La fonction L p-adique de Kubota-Leopold
Colas BARDAVID et Pierre FIMA
expos´
e propos´
e par Ga¨
etan CHENEVIER
Nous tenons `
a remercier Ga¨
etan Chenevier pour son aide, ses explications, ses expos´
es et sa
patience.
Table des mati`eres
1 La fonction ζcomplexe et les nombres de Bernoulli 4
1.1 D´
efinitions.......................................... 4
1.2 Prolongement ........................................ 5
1.3 Equationfonctionnelle ................................... 6
2 Les fonctions de Dirichlet 8
2.1 Les caract`
eresdeDirichlet................................. 8
2.2 Les L-s´
eriesdeDirichlet .................................. 8
3´
Etude de Qp10
3.1 Construction de Qp..................................... 10
3.2 LemmedeHensel...................................... 12
3.3 Repr´
esentants de Teichm ¨
uller............................... 12
3.4 Polynˆ
omes irr´
eductibles .................................. 13
3.5 Construction de Cp..................................... 14
3.5.1 Extension de valeur absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5.2 La cloture alg´
ebrique de Qp............................ 16
3.5.3 Construction de Cp................................. 17
3.6 Int´
egration abstraite dans Qp............................... 18
3.7 Construction de mesures p-adiques............................ 20
3.7.1 Distributions de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.7.2 MesuresdeBernoulli................................ 21
4 Fonctions puissance et logarithme dans Cp23
4.1 Petit d´
etour chez les fonctions puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1 La bonne interpolation de la fonction puissance sur 1 + pZp......... 23
4.1.2 Les mauvaises interpolations de la fonction puissance sur Zp........ 25
4.1.3 Extension de la bonne fonction puissance `
aBp................. 26
4.2 Petit d´
etour par la fonction logarithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.1 Identit´
esformelles ................................. 26
4.2.2 La fonction logarithme : d´
efinition et propri´
et´
e fondamentale . . . . . . . . 28
4.2.3 Quelques propri´
et´
es de logpsur Zp........................ 30
4.3 Lien entre la fonction puissance et la puissance logarithme . . . . . . . . . . . . . . 31
5 L’analogue p-adique de la fonction ζet la fonction Lde Kubota-Leopold 31
5.1 L’analogue p-adique de la fonction ζ........................... 31
5.1.1 Unlemmefondamental .............................. 31
5.1.2 Deux th´
eor`
emesdeKummer ........................... 32
5.1.3 L’analogue p-adique de la fonction ζ....................... 33
5.2 La fonction LdeKubota-Leopold............................. 33
5.2.1 Groupe des caract`
eres p-adiques ......................... 34
5.2.2 La fonction p-adique Lde Kubota-Leopold pour p > 2............ 36
5.2.3 La fonction p-adique Lde Kubota-Leopold pour p= 2 ............ 38
3
Introduction
Le but de cet expos´
e est d’expliquer la construction de la fonction Lde Kubota-Leopold, g´
e-
n´
eralisation p-adique de la fonction ζde Riemann, et d’en exposer quelques propri´
et´
es. On fera
donc en introduction de l’analyse complexe, afin d’exposer les r´
esultats n´
ecessaires pour ´
etablir
l’analogie. On construira ensuite Cpqui est le cadre privil´
egi´
e de l’analyse p-adique. Avant de
trouver l’analogue de ζ, on chercher ceux de l’exponentiel et du logarithme r´
eel. Munis de ces
outils, on pourra alors construire et ´
etudier la fonction Lde Kubota-Leopold.
La partie 4et surtout la partie 5, faute de r´
ef´
erence, sont originales.
1 La fonction ζcomplexe et les nombres de Bernoulli
1.1 D´efinitions
D´efinition 1 Soit s∈Ctel que <es > 1. La fonction ζest donn´ee par :
ζ(s) : =
∞
X
n=1
1
ns
Consid´
erons la fonction complexe z
ez−1, elle est holomorphe au voisinage de z´
ero. On peut
donc la d´
evelopper en s´
erie enti`
ere et on pose :
D´efinition 2 Soit Bnle n-ieme nombre de Bernoulli d´efini par :
z
ez−1: =
∞
X
n=0
Bn
zn
n!
Plus g´
en´
eralement, on peut mˆ
eme poser :
Proposition-D´efinition 3 On note Bket on appelle n-i`eme polynˆome de Bernoulli le polynˆome d´efini par
text
et−1=
∞
X
k=0
Bk(x)tk
k!.(1)
On a l’expression suivante :
Bk(x) =
k
X
i=0
Ci
kBixk−i.
D´emonstration. C’est un polynˆ
ome d’apr`
es l’´
ecriture, qui d´
ecoule du produit de Cauchy,
text
et−1=Ã∞
X
k=0
Bk
tk
k!!̰
X
k=0
(xt)k
k!!=
∞
X
k=0 Ãk
X
i=0
Bi
i!
xk−i
(k−i)!!tk.
On a donc Bk(x) = Pk
i=0 Bik!
i!(k−i)! xk−i, ce qu’on voulait. ¥
On a B0(x) = 1,B1(x) = x−1/2.
Proposition 4 (1) ∀n > 1, Bn(x+ 1) −Bn(x) = nxn−1.
(2) B0
n(x) = nBn−1(x).
4
D´emonstration.
(1) ∞
X
n=0
Bn(x+ 1) −Bn(x)
n!zn=ze(x+1)z
ez−1−zexz
ez−1=zexz =
∞
X
n=1
nxn−1zn
n!
D’o `
u le r´
esultat par identification.
(2) ∞
X
n=0
B0
n(x)zn
n!=d
dx(zezx
ez−1) = z2ezx
ez−1=
∞
X
n=0
nBn−1(x)zn
n!
D’o `
u le r´
esultat par identification.
¥
Remarque : On d´
eduit facilement en ´
evaluant (1) en x= 0 que ∀n6= 1, Bn(1) = Bn(0) = Bn.
Proposition 5
∀k∈N∗, ζ(2k) = (−1)kπ2k22k−1
(2k−1)! µ−B2k
2k
D´emonstration. Soit ¯
Bnla fonction 1-p´
eriodique qui coincide avec Bnsur ]0,1[ et telle que
¯
Bn(0) = Bn(0)+Bn(1)
2.
Soit n∈N∗, on calcule les coefficients de Fourier ck(¯
Bn)de ¯
Bn: par la proposition 4 on a im-
m´
ediatement c0(¯
Bn) = 0 puis `
a l’aide de la remarque ?? et d’une int´
egration par parties on trouve
ck(¯
B1) = −1
2iπk . On trouve, ´
egalement en int´
egrant par parties : ∀n > 1ck(¯
Bn) = n
2iΠkck(¯
Bn−1),et
en terminant par r´
ecurrence on obtient :
ck(¯
Bn) = −n!
(2iπk)npuis ∀n∈N∗,¯
Bn=
∞
X
k∈Z∗
n!
(2iΠkx)ne2iπkx
Enfin, en posant n= 2lavec l∈N∗et en ´
evaluant en x= 0 obtient le r´
esultat souhait´
e. ¥
1.2 Prolongement
Th´eor`eme 6 La fonction ζadmet un prolongement m´eromorphe sur Cavec un unique pˆole en s= 1 qui
est simple.
D´emonstration. On utilise les fonctions ¯
Bn(X)d´
efinies dans la d´
emonstration pr´
ec´
edente.
Lemme 7 On a, pour s6= 1,ζ(s) = 1
s−1+1
2−sR∞
1
¯
B1(u)
us+1 du.
Et l’int´egrale converge pour <es > 0
D´emonstration. On a ¯
B1(u) = u−[u]−1
2, on ´
ecrit :
sZn
1
u−[u]
us+1 du =·−s
(s−1)us−1¸n
1
+
n−1
X
k=1
k·1
us¸k+1
k
=s
s−1−s
(s−1)ns−1+ (−1 + 1
2s) + · · · + (n−1)(−−1
(n−1)s+1
ns)
=s
s−1−1−1
2s− · · · − 1
ns+1
ns−1−s
(s−1)ns−1
= 1 + 1
s−1−
n
X
k=1
1
ks−1
(s−1)ns−1
5
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