Modularité courbe elliptique

Il y a un super bouquin [Modéré, pas de lien de téléchargement illégal. Poirot] Modular forms and Fermat's Last Theorem qui essaye d'expliquer les idées clés de la preuve du théorème de modularité.

Est-ce que la seconde partie "(anneau de) déformation des représentations galoisiennes" vous parle ? Moi c'est la première partie qui me parle.

L'étape que je viens de comprendre p.156 montre que pour $E/\mathbb{Q}$ une courbe elliptique et $G_\mathbb{Q} = Gal(\overline{
\mathbb{Q}}/\mathbb{Q})$ on regarde $\rho : G_Q \to Aut(E[p^\infty]) = GL_2(\mathbb{Z}_p)$ et $\bar{\rho} \equiv \rho \bmod p$ alors $\bar{\rho}$ correspond à la réduction $\bmod \mathfrak{P}$ des coefficients d'une forme modulaire $ \in S_2(\Gamma_1(mn))^{eigenform}$
$\bar{\rho} : G_\mathbb{Q} \to Aut(E[p]) = Aut(E[p^\infty]) / [p] = GL_2(\mathbb{F}_p)$

et l'injection $i : GL_2(F_p) = GL_2(O_K/\mathfrak{p})\to GL_2(O_K)$.

$i \circ \bar{\rho} $ est une représentation d'Artin $L(s,i \circ \bar{\rho}) = L(s,\pi)$ où $\pi : Gal(L/\mathbb{Q}) \to GL_2(\mathbb{C}), L = K(E[p])$

Ici ils prennent $p=3$ ou $p=5$ et ils trouvent que $\pi$ est d'image solvable et est irréductible et "impaire" ($\det(\pi(z \to \overline{z})) = -1$). Le cas $\pi$ d'image diédrale a été discuté dans plein de posts de ClaudeQuitté, les quelques autres cas sont plus compliqués mais les idées restent similaires (trouver des caractères de Hecke / formes quadratiques de corps quadratiques qui induisent $\pi$) :

Alors $L(s,\pi) = L(s,h)$ où $h \in S_1(\Gamma_1(n))$. Les coefficients de $h$ satisfont donc $a_\ell(h) \equiv tr(\rho(Frob_\ell)) \bmod \mathfrak{P}$ (où $Frob_\ell$ c'est un idéal premier de $\overline{\mathbb{Z}}$ au-dessus de $(\ell) \subset \mathbb{Z}$, $tr(\rho(Frob_\ell))$ ne dépend pas de l'idéal choisi)

Ensuite ils prennent la série d'Eisenstein $G \in M_1(\Gamma_1(m))$ telle que $G \equiv 1 \bmod p$ (la série formelle dont les coefficients sont les coefficients de Fourier de $G$ réduits $\bmod p$). Alors $g = h G \in S_2(\Gamma_1(mn))$ et $g\equiv h \bmod \mathfrak{P}$ et $a_\ell(g) \equiv tr(\rho(Frob_\ell)) \bmod \mathfrak{P}$.

Il existe enfin $f \in S_2(\Gamma_1(mn))^{eigenform}$ telle que $f \equiv g \bmod \mathfrak{P}'$ et $a_\ell(f) \equiv tr(\rho(Frob_\ell)) \bmod \mathfrak{P}$ : c'est à dire que $\bar{\rho} = \rho \bmod p$ est modulaire.

Mais ce qu'on veut (le théorème de modularité) c'est modifier $h$ pour que ses coefficients collent avec $\rho$ (donc avec $tr(\rho(Frob_\ell)) = \ell+1-\#E(\mathbb{F}_\ell)$) pas seulement $\rho \bmod p$.

Comment font-ils ça ?

Réponses

  • Salut reuns,

    Le livre est disponible de manière légale sur la page web d'Henri Darmon (5e pdf).

    Les numéros de pages ne doivent pas être tout à fait les mêmes donc je ne sais pas à quel passage tu fais référence.

    En général il n'est pas du tout évident que la modularité modulo $p$ l'implique en caractéristique $0$. C'est précisément l'objet des théorèmes dits de "relêvement de modularité", qui utilisent la théorie des déformations, et dont les premières versions ont été prouvées par Wiles.

    Amicalement,
    Aurel
  • Aurelpage:

    Le pdf dont tu parles comporte 157 pages. Le livre dont il est question dans le premier message est bien plus gros (plus de 500 pages).

    L'extrait fournit dans le premier message ne semble pas être un texte de Henri Darmon selon le sommaire (cf. https://www.springer.com/us/book/9780387989983 ). Sur la page de ce dernier il y a toutes ses contributions sur le sujet reprises dans ce livre (si je vois bien).

    PS:
    J'aurais pu aller compter moi-même les pages, j'ai un exemplaire papier (l'édition souple) de ce livre quelque part enfoui dans ma bibliothèque.
  • Dans http://www.math.mcgill.ca/darmon/pub/Articles/Expository/05.DDT/paper.pdf p.90 il y a une bonne partie du contenu mais c'est encore un peu brouillon par rapport au bouquin sur libgen et nozdr

    Je suis bien conscient que si on part d'une représentation $\rho : G_\mathbb{Q} \to GL_2(\mathbb{Z}_p)$ telle que $\bar{\rho} $ est modulaire (donc $det(1- \rho(Frob_\ell) t)^{-1} \equiv \sum_{m \ge 0} a_{\ell^m}(f) t^m \bmod \mathfrak{P}$ où $ f \in S_2(\Gamma_1(n))^{eigenform}$ donc $\bar{\rho} \simeq \bar{\rho_f}$) rien ne dit que $\rho$ sera modulaire. Mais quand $\rho$ est la représentation d'une courbe elliptique déjà c'est différent parce que $\det(1-\rho(Frob_\ell) t) \in \mathbb{Z}[t]$ et parce que (....)

    Donc j'aimerais bien partir ça : quel objet permet d'avancer une fois qu'on sait que la représentation $\bar{\rho} : G_\mathbb{Q} \to Aut(E[p]) = GL_2(\mathbb{F}_p)$ est modulaire.

    L'idée semble être de regarder d'une part $R_\Sigma$ le $G_\mathbb{Q} $ module qui contient toutes les représentations $G_\mathbb{Q} \to GL_2(\mathbb{Z}_p)$ qui se réduisent en $\bar{\rho}$ modulo $p$, et d'autre part $\mathbb{T}_\Sigma$ le $\mathbb{T}$-module (où $\mathbb{T}$ est l'algèbre de Hecke de $S_2(\Gamma_1(N))$) qui contient toutes les représentations dont la réduction modulo $p$ sont les coefficients de $f\bmod \mathfrak{P}$, et trouver un morphisme et un isomorphisme de l'un dans l'autre, puis d'utiliser que "forme modulaire" est synonyme de "représentation (continue dans un certain sens) de $\mathbb{T}$"
  • Ah oui, en effet le texte sur la page de Darmon n'est pas du tout identique au livre !

    @reuns: oui c'est bien la stratégie générale des théorèmes de relêvement.
    Attention cependant, $R_\Sigma$ n'est pas un $G_\mathbb{Q}$-module mais simplement un anneau local complet; il est muni d'une représentation $\rho_{univ}\colon G_\mathbb{Q} \to \mathrm{GL}_2(R_\Sigma)$ qui relêve $\bar{\rho}$ et qui est universelle pour cette propriété.
    De même $\mathbb{T}_\Sigma$ n'est pas un $\mathbb{T}$-module mais un anneau local complet, qui est un quotient de $\mathbb{T}$ (ou peut-être de $\mathbb{T}\otimes\mathbb{Z}_p$ suivant ta définition de $\mathbb{T}$). [ok, en particulier c'est un $\mathbb{T}$-module, mais ce n'est pas l'essentiel.]
    Cependant il y a beaucoup de complications : il faut imposer plus de restrictions aux représentations sinon $R_\Sigma$ est beaucoup trop gros pour être isomorphe à $\mathbb{T}_\Sigma$. Par la propriété d'universalité, obtenir un morphisme $R_\Sigma \to \mathbb{T}_\Sigma$ est équivalent à construire une représentation $\rho_{mod}\colon G_\mathbb{Q} \to \mathrm{GL}_2(\mathbb{T}_\Sigma)$, ce qui est essentiellement le théorème de Shimura (en poids 2, et il faut raffiner un peu). La difficulté est de montrer que ce morphisme est un isomorphisme (je n'ai jamais étudié le détail de cette preuve).
  • Est-ce que c'est par ça qu'il faut commencer :

    Soit la variété abélienne $V = J_1(N)$ définie sur $K \subseteq \mathbb{Q}(\zeta_N)$ et l'algèbre d'Hecke $ \mathbb{T} \subset End(V)$ également définie sur $K$. On prend un modèle de $V$ à coefficients dans $O_K$

    On remplace $V$ par $V[p^\infty]$, on pose $L = K(V[p^\infty])$ (c'est plus simple si on peut choisir $p$ tel que $V[p^\infty] \subset V(O_L)$),

    $G = Gal(L/K)$ et $R = \mathbb{Z}[G]$, on voit $R,\mathbb{T}$ comme des anneaux d'endomorphismes de $V[p^\infty]$, on les complète en $R_p =\varprojlim R/p^n= R \otimes_\mathbb{Z} \mathbb{Z}_p$ et $\mathbb{T}_p =\varprojlim \mathbb{T}/p^n= \mathbb{T}\otimes_\mathbb{Z} \mathbb{Z}_p$.

    Pour $\mathfrak{Q}$ un idéal premier de $O_L$ où $V$ a bonne réduction on pose $\mathbb{T}_\mathfrak{Q}$ le sous-anneau de $\mathbb{T}$ des endomorphismes dont les coefficients sont définis sur $(O_L-\mathfrak{Q})^{-1} O_L$ et $R_\mathfrak{Q} = \mathbb{Z}[D_\mathfrak{Q}]$ où $D_\mathfrak{Q} =\{ \sigma \in G, \sigma(\mathfrak{Q}) = \mathfrak{Q}\}$, on les complète en $\mathbb{T}_{\mathfrak{Q},p} = \mathbb{T}_\mathfrak{Q} \otimes \mathbb{Z}_p,R_{\mathfrak{Q},p} = R_\mathfrak{Q} \otimes \mathbb{Z}_p$,

    et enfin la réduction modulo $\mathfrak{Q}$ de toutes ces choses ainsi que des anneaux d'endomorphismes où on a ajouté le Frobenius.

    Question : Est-ce que vous savez comparer tous ces anneaux d'endomorphismes, probablement en utilisant les congruences de Shimura, les l'isogénie duales, les traces et normes, voire décrire des morphismes de l'un dans l'autre ?

    Est-ce que les idées sont les mêmes que lorsqu'on remplace $J_1(N)$ et $\mathbb{T}$ par $C$ et $O_F$ où $C$ est une courbe elliptique avec CM par $O_F$, et savez-vous le faire dans ce cas supposément plus simple :

    $V=C,\mathbb{T}=O_F, K = F(j(C))$, $p \ge 5, p \not \in \mathfrak{Q}$ tel que $V[p^\infty] \to V_{\bmod \mathfrak{Q}}[p^\infty]$ est un isomorphisme ?
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