Variétés modulaires de Siegel 3
1.4.2. Faisceaux inversibles sur les tores. Les suites exactes
0→Z→Hexp(2iπ·)
−−−−−−→ H×→ {1}
0→Z→OX
exp(2iπ·)
−−−−−−→ O×
X→ {1}
induisent des morphismes « bord » δ:H1(U, H×)→H2(U, H)et δ:H1(X, O×
X)→H2(X, Z)s’insérant dans le
carré commutatif
H1(U, H×)δ//H2(U, Z)
H1(X, O×
X)δ//H2(X, Z)
Comme on l’a vu plus haut, on a H2(X, Z)'Homgr(∧2U, Z)' ∧2Homgr(U, Z).
Si Lest un faisceau inversible sur X, sa première classe de Chern est δ(λ)où λest la classe de Ldans
H1(X, O×
X). D’après ce qui précède, elle correspond à la donnée d’une forme bilinéaire alternée E:U×U→Z.
En l’étendant par R-linéarité, on obtient une forme bilinéaire alternée E:V×V→Rqui prend des valeurs
entières sur U×U.
Lemme 1.5. On a E(v1, v2) = E(iv1, iv2)pour tous v1, v2∈V.
Démonstration. Rappelons que H2(X, C)' ∧2H1(X, C)' ∧2T⊕T⊗T⊕ ∧2T: écrivons E=E1+E2+E3avec
E1∈ ∧2T,E2∈T⊗Tet E3∈ ∧2T(où Eest vue comme une application bilinéaire V×V→R). Comme Eest
réelle, on a E1=E3.
Par ailleurs, Im(δ) = Ker(H2(X, Z)→H2(X, OX)), ce qui implique que l’image de Edans H2(X, OX)est nulle.
Or H2(X, OX)' ∧2H1(X, OX)' ∧2Tet l’application H2(X, C)→H2(X, OX)s’identifie à la projection ∧2T⊕
T⊗T⊕ ∧2T→ ∧2T: cette image n’est autre que E3. On a donc E3= 0 d’où E1= 0,i.e. E=E2∈T⊗T. Cela
équivaut précisément à E(v1, v2) = E(iv1, iv2)pour tous v1, v2∈V.
Lemme 1.6. On a une bijection entre l’ensemble des formes hermitiennes 7H:V×V→Cet celui des formes
alternées E:V×V→Rtelles que (∀v1, v2∈V)E(v1, v2) = E(iv1, iv2)donnée par
E(v1, v2) = Im(H(v1, v2))
H(v1, v2) = E(iv1, v2) + iE(v1, v2)
Démonstration. Soit H:V×V→Cune application R-bilinéaire : écrivons H(v1, v2) = R(v1, v2) + iE(v1, v2).
On a H(v2, v1) = H(v1, v2)si et seulement si R(v2, v1) = R(v1, v2)et E(v2, v1) = −E(v1, v2). Par ailleurs, on
aH(iv1, v2) = iH(v1, v2)si et seulement si R(iv1, v2) = −E(v1, v2)et E(iv1, v2) = R(v1, v2). Il en résulte que
Hest hermitienne si et seulement si Eest alternée et (v1, v2)7→ R(v1, v2) = E(iv1, v2)est symétrique. Si Eest
alternée, cette dernière condition équivaut à E(iv1, v2) = −E(v1, iv2), soit encore E(iv1, iv2) = E(v1, v2)pour
tout v1, v2∈V.
Lemme 1.7. Soient H:V×V→Cune forme hermitienne et E=Im(H). On suppose que E(U×U)⊂Z.
Il existe α:U→U:= {z∈C,|z|= 1}telle que (∀u1, u2∈U)α(u1+u2)
α(u1)α(u2)=eiπE(u1,u2)(une telle application α
s’appelle un multiplicateur pour H). Pour u∈U, on pose alors
eu:V→C
v7→ α(u)eπH(v,u)+ π
2H(u,u)
L’application u7→ euest un cocycle U→H×.
Démonstration. Il existe 8f:U→Ztelle que (∀u1, u2∈U)f(u1+u2)−f(u1)−f(u2)≡E(u1, u2) mod 2 Z. Il
suffit alors de poser α(u) = eiπf (u)pour tout u∈U.
On a bien sûr eu∈H×. Si u, u0∈Uet v∈V, on a
eu+u0(v) = α(u+u0)eπH(v,u+u0)+ π
2H(u+u0,u+u0)
=α(u)α(u0)eiπE(u,u0)+π(H(v,u)+H(v,u0))+ π
2(H(u,u)+H(u,u0)+H(u0,u)+H(u0,u0))
=eu(v)α(u0)eπ
2(H(u,u0)−H(u,u0))+πH(v,u0)+ π
2(H(u,u0)+H(u0,u)+H(u0,u0))
=eu(v)α(u0)eπH(u,u0)+π(v,u0)+ π
2H(u0,u0)=eu(v)eu0(v+u)
ce qui signifie que u7→ euest un cocycle U→H×.
7. Contrairement à certains usages (en France du moins), on suppose ces formes linéaires par rapport à la première variable et
antilinéaires par rapport à la deuxième.
8. Si E(U×U)⊂2Z, on prend f= 0, sinon il existe une base de U⊗Z(Z/2Z)dans laquelle la matrice de l’application induite par
Eest 0Ig
Ig0(cf proposition 2.4) : si ua pour coordonnées (x1,...,x2g)dans cette base, on pose f(u) = x1xg+1+x2xg+2+···+xgx2g.