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¿Por qué no hay variedades abelianas sobre Z?

La motivación

Aprendí acerca de esta cuestión a partir de un maravilloso artículo de puntos Racionales en curvas por Henri Garmon. Él da una lista de instrucciones (algunos son teoremas, algunas conjeturas) de la forma

  • el conjunto $\{$ objetos de $\dots$ más de campo $K$, con una buena reducción en todas partes excepto en conjunto $S$ $\}$ es finito/vacío

Una cosa interesante que menciona es sobre abelian esquemas en la mayoría de los caso natural $K = \mathbb Q$, $S$ vacía. Creo que de acuerdo a la definición tenemos un ejemplo trivial de la relación de dimensión 0.

Pregunta

¿Por qué es el conjunto de no-trivial abelian esquemas de más de $\mathop{\text{Spec}}\mathbb Z$ vacía?

Referencia

Esto es demostrado en Il n'y pas de varieté abélienne sur Z por Fontaine, pero estoy preguntando, porque: (1) Springer requiere suscripción, (2) no podrían ser nuevas ideas después de 25 años, (3) el texto está en francés y podría ser difícil de leer (4) este conocimiento es que vale la pena difundir.

37voto

Zameer Manji Puntos 1213

Es un resultado relacionado con en el espíritu del teorema de Minkowski que $\mathbb Q$ no admite la no-trivial unramified extensiones. Si $a$ es un abelian variedad de más de $\mathbb Q$ en todas partes con buena reducción, entonces para cualquier entero $n$ el $n$-torsión esquema de $A[n]$ es finito plana esquema de grupo de más de $\mathbb Z$. Aunque este esquema de grupo, se ramificó en números primos de $p$ dividiendo $n$, Fontaine de la teoría muestra que la ramificación es de un lugar templado tipo: tan leve, que no trivial de la familia de $A[n]$ no puede existir.

En los últimos 25 años, ha habido mucha investigación sobre cuestiones relacionadas, incluyendo por Brumer--Kramer, Schoof, y F. Calegari, entre otros. (Uno particularmente interesante variación reciente es un documento común de F. Calegari y Dunfield en los cuales se usan relacionados con ideas para construir una torre de cerrado hiperbólico 3-variedades que son racionales homología de las esferas, pero cuya inyectividad radios crecer sin límite.)

EDIT: debo añadir que en el caso de curvas elípticas es mayor, debido a la Tate creo, y utiliza un argumento diferente: él considera la ecuación de calcular el discriminante de un polinomio cúbico $f(x)$ (correspondiente a la curva elíptica $y^2 = f(x)$) y muestra que esta solución de la ecuación no tiene soluciones integrales dando un discriminante de $\pm 1$.

Esta dirección de argumento generaliza en diferentes formas, pero está relacionado con el resultado de Shafarevic (creo) demostrando que hay sólo un número finito de curvas elípticas con buena reducción en el exterior de un conjunto finito de números primos. (Resultado de la cual fue generalizada por Faltings a abelian variedades como parte de su prueba de Mordell de la conjetura.)

Finalmente, se podría añadir que en Faltings del argumento, también se basó fundamentalmente en la ramificación de resultados de $p$-divisible entre grupos, debido también a la Tate, creo, los resultados que Fontaine de la teoría generaliza. Así se comprende que el estudio de la ramificación de la finitos plana grupos de esquemas y $p$-divisible entre grupos (y, más en general Fontaine s $p$-ádico teoría de Hodge) juega un papel crucial en este tipo de Diophantine preguntas. Un colega se la describe como la `magia negra" que hace que todos los Diophantine argumentos (incluyendo Wiles la " prueba de FLT) de trabajo.

P. S. puede ser útil para dar un juguete ejemplo ilustrativo de cómo finitos planos grupo de los esquemas de dar lugar a ligeramente ramificado extensiones: considerar todos los cuadrática extensiones de $\mathbb Q$ se ramifica a sólo $2$: son ${\mathbb Q}(\sqrt{-1}),$ ${\mathbb Q}(\sqrt{2})$, y ${\mathbb Q}(\sqrt{-2})$, con discriminantes $-4$, $8$, y $-8$ respectivamente. Mus ${\mathbb Q}(\sqrt{-1})$ es la menos ramificada, y no por casualidad, es la división de campo de la finitos plana esquema de grupo $\mu_4$ de 4 de raíces de la unidad.

12voto

Emmanuel Kowalski Puntos 151

He aquí otro de los motivos para no creer que existe abelian variedad, más de Z: la existencia de una bestia implicaría que el "motivic" las expectativas relativas a la L-funciones son falsas. Más precisamente, no es muy difícil de demostrar (Mestre hace en un papel en la Naturaleza, en 1986, el uso de fórmulas explícitas) que si un abelian variedad, más de los racionales de dimensión g de al menos 1 tiene la propiedad de que su L-función se completa con la espera de la funcional de la ecuación, entonces su director es de al menos 10^{g}, y, en particular, es >1.

(Hay una muy breve prueba de una más débil, de hecho, suficiente para "implicar" el teorema de la Fontaine y Abrashkin, en Th. 5.51 de mi libro con Iwaniec, aunque la versión impresa tiene un lamentable error, y ... debo pedir disculpas aquí para pasar a la historia en el tiempo -- nosotros no mencionar Abrashkin...)

10voto

Arda Xi Puntos 1099

Comentarios por Anweshi

El punto esencial es lo que Emerton mencionado, es decir, la analogía con la del teorema de Minkowski en los campos de número con la ramificación. El principio básico es que "la aritmética es la geometría". El número de anillos en un sentido de cero objetos tridimensionales, curvas elípticas, uno de los objetos tridimensionales y abelian variedades corresponden a las dimensiones superiores. Así que tenemos del teorema de Minkowski. Y nos preguntamos, ¿podemos extender a las dimensiones superiores? Tate, después de la creación de la teoría correctamente como en su famoso artículo sobre la aritmética de curvas elípticas, demostró que es bastante trivial para curvas elípticas(como Emerton menciones). Ahora la tarea es para abelian variedades.

Fontaine viene, y resulta que es de hecho el caso. Pero la prueba resulta ser mucho más complicado de lo esperado. Él construyó un montón de "teoría de la Fontaine" alrededor de este. Se va en $p$-ádico teoría de Hodge, $p$-ádico representaciones de Galois etc. Trabajó en ella durante unos 15 años en aislamiento, se dijo. El primer gran éxito de su teoría fue este teorema, y más tarde ganó popularidad. Ahora es una importante vía de investigación en la aritmética geometría.

Referencias:

  • Neukirch, la teoría Algebraica de números, para la filosofía general que "la aritmética es la geometría".
  • Notas de Robert Coleman curso de Fontaine de la teoría de la misteriosa functor
  • El Bourbaki exponer de Bearnadette Perrin-Riou. Fonctions L p-adiques des représentations p-adiques, Astérisque 229, (1995).
  • Tate, La Aritmética de Curvas Elípticas, de la Encuesta de Artículo, Inventiones.

Podría ser también merece la pena echar un vistazo a los artículos sobre finitos planos grupo de sistemas en el volumen de la Aritmética Geometría de Cornell y Silverman, y en el volumen de las formas Modulares y el Último Teorema de Fermat por Cornell, Silverman y Stevens. Todo esto está íntimamente conectado con ellos, como Emerton menciona. De hecho, usted puede encontrar un punto de vista particular, por Fontaine en Finitos Planos grupo de Esquemas.

Hay también podría tratarse de una simple motivic explicación de esto, sin entrar en las complejidades de la teoría de la Fontaine. La razón por la que me lo creo, es el siguiente. He escuchado la respuesta de que no hay ninguna curva elíptica más de $F_1$ porque a partir de la zeta de las funciones de los motivos resultan ser mezclado Tate. Pero, por otro lado, mi propia "prueba" de este hecho fue que si había una curva elíptica o abelian variedad de más de $F_1$, sería extensible a $Spec\ Z$ y no por Fontaine del teorema de la única abelian esquema es el trivial. Desde siempre me he preguntado, si es posible sustituir la Fontaine, la teoría de los argumentos con motivic.

Emerton aclaró para mí en este sentido: a partir De un número teórico del punto de vista, p-ádico teoría de Hodge es uno de los ingredientes clave en la teoría de los motivos, por lo que estos argumentos son motivic, en un cierto sentido. (Tal vez se puede decir que la p-ádico Hodge teoría codifica propiedades aritméticas de los motivos en forma de forma análoga a la manera en que la teoría de Hodge codifica geométrico y analítico de las propiedades.)

Así, por Emerton la respuesta, Fontaine teoría parece ser por lo tanto una parte más profunda de los motivos. Sin embargo, esto "no abelian variedad, más de Z" teorema de la Fontaine fue la primera aplicación importante de la Fontaine de la teoría. Me imaginaba que, si los resultados de la Fontaine de la teoría iban a ser reemplazados por costumbre motivic argumentos, entonces este debe ser el primer candidato.

Antes de parar, no puedo dejar de mencionar la íntima conexión de todo esto con la teoría de Iwasawa. Fontaine, la teoría está muy enredado con ella, como puede verse en la exposición de Perrin-Riou. Sin embargo, el más conocedor de la gente debe aclarar en este.

Este podría ser un buen lugar para mencionar la conferencia en honor de la Fontaine. Él está a punto de jubilarse, después de sus grandes logros.

Comentario por Ilya

Creo que esto debería ser, en efecto, relativa a los motivos. (actualización: creo que los demás siempre algunas buenas referencias.)

Comentarios de Emerton

(1) hubo anteriores de las aplicaciones de la Fontaine resultados en el plano finito grupo de sistemas; por ejemplo, jugaron un papel en la Mazur prueba de acotamiento de torsión de curvas elípticas más de $\mathbb Q$. Digo esto sólo para enfatizar que la Fontaine de la teoría de la realidad no se desarrollan en forma aislada. Su teoría es profundo y técnico, y se tomó tiempo para que la absorba. Pero la teoría de la finitos planos grupo de esquemas y $p$-divisible grupos tiene una larga historia entrelazada con la aritmética: hay resultados volviendo a la Aod, Raynaud, y Tate; Fontaine generalizado de estos; ellos fueron usados por Mazur en su trabajo, y por Faltings; Fontaine generalizado de más de $p$-ádico Hodge teoría (teoría cuya existencia fue en parte conjetura anterior por Grothendieck, motivado, entre otras cosas, el trabajo de Tate); ... . Uno no debería pensar en estas ideas como esotérico (a pesar de la `magia negra" de la etiqueta); ellos son y siempre han estado a la vanguardia de la interacción entre la geometría y la aritmética, en un tipo u otro. (Otra de la ilustración, de la Fontaine, la teoría también estrechamente vinculado con temas anteriores en el trabajo de Obra.)

(2) no estoy seguro de que hay un tipo particular de costumbre motivic argumento. La frase motivo que evoca una gran cantidad de imágenes diferentes en diferentes pueblos de la mente, pero una manera de pensar en lo que motivic significa es que es el estudio de la geometría a través de estructuras en cohomology. Desde este punto de vista, $p$-ádico teoría de Hodge es sin duda una natural e importante herramienta.

Aquí están algunos de los papeles que le dan las ilustraciones de $p$-ádico Hodge teórico reasonsing en lo que podría ser considerado como un motivic contexto:

Grothendieck, de la Onu theoreme sur les homomorphismes de esquemas abeliens, un maravilloso papel. Aunque los resultados son esencialmente recuperado y generalizado por Delignes trabajo en su Hodge II de papel, nos da una fantástica ilustración de cómo $p$-ádico Hodge teórico de los métodos puede ser utilizado para deducir teoremas geométricos.

Kisin y Wortmann, Una nota en Artin motivos

Kisin y Lehrer, los Autovalores de Frobenius y Hodge números

James Borger, Lambda-anillos y el campo con uno de los elementos

Estos tres son elegidos para ilustrar cómo $p$-ádico Hodge teoría argumentos se pueden utilizar para hacer geométrica/motivic deducciones. El papel de Borger es un intento, en parte para proporcionar fundamentos de la teoría de sistemas en el campo de un elemento, y se ilustra cómo $p$-ádico Hodge teoría juega un papel serio en su estudio.

Maulik, Poonen, Voisin, Nerón-Severi grupos en virtud de la especialización, un excelente papel, que ilustra la posibilidad de utilizar cualquiera de los $p$-ádico de Hodge de la teoría de argumentos o clásica Hodge de la teoría de argumentos para hacer deducciones geométricas. (Este es el mismo tipo de complementariedad como en Grothendieck del papel por encima en comparación con Deligne del Hodge II.)

Comentarios por Anweshi.

@Emerton, o a cualquier otra persona: Si hay algo que no tiene sentido en mi incursión en la "motivic" imágenes, o de algo que no tiene sentido, por favor siéntase libre de borrar y editar en cualquier forma que usted desee.

una pregunta más por Thomas:

La gran referencias dadas por encima de déjeme preguntarle sobre el estado actual de las muchas conjeturas y preguntas abiertas en Illusie de la encuesta, por ejemplo, la finitud teoremas, cristalina coeficientes geométricos semistability,... ?

  • ilya comentario: creo que sería muy útil si alguien publicó una cuestión a lo largo de las líneas de lo que Thomas sugiere, especialmente de llenado en algunos antecedentes de Illusie del papel (yo lo haría, pero no tengo el documento en sí).

** Anweshi comentario de:** la Fontaine de la teoría utiliza una gran cantidad de cristales de cohomology. Por ejemplo, consulte Robert Coleman notas mencionadas anteriormente.

7voto

Ola Karlsson Puntos 1441

Fontaine inicial resultado fue demostrado el uso de sus resultados en Hodge-Tate descomposición que refinar Tate teorema. Pero más tarde (alrededor de 1990, Schémas uizen et lisses sur $\mathbf Z$), volvió a visitar su teorema usando el teorema de Faltings (que $p$-ádico cohomology de una adecuada variedad con buena reducción mod $p$ es cristalino) y mostró que la adecuada suave esquemas de más de $\mathbf Z$ tiene una bastante especial cohomology en grado $\leq 3$ (Hodge números $h^{i,j}$ son cero para $i\neq j$ y $i+j\leq 3$).

Como para Abelian variedades, este teorema ha sido demostrado de forma independiente por Abrashkin.

2voto

Timo Keller Puntos 7108

Aquí es un buen guión de Schoof: http://www.cems.uvm.edu/~voight/notes/274-Schoof.pdf

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