 97 3.5.2 Siegel modular forms and automorphic forms............. 100 3.5.3 Example: genus 4 ............................. 104 3.5.4 Some dimensions in the scalar case................... 105 3.6 Reliability..................................... 106 3.7 Tables....................................... 108 3.7.1 Masses................................... 108 3.7.2 Some essentially self-dual, algebraic, level one, automorphic cuspidal representations of GLn for n ≤ 13 .................... 113 3 Partie 1 Introduction Dans cette introduction destinée aux mathématiciens non spécialistes, nous expliquons dans quel contexte s’inscrivent les résultats de cette thèse. Le titre annonce qu’il s’agit d’arithmétique, ce qui n’est peut-être pas évident à la lecture du texte. L’un des buts de cette branche des mathématiques est l’étude des équations diophantiennes, c’est-à-dire les équations “à coefficients entiers” dont on cherche les solutions entières. Un problème for- mulé aussi vaguement ne peut admettre de solution générale, et l’histoire de l’arithmétique est jalonnée par les découvertes d’outils permettant d’étudier seulement certaines classes d’équations diophantiennes. Citons deux outils fondamentaux pour l’étude des systèmes d’équations polynomiales, c’est-à-dire de la forme 8 P (x ; : : : ; x ) = 0 > 1 1 m < : : > :Pn(x1; : : : ; xm) = 0 où chaque Pi est un polynôme à coefficients entiers en les variables X1;:::;Xm. Afin de simplifier le problème, contentons-nous de travailler sur le corps Q des nombres rationnels plutôt que sur son sous-anneau Z des nombres entiers. Galois nous enseigne que les solutions rationnelles d’un tel système d’équations sont m les solutions (x1; : : : ; xm) 2 Q , où Q désigne une clôture algébrique de Q, qui sont fixées par Gal(Q=Q), le groupe de Galois absolu de Q qui agit sur Q. L’intérêt de ce point de vue est que, comme souvent en mathématiques, il est plus aisé d’étudier les propriétés de solutions dont l’existence est connue a priori que de s’attaquer directement au problème d’existence. Plus généralement, il est naturel de voir un objet défini sur Q comme un objet défini sur Q et muni d’une action de Gal(Q=Q). Notons toutefois que l’utilisation de nombres algébriques sur Q remonte à Gauss qui introduisit en 1832 (avant la publication des résultats de Galois) l’anneau des “entiers de Gauss” Z[i] = fa + ib j a; b 2 Zg dans le but de formuler la loi de réciprocité biquadratique. Une autre approche consiste à compléter le corps Q pour une de ses valuations v. D’après un théorème d’Ostrowski, à un exposant inessentiel près, v est soit la valuation archimédienne usuelle, soit la valuation p-adique pour un nombre premier p. Dans le corps complété Qv correspondant, on dispose d’outils analytiques (théorème des valeurs intermé- diaires, lemme de Hensel . .) simplifiant grandement la résolution du système d’équations. Afin de prendre en compte toutes ces valuations (également appelées “places”) à la fois, on 4 considère l’anneau des adèles Y0 Y 0 A = Qv = R × Qp v p premier qui est le produit restreint de ces corps et qui contient Q comme sous-anneau, plongé dia- gonalement. Ici on a noté Qp le complété Qv de Q pour la valuation p-adique v. L’existence d’une solution à coefficients rationnels implique donc l’existence d’une solution à coefficients adèliques. Toute la difficulté consiste à aller dans l’autre sens, c’est-à-dire à déterminer les obstructions “globales” contrôlant l’existence d’une solution rationnelle lorsque l’on suppose l’existence d’une solution adèlique. Par exemple le théorème de Hasse-Minkowski implique que dans le cas d’une seule équation