S ÉMINAIRE N. B OURBAKI J EAN -P IERRE S ERRE Structure de certains pro-p-groupes Séminaire N. Bourbaki, 1962-1964, exp. no 252, p. 145-155 <http://www.numdam.org/item?id=SB_1962-1964__8__145_0> © Association des collaborateurs de Nicolas Bourbaki, 1962-1964, 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 BOURBAKI 15e année, 1962 /63 ~ n° 252 Février 1963 STRUCTURE DE CERTAINS PRO-p-GROUPES par Jean-Pierre SERRE v (d’après DEMU0160KIN [1]) I. Résultats. 1. Soit un p limite nombre projective de premier. Un pro-p-groupe est un groupe topologique qui est p-groupes finis ; c’est un groupe compact totalement dis- c ontinu. Exemple. - Soit ments, un n F(n) et soit la limite p-groupes. Le groupe des projective F(n) s’appelle a F(0) = 1 , F(1) = ZP (groupe 2. Cohomologie des Soit aurons G L(n) soit entier, engendré par n éléquotients finis de L(n) qui sont le groupe libre des le pro-p-groupe libre de rang additif des entiers On ~n . p-adiques). pro-p-groupes. pro-p-groupe. La surtout à considérer le un opérant trivialement ; cohomologie cas de G se définit comme dans Nous Z~pZ ~ où le groupe des coefficients est les groupes de [2]. G cohomologie correspondants seront notés On a : lorsque U parcourt l’ensemble H~’ (G) Les groupes On finis, on 2.1. - Soient quement) Dn Hf (G) Hom(G , Z/pZ) . a p-groupes que et f(xl) = particulier, dim H~ ~G) ont De là, de G . et des propriétés élémentaires des tire : G~ f(x) G distingués interprétation simple : une P our que les il faut et il suffit que tout = 0 soit nul. xl ~ , .. ~ n E G . le groupe ... = des sous-groupes ouverts est isomorphe à un quotient n . 145 de x. engendrent (topologif e Hom(G , Z/pZ) tel F(n) si et seulement si J-p SERRE 2.2 (cf. (z~~ proposition 3.3). - I~- (G~ ~ 0 faut et il suffit que 2.3. - Soit G = L’entier h d’éléments de On voit en engendrent se pour = dim que conjugués engendrent construisant en 2.1) un soit F(n) , à isomorphe H~ (G) - n , et soit h= (nombre minimum sous-groupe dense dans un H~’ (R) G R ). If(G) , isomorphisme que la dimension de il n ~ définissant R "nombre de relations" fait engendrant H (G) -~ r: au Hl (G) dim F(n)/R . Supposons dont les (comme montrant relations" r. R démonstration La en égal est et G Pour que est égale au et "nombre de R . même temps que tout élément r E définit R un homomorphisme et que des éléments ... , r, ont des conjugués qui topologiquement R si et seulement si l’intersection des noyaux des est réduite à zéro. 3. Les .groupes de Nous dirons deux If (G) (ii) H1 (G) est une On qu’un propriétés (i) se Demuskin. G pro-p-groupe est un grou_pe de Demu0161kin s’il vérifie les suivantes : 1 est de dimension est de dimension forme bilinéaire propose de non classer sur le corps Z/pZ . et finie, le cup-produit : dégénérée. ces groupes. Ava,nt de le faire, il faut en définir deux invariants: Vu 2.3, le groupe plus évident est le rang n dim G peut s’ écrire comme quotient de F (n) par un sous»groupe distingué fermé R ~ (r) engendré topologiquement par les conjugués d’un élément r (un groupe de Demu0161kin est défini par une relation). Il faudra donc classer ces relations, et les mettre sous forme aussi ca.nonique que possible. a. L’invariant le b. Soit â tateurs. C’est réduit à le un ^ quotient quotient 0 . Comme en de G de (Z)n Mp outre par l’adhérence par 1 ~i un (G~ Z/ ~.,Z (G , G) sous-groupe du groupe des Z , ou Mp es t de dimension n ~ (Z ) n»I ~ = x avec ou à q que Ga e st is omorphe à Mp Mp L’ entier q e st un invariant de G (on c onvient que Ga = -. -p à q_0 ~. ,~ à isomorphe commu- on en pf conclut (f > 1 ) . correspond STRUCTURE DE CERTAINS 3.1. THEOREME (DEMUSKIN). - Supposons G Le groupe déterminé est alors au groupe défini l’invariant que invariants générateur x1 , n par par ses PRO-p-GRO UPES par n ... , G soit % 2 . 1 3 il est isomorphe et n de q la relation Remarques : On note a. (x , y) Lorsque xyx y . n est nécessairement pair (toujours q = 0~ la relation b. L’entier c. le commutateur sous l’hypothèse q ~2 ). n’est autre que la relation bien (3.1) d’une surface orientable compacte donnant le groupe fondamental serait. d’ailleurs facile de prouver directement que le p-complété de 1tl (S) connue S. IL v est groupe de Demuskin. un Le et q où G = (i. q = 2 cas p = 2 e. suffisent plus Z/2Z ). Lorsque ne et f=1) à déterminer est n exceptionnel : (à part, G impair, e6:t on le bien peut donner une et n =2m + les invariants cas n trivial classification com- plète : 3.2. groupe THÉORÉME. - Suppos ons G est alors x~ r ... ~ x liés égal isomorphe par une où k est de k conduisent à des Pour deux à 0 que au q = 2 groupe relation de défini la à 2 , on a un résultat analogue : le générateurs x , y liés par une relation n n > 1 . Le forme : 2s (avec s ~ 2 ). groupes non isomorphes. ou par 1 , avec m générateurs = De plus, des valeurs distinctes groupe G peut être défini par de la forme , k prenant les mêmes valeurs que ci-dessus; ici encore deux valeurs distinctes de k conduisent à des groupes non isomorphes. Pour n pair et % 4 je ne connais pas de classification 4. Application aux groupe Soit fini le corps ~ d . Soit K(p) Q de Galois G soit un s complète. de Galois des corps locaux. p-adique usuel la plus grande et soit K extension de Q de degré -p K de dont le groupe galoisienne pro-p-groupe. On désire déterminer la structure de G. extension une ° J-E SERRE THEOREME (SAFAREVIC [6]). -Si K ne contient pas l’unité, G est un pro-p-groupe libre de rang n d + 1 4.1. de Soit 4.2. la plus grande puissance de q q-ieses de l ’unité, Demu0161kin d’invariants (d + 2., q) . contienne les racines un groupe de (En particulier; KAWADA et supposons . G est défini par une relation, telle que ~ 1 . Alors l’avait K G est déjà remarqué [3].) Si q~ 2 , le groupe G peut être par ia relation q .3. GOROLLAIRE par comme p q p-ièmes les racines = d + 2 générateurs ... , défini on a : Supposons 4.4. défini par En d z et d impair. Alors G eut être liés par la relation : 2 générateurs x1 , ... , xd+2 4~ .. ,à~~...(x 3 ~* ~ ?x a*z ~w~ + particulier, x , y , q = z K povr = G le groupe Q,~ , est engendré . par trois éléments liés par la r’elati.on II. Démonstrations. 5. Une précision Le résultat au théorème 3.~. prouvé qu’il détermine est la structure d’une plus précis que relation le théorème 3.~ en ce sens donnée. Il s’énonce ainsi : Soit 5.1. THEOREME. - r e F(n) , soit R = (r) f.ermé entendre par r , et soit Gr = F(n)/R . de Demu0161kin d’invariants (n , q) , avec générateurs x2 , ... , xn Lorsque q = ~ théorème 3.~* et n = de 2m + F(n) ~. le sous-groupe Supposons q~ 2 . Il existe e Gx alors distingué soit un un groupe système tel que l’on ait : on a un résultat analogue, qui précise le de STRUCTURE DE CERTAINS PRO-pGROUPES 6. Démonstration du théorème 5.1. On tion F libre F(n~ . = fait, la définition suivante (cf. l’algèbre des séries formelles associatives (maiD. à coefficients dans t , et ... , simple plicatif des gence U~’ A coefficients. des éléments de groupe, contenant les éléments F le s 1 + on définit un injectif. De plus, est du pro-p-groupe Elle est définie ainsi : est En t1 , démonstra- borner~ pour simplifier, au cas où p ~ z et utilise de façon essentielle une certaine filtration va se si m A est muni de la Z; Zp-algèbre une de terme constant 1 + commutatives) non homomorphisme est l’idéal de égal A 1 à lettres n est aet engendré un pro-p- générateurs x. aux F -~ e : en topologie de la convercompacte. Le groupe multi- l’on associe t..Si A connnode : soit plus par de homomorphisme et les q t. , on a la filtration de (F. ) déterminer le en gradué associé gr(F) gr(A) . de Lie de libre est induite par la filtration De lettres n étant par 1t Soit maintenant un A t Ceci permet sous-algèbre l’algèbre de Lie façon plus précise, pour p ~ 2 , Yi ’ ... , y ~ à ccefficients dans l’anneau indéterminée une gr(F) dans au r (l’ irr.age de et les q yl dans sont de de gr~ (A) ) ; polynômes la gra- degré 1 ; est induite par l’élévation à la la multi- puissance q-ième second un terme F2 W2 (F) = Z/qZ ) ce de certaine élément de F tel que le groupe Gr correspondant groupe de Demuskin d’invariants (n ~ q) . On voit tout de suite que appartient dans x~ une F . dans soit m-adique F : c’est c’est duation est définie par le fait que 1t plication de formée des et des (xx ~ qui équivaut à : de la filtration 03C0yi et des Tout r E (Fi) . Soit r gr ( F) ~ gr2 (F) YtJ (k l2) , images F2 a donc une Vu la structure de a une l’image de r r (sur base respectivement des qui ’ ’ . J.-P. SERRE 6,1, de S oit Demuskin ( i) Le s (ii) (n , q) , d’ invariants soient a, (i) On obtient De 6.2. Si On Il cup-produit (en va maintenant soit inversible abélien, rendu procéder groupe de a. un on montre que la réduction faisant un changement linéaire nod p de les sur système un tel que l’on ait : successives. Notons approximations par mod q . sur F x2~...(xn~~ ~ xn~ ~ ment (bk~) par les vérifie les conditions de 5.1, il existe r n de générateurs de ... , mod q , (ii), q . Pour lemme résulte aussitôt ce et il suffit gue : écrivant que le groupe en donne le b faut eux définie b torsion d’ordre exactement la matrice il entre premiers La matrice alternée F/ (r) soit un groupe Fz . Pour que le groupe Gr = r E trouvés des et supposons générateurs tels que On va vraie peut modifier les Jc.i de De façon plus précise, soit voir que l’ on mod d’éléraents teurs de de Fh-1 , - F . Ecrivons et posons r o x. i (x) sous = image ci dans d(c) dans ~~~ ’ application qui pour 6.3. LEMME. h ~2 . On identifie ? . ne est - dépend ainsi d’ailleurs un c sorte que cette relation soit = xl c . ; les i i ... , sont x[ o à des système généraG F . et que à Gi , ... , Z~) des application homomorphisme. L’application Z : gr(F) im d(c) avec r que des images une en) encore (x’) d(c) , d(c) appartient la forme On voit tout de suite que le terme correctif son telle l’algèbre est surjective de Lie libre et l’on calcule sur On trouve : C’est suffisamment explicite pour que la surjectivité de d se a r voie sans trop de mal... Le lemme 6.3 permet de passer de h à h + 1 : Si l’on = r o (x).u , avec STRUCTURE DE CERTAINS u E Fh ’ x! , aux choisit on on a u’ de telle sorte que d(c):; On itère cette mod c r (x’) Fh+1 ’ (c’est possible puisque à la limite 1 ). r = PRO-p-GROUPES On obtient alors r = r 0 (x) ~ et mod construction, les corrections successives qui achève ce de c en et passant passe tendent vers on démontrer le théorème 5.1. Remarques. moyen de la suite centrale descendante. Le gradué associé est l’algèbre de Lie libre à coefficients dans Zp ; la démonstration ci-dessus se simplifie un peu (du fait que les puissances q.»ièmss et Lorsque a. l’élément b. 71 Lorsque filtre q = 0, ont disparu). algèbre de vrai , et c’est 2f , = q F au f > 2 ~ le groupe gr(F) libre 3 toutefois, on peut montrer Lie une on avec n’est plus que le lemme tout à fait 6.3 reste l’eBsentiel. 7. Démonstration du théorème 3.z. n s’agit du exceptionnel cas q = p = 2 . On se bornera à de brèves indica- tions. (F.) La filtration et la méthode de Lazard sous-algèbre gr(F) n’est s’ applique encore. plus gr(A) . Mais ici l’application gr(A) ~ à la multiplication par 7C ~ une algèbre gr(F) Il s’ensuit que de Lie dans par passage à plus, est la même que ci-dessus : F de se ne x plonge comme correspond résulte que Cela n’empêche pas de déterminer sur il en Demu0161kin, un explicitement gr(F) . En si particulier, r E définit F2 à celui du lemme 6.1 montre qu t il un groupe de existe des générateurs x. argument analogue tels que : ou encore : A partir de là, définit d : approximations successives, connue ci-dessus. On grh(F) , mais cette application n’est pas surjective.. peut affirmer, c’est que (une fois (7.1) vérifié) grh(F) est on procède par (grh~ (F))n -~ Tout ce engendré On en que l’on par l’image de d et par les classes des déduit facilement que l’on peut mettre r éléments x2h2 , ... , x2hn . sous la forme J.-P. SERRE avec r0 = X 1 ( x2 , ~ ~... (x n..l , xn) , les divisibles par Cette expression La relation tion "de r’ de par à la forme cherchée, ce la qui X(x1) = - Ok désigne Gk X par U2 ces sous-groupes sont deux à deux Gk sont deux à deux 8. Démonstration des non prouver 4.2, du théorème. X(XJ) =1 est + donc 9). n° Un calcul x (xi) et que k , égale au il en 1 = groupe {± 1} formé des éléments congrus à distincts, sans 1 de difficultés pour x Ck ’ où mod k . Comme résulte bien que les groupes du n° résultats cohomologie, K(p)* ) a bien 4. L ? qui est bien connu (cf. ~3~ ~ ~ 6~ ),. Pour utilise la suite exacte Par passage à la On est q isomorphes. On laisse de c8té le théorème on invariant et choisir première partie Gk (cf. module dualisant du groupe montre que l’on a 1s le sous-groupe de rela- une correspondant à des valeurs distinctes on utilise l’homomorphisme canonique au 3 . L’image de son (s ~ 2) . Comme r = x. r’ ~ démontre G, i~1, et c’est xn ’ ... , ces Il reste à voir que les groupes k ne sont pas isomorphes. Pour cela, associé 2-adiques _ 2~ est x2 ~ variables ; de plus, appliquer le théorème 5.1~ rapport nul ou ~ 4 . On peut donc lui de telle sorte que : sous des entiers peut aussi r contient que les variables ne Demuskin" ~,. étant ’ 4 . = Qp/Zp : elle fournit la suite exacte : cela résulte corps local exemple [7], D’autre facilement que (voir par part, on voit du calcul du groupe de Brauer d’un chapitre XIII). On a donc H~ (G) s’identifie quotient symbole (a ~ b) de Hilbert (cf. ~ 7~ ~ chapitre XIV) . Il est bien connu que ce symbole est non dégénérés d’ où le fait que G est un groupe de Demu0161kin. De plus, la théorie du corps de classes local montre le cup-produit correspondant au au STRUCTURE DE CERTAINS que est G Z/aZ de achève de à la isomorphe (Zp)d+1 . prouver le théorème 4.2 par 4.4, on composante p-primaire est impair, on a k Soit G un sont donc c’est-à-dire d + 2 et 2, = 4 et produit au q , remarque d’abord que le module dualisant de l’unité. Lorsque ce qui (avec les notations de 3.2) , G est la p = 2 et que G -~ l’homomorphisme canonique X : des groupes de groupe de K* , et le corollaire 4.3. III. Autres propriétés G du groupe des racines de q = jectif. Ceci entraine cherché. 9. du groupe Les invariants de Pour démontrer d p-complétion PRO-p-GROUPES U2 est sur- d’ou. le résultat Compléments. Demu0161kin. Demuskin inf ini (ce qui écarte le cas trivial G = Z/2 Z ~ n ~ 2 ). On a alors les propriétés suivantes, qui et revient à demander que m’ont été 9.1. communiquées par TATE : G estde dimension cohomologique 2 [En d’autres termes, on a Hq (G , A ) - 0 pour G-module de torsion, cf. [2],] . q > 3 lorsque A est un Esquissons la démonstration. Soit C la catégorie des G-modules finis annulés le cup-produit par p. S i M E C , soit M’ = Hom (M ~ Z/pZ) le dual de définit un accouplement entre M) et H2-i(G , M’) , autrement dit un homomorphisme a. ; M) I~1’ ) )’ . Ces homomorphismes sont des ri isomorphismes pour Z/pZ et i = 0 ,, 1 ~ ? ,. Par dévissage, on en déduit tout est surjectif, que, pour a~ bijectif et a~ injectif. D’autre part, du fait que G est infini, on peut montrer que le fondeur H~(G ~ ) est coeffaçable : pour tout r~ E C , il existe E C et une surjection ~Ii Ml M tel que 1’homomorphisme M~ soit nul. Combinant ces résulM~) -~ on voit est un tats, que ai isomorphisme pour tout MeC et i ~ 0 f 1 ~ 2 . -~ (H~"1(G y = En particulier facilement que le fondeur H3(G ~ M) = IT (G ~ ) 0 est exact à droite sur pour tout 9*2. Tout sous-groupe ouvert H de M ~ G C~ est C ; il en résulte 9.1. w groupe de Demu0161kin. On ramène la cohomologie de H à celle de G , grâce à la formation des t=mo.induits", cf. [2], et on applique le théorème de dualité démontré ci-dessus. dules SERRE [Si un les rangs de G 9*3. Il existe 1 tel que. a. I) b. est homomorphisme unique si l’on fait opérer G i = ~ 2 sur au = (G:H) , .] = d(n~ -2) (groupe U d des unités x ~ le module moyen de propriétés suivantes : G-module fini 1 en p-primaire, M’ et si l’on pose Hi(G , dualité les groupes finis I) , = M) et 2 . 0, 1, Le module G x : et si = Q /Z . un le cup-produit met pour sont un ainsi obtenu ait les Si M H respectivement n~ et caractéristiques d’Euler-Poinoaré montre que calcul de p-adiques) et est appelé G. Son existence et le module dualisant de ses pro- démontrer pour tout pro-p-groupe G dont l’algèbre de cohomologie H*(G) vérifie la dualité de Poincaré pour une certaine dimension ; il n’est pas nécessaire que cette dimension soit égale à 2 . priétés peuvent se L’homomorphisme l’invariant l’image de )( par la en q : )( )( est soit formée propriété Si l’on fait effet, q est la d 1 éléments plus grande puissance de 1 congrus à mod (il G q ). p On rend inutile telle que peut caractériser suivante : opérer obtenu est tel que invariant intéressant du groupe un G moyen de au sur X , le Gooomodule 1 ainsi l’homomorphisme (pour tout n ~ 1 ). C’est cette caractérisation que l’on utilise déterminer pour explicitement X lorsque la relation r définissant G est soit surjectif connue. 10. Questions. 10.1. Classifier les groupes de Sont-ils encore caractérisés par 10.2. Soit r E F2 , tats démontrés par LYNDON pas une puissance et soit [5] Demuskin lorsque et n est pair et p = 2 . Gr les résul- I~u(~ ~ ? Gr ~ G/(r) . dans le n cas est-il vrai que Peut-on étendre à discret ? En G est de n’est r particulier~ dimension cohomologique 2 si ? STRUCTURE DE CERTAINS PRO-p-GROUPES BIBLIOGRAPHIE p-extension maximale d’un corps local R., t. 128, 1959, p. 657-660. [en russe], discontinus, [2] DOUADY (A.). - Cohomologie des groupes compacts totalement Séminaire Bourbaki, t. 12, 1959/60, exposé 189, 12 p. (S.). - Le groupe de la [1] DEMU0160KIN [3] KAWADA (Y.). - LYNDON (R.). - Cohomology [4] [5] [6] Dokl. Akad. Nauk S. S. S. extenOn the structure of the Galois group of some infinite 1-18. t. Univ. p. Fac. J. 1954, 7, Tokyo, Sc., sions, I., LAZARD (M.). - Sur les groupes nilpotents et les anneaux de Lie, Ann. scient. Ec. Norm. Sup., t. 71, 1954, p. 101-190. theory of groups with a single defining relation, 2, t. 52, 1950, p. 650-665. Sbornik, N. S., p-extensions [en russe], Math. Series Soc. 2, t. 4, p. 59Math. Transl., 351-363 [Amer. Annale of Math., Series 0160AFAREVI010C (I.). - Sur les t. 20, 1947, p. 72]. [7] (J.-P.). - Corps locaux. - Paris, Hermann, 1962 (Act. 1296 ; Publ. Inst. Math. Univ. Nancago, 8). SERRE 155 scient. et ind.,