JOURNAL OF THE
AMERICAN MATHEMATICAL SOCIETY
Volume 12, Number 1, January 1999, Pages 241–268
S 0894-0347(99)00281-7
TH´
EORIE D’IWASAWA DES REPR´
ESENTATIONS p-ADIQUES
D’UN CORPS LOCAL
FR´
ED´
ERIC CHERBONNIER AND PIERRE COLMEZ
Introduction
I. Rappels sur les (ϕ, Γ)-modules et les repr´esentations p-adiques
1. Le corps e
Eet certains de ses sous-anneaux
2. Le corps e
Bet certains de ses sous-anneaux
3. Le (ϕ, ΓK)-module associ´e`a une repr´esentation de GK
4. (ϕ, Γ)-modules et cohomologie galoisienne
5. L’op´erateur ψ
6. Compacit´e du module D(V)ψ=1
7. Le module D(V)
ψ1
II. Th´eorie d’Iwasawa des repr´esentations p-adiques
1. Cohomologie d’Iwasawa
2. Corestriction et (ϕ, Γ)-modules
3. Interpr´etation des modules D(V)ψ=1 et D(V)
ψ1en th´eorie d’Iwasawa
III. Repesentations de de Rham et repr´esentations surconvergentes
1. Repr´esentations de de Rham et repr´esentations cristallines
2. ´
El´ements surconvergents
3. G´en´eralit´es sur les repr´esentations surconvergentes
IV. Th´eorie d’Iwasawa des repr´esentations de de Rham
1. L’application exponentielle de Bloch-Kato et sa duale
2. La loi de eciprocit´e explicite
3. Lien avec l’application logarithme de Perrin-Riou
V. La repr´esentation Qp(1) et l’isomorphisme de Coleman
1. Repr´esentants multiplicatifs
2. S´eries de Coleman g´en´eralis´ees
3. Les applications LogQp(1) et Exp
Qp
Introduction
Ce travail s’inscrit dans le cadre de la classification, introduite par Fontaine [8],
des repr´esentations p-adiques du groupe de Galois absolu d’un corps local en termes
de (ϕ, Γ)-modules. Avant d’aller un peu plus loin, introduisons quelques notations
qui nous servirons dans tout l’article.
On se fixe une clˆoture alg´ebrique Qpde Qpet toutes les extensions finies de Qp
que nous aurons `aconsid´erer seront suppos´ees ˆetre des sous-corps de Qp.Onnote
G
Q
ple groupe de Galois Gal(Qp/Qp)etχ:G
Q
pZ
ple caract`ere cyclotomique.
Received by the editors November 3, 1997 and, in revised form, June 2, 1998.
1991 Mathematics Subject Classification. Primary 11Sxx.
c
1999 American Mathematical Society
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ERIC CHERBONNIER AND PIERRE COLMEZ
Si Kest une extension finie de Qpet nN,onposeK
n=K(µ
p
n
)eton
note Kl’extension cyclotomique de Keunion des Kn. On note aussi GKle
groupe de Galois Gal(Qp/K)etH
Kle noyau de la restriction de χ`a GK.Ona
H
K=Gal(Q
p
/K)etonpos
K=G
K
/H
K=Gal(K
/K).
La th´eorie des (ϕ, Γ)-modules associe `a toute repesentation p-adique Vde HK
un module D(V) sur un corps local de dimension 2 (anneau de s´eries de Laurent en
une variable `a coefficients dans une extension finie non ramifi´ee de Qp) muni d’une
action d’un Frobenius ϕet d’un inverse `a gauche ψde ϕ.SiVest la restriction
`a HKd’une repr´esentation de GK, le module D(V) est de plus muni d’une action
esiduelle de ΓKcommutant `a celle de ϕ. L’int´erˆet principal de cette th´eorie est
que l’on peut reconstruire V`a partir de D(V) qui est a priori un objet plus mani-
able. En effet, le groupe ΓK´etant essentiellement procyclique, D(V) est donn´epar
l’action de deux op´erateurs (ϕet un g´en´erateur de ΓK)v´erifiant une relation de
commutation. L’´etude des repr´esentations p-adiques de GK´etant ainsi ´equivalente
`a celle des (ϕ, Γ)-modules, cela nous am`ene `aconsid´erer deux types de questions.
On voudrait premi`erement arriver `a lire les propri´et´es d’une repr´esentation sur son
(ϕ, Γ)-module, l’id´ee ´etant que plus la repr´esentation p-adique est sympathique,
plus son (ϕ, Γ)-module doit ˆetre sympathique et deuxi`emement essayer de recon-
struire `a partir de D(V) les autres invariants associ´es `a Vet d’utiliser D(V)pour
associer `a Vde nouveaux invariants. Dans cette direction, Herr a montr´edanssa
th`ese [11] comment ecrire la cohomologie galoisienne de Ven termes de D(V).
Les deux r´esultats principaux expoes dans cet articles sont
(i) la construction (due `a Fontaine) d’un isomorphisme Exp
V(1) du module
d’Iwasawa H1
Iw(K, V )=Q
p(lim
←− H1( Kn,T)) sur D(V)ψ=1 (dans la d´efinition de
H1
Iw(K, V ), on a choisi un r´eseau Tde Vstable par GKet la limite inverse est prise
relativement aux applications de corestriction),
(ii) une loi de r´eciprocit´e explicite exprimant cette application Exp
V(1),dans
le cas o`u Vest de de Rham, en termes des applications exponentielles de Bloch et
Kato [1, 12].
Le premier de ces r´esultats utilise les esultats de Herr mentionn´es ci-dessus et
fournit une description de H1
Iw(K, V )entermesdeD(V). D’autre part, dans le
cas o`u V=Qp(1) et Kest non-ramifi´esurQ
p
, l’application Exp
V(1) se d´ecrit en
termes de d´eriv´ees logarithmiques des s´eries de Coleman [4]. On obtient donc, sans
aucune hypoth`ese sur la repr´esentation V, une g´en´eralisation de l’isomorphisme de
Coleman qui est nettement plus simple que celle obtenue par Perrin-Riou dans [13]
dans le cas o`u Vest cristalline et ´etendue au cas de Rham dans [5].
La loi de r´eciprocit´e utilise le fait qu’une repr´esentation de GKest plus sympa-
thique qu’une repr´esentation g´en´erale de HK: elle est surconvergente [2, 3]. Cette
surconvergence est l’ingr´edient permettant de faire le lien entre D(V)etlesinvari-
ants de Vconstruits `a partir des anneaux Bcris,BdR,etc. Si on compare la loi
de r´eciprocit´e obtenue dans cet article, avec celle obtenue dans [5], on obtient une
relation entre Exp
V(1) et les applications Log(h)
Vconstruites dans [5], applications
qui, dans le cas o`u Vest cristalline et Knon ramifi´esurQ
p
, sont des inverses (`a
normalisation pr`es) de l’exponentielle de Perrin-Riou [13]. En gros, on passe de
Log(h)
V`aExp
V
(1) en d´erivant. Reconstruire Log(h)
V`a partir de Exp
V(1) est plus
elicat (il est plus facile de d´eriver que de calculer une int´egrale) et le probl`eme
n’est pas vraiment abord´e dans cet article.
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Finalement, signalons que cette double construction de Exp
V(1) est utilis´ee dans
[6] pour montrer que, si Kest non ramifi´esurQ
p
, une repr´esentation cristalline de
GKest, du point de vue des (ϕ, Γ)-modules, le plus sympathique possible: elle est
de hauteur finie.
I. Rappels sur les (ϕ, Γ)-modules et les repr´
esentations p-adiques
Nous renvoyons `a [8] pour les emonstrations des faits rappel´es dans ce chapitre.
Nous avons pris la libert´e de changer les notations pour les rendre un peu plus
homog`enes. Par exemple, les anneaux que nous notons e
E,e
Aet Acorrespondent
respectivement aux anneaux Frac(R), W(Frac(R)) et Od
Enr de [8].
1. Le corps e
E et certains de ses sous-anneaux. Soit Cple compl´et´edeQ
p
pour la topologie p-adique. Soit e
El’ensemble des suites x=(x
(0),...,x
(n),...)
d’´el´ements de Cperifiant (x(n+1))p=x(n). On munit e
Edeslois+et·efinies par
x+y=so`u s(n)= lim
m+(x(n+m)+y(n+m))pmet x·y=t,avect
(n)=x
(n)
y
(n)
,ce
qui fait de e
Eun corps de caract´eristique palg´ebriquement clos et complet pour la
valuation vEefinie par vE(x)=v
p
(x
(0)). On note e
E+l’anneau des entiers de e
E.
Si aest un id´eal de OCpcontenant pet distinct de l’id´eal maximal de OCp, alors e
E+
s’identifie aussi `a la limite projective des An,o`u, si nN,onapos´eA
n=O
C
p/a
et l’application de transition de An+1 dans Anest donn´ee par xxp.
Soit ε=(1
(1),...,ε
(n),...)un´el´ement de e
Etel que ε(1) 6= 1, ce qui implique
que ε(n)est une racine primitive pn-i`eme de l’unit´esin1. On a vE(ε1) = p
p1
et on note EQple sous-corps Fp((ε1)) de e
E.OnnoteEla clˆoture s´eparable de
EQpdans e
Eet E+(resp. mE) l’anneau de ses entiers (resp. l’id´eal maximal de
E+).
La th´eorie de la ramification sup´erieure permet de d´emontrer que si Kest une
extension finie de Qp, alors quel que soit η>0, il existe nηNtel que si nnη,
si x∈O
K
n+1 et si σΓKn, alors vp(σ(x)x)1
p1η. Onend´eduit en
particulier le fait que si aest l’id´eal de OCpefini par a={x∈O
C
p|v
p
(x)1
p},
alors NKn+1/Kn(x)xpasi nest assez grand et x∈O
K
n+1 . Ceci permet de
construire une application ιKde la limite projective lim
←− O Kndes OKnrelativement
aux applications normes dans e
E+, application qui `a u=(u
(n)
)
nNassocie ιK(u)=
(x
(n)
)
nN
,o`ux
(n)est l’image de u(n)dans OCp/asi nest assez grand. La th´eorie
du corps des normes ([7] et [14]) permet alors de d´emontrer le r´esultat suivant que
nous utiliserons au chapitre V.
Proposition I.1.1. Si Kest une extension finie de Qp,alorsι
Kinduit une bijec-
tion de lim
←− O Knsur l’anneau des entiers E+
Kde EK=EHK.
La mˆeme th´eorie permet de montrer que EKest une extension finie s´eparable de
EQpde degr´e[H
Q
p:H
K
]=[K
:Q
p
(µ
p
)] et d’identifier Gal(E/EK)avecH
K
.
Remarque I.1.2.i) Si Fest une extension finie non ramifi´ee de Qpde corps r´esiduel
kF, le corps EFest le compos´edek
Fet EQpet donc n’est autre que kF((π)).
ii) Si Kest une extension finie de Qpet F=KQnr
p, alors EKest une exten-
sion de EFde degr´e[K
:F
] qui est aussi ´egal `a[K
n:F
n
]sinest assez grand.
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L’ingr´edient principal pour emontrer l’in´egalit´e[E
K:E
F][K
:F
] est le suiv-
ant. Si mN,soitω
mune uniformisante de Kmet posons ω(n)
m=N
K
m
/Kn(ωm)
si nmet ω(n)
m=0sinm+ 1. Le produit QmNOKm´etant compact, la suite
de suites (ω(n)
m)nNmNa une valeur d’adh´erence ω=(ω
(n)
)
nNappartenant `a
lim
←− O Knet ω(n)est une uniformisante de Knsi K/Knest totalement ramifi´ee,
ce qui est le cas si nest assez grand. Ceci implique vE(ιK(ω)) = 1
[K:F]vE(π)
et montre que EKcontient une extension de EFd’indice de ramification divisible
par [K:F]. Sachant que [EK:EF]=[K
:F
], cela implique de plus que
l’´el´ement πK=ιK(ω) construit ci-dessus est une uniformisante de EK.
2. Le corps e
B et certains de ses sous-anneaux. Soit e
A=W(e
E) l’anneau des
vecteurs de Witt `a coefficients dans e
Eet e
B=e
A[1
p] = Frac( e
A), ce qui fait de e
Bun
corps muni d’une valuation discr`ete complet, d’anneau de valuation e
Aet de corps
esiduel e
E.Six
e
E,onnote[x] son repr´esentant de Teichm¨uller dans e
A.Tout
´el´ement xde e
As’´ecrit donc de mani`ere unique sous la forme P+
k=0 pk[xk]ettout
´el´ement de e
Bsous la forme P+
k−∞ pk[xk].
On munit e
Ade la topologie obtenue en prenant les πkW(e
E+)+p
n+1 e
A,pour
k, n N, comme base de voisinages de 0. C’est aussi la topologie qui fait de
l’application x(xk)kNun hom´eomorphisme de e
Asur e
ENmuni de la topologie
produit (e
E´etant muni de la topologie d´efinie par la valuation vE)etonmunit
e
B=
SnN
p
n
e
Ade la topologie de la limite inductive. L’action de GQpsur e
Ese
prolonge en une action continue sur e
Aet e
Bqui commute `a celle du morphisme de
Frobenius ϕ.
Soit π=[ε]1. Soit AQpl’adh´erence dans e
Ade Zp[π, 1
π]. C’est l’ensemble
des ´el´ements de e
Ade la forme PnZanπno`u anest une suite d’´el´ements de Zp
tendant vers 0 quand ntend vers −∞. L’anneau AQpest un anneau de valuation
discr`ete complet de corps esiduel EQp. Comme
ϕ(π)=(1+π)
p1etg(π)=(1+π)
χ(g)1sig∈G
Q
p,
l’anneau AQpet son corps des fractions BQp=AQp[1
p] sont stables par ϕet GQp.
On note Bl’adh´erence de l’extension maximale non ramifi´ee de BQpcontenue
dans e
Bet A=Be
Ade telle sorte que l’on a B=A[1
p], que Aest un anneau de
valuation discr`ete complet dont le corps des fractions est Bet le corps r´esiduel est
E. L’anneau Aet le corps Bsont stables par ϕet GQp.
Si Kest une extension finie de Qp,onposeA
K=A
H
Ket BK=BHK,cequi
fait de AKun anneau de valuation discr`ete complet de corps r´esiduel EKet de
corps des fractions BK=AK[1
p]. D’autre part, si K=Qp, les deux d´efinitions de
AKet BKcoincident.
Si Lest une extension finie de K,BLest une extension non ramifi´ee de BK
de degr´e[L
:K
]. Si l’extension L/K est de plus suppos´ee galoisienne, alors
les extensions e
BL/e
BKet BL/BKsont aussi galoisiennes de groupe de Galois
Gal( e
BL/e
BK)=Gal(B
L
/B
K
)=Gal(E
L
/E
K
)=Gal(L
/K)=H
K
/H
L
.
3. Le (ϕ, ΓK)-module associ´e`a une repr´esentation de GK.
efinition I.3.1. i) On appelle Zp-repr´esentation de GK,unZ
p
-module de type
fini muni d’une action Zp-lin´eaire continue de GK.
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ii) On appelle repr´esentation p-adique de GKtout Qp-espace vectoriel de dimen-
sion finie muni d’une action lin´eaire continue de GK.
efinition I.3.2. Si Kest une extension finie de Qp, on appelle (ϕ, ΓK)-module
sur AK(resp. BK)toutA
K
-module de rang fini (resp. tout BK-espace vectoriel
de dimension finie) muni d’une action de ΓKet d’une action de ϕcommutant `a
celle de ΓK.
Si Kest une extension finie de Qpet Vest une Zp-repr´esentation ou une
repr´esentation p-adique de GK,onpose
D(V)=(A
Z
pV)
H
K.
L’action de ϕsur AKcommutant `a celle de GK,D(V) est muni d’une action de
ϕqui commute `a l’action r´esiduelle de GK/HK
K
, ce qui fait de D(V)un
(ϕ, ΓK)-module sur AKou BKsuivant que Vest une Zp-repr´esentation ou une
repr´esentation p-adique de GK.
D’autre part, si Vest une Zp-repr´esentation ou une repr´esentation p-adique
de GK, alors (AAKD(V))ϕ=1 est canoniquement isomorphe `a Ven tant que
repr´esentation de GK.Endautrestermes,Vest d´etermin´ee par son (ϕ, ΓK)-
module D(V).
4. (ϕ, Γ)-modules et cohomologie galoisienne. Soient Kune extension finie
de Qptelle que ΓKsoit isomorphe `a Zp(i.e. contienne Qp(µp)sip3 ou une
des trois extensions quadratiques ramifi´ees de Q2si p=2)etγun g´en´erateur
de ΓK.SiVest une Zp-repr´esentation ou une repr´esentation p-adique de GKet
f:D(V)D(V) est une application Zp-lin´eaire commutant `a l’action de Γ (dans
les applications, fsera soit ϕsoit l’op´erateur ψefinie au paragraphe suivant), on
note Cf,γ(K, V )lecomplexe
0−→ D( V)−→ D( V)D( V)−→ D( V)−→ 0,
o`u les applications de D(V)dansD(V)D(V)etdeD(V)D(V)dansD(V)
sont respectivement d´efinies par
x((f1)x, (γ1)x)et(a, b)(γ1)a(f1)b.
On note Zi(Cf,γ(K, V )) (resp. Bi(Cf,γ(K, V )), resp. Hi(Cf,γ(K, V )) =
Zi(Cf,γ (K,V ))
Bi(Cf,γ (K,V )) )lei-`eme groupe de cocycles (resp. de cobords, resp. de cohomologie)
du complexe Cf,γ(K, V ).
Les Hi(Cϕ,γ (K, V )) s’identifient canoniquement et fonctoriellement aux groupes
de cohomologie galoisienne Hi(K, V ) (cf. [11]). La proposition I.4.1 ci-dessous
ecrit cette identification dans le cas du H1.SoitΛ
K=Z
p
[[ΓK]] l’alg`ebre de
groupe compl´et´ee de ΓK. Comme ΓKagit continuement sur D(V), on peut aussi
consid´erer D(V) comme un ΛK-module. D’autre part, ΓK´etant cyclique, si γest
un g´en´erateur de ΓKet γ0est n’importe quel ´el´ement de ΓK, alors l’´el´ement γ01
γ1
de Frac(ΛK) appartient en fait `
K
.Deplus,G
Kagissant `a travers ΓKsur D(V),
cela permet de donner un sens `a l’expression σ1
γ1ysi yD(V), σ∈G
Ket γest
un g´en´erateur de ΓK.
Proposition I.4.1. i) Si (x, y)Z1(Cϕ,γ (K, V )) et bAZpVest une solution
de l’´equation (ϕ1)b=x,alorsσc
x,y(σ)=σ1
γ1y(σ1)best un cocycle sur
GK`a valeurs dans V.
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