S ÉMINAIRE N. B OURBAKI J OHN TATE Classes d’isogénie des variétés abéliennes sur un corps fini Séminaire N. Bourbaki, 1968-1969, exp. no 352, p. 95-110 <http://www.numdam.org/item?id=SB_1968-1969__11__95_0> © Association des collaborateurs de Nicolas Bourbaki, 1968-1969, tous droits réservés. L’accès aux archives du séminaire Bourbaki (http://www.bourbaki. ens.fr/) implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ Séminaire BOURBAn 1968/69, année, 21e Novembre 1968 352 n° D’ISOGÉNIE CLASSES VARIÉTÉS ABÉLIENNES DES (d’après catégorie La 1. Enoncé du résultat libres de type fini. On obtient désignerons par nous principal. des variétés abéliennes tive dans laquelle les groupes de M(k) , en HONDA) T. John TATE par § sur un si et seulement si sont des liennes à une f : A -~ On sait que la catégorie M(k) est des " peut se faire lorsque le corps de base Soit une k un corps fini de variété abélienne morphisme tel que, pour tout k est caractéristique k-simple définie de Frobenius relatif à des variétés abé- k . M(k) , sur une 1 objets ses déterminer pour Nous allons voir comment gauche trouvent dans se catégorie pour connaître et est un isomor- canoniquement équivalente, chacun de semi-simple : objets simples à isomorphisme près, corps est mf , qui est la M(k) dans B sur comme k ". un doit classifier objet A description de un dirait isomorphe à est on telle que posant en motifs effectifs de poids produit fini d’objets simples. Donc, ses nuls M(k) Donc k ; elle sur non Q-linéaire), objets, mais addi- Z-modules sont des les mêmes gardant catégorie est une catégorie abélienne (même multiples isogénies. isogénie près Grothendieck, à ses k corps morphismes Une flèche phisme SUR UN CORPS FINI tel le M(k~ fini. p , à k , et soit D’après Weil, plongement. ~ : Q(rt ~ -~ ~ , q on ttA ait = pa nA éléments. Soit c Endk(A) est un entier I = qt . son A endo- algébrique Appelons 96 telle une et (dans quantité disons que deux tels nombres, c’est-à-dire, s’il existe en corps de un caractéristique Q(tt~) -~ isomorphisme un q-nombre un conjugués s’ils sont n9 , n2 0) qui de le sont Weil, sur Q, transforme n~ "2 . THÉORÈME (i) 1.- A ~ La flèche M(k)-isomorphisme des donne nA objets simples une M(k) de bijection entre les classes de et les classes de conjugaison des q-nombres de Weil. (ii) A Soit Alors E de F’, une place M(k) , simple dans F = C est un corps gauche de qui splitte en EndM(k)(A) . E = F centre qui ne splitte chaque place finie première à au-dessus de v et soit est donné par la p en aucune place réelle p , et dont l’invariant en règle (1) où F désigne absolu de v , (2) On de F en v , et où f désigne le degré résiduel a 2 dim A = Remarques.par les 2) De est la en complété le 1) Noter que E propriétés indiquées (2) dans résulte que, pour puissance termes de est défini à nA A isomorphisme près, termes de nA , , (ii). simple, le polynôme caractéristique m-ième du polynôme minimal de par la règle en m = nA sur ,où m fA se de calcule rrA nombre de Weil donné a) Le quelques précisions Donnons ici Exemples.- cas où n = conjugué réel : Alors, a un rt , E pour un donc ce cas q- quelques exemples particuliers. et nA , la structure de sur n2 = on a q pa , = est très spécial : Si elliptique d’invariant définis sur sur une b) une a extension elliptiques est extension F en p . On est le corps 0 , dont gauche de degré dim A = a A 1; est 4 une k-endomorphismes tous les sont v au-dessus de P(p-) = A k , du corps a H la devient on inv (E) + Fo E est le corps isogène au On gauche de degré dim A a produit = 2 ; sur de deux courbes F (cas général). Alors, imaginaire qui, lui, + = conjugaison de v p , et places à l’infini. deux est totalement = a aux F vient de décrire. qu’on chaque place (3) de quadratique réel. Notons par en alors impair, quadratique du type Le cas où splitte E . ramifié seulement F de Hasse et k . Si 4 F = Q alors pair, ramifié seulement à l’infini et sur Q courbe est a de F sur qui n’est pas F . Le F est totalement E corps,gauche au-dessus de est p . Pour une place a inv-(E) = (mod 1) , 0 et même (4) (mod 1), 0 (1) parce que v v . Ces faits résultent de [F v :Q p ] Si est k pair si est le corps = premier (ou rm si = q v = v . implique plus généralement si + le degré v(q) , absolu a et de fv v(n) divise k donc E F , = (Problème exemple spécial Un diviseur commun, n2 est et + pnn pa = + avec riants de nia sont k algébrique que le groupe formel au et de Serre, il a y § une n’ . Alors n est un deux places en n’la. On a (-p)’’ Pour rie soit (i) du § a A ce schémas 2. L’unicité de A qui dit que nA été trouvée est sur une montrent isogène k sur dernier est donc algé- indépendamment un par Honda End A . et la structure de de la démonstration de détermine chaque nombre premier t lim (A ) , en simple ceci résout affirmativement , A à (y compris t groupes A sur k son groupe où A désigne = p ), sur k .) Pour l ~ t-divisible le noyau p , (ii) et de la k-isogénie près. Ql-linéaire des groupes t-divisibles (voir [8]) à Ve M(k~ -~ M(k,e) le foncteur déduit de celui = où les inva- 2, ci-dessous, associé à 1 ,1 reste quadra- deux ans. variété abélienne A(e) G A a ; = de Weil ~(rr) , dans sans l’équation pa-nombre Dieudonné ; donne Une telle solution v v , dim A de la théorie de = splitte partout, deux entiers racine de n k . Les considérations n E n’ et n et soit Rappelons ici brièvement le principe moitié de Soient (ou p-divisible) A(p) [5]. de Manin Manin). de n + et l’exemple Comme problème = G n,n, x G , n n groupe brique. a alors commutatif, n’ , splitte p clôture n 0 , où tique imaginaire ; E 0 S p ), v au-dessus de pour toute de ln Vl(A) est catégo- soit la isogénie près sur qui attache à A(t) . (On dans A , étale, k , chaque a au sens des donc peut être et identifié k de au module galoisien de (c’est-à-dire k son module de sur ceux-ci à l’aide Dieudonné ; Soit tique de A M(k) on on est ce cas clôture une de Weil, là, tout [5] compléter Soit fA [6] ou nA agisse à Ve(A) un lequel sur ce qu’on les sorites [12], sans polynôme le de manière caractéris- l’endomorphisme semi-simple M(k,e)-isomorphisme dimension ; il en (La dans l’algèbre démonstration degré de polarisation on est donnée dans fixés.) l’algèbre semi-simple de on en on trouve localisations, structure, On trouve aussi, à A déduit A pour En prenant conjugué près, De est évidemment de même de leurs sources. Pour Comme la structure de tant cette dans flèches injectives = qu’elle (ii) pour quelconque, A’ implique x A" avec bien A’ Donc a~ est [11J, p. 137 ; bijective est que A’ sur elle k de pour tout ~ . déterminée par celle est déterminée par A flé- montre que la utilise essentiellement la finitude des classes de variétés abéliennes ses doute. Q~ ~Q surjective. dimension et de va les détails de la démons- attendant qu’en algébrique peut être identifié à (A) ; c’est aussi celui de détermine fA V simple). Du fait que qui splitte complètement p a~o moins de temps de Frobenius montre que les buts des ont tous la même D’autre part, nécessairement nA. déduit que «~ :" che (non dans le lecteur pourra en p , = défini par V~(A) , k/k ) ; t-adique trouvera, par exemple, dans on l’endomorphisme de là, E [11]. desquels tration dans le cas l valeurs dans l’espace vectoriel avec trouve dans se points à de Frobenius de opère l’automorphisme esquisser ici ses f.; en explici- simple. est le centre de l’algèbre et isomorphe A" à simples, A" . on en déduit que § Soit m au A d’un rrA LEMME 1.- Soit k’ N une simple sur k’ lienne sur k (c’est ce un pour simple donné. tr un entier ~ 1 extension de k s’il est effectif ri est effectif, N . Soit de.degré A’ une Soit A variété abélienne ri soit déduite de A’ par "restriction des scalaires" A est à conjugué Ii = rr , . A’ ). Alors l’est. alors n telle que que Grothendieck note conjugué [2]. Si . est k . Notre but est de montrer que n sur résultat est dû à Honda ce Soit A q-nombre de Weil. Disons que rr un Frobenius effectif ; 3. L’existence de la variété abéau de Weil sens on a k’/k fA,(T) . (5) est une racine de Donc n d’un des facteurs ple du fait que le Vf A’) module r qui implique que n ce k-simples de A1 Gal(k/k)-module A . Vt(A) (La conjugué est formule (5) au Frobenius résulte par est le module induit du exem- Gal(k/k’)- .) Soit maintenant de f , et soit F = de la manière indiquée dans extension de type CM une nombres L totalement réel. la E un partie quadratique L corps (ii) gauche du théorème 1. totalement déduit F de centre Appelons corps corps de imaginaire d’un o LEMME 2.- Il existe un corps L de type CM qui ont contenant F tel que L splitte a E et que [L:F] = On utilise les propriétés de E été explicitées dans les exemples a) 1 et b) du § 1. Dans le b) (n Dans le cas a) cas réel), réel), non naire du corps totalement réel une est une extension Fo = extension totalement réelle de place de v au-dessus de F est Si Donc m . de A splitte est de L un Alors, il existe type A conjugué à une ce A (L) ([2], p. on aura 92). en où Q toute en est une chaque place irréductible dans le complété est assez Alors L v - proche d’un polynôme réel est évidemment de type pas sont celles au-dessus de Le F . degré de L en une telle une variété abélienne sur un corps K , si elle est munie d’un plongement 2 dim A . = CM ait bonne contenant A réduction, de au § 4.Après achevée, parce que les lemmes 1, 2 En même temps, (~) , Lo E . puissance 1 lemme degré local proche imagi- soit et ’ F F((-p~~~ . = totalement tE:Fl~ , )- ~ = dont le splitte ne variété abélienne une m est assez celui de avec corps de type telle que de Q Nous prouverons Honda E Soit F , m FL . = où F et si LEMME 3.- Soit qui degré L coïncide F i : L -~ tion soit Posons v L de quadratique (Prendre L - m . Fo sur est un corps de nombres et L dirons que finie m de m chaque place réelle, en places où le complété de place nous qui, degré polynôme simples.) à racines réelles CM . Les seules degré p d’un v au-dessus de adique de F , et p de polynôme qrr ~~ , + p est o o racine d’un E . F Q(n L peut prendre par exemple on F tel que = de type (L) sur une L splitte extension et que le Frobenius de sa réduc- rr . ça, la démonstration du théorème1 et 3 entraînent évidemment que démontré le théorème suivant, qui résout un rr sera est effectif. problème de THÉORÈME A 2.- Soit extension finie de lienne en variété abélienne une A k , de tel que CM type de 0 caractéristique quel corps devient k-simple définie (L) ~(rr*) ci une la réduction d’une variété abé- isogène à type k . Sur sur peut prendre pour on ; et tel que L C: n’importe L L splitte ° On applique les lemmes pour établir l’isogénie § Soit qui C un corps (6) qu’un (L,~~ algébriquement clos de un A (L) l’origine LEMME 4.- Il existe pour tout a t et défini sur un et si la d’abord un tore structure de 0 , k . d’ordre plongement 2 de L L -~ ~ . Soit . et soit t un sous- de de L complexe 12.4) dans le cas où donnée C est de sur type l’espace tA caractère. comme 6.2 et Hom(L,C). sous-anneau (L,03A6) schéma abélien de type ([10], §§ C-algèbre U $p = représentation entiers d’un corps de nombres contenu dans Ceci résulte de de du lemme 3. l’automorphisme p caractéristique , schéma abélien A à N tel que s’il est de type tangent à utilise le théorème 1 on extension de degré conjugaison complexe t On dit sur une CM . Soit corps de type Hom(L,C) ensemble de voulue puis et Multiplication complexe ; démonstration induit par la est un L 4. 2 et 3 ~ tt ~ C par défini sur l’anneau des C . et de = C , un ([9], en th. 7) :On divisant réseau contenu dans construit (avec L . On la cons- ta te que tore ce porte forme de Riemann une non-dégénérée, algébrique. donc est , Puis, montre on trouver une telle variété abélienne définie qu’on peut corps de nombres. Finalement, on dont la démonstration est basée ment bonne réduction" place de w Hw , et les on $ pose une p, à l’anneau des a la w w algébrique de 0 . le L w complété Hom(L,C) , image dans son $ fi H . On = clôture désigne par on A un entiers, Pour toute qu’on de note L en w. simplement décomposition Soit p Card(k o) , Il existe alors benius 03C0A ~ (L,§) schéma abélien de type entiers d’une extension finie de Q . = "potentielle- a partitions LEMME 5.- Soit o sur pour P HomQ~p(L~,C) et soit C que au-dessus de L On identifie q corps de nombres sur un partout, donc provient d’un schéma Supposons désormais " (L) Néron, extension finie du corps de base. après par Ogg-Néron-Shafaryevitch", la théorie des modèles minimaux de sur abélienne de type qu’une variété voir le "critère de applique sur un et soit A - la réduction de élément e ~ )(Ao) , 03C0o et e L l’on tel qçe a sur l’anneau le corps résiduel de k o des Q , soit - A o un défini 1(fi ) modulo l’ idéal maximal de e &#x26; . induise le Fro- chaque place pour de w au-dessus de L Ce lemme n’est autre que la Shimura-Taniyama, exprimée de une "décomposition sous la forme On va au § donner 5 ci-dessous une en qui idéaux premiers du Frobenius" nous convient ici. On trouvera 89) ; ([9], § 7) ([2], p. autre démonstration, utilisant démonstration par voie globale dans [~1]. p . voir aussi et les groupes p-divisibles. Prouvons maintenant le lemme 3. Soient satisfasse à L supposons que l’hypothèse trer qu’on peut choisir l’ensemble t pour chaque place la v Le fait que (l)). F place de D’autre part, ~ n ’ w et de (13) 03C0 3C0 3C1 = n ’ on E a U H + de telle w et du lemme 3. Nous allons d’abord mon- p . Soient w une telle et place, montre que est n un w entier pour chaque w (voir 0 , n = pw w permutation 3, évidemment d’ordre façon Card H . w Etant donnés des entiers une au § comme tire : on q E de telle sorte que l’on ait au-dessus de L et en-dessous. Posons : .splitte L (12) de w tt , q , F n 2 satisfaisant agissant que l’on ait sans H = pw aux conditions point fixe (H ) w P ) , on sur (12) et (13) (où la réunion p est disjointe voit facilement qu’on peut choisir des sous-ensembles réunion $ satisfasse = (6). bn conditions aux w w $ .) A individuellement, pw = Pour YI q est un no réduction = (qui par d’après de Weil dans telles que w choisissant les en construction ; donc, place qui L regarde les le lemme , pour toute n , et tels que leur = (w, pw) paires (11) on aura existe Wq0 qo-nombre A et les autres en de $ , dans le lemme 5 comme (14) où tel choix un Card($ ) tels que 03A6w ci H est 4), on de L w conjugué pour un aura : au-dessus de au p , Frobenius de la A . de o Si degré remplace l’anneau on N , terminée remplace on du lemme 5 par une extension non ramifiée de N Donc la démonstration du lemme 3 sera par TT no . avec : LEMME 6.- Soient q-nombre de Weil un n (14). Alors, n _no . qui satisfassent à l’on ait Quitte à remplacer n = q , puissance de à savoir q~ . et w(ïr ) donc les autres places implique q -nombre un fi il existe des entiers Weil dans N et finies, n Donc o est pour toute et puissances, place sont des no places à l’infini, p . En les que par des tro on peut supposer que L au-dessus de N > 0 L tels que et n n 1 l’unité ; d’où racine de algébrique termes de classes du corps de premier d’équivalence de " en ont la même valeur chaque place de une absolue, L , ce qui le lemme. caractéristique q-idéaux p . En unités, parce qu’ils divisent est de valeur absolue une de w Remarque.- Vu le lemme 6, l’analogue du théorème 1, pour clôture de . 201420142014201420142014 q et le corps de base p ), peut de Weil " au lieu de k s’exprimer q-nombres (une en de Weil ; point de ce § C Soient DÉFINITION.divisible à comme et [L*:p ] P)(V*) la représentation K . Soient E caractére L* L* une extension finie désigne que con- de QP la caté- . sur sur est un groupe p- 0’ , muni d’un plongement p- sur tel que, de extension finie (L*,03A6*) de type défini i.: L* ~ EndM(, si dans désigne l’espace tangent t* déduite de t* ~ K à i* a q . ont été introduits par Lubin est réduit à un seul ~~ une 03A6* ~ H* . Rappelons p-divisible de hauteur l’origine, , où K de QP , p-divisibles à isogénie près Remarque.- Ces groupes 1 algébrique l’anneau des entiers de Un groupe V* linéaire clôture [2]. dans Honda p-divisibles "à multiplication complexe". HomQP (L*,C) , des groupes gorie V* une H* = , développé 5. Groupes C , et tenue dans de Q , est vue élément ; voir [3], aussi dans le [4] et cas (~~~, de dimension Ch. III, Appen- dice). Soit V~ h* Soit un = groupe hauteur p-divisible de type (V~.) = Card(H*) et n* = sur (~ . Posons dim(V*) = Card(§*). l’application multiplicative qui attache à deg : chaque élément de End~~V~.~ son degré. L* est donnée par normée d’un élément !~) Supposons maintenant Frobenius (L~,,~,~~ Tt et c On montre facilement que la valeur absolue = que n o soit dans la réduction un élément de V* 0 de V* L~ tel que induise le modulo l’idéal maximal de 0- . Alors, si Si la valuation de désigne w C’est la version " THÉORÈME 5, -~20142014~2014 p-divisible" de 3.- L , ~ , Soient A et soient (15) vp = décomposition de V , L déduit on en (10). la formule (10) La formule comme l’a comme on en A, Vp muni de l’action de expliqué juste dans le lemme 5. Soit - wjpp au-dessus de et les ~w et 0- ~~~20142014~~~2014 p-divisible attaché à la L~ , ko résulte, tenu du compte lemme d’éléments du corps résiduel est le nombre qo Vp - = avant le V p(A) le groupe ’ soit et Vw déduite de la dans est de L , type décomposition pour (7). chaque place Alors w de p . Soit la décomposition (1 5) . à Comme 1’origine de est l’espace P complet pour s’identifie à gine s’identifie à t t tangent à la V P p-ad i que , l’espace tangent à topologie (en effet, le la composante connexe de à l’origine correspondant à complété à V P de A le l’origine). long on en A de l’ori- déduit que la de partition des caractères irréductibles 03C6 sition (16) Remarque.- Avec théorème, ce l’a comme § remarqué (à l’aide du lemme 4, bien sur; la décompo- montre facilement (L~,~~~ de type Serre dans son cours donné (sur une base e- non de l’an dernier. 6. Compléments. terminer, signalons Pour on correspondant à d’où le théorème. p-divisible l’existence d’un groupe précisée), (9), est donnée par L deux travaux récents sont étroitement liés au qui théorème 1. 1) Dans la situation de la isomorphisme prés L’anneau mais par on anneaux sur non si q b) si A A Ces tous les ordres de si et p = est A’ est questions sur un k qui ordre de E sont isogènes n E = F , qui contient nA est p ordinaires, même si en général, ~13~. sont des et chacun des deux cas suivants : n’est pas réel ; égal à E A ? à quels = semblent très difficiles ordinaire, c’est-à-dire, si le rang tués par peut-on classifier à ; résultats intéressants dans la thèse de Waterhouse d’endomorphismes dans a) A’ d’un tel possibles ? trouvera des exemple, du théorème 1 les variétés abéliennes d’endomorphismes sont les ordres (ii) partie dim A . (Ce des du groupe points résultat peut être faux pour les A est commutatif et stable par extension du corps de base.) 2) une Soient A Z-base pour et B deux variétés abéliennes Homk(A,B) (resp. HDmx(B,A)). sur (resp. (03B2j)) k . Soit Milne a démontré [6] que le groupe Ext1(A,B) cule par de une fini, est belle et que le formule, produit de termes des en son ordre se avec polynômes caractéristiques de ttA calet t~ . BIBLIOGRAPHIE [1] J. GIRAUD - fasc. [2] Remarque 3, 1968, sur une T. HONDA - Isogeny classes of abelian varieties 1968, 80, 1964, J. LUBIN et J. TATE - Formal 89, 1965, of Maths., [5] p. finie J.-P. SERRE - Groupes Journ. p-adic integer rings, over complex multiplication in local fields, Annals 380-387. sur les corps de Usp. Mat. Nauk, 18, 1963, p. 3-90. Surv., 18, n° 6, over p. 1-83.] a finite field, p. 63-84. l-adic Benjamin, Inc., fields, p. 464-484. Russian Math. Math., 5, 1968, J.-P. SERRE - Abelian W. A. [8] finite over J. S. 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