Preuve des Conjectures de Weil, en dehors de l hypothèse de Riemann

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1 Preuve des Conjectures de Weil, en dehors de l hypothèse de Riemann Dajano Tossici Rencontre ANR, ARIVAF, Décembre 2012, Paris, IHP Notation : Quand on cite des resultats deja traité dans un rencontre Arivaf precedent on met entre parenthése l exposé correspondent. Le but de cet éxposé est de prouver les Conjectures de Weil, sauf que l hypothèse de Riemann. Dans la suite p notera un nombre premier fixé, q := p m, pour un entier m fixé et l sera toujours un premier different de p. Si k est un corps k sera une clôture algébrique fixé. Soit X un schéma sur k. 1. Rappel de définitions Définition 1.1. Un faisceau l-adique (ou un faisceau de Z l -modules) sur X et est un systeme projective F = (F n ) n N de faisceaux de groupes abeliens tel que, pour tout n N, le morphisme donné F n+1 F n induce un isomorphisme F n+1 /l n F n+1 F n. On dit que F est constructible si pour tout n existe X = X i,n avec X i,n localement fermé et F n est localement constant. On dit que F est constant tordu constructible si les F n sont localement constant pour tout n. Définition 1.2. La catégorie de faisceaux constructibles de Q l -espaces vectoriels a comme objets les faisceaux constructibles l-adiques. Si F et G sont deux faisceax constructible on note F Q l et G Q l les même faisceaux vus comme faisceaux de Q l -espaces vectoriels et on pose Hom(F Q l, G Q l ) = Hom(F, G) Zl Q l. Un Q l -faisceau est constant tordu constructible si il l est comme faisceau l-adique. Définition 1.3. Soit F un faisceau l-adique. On pose H r (X, F) := lim n H r (X, F n ). et H r (X, F Q l ) := lim n H r (X, F n ) Q l. Voir [To] pour plus details. 2. Énoncé des conjectures de Weil Définition 2.1. Sot X une variéte algebrique sur un corps fini k = F q. La fonction zêta de X/F q est la série formelle à coefficients rationels Z(X, t) = exp( m 1 N m où N m est le nombre des élements de X(k m ), avec k m l unique extension de k de degré m. Soit X une variété projective lisse sur un corps fini F q, geométriquement connexe de dimension d. Les conjectures de Weil peuvent se formuler comme suit : (1) (Rationalité) La fonction zêta de X/F q est une fraction rationelle. Plus precisement Z(X, t) = P 1(X, t) P 2d 1 (X, t) P 0 (X, t) P 2d (X, t) avec P i (X, t) = det(1 F t H r (X k, Q l )). De plus les P i sont à coefficients entiers et F 0 (X, t) = 1 t et F 2d (X, t) = 1 q d t. La formule ci-dessus est dit interpretation cohomologique de la fonction Z(X, t). 1

2 2 (2) (Équation functionelle) Soit χ(x) := i ( 1)i deg P i la caractéristique de Euler-Poincare de X. Pour un certain signe ε = ±1, la fonction zêta de X/F q vérifie l équation Z(X, 1 q d t ) = ɛqdχ(x)/2 t χ(x) Z(X, t). (3) (Hypothése de Riemann) Les racines des P i et ses conjugués sont nombres algèbriques de module q i/2. (4) (Interprétation topologique) Supposons que X provienne, par reduction modulo un idéal premier, d un schéma X projectif et lisse sur l anneau des entiers d un corps de nombres. Alors deg(p i ) = h i an Betti (X ) pour tout i. C 3. Preuve Rationnelité 3.1. Frobenius et Formula de la Trace. Soit f : X Spec(k) un k-schéma. Soit F X le m-ième itéré du Frobenius absolu. On remarque que en fait il coïncide avec le m-iémé itéré du Frobenius relatif F X/k, car le m-iéme itéré du frobenius sur k est l identité. On peut montrer que F X induit un isomorphisme de topos Sh(X et ) Sh(X et ). Plus precisement il existe pour tout faisceau F un isomorphisme F F/X : F F X(F). On remarque que si x X(F q ) il induit un endomorphisme de F x. On remarque que F Xk /k est F X/k id k. Donc F X k /k (p 1F) = p 1(F X/k(F)) où p 1 : X k X est la projection naturelle. Ainsi on a un isomorphisme p 1(F F/X ) : p 1(F) p 1(F X/k(F)). Pour cela on obtient le Frobenius induit un morphisme F : H r (X k, p 1(F)) H r (X k, F X k/k p 1(F)) p 1 (F 1 F/X ) H r (X k, p 1(F)) où la premiere fleche est donnée par fonctorialité. Théorème 3.1. (Formule de la Trace de Lefschetz.) Soit X un schéma propre sur F q et soit F un Q l -faisceau constructible sur X. Alors pour tout m x X(F q) T r(p 1(F m 1 F/X ), p 1(F) x ) = Démonstration. Voir [SGA 4 1/2, Théorème 3.2, Rapport]. ([Pe]). 2d i=0 ( 1) i T r((f m ), H i (X, Q l )). On remarque que si F = Q l alors le membre de gauche est exactement le nombre de points de X(k) car F 1 F/X = id Preuve. Pour la Formula de la trace de Lefschetz on a Z(X, t) = exp( m>0 N m = exp( m>0 = 2d 2d i=0 ( 1) i T r((f m ), H i (X k, Q l )) tm m ) ( 1) i T r((f m ), H i (X k, Q l )) tm m ). exp( i=0 m>0 Pour montrer l interpretation cohomologique il suffit de montrer le lemma suivant.

3 3 Lemme 3.2. Soit V un espace vectoriel sur un corps k et soit ϕ un endomorphisme de V. Alors on a ln(det(1 ϕt V )) = m>0 T r(ϕ m ) tm m. Démonstration. Si V a dimension 1 alors on a que ϕ est la multiplication pour un a k et donc ln(det((1 ϕt) V )) = ln(1 at) = a m tm m m>0 = m>0 T r(ϕ m ) tm m. Si V a dimension n > 1 alors on choisit une base E de V tel que la matrice associé à E soit triangulier. Soient a 1,..., a n les éléments sur la diagonal. Alors n (det((1 ϕt) V ) = (1 a i t) et la matrice associé à ϕ m a sur la diagonal les éléments a m 1,..., a m n. Donc n n n ln(det((1 ϕt) V )) = ln( (1 a i t)) = (ln(1 a i t)) = n = m>0 (a m i ) tm m = m>0 T r(ϕ m ) tm m. ( m>0 Maintenant on va montrer que les P i (t) ont coefficients entiers en supposant l hypothése de Riemann. On vient de montrer que Z(X, t) Q l (t). Soit B r le nombre des point fermés de X avec corps residuel d ordre q r, i.e. de degré r. On a N m = r m rb r On remarque que Z(X, t) = exp( m>0 N m = exp( t m rb r m ) m>0 r m = exp( t ir rb r ir ) r,i>0 = exp( r>0 B r i t ir i ) = exp( r>0 B r ln(1 t r )) = 1 (1 t r ) Br r>0 1 = Z[[t]] 1 tdeg(x) x X,xfermé Donc Z(X, t) Z[[t]] Q l (t) qui implique Z(X, t) Q(t) pour le lemma suivant. a m i

4 4 Lemme 3.3. Soit k K une extension de corps. Alors Démonstration. Soit A (q) n = k[[t]] K(t) k(t). a n a n+1... a n+q 1.. a n+q 1 a n+q... a n+2q 2 et H n (q) son determinant. Il suffit de montrer que, pour tout corps L, si f(t) = i=0 a it i L[[t]], alors f(t) L(t) si et seulement s il existent M > 0 et N > 0 tels que H s (M) = 0 pour tout s N. En fait si f(t) k[[t]] K(t) alors le discriminant est nulle en K et donc a fortiori en k, qui implique que f(t) k(t) On montre maintenant l assertion faite. On remarque d abord que f(t) L(t) si et seulement s il existe un polynome Q(t) = m i=0 b it i L[t] tel que f(t)q(t) L[t]. Donc si f(t) L(t) alors H s (M) = 0 pour tout M > m et s > deg(f(t)q(t)). Suppose maintenant que H s (M) = 0 pour tout s N. Bien sur on a aussi que H (M ) s = 0 pour tout M M et s N. On peut montrer que pour tout n 0 et q 1 (1) H (q) n+2 H(q) n Donc on a que soit H (M 1) s fait on a que, pour (1), H (M 1) s+1 H (M 1) s 1 H n (q+1) H n (q 1) = (H (q) n+1 )2. 0 pour tout s N + 1 soit H (M 1) s = (H (M 1) s = 0 pour tout s N. En ) 2 pour tout s N + 1. Dans le premier cas on que l espace des solution du systeme lineaire associé à A (M) s est le même pour tout s N et donc il existe Q(t) tel que f(t)q(t) L[t]. Dans le deuxieme cas on peut remplacer M avec ( le plus petit entier strictement positif M, s il existe, tel que H M) s = 0 pour tout s N + 1 et H ( M 1) (0) s 0 pour tout s N + 1. Si tel M n exist pas alors H s = 0 pour tout s N + 1 et donc f(t) L[t]. Soient P (t), Q(t) Z[t] premiers entre eux tels que P (t)/q(t) = f(t). En fait on voit que car le term constant de f est 1 alors forcement le terme constant de P (t) et Q(t) est 1 ou 1. Et on peut supposer qu il est positif. On a montré que Z(X, t) = P 1(X, t) P 2d 1 (X, t) P 0 (X, t) P 2d (X, t). Car les P i sont premiers entre eux pour l hypothése de Riemann alors on a que P (t) = P 1 (X, t) P 2d 1 (X, t) et Q(t) = P 0 (X, t) P 2d (X, t). Soit K le sous-corps d une clôture algébrique de Q l engéndré sur Q par les racines de R(t) = P (t)q(t). Alors les racines de P i (t) sont celles racines de R(t) ayants la propriété que tous leur conjugués complexes sont de valeur absolue q i/2. Cet ensemble est stable par Gal(K/Q) et donc les P i (t) Q[t]. En effet, pour le Lemme de Gauss ils ont les coefficients dans Z. En particulier le polynome P i (t) est independent de l, car ses racines sont independent de l (ils sont zero et poles de Z(X, t)). Finalement on remarque que H 0 (X k, Q l ) Q l et que il Frobenius est l identité sur Q l. On a que F agit comme multiplication par q d sur H 2d (X k, Q l ) Q l ( d). Donc P 0 (t) = 1 t et P 2d (t) = 1 q d t.

5 Interpretation cohomologique fonctions L. Soit X une variété propre algébrique sur F q et F un Q l -faisceau constructible sur F q. Soit x un point fermé de x alors on va definir F x comme l endomorphism Fy deg(x) : F y F y, où y est un point fermé de X k la même orbite de x par F Xk /k. On montre que cette définition ne depende pas de y. Définition 3.4. On appélle fonction L la fonction Z(X, F, t) = det(1 F x t deg(x), F x ) 1 x X,x fermé La fonction Z(X, t) est le cas particulier F = Q l. On aussi pour les fonctions L une interpretation cohomologique dont la preuve est similaire au cas de la fonction Z. Proposition 3.5. En utilisant le notations precedents on a 4.1. Dualité de Poincaré. Z(X, F, t) = 2d det(1 F t, H i (X, F)) ( 1)i Preuve de l Équation fonctionelle Théorème 4.1. (Dualité de Poincaré) Soit X une varieté propre et lisse purement de dimension n sur un corps algèbriquement clos k. Alors il existe une dualité parfaite H i (X, Q l ) H 2n i (X, Q l ) Démonstration. Voir [Mi, Cor. VI 11.2] ([Ca2]). H 2d (X, Q l ) η(x) Q l ( n) Preuve. On a que F agit comme multiplication par q d sur H 2d (X k, Q l ), car celui-là est isomorphe à Q l ( d). Bien sur on a que x est vecteur propre de valeur propre α de (F, H 2d i (X k) si et seulement si tout y tel que x y 0 est vector propre de (F, H 2d i (X k) de valeur propre α. De plus pour fonctorialité on a que, si x est un vector propre de (F, H i (X k, Q l )) de valeur propre α i alors, si x y 0, y est un vector propre de (F, H 2d i (X k, Q l )) de valuer propre q d /α i. En fait, si F est l endomorphisme de H 2d i (X k, Q l ) obtenu par dualité à partir de (F, H 2d i (X k, Q l )), η Xk (x F F y)) = η Xk (F x F y) = η Xk (F (x y)) = η Xk (q d (x y)) = η Xk (x q d y). Donc F F y = q d y, qui implique que F et F sont inversibles et y est un vecteur propre de valeur propre q d /α i. Ainsi si P i (t) = r i (1 α ikt) alors P 2d i = r i qd (1 α ik t), oú r i est le degré de P i (qui est égal au degré de P 2d i ). Ainsi r i P 2d i (1/q d t) = (1 qd 1 r i α ik t )( 1)ri ( α ik ) 1 t ri P i (t) et Finalement on a r i P i (1/q d t) = (1 α ik q d t )( 1)ri ( r i Z(X, 1/q d t) = ( i d P i (1/q d t)p 2d i (1/q d t)) ( 1)i+1 /2 P d (1/q d t) = ( i d (q d t 2 ) ri P i (t)p 2d i (t)) ( 1)i+1 /2 ( 1) r d ( α ik )(q d t) ri P 2d i (t) r d α dk )(q d t) r d P d (t) ( 1)d+1

6 6 Car pour l hypothése de Riemann r d α dk = ±q dr d/2 alors on a que Z(X, 1/q d t) = ( 1) r d+µ q dχ(x k )/2 t χ(x k ) Z(X, t). où µ est le nombre de valeurs propres de (F, H d (X k, Q l )) égales á q d/2. 5. Preuve de l interprétation topologique Théorème 5.1. Soit X 0 une variété propre et lisse sur un corps algébriquement clos relévable à une variéte propre et lisse X 1 sur un a.v.d. R de caractéristique 0. Si K = F rac(r), alors pour, tout faisceau constant tordu constructible F sur X 1, H r (X 0, F X0 ) H r ((X 1 ) K, F (X1) K ). Démonstration. C est une consequence du théorème de changemente de base propre et lisse. Voir [Mi, VI Cor. 4.2] ([Ca]). Théorème 5.2. Soit X une variété lisse sur un corps de caractéristique 0. Alors, pour tout Q l -faisceau constant tordu constructible F, H r (X, F) H r (X an, F) Démonstration. Voir [SGA 4, exposé XI] ([Br]). [Br] On va appliquer les théorème precedents avec F = Q l. On remarque que deg Pi = dim Ql H i (X, Q l ). Références S. Brochard, Comparaison Cohomologie Betti/ Cohomologie l-adique, Arivaf 4 : Cohomologie l-adique, exposé 5. [Ca] A. Cadoret, Changement de base lisse, Arivaf 2 : Cohomologie étale, exposé 9. [Ca2] A. Cadoret, La Cohomologie l-adique est une cohomologie de Weil, Arivaf 4 : Cohomologie l-adique, exposé 3. [De] P. Deligne P, La conjecture de Weil I, PUBL. IHES 43 (1974), [Mi] J. S. Milne, Étale cohomology, Princeton University Press, [Pe] C. Pépin, La formule des traces de Lefschetz-Verdier, Arivaf 4 : Cohomologie l-adique, exposé 4. [SGA 4] Artin, M., A. Grothendieck, J.-L. Verdier Théorie des topos et cohomologie étale des schémas, , Lecture Notes in Mathematics 269, 270 and 305, 1972/3 [SGA 4 1/2] P. Deligne et al., Cohomologie étale, Lecture Notes Math. 569, Springer, [To] D. Tossici Faisceux l-adiques, Arivaf 4 Cohomologie l-adique, exposé 1.