Université Pierre et Marie Curie Contributions to the Langlands program

147 Pages·2017·1.52 MB·French

Université Pierre et Marie Curie
École Doctorale Paris Centre
Institut de Mathématiques de Jussieu
THÈSE DE DOCTORAT
Discipline : Mathématiques
présentée par
Ildar GAISIN
Contributions to the Langlands program
dirigée par Jean-François DAT et Laurent FARGUES
Soutenue le 20 septembre 2017 devant le jury composé de :
M. Pascal BOYER Université Paris 13 Examinateur
M. Jean-François DAT Université Paris VI Directeur
M. Laurent FARGUES Université Paris VI Directeur
Mme. Ariane MEZARD Université Paris VI Examinateur
M. Tobias SCHMIDT Université de Rennes 1 Rapporteur
M. Benjamin SCHRAEN Ecole Polytechnique Examinateur
Résumé
Cette thèse traite de deux problèmes dans le cadre du programme de
Langlands.Pourlepremierproblème,danslasituationdeGL etuncoca-
2
ractèrenonminuscule,nousfournissonsuncontre-exemple(souscertaines
hypothèses naturelles) à la conjecture de Rapoport-Zink, communiquée
par Laurent Fargues.
LedeuxièmeproblèmeconcerneunrésultatdansleprogrammedeLan-
glands p-adique. Soit A une algèbre Q -affinoïde, au sens de Tate. Nous
p
développons une théorie d’un espace localement convexe en A-modules
parallèle au traitement dans le cas d’un corps par Schneider et Teitel-
baum. Nous montrons qu’il existe une application d’intégration liant une
catégoriedereprésentationslocalementanalytiquesenA-modulesetdes
modules de distribution séparés relatif. Il existe une théorie de cohomo-
logie localement analytique pour ces objets et une version du Lemme de
Shapiro.Danslecasd’uncorps,ceciaétésubstantiellementdéveloppépar
Kohlhaase. Comme une application, nous proposons une correspondance
deLanglandsp-adiqueenfamilies :Pourun(ϕ,Γ)-moduletriangulineet
régulière dedimension2surl’anneaudeRobbarelatifR nousconstrui-
A
sonsuneGL (Q )-représentationlocalementanalytiqueenA-modules.Il
2 p
s’agit d’un travail en commun avec Joaquin Rodrigues.
1
Abstract
This thesis deals with two problems within the Langlands program.
Forthefirstproblem,inthesituationofGL andanon-minusculecochar-
2
acter,weprovideacounter-example(undersomenaturalassumptions)to
the Rapoport-Zink conjecture, communicated to us by Laurent Fargues.
The second problem deals with a result in the p-adic Langlands pro-
gram. LetAbeaQ -affinoidalgebra,inthesenseofTate. Wedevelopa
p
theoryoflocallyconvexA-modulesparalleltothetreatmentinthecaseof
afieldbySchneiderandTeitelbaum. Weprovethatthereisanintegration
map linking a category of locally analytic representations in A-modules
and separately continuous relative distribution modules. There is a suit-
abletheoryoflocallyanalyticcohomologyfortheseobjectsandaversion
ofShapiro’sLemma. Inthecaseofafieldthishasbeensubstantiallyde-
veloped by Kohlhaase. As an application we propose a p-adic Langlands
correspondenceinfamilies: Foraregular trianguline(ϕ,Γ)-moduleofdi-
mension2overtherelativeRobbaringR weconstructalocallyanalytic
A
GL (Q )-representation in A-modules. This is joint work with Joaquin
2 p
Rodrigues.
2
Remerciements
Cette thèse n’aurait jamais été possible sans le soutien constant de mes
deux directeurs - Jean-François Dat et Laurent Fargues. Leur patience et leur
générosité ont rendu possible mes recherches à ce jour et pour cela je serai
toujours reconnaissant. Merci pour la chance que j’ai eue de travailler avec
vous. Vous m’avez appris des choses que je n’aurais pas pu apprendre d’une
autre source.
Jean-François,jeteremerciedet’occuperdemoidepuislesquatredernières
années à la fois d’une manière mathématique et non-mathématique. Ça peut-
être un défi de vivre dans un autre pays mais avec ton amabilité ce n’est pas le
cas. Merci pour les nombreuses discussions, conseils et encouragements que tu
as partagé avec moi.
Laurent, je te remercie pour ta gentillesse à m’expliquer certains de tes
récents travaux. Merci de répondre à un nombre incalculable de questions et
ton implication durant toutes les étapes de mon travail.
Je remercie mes deux rapporteurs Urs Hartl et Tobias Schmidt pour leur
remarques importantes.
JeremercieArianeMezard,TobiasSchmidtetBenjaminSchraenpouravoir
accepté de faire une partie de mon jury.
Jesouhaiteégalementremercierl’équiped’IMJdontlapatienceetlesoutien
ont créé un environnement de travail parfait. Mes remerciements à Antoine
Ducros et Marco Robalo pour leur mise à disposition et pour partager leur
temps. Je dois beaucoup à Pierre Colmez sans qui cette thèse n’aurait pas
été possible. Je remercie chaleureusement Christine Le Sueur qui m’a aidé à
naviguer dans d’innombrables démarches administratives. Je tiens à remercier
égalementGaëlleCallouardquiaorganisépleindevoyagespourmoisansstress.
Je remercie mes co-bureaux: Malick Camara, Kamran Lamei et Arnaud
Mayeuxquipendantcestroisansontcrééuneatmosphèreamicalequim’aaidé
à passer beaucoup d’heures avec le stylo et le papier.
JeremerciemesamisArthurCesarLe-Braspoursoncaractèregentil,Valentin
Hernandez pour ses blagues et cafés, Joaquin Rodrigues avec qui j’ai appris
beaucoupdemathématiques,JohnWelliaveetildontl’amitiés’étendàl’étranger,
Macarena Peche pour sa gentillesse et Xiaohua Ai pour ses fêtes chinoises.
Je remercie mes autres amis du couloir des thésards qui étaient toujours
disponibles pour des conversations légères et pauses café: Léo, Adrien, Maÿlis,
Louis, Hugo, Thomas, Arthur, Hsueh-Yung, Nicolina, Jesua et Marc.
Je remercie l’accueil très chaleureux de l’IHES pour la dernière année. Je
ne peux pas remercier assez Ahmed Abbes qui continue à créer une hospital-
ité inégalée à tout autre endroit où j’ai séjourné. Sa gentillesse de partager
son temps pour les nombreuses discussions très intéressantes est incomparable.
Merci beaucoup à Ofer Gabber qui a pris enormement de temps pour discuter
un problème concernant la constructibilité. Je remercie mes amis de l’IHES:
Piotr Achinger, Quentin Guignard, Jie Lin, Jinbo Ren et Daxin Xu pour de
3
beaux moments.
Mention spéciale à Guillaume Broad: c’est ma bonne fortune, que j’ai ren-
contré il y a plus de 10 ans. Son amitié pendant l’écriture de ma thèse (et
au-delà) est précieusement valorisée.
Je n’aurais jamais osé quitter l’Australie si ce n’était pas grâce aux efforts
inlassables et la patience incommensurable de mes professeurs à All Saints An-
glican School. Merci en particulier à Peter Gotley et Patrick Wallas.
ÀNathanaelBerestycki, KeithCarneetMartinHyland, mercipourm’avoir
sountenu pendant mes années en angleterre.
Àmonamid’angleterre,JoshKeeler: jeteremerciepourtonamitiéenorme.
J’espère qu’on puisse continuer d’être des amis pour très longtemps.
À ma copine Marlène, tu représentes le monde pour moi. Sans ta gentillesse
incroyable je ne aurais pas fini ma thèse. Je t’aime.
À mes oncles et tantes Andrew, Ai-Gul et Tim. Merci beaucoup pour votre
générosité et votre gentillesse tout au long des années.
Enfin,jevoudraisremerciermafamille: Marat,Faina,Aigul,LillianetAlice.
Sans votre soutien constant, rien n’aurait été possible pour moi. Les conseils
de mon père et sa connaissance que j’apprécie grandement. L’encouragement
et l’amour de ma mère me maintient en bonne humeur. La compagnie de mes
soeurs est précieuse et c’est à elles que je dédie cette thèse.
4
Contents
1 Introduction 8
1.1 Un contre-exemple à la conjecture de Rapoport-Zink . . . . . . . 8
1.2 Une extension de la correspondance de Langlands p-adique . . . 10
1.3 La construction de la correspondance . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Familles analytiques de représentations localement analytiques . 15
2 Part I: A counter-example to the Rapoport-Zink conjecture 19
3 Introduction 20
4 The Rapoport-Zink conjecture 22
5 Analytic groups of p-divisible type 28
6 Rapoport-Zink spaces and Q -local systems 32
p
7 Final Calculations 37
7.1 Non-abelian cohomology of groups . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
8 Part II: Arithmetic families of (ϕ,Γ)-modules and locally ana-
lytic representations of GL (Q ) 44
2 p
9 Introduction 45
9.1 An extension of the p-adic Langlands correspondence . . . . . . . 45
9.2 The construction of the correspondence . . . . . . . . . . . . . . 47
9.3 Analytic families of locally analytic representations . . . . . . . . 50
9.4 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
10 Preliminaries 53
10.1 Dictionary of relative functional analysis . . . . . . . . . . . . . . 53
10.1.1 Relative Laurent series rings . . . . . . . . . . . . . . . . 53
10.1.2 Locally analytic functions and distributions . . . . . . . . 53
10.1.3 Multiplication by a function . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
10.1.4 The differential operator ∂ . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
10.1.5 Q -Analytic sheaves and relative (ϕ,Γ)-modules . . . . . 56
p
10.1.6 Multiplication by a character on R . . . . . . . . . . . . 58
A
10.2 Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
10.3 Principal series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
10.4 The G-module R (δ)(cid:2) P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A ω
11 Cohomology of (ϕ,Γ)-modules 66
11.1 Continuous vs. analytic cohomology . . . . . . . . . . . . . . . . 67
11.2 The cohomology of Φ+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
11.2.1 The case of R− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
A
11.2.2 The case of R+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
A
5
11.3 The A0-cohomology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
11.3.1 The case of LA(Z×,A)⊗η. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
p
11.4 The A+-cohomology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11.4.1 The case of R−⊗δ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A
11.4.2 The case of R+⊗δ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A
11.4.3 The case of R ⊗δ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A
12 Relative cohomology 76
12.1 Formalism of derived categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
12.2 The Koszul complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
12.3 Finiteness of cohomology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
+
13 The P -cohomology 85
13.1 The Lie algebra complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
13.2 Deconstructing cohomology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
13.3 The Lie algebra cohomology of R−(δ ,δ ) . . . . . . . . . . . . . 89
1 2
13.3.1 Calculation of H0(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . 89
u−,ϕ,a+
13.3.2 Calculation of H2(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
u−,ϕ
13.3.3 Calculation of H3(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . 90
u−,ϕ,a+
13.3.4 Calculation of H1(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
u−,ϕ
13.3.5 Calculation of H1(C ). . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
u−,ϕ,γ
13.3.6 Calculation of H2(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
u−,ϕ,γ
13.4 The P+-cohomology of R−(δ ,δ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1 2
13.4.1 Calculation of H0(P+,R−(δ ,δ )): . . . . . . . . . . . . . 97
1 2
13.4.2 Calculation of H1(P+,R−(δ ,δ )): . . . . . . . . . . . . . 97
1 2
13.4.3 Calculation of H2(P+,R−(δ ,δ )): . . . . . . . . . . . . . 99
1 2
13.4.4 Calculation of H3(P+,R−(δ ,δ )): . . . . . . . . . . . . . 99
1 2
13.5 The P+-cohomology of R+(δ ,δ ): a first reduction . . . . . . . 100
1 2
13.6 The Lie algebra cohomology of Pol (Z ,L)∗(δ ,δ ) . . . . . . . 100
≤N p 1 2
13.6.1 Calculation of H0(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . 101
u−,ϕ,a+
13.6.2 Calculation of H1(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . 101
u−,ϕ,a+
13.6.3 Calculation of H2(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . 103
u−,ϕ,a+
13.6.4 Calculation of H3(C ): . . . . . . . . . . . . . . . . 104
u−,ϕ,a+
13.7 The P+-cohomology of R+(δ ,δ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
1 2
13.7.1 Calculation of H0(P+,R+(δ ,δ )) . . . . . . . . . . . . . 104
1 2
13.7.2 Calculation of H1(P+,R+(δ ,δ )) . . . . . . . . . . . . . 104
1 2
13.7.3 Calculation of H2(P+,R+(δ ,δ )) . . . . . . . . . . . . . 105
1 2
13.7.4 Calculation of H3(P+,R+(δ ,δ )) . . . . . . . . . . . . . 105
1 2
13.8 The P+-cohomology of R(δ ,δ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1 2
14 A relative cohomology isomorphism 106
6
15 Construction of the correspondence 112
15.1 The main result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
15.2 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
15.3 Extensions of R+(δ )(cid:2) P1 by R (δ )(cid:2) P1 . . . . . . . . . . 114
A 2 ω A 1 ω
15.4 The G-module ∆(cid:2) P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
ω
15.5 The representation Π(∆). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A ThecategoryoflocallyanalyticG-representationsinA-modules121
A.1 Preliminaries and definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.2 Relative non-archimedean functional analysis . . . . . . . . . . . 126
A.3 Relative locally analytic representations . . . . . . . . . . . . . . 131
A.4 Locally analytic cohomology and Shapiro’s lemma . . . . . . . . 136
7
1 Introduction
1.1 Un contre-exemple à la conjecture de Rapoport-Zink
Dans la première partie de cette thèse, nous fournissons un contre-exemple
à la conjecture de Rapoport-Zink, cf. [49, §1.37] dans la situation suivante:
(cid:18)1 0(cid:19) (cid:18)t2 0(cid:19)
G=GL , b= , µ= .
2 0 p2 0 1
Bien que la conjecture en loc.cit. est énoncée dans le cadre analytique rigide,
nousadopteronslelangagedesespacesdeBerkovich. Icibestassociéàl’isocristal
Q ⊕Q (2) et µ est un co-caractère non minuscule (défini sur Q˘ ) qui contrôle
p p p
la filtration. Soit A1 la ligne droite affine de Berkovich sur la completion de
Q˘
p
l’extensionmaximalenon-ramifiéedeQ ,Q˘ . PourchaqueextensionfinieL/Q˘ ,
p p p
A1 (L) correspond à la classe d’équivalence des filtrations µ0 défini sur L (dans
Q˘
p
laclassedeconjugaisonde{µ})telleque(b,µ0)estadmissible1. Danscecadre,
la conjecture annonce grossiement (pour un énoncé précis, nous renvoyons le
lecteur à la Conjecture 4.3).
Conjecture 1.1 (Rapoport-Zink). Il existe un Q -système local E sur A1 qui
p Q˘
p
satisfait la propriété suivante: Pour tout point µ0 ∈ A1 (L) la représentation
Q˘
p
galoisienne p-adique
Gal(L/L)−π−1d−J−(µ−→0) πdJ(A1 )→GL(Q ),
1 Q˘ p
p
où le 2ème morphisme vient de E, est isomorphe à la représentation cristalline
déterminée par (b,µ0)2.
Donnons une esquisse pour savoir pourquoi la Conjecture 1.1 est fausse. On
commencepardéfinirunespacedemodules(analogueàunespacedeRapoport-
Zink) associé à E qui paramétrise les Z -réseaux dans E.
p
Definition 1.2. Définir un espace de modules M(E) → A1 , dont les valeurs
Q˘
p
à un S →A1 point étale sont donnés par
Q˘
p
M(E)(S):={F/S | F ⊗Q ∼=E| },
p S
où F est un Z -système local (un système local de Z -réseaux dans la termi-
p p
nologie utilisée par de Jong, cf. [18, §4]).
1. DemanièreéquivalenteparletravaildeColmez-Fontaine,cf. [12],lapaire(b,µ0)donne
naissanceàunereprésentationcristalline.
2. Ici πdJ(A1 ) est le (gros) groupe fondamental étale de recouvrements étales de A1
1 Q˘p Q˘p
commedéfinidans[18,§2]. Dansloc.cit. ilestnotéparπ1.
8
Nous appelons le morphisme structurel
π :M(E)→A1
dR Q˘
p
le morphisme de périodes de de-Rham. On démontre facilement que M(E) est
représentable comme un Q˘ -espace analytique et π un recouvrement étale. Il
p dR
est naturel de s’attendre à ce que M(E) a une structure de groupe, mais pour
prouver cela, nous devons supposer que E ∈Ext1(Q ,Q (2)) et aussi pour tout
p p
sous-groupe ouvert U ⊂A1 ,
Q˘
p
m∗η| =pr∗E| +pr∗E| , (1)
U 1 U 2 U
où m : U ×U → U est la loi de groupe de U et pr : U ×U → U sont les
1,2
première et seconde projections, respectivement3.
Cela nous permet ensuite de travailler avec M(E)(0,0), la composante con-
nexe de M(E) autour de l’élément d’identité. Il se trouve que M(E)(0,0) est un
Q˘ -groupe analytique de type p-divisible dans le sens de [26]. En utilisant un
p
théorème de classification de C -groupes analytiques de type p-divisible établi
p
parFargues,onpeutmontrerqueECp ∼=EC0p,oùE0 estuncertainQp-systèmelo-
calsurA1 quiestuneextensiondeQ parQ (1). LeQ -systèmelocalE0 vient
Q˘ p p p
p
d’un espace de Rapoport-Zink honnête (l’espace de déformation d’une courbe
elliptique ordinaire sur F pour être precis).
p
En effet l’isomorphisme ECp ∼= EC0p semble étrange. Rappelons que E se
trouve dans une suite exacte
0→Q (2)→E →Q →0
p p
et E0 dans
0→Q (1)→E0 →Q →0.
p p
Soient ρ ,ρ : πdJ(A1 ) → GL (Q ) les représentations correspondantes à E0
1 2 1 Q˘ 2 p
p
and E, respectivement. On munit GL (Q ) avec une action de πdJ(A1 ) via la
2 p 1 Q˘
p
conjugaison de ρ , la clé étant de considérer l’ensemble pointu
2
H1(πdJ(A1 ),GL (Q ))
1 Q˘ 2 p
p
et en particulier le 1-cocycle donné par
c: πdJ(A1 )→GL (Q )
1 Q˘ 2 p
p
σ 7→ρ (σ)ρ (σ)−1.
1 2
Une analyse de c obtient une contradiction pour l’existence de E.
Donnons un bref aperçu du contenu de la première partie de cette thèse.
3. L’addition dans (2) est considérée comme une somme de Baer dans le groupe abélien
desextensionsdeQp parQp(2)surU×U.
9