Асимптотические свойства глобальных полей

Диссертация состоит из двух основных частей. Первая часть посвящена изучению асимптотических свойств дзета-функций, Ь-функций, глобальных полей и многообразий над глобальными полями. Цель второй части — изучение якобианов среди трехмерных абелевых многообразий. Ввиду обширности тематики, дадим описание каждой части и каждой главы.

Первая часть.

Асимптотическая теория глобальных полей была заложена в 1990е годы С. Г. Влэдуцем и М. А. Цфасманом, сначала для функциональных, а затем п для числовых полей. Исходной точкой для развития теории послужила следующая проблема: для положительного целого числа д и степени простого числа д найти максимальное число точек на кривой рода д над конечным полем ¥-д. Задача оказывается весьма сложной и полный ответ в настоящее время известен лишь для д = 1 и д — 2. Также имеются частичные результаты для д = 3, которые получаются с помощью рассмотрения якобианов среди абелевых многообразий размерности 3, что является предметом изучения во второй части этой диссертации.

С. Г. Влэдуц, В. Г. Дринфельд и М. А. Цфасман получили интересные результаты, рассматривая эту проблему под несколько другим углом.

Более конкретно, им удалось доказать асимптотические границы для максимального числа точек на кривых, когда д —>¦ оо, а фиксировано. Эти границы оказываются оптимальными, если д — квадрат целого числа. Их идеи имели многочисленные приложения в теории кодирования, в теории упаковок сфер и т. п.

Сама асимптотическая теория была развита далеко за пределы этих границ для числа точек и объединяет в настоящее время самые разнообразные результаты. Несколько примеров: обобщенная теорема Брауэра-Зигеля для функциональных и числовых полей, границы для регуляторов и дискриминантов, асимптотическая теория дзета-функций глобальных полей, границы для числа точек на многообразиях над конечными полями. .

Целью первой части диссертации является, прежде всего, более глубокое изучение асимптотической теории глобальных полей, в особенности, числовых полей, где многие результаты менее точны, чем в функциональном случае из-за возникающих аналитических трудностей. Затем мы рассматриваем другие ситуации, где асимптотическая теория может быть применена. Более точно, мы изучаем следующие три случая с разных точек зрения: дзета-функции многообразий большей размерности над конечными полями, ¿-/-функции эллиптических поверхностей над конечными полями и ¿—функции модулярных форм. Думается, что эти три случая — лишь предвестники общей теории, которую еще предстоит развить.

Теперь опишем содержание каждой из глав.

В этой главе мы изучаем обобщения классической теоремы Брауэра-Зигеля для числовых полей. Мы называем поле алгебраических чисел почти нормальным, если существует конечная башня числовых полей Q = Kq С Ki С • • • С Кт = К такая, что все расширения Ki/K^i являются нормальными. Ослабляя условие одно из условий классической теоремы Брауэра-Зигеля, мы доказываем следующее ее обобщение на случай почти нормальных расширении числовых полей:

Теорема 0.0.1 (см. теорему 1.1.1), Пусть /С = {К— семейство почти нормальных числовых полей, для которого nxj logDKi 0, когда г —у оо. Тогда log hK.RK. hill -7=== = 1,.

->оо l0g y/DK. где Кк, Rk и^к число классов идеалов, регулятор и дискриминант поля, К соответственно.

Асимптотически хороший случай (т. е., когда limn^/ logDk > 0) был уже известен в этой общности благодаря работам С. Г. Влэдуца и М. А. Цфасмана. Однако, их методы оказываются неприменимыми в асимптотически плохом случае. Мы используем идеи X. Старка, а также некоторые неравенства С. Лобутена для доказательства нашего результата.

Затем, используя подход, предложенный К. Мэром и Ф. Хаджиром, мы строим башни асимптотически хороших расширений (башни полей классов) со значениями отношения Брауэра-Зигеля lim logменьшими, log VI At I чем в примерах известных ранее.

Эта глава выполнена в соавторстве с Филиппом Лебаком.

В этой главе мы изучаем асимптотическое поведение логарифмических производных дзета-функций в семействах глобальных полей. Эта задача важна и интересна так как, с одной стороны, она связана с основным неравенством Цфасмана-Влэдуца (в случае функциональных полей оно дает оценку на число точек на кривых над конечным полем), а, с другой стороны, с явной теоремой Брауэра-Зигеля. Наш основной результат таков:

Теорема 0.0.2 (см. теоремы 2.1.1 и 2.1.2). Для всякого глобального поля К, целого числа N > 10 и е = ео + ге такого, что во = Re е > 0, имеет место:

1. в случае функционального поля К, являющегося расширением Fr (i),.

Фг/, 1 7 Л, V 1.

Г (М/ 1 ¦ log г ' / - 1.

2. в случае числового поля К в предположении обобщенной гипотезы Римана для дзета-функций Дедекинда j^logq 1.

Здесь Фд — число идеалов поля К с нормой q, дк род поля К в функциональном случае и дк = log у/Ок в числовом случае, Zx{s) = C’k{s)/(k (s) — логарифмическая производная дзета-функции Дедекинда поля К.

Кроме того, в той же главе получены результаты, улучшающие остаточный член в явной теореме Брауэра—Зигеля, доказанной ранее Ф. Лебаком.

Основной метод доказательств в этой главе — явные формулы А. Вейля. Однако, применение их в числовом случае сопряжено с весьма тонкими аналитическими рассмотрениями.

Глава 3.

Эта глава посвящена изучению распределения нулей ¿—функций модулярных форм. Каждой примитивной модулярной форме / веса kf относительно Го (А/) сопоставляется мера.

Lf (s)•, здесь 5а обозначает атомарную меру (меру Дирака), сосредоточенную в а.

Мы доказываем следующий результат:

Теорема 0.0.3 (см. теорему 3.1.1). В предположении обобщенной гипотезы Римапа для Ь-функций модулярных форм, для любого семейства {/,(.-)} примитивных форм веса к^ и уровня Nj с /с7 + А^- —)> оо предел существует в пространстве мер медленного роста на Ш и равен мере с плотностью 1 (т. е. нули Ь-функций модулярных форм становятся равномерно распределенными). пробегает все нетривиальные нули ¿—функции.

Д = Нт = Нт А/.

2—^оо 3~>оо.

3 ^оо.

В этой главе мы изучаем асимптотические свойства семейств дзетаи ¿—функций над конечными полями. Мы занимаемся следующими тремя проблемами: основное неравенство, результаты, обобщающие теорему Брауэра—Зигеля и распределение нулей. Мы аксиоматически определяем класс дзета и ¿—функций, к которым применимы наши методы, таким образом, что большинство предыдущих результатов С. Г. Влэдуца, Ж. Лашо и М. А. Цфасмана касательно сходных проблем для дзета-функций кривых и многообразий над конечными полями включаются в нашу схему. Мы изучаем, до какой степени их результаты для кривых остаются верными в этом общем контексте.

Далее мы даем несколько конкретных приложений. Самый интересный случай — это случай ¿—функций семейств эллиптических поверхностей, недавно изучавшийся Б. Э. Кунявским, М. А. Цфасманом, М. Анд-ри и А. Пачеко. Полученные нами результаты позволяют приблизиться к доказательству некоторых их гипотез, связанных с обобщением теоремы Брауэра-Зигеля на подобные семейства и описывающих асимптотическое поведение группы Шафаревича-Тейта и регулятора эллиптических поверхностей. Кроме того, наши методы позволяют получить обобщение результатов Ф. Мишеля о равномерной распределенности пулей ¿—функций эллиптических кривых над? д (Ь).

В классическом случае кривых над конечным полем, как следствие более общих результатов, нам удается получить теорему о предельных дзета-функциях, являющуюся обобщением одного из результатов Я. Ихары об асимптотическом поведении постоянных Эйлера-Кронекера функциональ.

Вторая часть.

Эта часть выполнена в соавторстве с Ж. Лашо и К. Ритценталером.

Исторически вопросы, рассматриваемые в этой части диссертации, мотивированы той же задачей, что и в первой части: найти максимальное число точек на кривых над конечными полями. Здесь нас интересует случай малых родов д, тогда как в первой части, напротив, предполагалось, что д —> оо. Разница между методами применимыми в этих ситуациях весьма значительна.

Один из подходов к этой проблеме, предложенный Ж.-П. Серром, состоит в том, чтобы ответить на выше сформулированный вопрос для абе-левых многообразий (что несложно, благодаря теореме Хонды-Тента), а затем, выбрать среди всех абелевых многообразий, те, которые соответствуют якобианам. Этой последней проблемой мы и занимаемся в этой части диссертации.

Используя модулярные формы Зигеля мы даем полный ответ на данный вопрос в случае, когда д = 3 и поле определения абелевых многообразий к содержится в С. Более точно, мы реализуем следующую стратегию. Для поля к и модулярной формы Зигеля / над к веса К > 0 и рода д > 1 мы определяем инвариант £:-классов изоморфизма главнополяризованных абелевых многообразий (А, а). Кроме того, если (А, а) является якобианом гладкой плоской проективной кривой, мы показываем, как сопоставить / классический плоский инвариант.

Как первое следствие этих конструкций, для д = 3 и к С С мы получаем новое (строгое) доказательство формулы Клейна, связывающей модулярную форму Зигеля Xi8 с дискриминантом плоских квартик.

Вторым следствием является ответ на основной вопрос этой главы. Он дается с помощью модулярных форм Зигеля Xi8 и Ещь которые были определены Д.-И. Игусой как произведение всех функций тета-иуль с четными характеристиками и как тридцать пятая элементарная симметрическая функция от восьмых степеней функций тета-нуль с четными характеристиками соответственно. Мы доказываем следующий критерий:

Теорема 0.0.4 (см. теорему 5.4.5). Пусть (А, а) — главпополяризовапное трехмерное абелево многообразие, определенное над полем к С С. Пусть — произвольный базис, а 7ь • • - 7б ~ симплектический базис (для поляризации а) пространства Н{А, Ъ), max что п = [Qi п2] =: является матрицей периодов {А, а). Положим т — ^ И3.

1. Если Si4o® = 0 и Xis (T) = 0, то (А, а) разложимо над к. В частности, оно не является якобианом.

2. Если Ei4o® ф 0 и XieC?") — существует гиперэллиптическая кривая X/к такая, что (JacX, j) ~ (А, а).

3. Если Xis® Ф 0) то (Аа) изоморфно якобиану над к тогда и только тогда, когда.

2тг)54 Х18(Г) det (^2)18 является квадратом в к.

Эта теорема дает ответ на вопрос Ж.-П. Серра о характеризации якобианов среди трехмерных абелевых многообразий. Ее доказательство использует, во-первых, формулу Клейна, а, во-вторых, описание действия изоморфизмов на значения модулярных форм Зигеля.

Благодарности.

Я благодарю моих научных руководителей Михаила Анатольевича Цфасмана и Армена Глебовича Сергеева за постоянное внимание к данной работе и многочисленные советы. Выражаю благодарность Ж. Лашо, Ф. Лебаку и К. Ритценталеру за возможность работать в соавторстве. Также благодарю М. Балазара, С. Г. Влэдуца, С. Лобутена и Э. Руае за полезные обсуждения.

Часть I.

Асимптотические свойства дзета и.

Ьфункций.

1. Atkin, А. О. L.- Lehner, J. Hecke operators on Г0(m). Math. Ann. 185 (1970), 134−160.

2. Bilu, Y. F. Частное обсуждение.

3. Brauer, R. Oil zeta-functions of algebraic number fields. Amer. J. Math. 69, Num. 2, 1947, 243−250.

4. Birkenhake G.- Lange, H. Complex abelian varieties. Second edition. Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften, 302 Springer-Verlag, Berlin, 2004.

5. Brieskorn, E.- Knorrer, H. Plane Algebraic Curves. Birkhauser Verlag, 1986.

6. Bramer, A. The average rank of elliptic curves. I. Invent. Math. 109 (1992), no. 3, 445−472.

7. Chai, C.-L. Siegel moduli schemes and their compactiiications over C. Arithmetic geometry (Storrs, Conn., 1984), 231−251, Springer, New York, 1986.

8. Deligne, P. Formes modulaires et representations Z-adiques. Seminaire Bourbaki, 11 (1968;1969), Expose No. 355.

9. Deligne, P.- Mumford, D. The irreducibility of the space of curves of given genus. Inst. Hautes tudes Sei. Publ. Math. 36 (1969), 75−109.

10. Deligne, P.- Serre, J.-P. Formes modulaires de poids 1. Ann. Sei. Ecole Norm. Sup. (1974), 507−530- ¦= Serre, J.-P. ?uvres, vol. III, No 101, 193−216.

11. DiPippo, S.- Howe, E. Real polynomials with all roots on the unit circle and abelian varieties over finite fields. J. Number Theory 73 (1998), no. 2, 426−450.

12. Влэдуц, С. Г.- Дринфельд, В. Г. О числе точек алгебраической кривой. Функ. Анализ и Прил. 17 (1983), no. 1, 68−69.

13. Faltings, G.- Chai, C.-L. Degeneration of abelian varieties. Ergebnisse der Matheinatik und ihrer Grenzgebiete (3), 22. Springer, Berlin, 1990.

14. Van Der Geer, G. Siegel modular forms. Препринт, arXiv: math/60 5346v2 math. AG] (2007).

15. Gel’fand, I.M.- Kapranov, M.M.- Zelevinsky, A.V. Discriminants, resultants, and multidimensional determinants. Birkhauscr, Boston, (1994).

16. Gizatullin, M. On covariants of plane quartic associated to its even theta characteristic. Algebraic geometry, 37−74, Contemp. Math., 422, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2007.

17. Goldfeld, D. M. A simple proof of Siegel’s theorem. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 71 (1974), c. 1055.

18. Gradshteyn, I. S.- Ryzhik, I. M. Table of integrals, series, and products. Translated from the fourth Russian edition. Fifth edition. Translation edited and with a preface by Alan Jeffrey. Academic Press, Inc., Boston, MA, 1994.

19. Guardia, G. Jacobian nullwertc and algebraic equations. J. Algebra 253 (2002), 112— 132.

20. Hajir, F.- Maire, С. Tamely ramified towers and discriminant bounds for number fields II. J. Symbolic Comput. 33 (2002), no. 4, 415−423.

21. Hindry. M. Why is it difficult to compute the Mordell-Weil group. Proceedings of the conference «Diophantine Geometry», 197−219, Ed. Scuola Normale Superiore Pisa, 2007.

22. Hindry, M.- Pacheco, A. Un analogue du theoreme de Brauer-Siegel pour les varietes abeliennes en characteristique positive. Препринт.

23. Hoyt, W.L. On products and algebraic families of Jacobian varieties. Ann. of Math. 77, (1963), 415−423.

24. Ichikawa, T. On Tcichmiiller modular forms. Math. Ann. 299 (1994), no. 4, 731−740.

25. Ichikawa, T. Teichmiiller modular forms of degree 3. Amer. J. Math. 117 (1995), no. 4, 1057−1061.

26. Ichikawa, T. Theta constants and Teichmiiller modular forms. J. Number Theory 61 (1996), no. 2, 409−419.

27. Ichikawa, T. Generalized Tate curve and integral Teichimiller modular forms. Amer. J. Math. 122 (2000), no. 6, 1139−1174.

28. Igusa, J.-I. Modular forms and projective invariants. Amer. J. Math, 89, (1967), 817 855.

29. Ihara, Y. On the Euler-Kronecker constants of global fields and primes with small norms. Algebraic geometry and number theory, Progr. Math., 253 (2006), Birkhauser Boston, Boston, MA, 407−451.

30. Iwaniec, H.- Kowalski, E. Analytic number theory. American Mathematical Society Colloquium Publications, 53. AMS, Providence, RI, 2004.

31. Iwaniec, H.- Sarnak, P. Dirichlet ?-functions at the central point. Number theory in progress, Vol. 2 (Zakopane-Koscielisko, 1997), 941−952, de Gruyter, Berlin, 1999.

32. Katz, N. M. p-adic. properties of modular schemes and modular forms. Modular functions of one variable, III (Antwerp, 1972), 69−190. Lecture Notes in Mathematics, Vol. 350, Springer, Berlin, 1973.

33. Katz, N. M.- Sarnak, P. Random matrices, Probenius eigenvalues, and monodromy. American Mathematical Society Colloquium Publications, 45, American Mathematical Society, Providence, RI, 1999.

34. Klein, F. Zur Theorie der Abelschen Funktionen. Math. Annalen, 36 (1889−90) — = Gesammelte mathematische Abhandlungen XCVII, 388−474.

35. Koblitz, N. Jacobi sums, irreducible zeta-polynomials, and cryptography. Canad. Math. Bull. 34 (1991), no. 2, 229−235.

36. Kunyavskii, B. E.- Tsfasman, M. A. Brauer-Siegel theorem for elliptic surfaces. Int. Math. Res. Not. IMRN 2008, no. 8.

37. Lachaud, G.- Ritzenthaler, C. On a conjecture of Serre on abelian threefolds. Algebraic Geometry and its applications (Papeete, 2007), 88−115. Series on Number Theory and Its Applications 5. World Scientific, Hackensack, NJ, 2008.

38. Lachaud, G.- Tsfasman, M. A. Formules explicites pour le nombre de points des varietes sur un corps fini, J. Reine Angew. Math. 493 (1997), 1−60.

39. Lagarias, J. C.- Odlyzhko, A. M. Effective versions of the Chcbotarev density theorem. Algebraic number fields: L-functions and Galois properties (Proc. Sympos., Univ. Durham, Durham, 1975), Academic Press, London, 1977, 409−464.

40. Lang, S. On the zeta function of number fields. Invent. Math. 12 (1971), 337−345.

41. Lang, S. Algebraic number theory (Second Edition), Graduate Texts in Mathematics 110, Springer-Verlag, New York, 1994.

42. Lauter, K. Geometric methods for improving the upper bounds on the number of rational points on algebraic curves over finite fields, with an appendix by J. P. Serre. Journal of Algebraic Geometry 10 (2001), 19−36.

43. Lcbacquc, P. Generalised Mcrtens and Brauer-Sicgcl Theorems. Acta Arith. 130 (2007), no. 4, 333−350.

44. Lockhart, P. On the discriminant of a hyperelliptic curve. Trans. Amer. Math. Soc. 342, (1994), 729−752.

45. Louboutin, S. R. Explicit upper bounds for residues of Dedekind zeta functions and values of L-functions at s = 1, and explicit lower bounds for relative class number of CM-fields. Canad. J. Math, Vol. 53(6), 2001, 1194−1222.

46. Louboutin, S. R. Explicit lower bounds for residues at s = 1 of Dedekind zeta functions and relative class numbers of CM-fields. Trans. Amer. Math. Soc. 355 (2003), 30 793 098.

47. Louboutin, S. R. On the Brauer-Siegel theorem. J. London Math. Soc. (2) 72 (2005), no. 1, 40−52.

48. Martinet, J. Tours de corps de classes et estimations de discriminants. Invent. Math. 44 (1978), no. 1, 65−73.

49. Mestre, J.-F. Formules explicites et minorations de conducteurs de varietes algebriques. Compositio Math. 58 (1986), no. 2, 209−232.

50. Michel, P. Sur les zeros de fonctions L sur les corps de fonctions. Math. Ann. 313 (1999), no. 2, 359−370.

51. Mumford, D.- Fogarty, J.- Kirwan, F. Geometric invariant theory. Third edition. Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete (2) 34. Springer-Verlag, Berlin, 1994.

52. Oort, F.- Ueno, K. Principally polarized abelian varieties of dimension Uvo or three are Jacobian varieties. J. Fac. Sei. Univ. Tokyo Sect. IA Math., 20, (1973), 377−381.

53. Poitou, G. Sur les petits discriminants. Seminaire Delange Pisot Poitou, 18e annee (1976/77), Theorie des nombres, Fase. 1, Exp. No. 6, Secretariat Math., Paris, 1977.

54. Salmon, G. Traite de geometrie analytique a trois dimensions. Troisieme partie. Ouvrage traduit de l’anglais sur la quatrieme edition, Paris, 1892.

55. Schwartz, L. Theorie des distributions. Hermann, Paris, 1966.

56. Serre, J.-P. Rational points on curves over Finite Fields. Notes of Lectures at Harvard University by F. Q. Gouvea, 1985.

57. Serre, J.-P. Two letters to Jaap Top. Algebraic Geometry and its applications (Tahiti, 2007) 84−87. World Scientific, Singapore, 2008.

58. Shafarcvich, I. Extensions with prescribed ramification points. Publ. Math. I.H.E.S. 18 (1964), 71−95.

59. Silverman, J. H. Advanced topics in the arithmetic of elliptic curves. Graduate Texts in Mathematics, 151, Springer-Verlag, New York, 1994.

60. Stark, H. M. Some effective cases of the Brauer-Siegel Theorem. Invent. Math. 23(1974), 135−152.

61. Tate, J. Classes d’isogenie des varietes abeliennes sur un corps fini. Seminaire Bovrbaki, 11 (1968;1969), Exp. No. 352, 95−110.

62. Taylor, R. Galois representations. Proceedings of the International Congress of Mathematicians, Vol. I (Beijing, 2002), 449−474, Higher Ed. Press, Beijing, 2002.

63. Tsuyumine, S. Thetanullwerte on a moduli space of curves and hyperelliptic loci. Math. Z. 207 (1991), 539−568.

64. Tsfasman, M. A. Some remarks on the asymptotic number of points. Coding Theory and Algebraic Geometry, Lecture Notes in Math. 1518, 178−192, Springer—Verlag, Berlin 1992.

65. Tsfasman, M. A.- VladuC, S. G. Asymptotic properties of zeta-functions. J. Math. Sci. 84 (1997), Num. 5, 1445−1467.

66. Tsfasman, M. A.- Vladut-, S. G. Infinite global fields and the generalized Brauer-Sicgcl theorem. Moscow Mathematical Journal, Vol. 2 (2002), Num. 2, 329−402.

67. Tsfasman, M. A.- Vladu^, S. G.- Nogin, D. Algebraic geometric codes: basic notions. Mathematical Surveys and Monographs, 139, American Mathematical Society, Providence, RI, 2007.

68. Xaries, X. Частное обсуждение.