Sur la capitulation pour le module de Bertrandias-Payan^{∗}

Jean-François Jaulent

Résumé. Nous déterminons l’ordre du sous-groupe de capitulation pour le module de Bertrandias-Payan dans une ℓ-extension arbitraire de corps de nombres qui satisfait la conjecture de Leopoldt. Nous relions en particulier la question de sa trivialisation au problème des tours localement cyclotomiques. Abstract. We compute the capitulation kernel for the module of Bertrandias-Payan in an arbitrary ℓextension of number fields which satisfies the Leopoldt conjecture. As a consequence we relate the existence of extensions with trivial such module to the classical problem of locally cyclotomic towers.

Introduction

Le compositum K^{bp} des ℓ-extensions cycliques d’un corps de nombres K qui sont localement plongeables dans une ℤ_{ℓ}-extension de ce corps a été introduit par Bertrandias et Payan dans [1] dans le but d’exhiber une condition suffisante de la conjecture de Leopoldt. Le sous-groupe de ℤ_{ℓ}-torsion du groupe de Galois Gal(K^{bp}/K), appelé par Nguyen Quang Do module de Bertrandias-Payan, mesure, en effet, l’obstruction à ce qu’une pro-ℓ-extension abélienne de K soit globalement plongeable dans un produit de ℤ_{ℓ}-extensions dès lors qu’elle l’est localement.

Il est naturel de se demander ce que devient cette obstruction lorsqu’on grossit le corps de base, plus précisément lorsqu’on remplace K par une ℓ-extension L.

C’est précisément de ce problème que nous traitons ici.

Nous adoptons dans cette étude le point de vue infinitésimal introduit dans [6] : toute ℓextension ℤ_{ℓ}-plongeable étant ℓ-ramifiée (i.e. non ramifiée en dehors des places divisant ℓ), l’extension K^{bp}/K est contenue dans la pro-ℓ-extension abélienne ℓ-ramifiée maximale M/K. Et son groupe de Galois est donc un quotient de celui X_{K} de M/K. Or ce dernier s’interprète comme le quotient du ℤ_{ℓ}-module libre D′_{K} construit sur les idéaux premiers de K qui ne divisent pas ℓ par le sous-groupe des diviseurs principaux engendrés par les éléments d’image locale triviale aux places divisant ℓ, et que nous appelons pour cela infinitésimaux.

De façon semblable, le groupe Gal(K^{bp}/K) s’écrit comme le quotient Cℓ_{K}^{bp} = D′_{K}/P_{K}^{bp} de D′_{K} par le sous-groupe des diviseurs principaux engendrés par les éléments dont une puissance est infinitésimale, et que nous appelons par conséquent pseudo-infinitésimaux.

Dans ce contexte, le noyau du morphisme d’extension Cℓ_{K}^{bp} → Cℓ_{L}^{bp} est formé par les classes des diviseurs de K qui se principalisent dans L; et il s’analyse donc comme une capitulation. Le résultat principal de cette étude (Th. 9 infra) consiste à le déterminer avec précision.

Nota. Quoique personnel, ce travail a été mené en étroite concertation avec G. Gras et T. Nguyen Quang Do que je remercie ici. Une synthèse présentant les différents points de vue et résultats suivra prochainement. Mes remerciements vont aussi à Karim Belabas, qui a effectué avec pari la plupart des calculs numériques sur les classes logarithmiques présentés dans cette étude.

Convention

Dans tout ce qui suit ℓ désigne un nombre premier impair, K un corps de nombres arbitraire et L une ℓ-extension de K de groupe de Galois G = Gal(L/K).

∗Pub. Math. Besançon 2016, 45–58.

1. Bref rappel sur les classes infinitésimales

Le groupe de Galois X_{K} = Gal(M/K) de la pro-ℓ-extension abélienne maximale M d’un corps de nombres K est interprété par la théorie du corps de classes comme groupe des classes infinitésimales de K (cf. [6]), i.e. comme le quotient

Cℓ_{K}^{∞} = D′_{K}/P_{K}^{∞}

du ℤ_{ℓ}-module D′_{K} = ℤ_{ℓ} ⊗_{ℤ} Id′_{K} construit sur les diviseurs étrangers à ℓ par le sous-module des diviseurs principaux engendrés par les éléments infinitésimaux : le sous-groupe infinitésimal est le noyau R_{K}^{∞} du morphisme de semi-localisation s_{ℓ} : R_{K} = ℤ_{ℓ} ⊗_{ℤ} K^{×} → R_{K_{ℓ}} = ∏_{𝔩|ℓ} R_{K_{𝔩}}, où R_{K_{𝔩}} = \underleftarrow{lim} K^{×}/K^{×ℓ^{n}} désigne le compactifié ℓ-adique du groupe multiplicatif du complété de K en la place 𝔩.

Le groupe d’unités correspondant à Cℓ_{K}^{∞}, autrement dit le noyau de l’épimorphisme R_{K}^{∞} → P_{K}^{∞} est le groupe E_{K}^{∞} des unités infinitésimales de K; sous la conjecture de Leopoldt (pour ℓ et pour K), il est trivial (cf. e.g. [11], §2.2).

Sous cette même conjecture, il suit de là qu’il n’y a pas de capitulation infinitésimale dans une ℓ-extension L/K de corps de nombres de groupe G, autrement dit que le morphisme naturel j_{L/K}^{∞} : Cℓ_{K}^{∞} → Cℓ_{L}^{∞G} induit par l’extension des idéaux est toujours injectif. En effet, la suite exacte des classes infinitésimales ambiges s’écrit (cf. [6], Th. 2) :

1 → Cap_{L/K}^{∞} → P_{L}^{∞G}/P_{K}^{∞} → D′_{L}^{G}/D′_{K} → Cℓ_{L}^{∞G}/j_{L/K}^{∞}(Cℓ_{K}^{∞}) → H^{1}(G, P_{L}^{∞}) → 1

Or, sous la conjecture de Leopoldt (pour ℓ et pour L), on a P_{L}^{∞} = R_{L}^{∞} (par E_{L}^{∞} = 1), donc P_{L}^{∞G} = R_{L}^{∞G} = R_{K}^{∞} = P_{K}^{∞}, i.e. P_{L}^{∞G}/P_{K}^{∞} = 1 et, par suite : Ker j_{L/K}^{∞} = Cap_{L/K}^{∞} = 1. Ainsi :

Théorème 1. Dans une ℓ-extension L/K de corps de nombres, le morphisme d’extension entre classes infinitésimales Cℓ_{K}^{∞} → Cℓ_{L}^{∞} est injectif sous la conjecture de Leopoldt pour ℓ dans L. En particulier, le sous-module de torsion T_{K}^{∞} de Cℓ_{K}^{∞} s’identifie à un sous-module du sous-module des points fixes T_{L}^{∞}^{G} de celui de Cℓ_{L}^{∞}.

Ce résultat, aujourd’hui classique, a été prouvé initialement dans [3] (Th. I.1), puis redonné dans divers contextes, notamment par [6], [8], [17]. Une preuve figure également dans la monographie de Gras ([2], Th. IV.2.1. Aucun de ces travaux cependant n’est mentionné dans [19, 20].

Nota. Par montée et descente, on voit qu’une classe a qui capitule dans une extension L/K de corps de nombres vérifie banalement a^{[L:K]} = 1. La capitulation peut donc s’étudier indifféremment sur le module X_{K} ou sur son sous-module de ℤ_{ℓ}-torsion.

Avant d’aller plus loin et d’introduire le module de Bertrandias-Payan, donnons un résultat qui nous sera utile et qui est en quelque sorte la version infinitésimale du Théorème 90 de Hilbert :

Lemme 2. Dans une ℓ-extension de corps de nombres L/K, on a toujours : H^{1}(G, R_{L}^{∞}) = 1

Preuve. Partons de la suite exacte courte qui définit le sous-groupe infinitésimal :

1 → R_{L}^{∞} → R_{L} → R_{L_{ℓ}} = ∏_{𝔏|ℓ} R_{L_{𝔏}} → 1.

Prenant les points fixes par G, nous obtenons la suite exacte longue :

1 → R_{K}^{∞} → R_{K} ↠ R_{K_{ℓ}} → H^{1}(G, R_{L}^{∞}) → H^{1}(G, R_{L}) = 1,

où le groupe de cohomologie à droite est trivial (c’est le Théorème 90) ; ce qui donne le résultat.

Scolie 3. Dans une ℓ-extension ℓ-ramifiée de corps de nombres L/K qui vérifie la conjecture de Leopoldt (pour le premier ℓ), le sous-module de torsion T_{K}^{∞} de Cℓ_{K}^{∞} s’identifie au sous-module des points fixes T_{L}^{∞}^{G} de celui de Cℓ_{L}^{∞}:

T_{L}^{∞G} = j_{L/K}^{∞}(T_{K}^{∞}) ≃ T_{K}^{∞}.

2. Module de Bertrandias-Payan et classes pseudo-infinitésimales

Le groupe de Galois Gal(K^{bp}/K) du compositum K^{bp} des ℓ-extensions cycliques d’un corps de nombres K qui sont localement ℤ_{ℓ}-plongeables (ainsi noté parce qu’il été introduit par Bertrandias et Payan dans [1]) est décrit par la théorie ℓ-adique du corps de classes comme le quotient

Gal(K^{bp}/K) ≃ J_{K}/ ∏_{𝔭} μ_{K_{𝔭}}R_{K}

du ℓ-adifié J_{K} = ∏_{𝔭}^{res} R_{K_{𝔭}} du groupe des idèles de K par le sous-module engendré par les ℓ-groupes locaux μ_{K_{𝔭}} de racines de l’unité et le sous-groupe R_{K} des idèles principaux (cf. [8] ou [11]). Pour le regarder comme groupe de classes de diviseurs, il suffit d’écrire J_{K} comme le produit J′_{K}R_{K}, où J′_{K} est le produit ∏_{𝔭∤ℓ}^{res} R_{K_{𝔭}} (en vertu du théorème d’approximation simultanée) et d’observer que le quotient J′_{K}/ ∏_{𝔭∤ℓ} μ_{K_{𝔭}} s’identifie canoniquement au ℓ-groupe D′_{K}. Il vient ainsi :

Proposition & Définition 4. Le groupe de Galois Gal(K^{bp}/K) du compositum des ℓ-extensions cycliques d’un corps de nombres K qui sont localement ℤ_{ℓ}-plongeables s’identifie au quotient

Cℓ_{K}^{bp} = D′_{K}/P_{K}^{bp}

du ℓ-groupe D′_{K} des diviseurs de K étrangers à ℓ par le sous-groupe P_{K}^{bp} des diviseurs principaux engendrés par les éléments pseudo-infinitésimaux, c’est à dire les éléments de R_{K} qui sont localement des racines de l’unité aux places au-dessus de ℓ.

Nous disons que Cℓ_{K}^{bp} est le ℓ-groupe des classes pseudo-infinitésimales du corps K et que son sous-module de ℤ_{ℓ}-torsion T_{K}^{bp} est le module de Bertrandias-Payan attaché à K.

Le sous-groupe des principaux pseudo-infinitésimaux est ainsi donné par la suite exacte courte : 1 → R_{K}^{∞} → R_{K}^{bp} → μ_{K_{ℓ}} = ∏_{𝔩|ℓ} μ_{K_{𝔩}} → 1.

Et le groupe d’unités E_{K}^{bp} correspondant à Cℓ_{K}^{bp} est donc le sous-groupe μ_{K}^{loc} des éléments de R_{K} qui sont localement partout des racines de l’unité ; sous la conjecture de Leopoldt (pour ℓ et pour K), c’est tout simplement le ℓ-groupe μ_{K} des racines de l’unité dans K (cf. [11], §2.2).

Dans ce contexte, la suite exacte des classes ambiges prend donc la forme :

Proposition 5. Avec les notations ci-dessus, le sous-groupe de capitulation du groupe des classes pseudo-infinitésimales dans une ℓ-extension de corps de nombres est donné par la suite exacte :

1 → Cap_{L/K}^{bp} → P_{L}^{bp G}/P_{K}^{bp} → D′_{L}^{G}/D′_{K} → Cℓ_{L}^{bp G}/j_{L/K}(Cℓ_{K}^{bp}) → H^{1}(G, P_{L}^{bp}) → 1.

Il suit en particulier : |Cap_{L/K}^{bp}| ≤ (P_{L}^{bp G} : P_{K}^{bp}), avec égalité en cas de ℓ-ramification.

Ce résultat fournit directement une majoration simple de la capitulation pseudo-infinitésimale : partant de la suite exacte courte qui définit le sous-module principal pseudo-infinitésimal

1 → μ_{L}^{loc} → R_{L}^{bp} → P_{L}^{bp} → 1,

prenant la cohomologie et comparant la suite obtenue à celle pour K, on obtient par le serpent :

1 → P_{L}^{bp G}/P_{K}^{bp} → H^{1}(G, μ_{L}^{loc}) → H^{1}(G, R_{L}^{bp}) → ⋯

En fin de compte, on a donc les deux inégalités (et l’égalité à droite, sous la conjecture de Leopoldt dans L) :

|Cap_{L/K}^{bp}| ≤ (P_{L}^{bp G} : P_{K}^{bp}) ≤ |H^{1}(G, μ_{L}^{loc})|(= |H^{1}(G, μ_{L})|).

En particulier (voir aussi [5], Th. 2.3 et [18] §2) :

Théorème 6. Sous la conjecture de Leopoldt il ne peut y avoir de capitulation pour les classes pseudo-infinitésimales dans une ℓ-extension L/K de corps de nombres si le corps de base K ne contient pas les racines ℓ-ièmes de l’unité ; ni, s’il les contient, lorsque L est un étage fini de sa ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique.

Preuve. Si K ne contient pas les racines ℓ-ièmes de l’unité, le corps L ne les contient pas non plus ; et, s’il les contient et que L est contenue dans la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique K^{c} de K, le groupe μ_{L} est cohomologiquement trivial. Dans les deux cas il suit : H^{1}(G, μ_{L}) = 1 ; donc : Cap_{L/K}^{bp} = 1.

3. Capitulation pseudo-infinitésimale et ramification logarithmique

Rappelons qu’une ℓ-extension de corps de nombres L/K est dite logarithmiquement non ramifiée lorsqu’elle est localement cyclotomique, i.e. lorsque pour toute place 𝔩 de K et chaque place 𝔏 de L au-dessus de 𝔩, l’extension locale L_{𝔏}/K_{𝔩} est contenue dans la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique locale K_{𝔩}^{c}/K_{𝔩} (cf. [10] ou [11]).

— Aux places modérées (i.e. étrangères à ℓ), la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique K_{𝔩}^{c}/K_{𝔩} coïncidant avec la ℤ_{ℓ}-extension non ramifiée K_{𝔩}^{nr}/K_{𝔩}, la non-ramification logarithmique coïncide avec la non-ramification au sens habituel. Une ℓ-extension logarithmiquement non ramifiée est donc, en particulier, non ramifiée (au sens habituel) en dehors de ℓ, i.e. ℓ-ramifiée.

— Aux places sauvages (i.e. divisant ℓ), en revanche, la notion de ℓ-extension logarithmiquement non ramifiée diffère substantiellement de celle de ℓ-extension non-ramifiée.

Ce point rappelé, revenons à notre problème et considérons une ℓ-extension arbitraire L/K. Nous pouvons supposer μ_{K} ≠ 1 et L ≠ K[μ_{L}] sans quoi il ne peut y avoir de capitulation pseudoinfinitésimale en vertu du Théorème 6 ci-dessus.

Notons alors K′ = K[μ_{L}] et observons que le morphisme d’extension de Cℓ_{K}^{bp} dans Cℓ_{K′}^{bp} est injectif. Considérons un diviseur 𝔞_{K}, d’ordre ℓ dans Cℓ_{K}^{bp}, qui se principalise dans Cℓ_{L}^{bp}, ce que nous écrivons 𝔞_{L} = (α_{L}) dans D′_{L}. Il suit : (α_{L}^{ℓ}) = 𝔞_{L}^{ℓ} = (α_{K}), toujours dans D′_{L}, pour un certain α_{K} dans R_{K}^{bp}. Ainsi α_{L}^{ℓ}/α_{K} est une unité pseudo-infinitésimale de L, i.e. (sous la conjecture de Leopoldt) une racine de l’unité ζ_{K′} ∈ μ_{K′} = μ_{L}. Il vient alors α_{L}^{ℓ} = α_{K}ζ_{K′} et 𝔞_{K}, qui est toujours d’ordre ℓ dans Cℓ_{K′}^{bp} se principalise dans la sous-extension kummérienne L′ = K′[\sqrt[ℓ]{α_{K}ζ_{K′}}] de L, laquelle est logarithmiquement non-ramifiée sur K′ donc sur K, puisque l’élément α_{K}ζ_{K′} est localement une racine de l’unité aux places au-dessus de ℓ et une puissance ℓ-ième d’idéal aux places étrangères à ℓ. Itérant ce procédé, nous obtenons (analoguement à [5] §2) :

Proposition 7. Soient K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité et L une ℓ-extension de K, puis L′ le compositum des sous-extensions de L qui sont logarithmiquement non-ramifiées sur K (en d’autres termes la plus grande sous-extension de L qui est localement cyclotomique sur K). Sous la conjecture de Leopoldt, la capitulation pseudo-infinitésimale dans L/K se lit dans L′/K :

Cap_{L/K}^{bp} = Cap_{L′/K}^{bp}.

Ce point acquis, ce n’est donc pas restreindre la généralité que de supposer l’extension L/K non-ramifiée aux places étrangères à ℓ; auquel cas la trivialité du quotient D′_{L}^{G}/D′_{K} donne l’égalité Cap_{L/K}^{bp} = P_{L}^{bp G}/P_{K}^{bp} et la capitulation pseudo-infinitésimale s’interprète ainsi comme le noyau

du morphisme entre groupes de cohomologie : H^{1}(G, μ_{L}^{loc}) → H^{1}(G, R_{L}^{bp}).

Pour calculer le groupe de droite, partons de la suite exacte qui définit R_{L}^{bp} :

1 → R_{L}^{∞} → R_{L}^{bp} → μ_{L_{ℓ}} = ∏_{𝔩|ℓ} μ_{L_{𝔩}} → 1.

Prenant la cohomologie et comparant la suite obtenue avec celle écrite pour R_{K}^{bp}, nous obtenons :

1 → H^{1}(G, R_{L}^{∞}) → H^{1}(G, R_{L}^{bp}) → H^{1}(G, μ_{L_{ℓ}}) → H^{2}(G, R_{L}^{∞}).

Et le groupe à gauche H^{1}(G, R_{L}^{∞}) est trivial, comme expliqué dans la section 1.

Il suit de là que l’on a H^{1}(G, R_{L}^{bp}) = 1, sous la condition suffisante H^{1}(G, μ_{L_{ℓ}}) = 1, laquelle est automatiquement vérifiée dès lors que l’extension L/K considérée est localement cyclotomique, c’est à dire, suivant la terminologie introduite dans [10], logarithmiquement non ramifiée.

Il vient ainsi, sous la conjecture de Leopoldt, qui assure l’égalité μ_{L}^{loc} = μ_{L} :

Proposition 8. Soit L/K une ℓ-extension de corps de nombres logarithmiquement non ramifiée et vérifiant la conjecture de Leopoldt. La capitulation pour le module de Bertrandias-Payan est alors donnée par l’isomorphisme :

Cap_{L/K}^{bp} ≃ H^{1}(G, μ_{L}).

4. Détermination de la capitulation pseudo-infinitésimale

Récapitulant les propositions précédentes, nous obtenons la description complète de Cap_{L/K}^{bp} :

Théorème 9. Soient L/K une ℓ-extension arbitraire de corps de nombres vérifiant la conjecture de Leopoldt, L′/K sa plus grande sous-extension qui est localement cyclotomique et G′ = Gal(L′/K) son groupe de Galois. La capitulation dans L/K pour le module de Bertrandias-Payan est alors donnée par l’isomorphisme :

Cap_{L/K}^{bp} ≃ H^{1}(G′, μ_{L}).

Scolie 10. Lorsque la ℓ-extension L/K est linéairement disjointe de la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique K^{c}/K, la capitulation pour le module de Bertandias-Payan est donnée par l’isomorphisme :

Cap_{L/K}^{bp} ≃ Hom(G′, μ_{K}).

Preuve. L’hypothèse de disjonction linéaire se traduit, en effet, par l’égalité : μ_{L} = μ_{K}.

Corollaire 11. Soient K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité, K^{lc} sa pro-ℓ-extension abélienne localement cyclotomique maximale et K^{c} sa sous-extension globalement cyclotomique. Soient L une ℓ-extension cyclique de K vérifiant la conjecture de Leopoldt (pour le premier ℓ), L′ = K^{lc} ∩ L et K′ = K^{c} ∩ L. L’ordre de la capitulation pseudo-infinitésimale est alors le minimum de l’ordre du ℓ-groupe de racines μ_{K}et du degré de l’extension L′/K′ :

|Cap_{L/K}^{bp}| = min {|μ_{K}|, [L′ : K′]}.

Preuve. Observons d’abord que nous avons par construction K′ = K[μ_{L}] donc μ_{K′} = μ_{L′} = μ_{L}. Le groupe quotient G′ = Gal(L′/K) étant cyclique, le premier groupe de cohomologie de G′ relatif à μ_{L} s’écrit comme quotient

H^{1}(G′, μ_{L}) ≃ _{N}μ_{L}/μ_{L}^{I_{G′}}

du noyau de la norme _{N}μ_{L} = {ζ ∈ μ_{L} | N_{L′/K}(ζ) = 1} par l’image de l’augmentation μ_{L}^{I_{G′}}. Le dénominateur μ_{L}^{I_{G′}} = {ζ ∈ μ_{L} | N_{K′/K}(ζ) = 1} ≃ μ_{K′}/μ_{K} est formé des racines [K′ : K]-ièmes de l’unité ; et le numérateur est sa pré-image dans μ_{L} par l’application ζ ↦ N_{L′/K′}(ζ) = ζ^{[L′:K′]}. Le premier est ainsi d’ordre (μ_{L} : μ_{K}) = [K′ : K] ; le second, d’ordre min {|μ_{L}|, [L′ : K]}.

Exemple 12. Soient K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité et L une extension cyclique de degré ℓ sur K vérifiant la conjecture de Leopoldt (pour le premier ℓ). Alors :

(i) Si L/K est cyclotomique (i.e. contenue dans K^{c}/K), la capitulation Cap_{L/K}^{bp} est triviale.

(ii) Si L/K est localement cyclotomique mais non globalement, on a : |Cap_{L/K}^{bp}| = ℓ

(iii) Si L/K n’est pas localement cyclotomique, la capitulation Cap_{L/K}^{bp} est triviale.

Illustrations numériques. Prenons ℓ = 3, pour K un corps biquadratique ℚ[\sqrt{d}, \sqrt{−3}] contenant les racines cubiques de l’unité ; et notons ε l’unité fondamentale du sous-corps réel de K.

(i) Pour K arbitraire et L = K[cos(2π/9)], l’extension L/K est le premier étage de la ℤ_{3}-tour cyclotomique ; il vient donc : Cap_{L/K}^{bp} = 1, quelle que soit la valeur de d.

(ii) Pour d = 42, 105, 195, 258 et L = K[\sqrt[3]{ε}], l’extension L/K est logarithmiquement non rami-

fiée (mais non 3-décomposée) et n’est pas globalement cyclotomique ; il suit : |Cap_{L/K}^{bp}| = 3. (iii) Pour d = 142, 223, 229, 235, en revanche, et L = K[\sqrt[3]{ε}], l’extension L/K est logarithmi-

quement ramifiée aux places au-dessus de 3 ; il suit : |Cap_{L/K}^{bp}| = 1.

Remarques. Lorsque K contient les racines ℓ-ièmes de l’unité, on sait par [9], Cor. A.2 ou [11], §3.3 que la trivialité du sous-groupe de ℤ_{ℓ}-torsion T_{K}^{bp} du module de Bertrandias-Payan Cℓ_{K}^{bp} équivaut à celle du ℓ-groupe des classes logarithmiques Cℓ_{K} ≃ Gal(K^{lc}/K^{c}).

Dans chacun des exemples L = K[\sqrt[3]{ε}] ci-dessus, le groupe de classes logarithmiques de K est d’ordre 3, ce qui assure la non-trivialité de T_{K}^{bp}. La liste fait apparaitre toutes les valeurs d < 300 pour lesquelles cette condition est remplie et ε n’est pas un cube local aux places au-dessus de 3.

5. Conoyau du morphisme d’extension dans le cas cyclique localement cyclotomique

Intéressons-nous maintenant au conoyau Cocap_{L/K}^{bp} = Coker j_{LK}^{bp} du morphisme d’extension

j_{LK}^{bp} : Cℓ_{K}^{bp} → Cℓ_{L}^{bp G} dans une ℓ-extension localement cyclotomique L/K de groupe de Galois G.

D’apès la proposition 5, la suite exacte des classes pseudo-infinitésimales ambiges nous donne : 1 → H^{1}(G, P_{L}^{bp}) → Cocap_{L/K}^{bp} → H^{2}(G, μ_{L}) → H^{2}(G, R_{L}^{bp}) → ⋯

ce qui, lorsque G est cyclique, nous conduit à la suite exacte courte :

1 → H^{1}(G, P_{L}^{bp}) → Cocap_{L/K}^{bp} → (μ_{K} ∩ N_{N/K}(R_{L}^{bp}))/N_{L/K}(μ_{L}) → 1.

Examinons successivement les deux groupes à droite et à gauche. Il vient :

Lemme 13. Dans une ℓ-extension localement cyclotomique de corps de nombres L/K, on a :

H^{1}(G, R_{L}^{bp}) = 1 .

Preuve. Partant de la suite exacte courte qui relie éléments infinitésimaux et éléments pseudoinfinitésimaux :

1 → R_{L}^{∞} → R_{L}^{bp} → μ_{L_{ℓ}} = ∏_{𝔏|ℓ} μ_{L_{𝔏}} → 1.

prenant la cohomologie et comparant la suite obtenue à celle écrite pour le corps K, nous obtenons par le serpent la suite exacte :

1 → H^{1}(G, R_{L}^{∞}) → H^{1}(G, R_{L}^{bp}) → H^{1}(G, μ_{L_{ℓ}}) → · · ·.

où le groupe H^{1}(G, R_{L}^{∞}) est toujours nul d’après le lemme 2 ; et le groupe H^{1}(G, μ_{L_{ℓ}}) aussi dès que l’extension L/K est localement cyclotomique ; d’où le résultat annoncé.

Lemme 14. Dans une ℓ-extension cyclique localement cyclotomique de corps de nombres L/K linéairement disjointe de la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique K^{c}/K, on a :

(μ_{K} ∩ N_{L/K}(R_{L}^{bp}))/N_{L/K}(μ_{L}) = μ_{K}/N_{L/K}(μ_{L}) = μ_{K}/μ_{K}^{[L:K]}.

Preuve. Tout le problème est de vérifier l’inclusion : μ_{K} ⊂ N_{L/K}(R_{L}^{bp}). Partons donc d’une racine de l’unité ζ ∈ μ_{K}. L’extension L/L étant localement cyclotomique, son image semilocale s_{ℓ}(ζ) dans μ_{K_{ℓ}} est contenue dans N_{L/K}(μ_{L_{ℓ}}). Il existe donc un x_{L} ∈ R_{L}^{bp} tel qu’on ait : s_{ℓ}(ζ/N_{L/K}(x_{L})) = 1 ; et le quotient ζ/N_{L/K}(x_{L})) = 1 est ainsi dans R_{K}^{∞}. Par ailleurs, ζ, qui est norme locale partout par hypothèse, est également une norme globale en vertu du principe de Hasse, puisque l’extension L/K est supposée cyclique ; de sorte que ζ/N_{L/K}(x_{L})) = 1 est donc en fait dans R_{K}^{∞} ∩ N_{L/K}(R_{L}). Le résultat attendu résulte donc du :

Lemme 15. Dans une ℓ-extension cyclique de corps de nombres L/K, on a :

R_{K}^{∞} ∩ N_{L/K}(R_{L}) = N_{L/K}(R_{L}^{∞}).

Preuve. La suite longue de cohomologie associée dans le cas cyclique à la suite exacte canonique

1 → R_{L}^{∞} → R_{L} → R_{L_{ℓ}} = ∏_{𝔏|ℓ} R_{L_{𝔏}} → 1

nous fournit la séquence exacte :

⋯ → H^{1}(G, R_{L_{ℓ}}) → H^{2}(G, R_{L}^{∞}) → H^{2}(G, R_{L}) → · · ·.

où le groupe à gauche est nul par le Théorème 90 semi-local ; ce qui donne l’égalité annoncée.

Récapitulant ce qui précède, nous obtenons finalement le résultat synthétique suivant :

Théorème 16. Soit K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité ; L/K une ℓextension cyclique localement cyclotomique linéairement disjointe de la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique K^{c}/K ; et G = Gal(L/K) son groupe de Galois. Noyau et conoyau du morphisme d’extension j_{LK}^{bp} : Cℓ_{K}^{bp} → Cℓ_{L}^{bp G} entre classes pseudo-infinitésimales sont alors donnés sous la conjecture de Leopoldt par les isomorphismes :

Cap_{L/K}^{bp} ≃ H^{1}(G, μ_{K}) = _{[L/K]}μ_{K}  &  Cocap_{L/K}^{bp} ≃ H^{2}(G, μ_{K}) = μ_{K}/μK^{[L/K]}.

6. Application aux tours localement cyclotomiques

Il est naturel de se demander si un corps de nombres donné K, dont le module de Bertrandias-Payan T_{K}^{bp} est non-trivial, possède ou non une ℓ-extension L avec T_{L}^{bp} = 1.

Lorsque K ne contient pas les racines ℓ-ièmes de l’unité, le Théorème 6 répond à la question :

Théorème 17. Si K est un corps de nombres pour lequel on a μ_{K} = 1 mais T_{K}^{bp} ≠ 1, toutes ses ℓ-extensions L vérifient les deux mêmes propriétés : μ_{L} = 1 mais T_{L}^{bp} ≠ 1.

Preuve. D’après le Théorème 6, en effet, le morphisme d’extension j_{L/K}^{bp} : T_{K}^{bp} → T_{L}^{bp} est injectif.

Regardons maintenant le cas où K contient les racines ℓ-ièmes de l’unité. Il vient alors :

Lemme 18. S’il existe une ℓ-extension L/K avec T_{L}^{bp} = 1, alors sa sous-extension localement cyclotomique (i.e. logarithmiquement non ramifiée) maximale L′/K vérifie aussi T_{L′}^{bp} = 1.

Preuve. D’après la Proposition 7, en effet, le morphisme d’extension i_{L/L′}^{bp} : T_{L′}^{bp} → T_{L}^{bp} est injectif, puisque L/L′ ne contient par construction aucune sous-extension logarithmiquement non ramifiée.

Il suit de là que la question de la trivialisation du module de Bertrandias-Payan peut s’appréhender dans les tours localement cyclotomiques et qu’elle se ramène donc à l’étude de la trivialisation du ℓ-groupe des classes logarithmiques par ℓ-extension logarithmiquement non ramifiée, déjà conduite dans une série d’articles : [12], [13], [14]. Il vient ainsi :

Théorème 19. Soit K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité. Les assertions suivantes sont équivalentes, qui impliquent les conjectures de Leopoldt et de Gross-Kuz’min :

(i) Il existe une ℓ-extension L/K qui admet un module de Bertrandias-Payan trivial : T_{L}^{bp} = 1.

(ii) Il existe une ℓ-extension localement cyclotomique L/K qui vérifie : T_{L}^{bp} = 1.

(iii) K a une ℓ-extension localement cyclotomique L logarithmiquement principale : Cℓ_{L} = 1. (iv) La ℓ-tour localement cyclotomique de K est finie.

Preuve. Rappelons qu’il est associé dans [12] à chaque corps de nombres K une ℓ-tour localement cyclotomique K = K_{0} ⊂ K_{1} ⊂ K_{2} ⊂ ⋯ ⊂ K_{n} ⊂ ⋯ K_{∞} obtenue en prenant pour premier étage K_{1} le compositum des sous-extensions K′/K de la pro-ℓ-extension abélienne localement cyclotomique maximale K^{lc}/K, qui sont linéairement disjointes de la ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique K^{c}/K et pour lesquelles on a K^{lc} = K′K^{c}; puis en itérant le procédé à partir de K_{1} (cf. [12] §3).

Et il est montré (cf. [12], Th. 4) que cette tour est finie si et seulement si le corps K possède une ℓ-extension localement cyclotomique L logarithmiquement principale ; ce qui établit l’équivalence de (iii) et de (iv). Celle de (ii) et (iii) résulte des théorèmes de dualité cités plus haut ([9], Cor. A.2 et [11], §3.3), qui assurent que les groupes Cℓ_{L} et T_{L}^{bp} ont même rang dès lors que le corps L contient les racines ℓ-ièmes de l’unité. Enfin l’équivalence de (i) et (ii) est donnée par le Lemme.

Par ailleurs, comme expliqué dans e.g. [7], [8], [11], [15] ou [16], en présence des racines ℓ-ièmes de l’unité la trivialité du ℓ-groupe des classes logarithmiques entraîne la validité des conjectures de Leopoldt et de Gross-Kuz’min (dite aussi conjecture de Gross généralisée). Chacune des conditions ci-dessus implique donc la validité des conjectures de Leopoldt et de Gross-Kuz’min dans une ℓextension L de K et donc, par hérédité, dans K.

Remarques. Pour un corps de nombres donné, il peut arriver que la tour localement cyclotomique K_{∞}/K soit finie comme infinie. Des critères d’infinitude, basés sur le théorème de Golod et Šafarevič, sont donnés dans [12] et [13]. Inversement quelques conséquences de la finitude sont présentées dans [14].

Sur le problème de la capitulation pour le ℓ-groupe des classes logarithmiques, voir [15].

Exemple. Les calculs sur pari montrent que le corps sextique K = ℚ[\sqrt[3]{17}, \sqrt{−3}] a un 3-groupe des classes logarithmiques d’ordre 3, donc exactement quatre 3-extensions cycliques de degré 3 qui sont localement cyclotomiques, parmi lesquelles la cyclotomique K[cos(2π/9)]. Pour chacune des trois autres L, on trouve Cℓ_{L} = 1. La 3-tour localement cyclotomique de K est ainsi de hauteur 1.

7. Typologie du cas cyclique élémentaire

Supposons toujours que K contient le groupe lμ .. _{ℓ} des racines ℓ-ièmes de l’unité et regardons plus spécialement le cas où L est une ℓ-extension cyclique élémentaire (i.e. de degré ℓ) localement mais non globalement cyclotomique, de sorte que nous avons en particulier μ_{L} = μ_{K} ≠ 1.

Cette situation est gouvernée par le porisme suivant (à ne pas confondre avec [5] §4.1) :

Définition & Proposition 20. Soit K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité ; L/K une ℓ-extension cyclique élémentaire localement cyclotomique ; et 𝔞_{K} ∈ D′_{K} représentant une classe non-triviale de Cℓ_{K}^{bp} qui capitule dans Cℓ_{L}^{bp}. Alors, sous la conjecture de Leopoldt :

— ou bien le diviseur 𝔞_{K} représente une classe non-triviale du groupe logarithmique Cℓ_{K} qui capitule dans Cℓ_{L} et nous disons que l’extension L/K est de type classe ;

— ou bien le diviseur 𝔞_{K} est logarithmiquement principal, auquel cas on a L = K[\sqrt[ℓ]{ε_{K}}] pour une unité logarithmique ε_{K} ∈ E_{K}, et nous disons que l’extension L/K est de type unité.

Preuve. Écrivons 𝔞_{K} = (α_{L}) dans D′_{L} et 𝔞_{K}^{ℓ} = (α′_{K}) dans D′_{K} puisque les hypothèses faites imposent à la classe du diviseur 𝔞_{K} d’être d’ordre exactement ℓ dans Cℓ_{K}^{bp}. Le quotient α′_{K}/α_{L}^{ℓ} est alors,comme déjà vu dans la section 3, une racine (locale partout donc globale) de l’unité ζ_{K}. Remplaçant α′_{K} par α_{K}/ζ_{K}, nous obtenons α_{K} = α_{L}^{ℓ} et L = K[\sqrt[ℓ]{α_{K}}].

Observons maintenant que l’égalité 𝔞_{K} = (α_{L}) implique deg_{L} 𝔞_{L} = deg_{L} α_{L} = 0 (cf. [10]), de sorte que 𝔞_{K}, regardé comme diviseur logarithmique de K, est de degré nul, ce qui permet de considérer sa classe dans le groupe logarithmique Cℓ_{K}. Cela étant :

— Si elle est triviale, écrivons 𝔞_{K} = div(β_{K}) pour un β_{K} de R_{K}. Il vient alors α_{K} = ε_{K}β_{K}^{ℓ} pour une unité logarithmique ε_{K} et donc L = K[\sqrt[ℓ]{ε_{K}}], comme annoncé.

— Inversement, si l’on a L = K[\sqrt[ℓ]{ε_{K}}] pour une unité logarithmique ε_{K}, il suit α_{K} = ε_{K}β_{K}^{ℓ} pour un β_{K} de R_{K} ; puis 𝔞_{K}^{ℓ} = div(α_{K}) = div(β^{ℓ}). Et 𝔞_{k} = div(β_{K}) est logarithmiquement principal, ce qui achève la démonstration du porisme.

Exemples. Pour K = ℚ[\sqrt{d}, \sqrt{−3}] et d = 29, 62, 74, 77, …, le corps biquadratique K possède une unique place au-dessus de 3 et un 3-groupe des classes logarithmiques d’ordre 3. Son groupe des unités logarithmiques E_{K} coïncide avec le 3-adifié E′_{K} = ℤ_{3} ⊗_{ℤ} E′_{K} du groupe des 3-unités et l’unité fondamentale ε du sous-corps quadratique réel ℚ[\sqrt{d}] est donc aussi une unité logarithmique. Le calcul montre que c’est un cube local (au dessus de 3) dans K. Ainsi l’extension 3-ramifiée L = K[\sqrt[3]{ε}] est 3-décomposée et donc localement cyclotomique. Elle est, bien sûr, de type unité.

Pour illustrer le type classe, considérons le cas des extensions à conjugaison complexe :

Proposition 21. Soient K, contenant le groupe lμ .. _{ℓ} des racines ℓ-ièmes de l’unité, un corps à conjugaison complexe, extension quadratique totalement imaginaire d’un sous-corps K_{+} totalement réel, et L une ℓ-extension localement cyclotomique de K provenant par composition avec K d’une ℓextension cyclique élémentaire L_{+} de K_{+} autre que la cyclotomique. Dans ce cas, sous la conjecture de Gross-Kuz’min, l’extension L/K est toujours de type classe.

Preuve. Notons τ la conjugaison complexe. Le nombre premier ℓ étant impair, chaque ℤ_{ℓ}-module galoisien se décompose naturellement en ses composantes réelles et imaginaires par action des deux idempotents e_{±} = \frac{1}{2}(1 ± τ). Par hypothèse, le groupe de Galois Gal(L/K) ≃ Gal(L_{+}/K_{+}) est réel ; le radical correspondant Rad(L/K) ≃ Hom(Gal(L/K), lμ .. _{ℓ} ) est donc imaginaire. Or, sous la conjecture de Gross-Kuz’min, la composante imaginaire du groupe des unités logarithmiques se réduit aux racines de l’unité (cf. [10]). La seule ℓ-extension élémentaire localement cyclotomique de type unité est donc la cyclotomique, qui a été exclue. Nota. Dans la situation ci-dessus, la composante réelle du ℓ-groupe des classes logarithmiques Cℓ_{K}^{e_{+}} ≃ Cℓ_{K_{+}} est non-triviale par hypothèse. Sous la conjecture de Gross-Kuz’min, les inégalités du miroir assurent alors qu’il en est de même de la composante imaginaire Cℓ_{K}^{e_{−}}, laquelle a même rang que le module de Bertrandias-Payan T_{K_{+}}^{bp} ≃ (T_{K}^{bp})^{e_{+}}. Or, celui-ci s’injecte dans T_{L_{+}}^{bp} ≃ (T_{L}^{bp})^{e_{+}}, puisque la capitulation Cap_{L/K}^{bp} ≃ H^{1}(G, μ_{L}) est imaginaire. En particulier, le ℓ-groupe T_{L_{+}}^{bp} est donc toujours non-trivial dans ce cas.

8. Capitulation ultime dans les tours localement cyclotomiques

Les résultats de la section 6 montrent qu’un corps de nombres K dont le module de Bertrandias-Payan T_{K}^{bp} est non-trivial ne peut admettre de ℓ-extension N avec T_{N}^{bp} = 1 que s’il contient le groupe lμ .. _{ℓ} des racines ℓ-ièmes de l’unité et si sa ℓ-tour localement cyclotomique N/K est finie. Cette tour peut alors être décrite (non canoniquement) par empilement d’extensions cycliques élémentaires K = K_{0} ⊂ K_{1} ⊂ ⋯ ⊂ K_{n} = N de degrés relatifs [K_{i+1} : K_{i}] = ℓ. L’objet de cette dernière section est de regarder plus attentivement le dernier étage K_{n}/K_{n−1} d’une telle tour.

Soit donc K un corps de nombres avec μ_{K} ⊃ lμ .. _{ℓ} et T_{K}^{bp} ≠ 1, possédant une ℓ-extension L de degré ℓ avec T_{L}^{bp} = 1. Notons G = Gal(L/K) et observons que T_{K}^{bp} capitule dans L, ce qui impose à l’extension L/K d’être localement mais non globalement cyclotomique, donc de vérifier μ_{L} = μ_{K}, et à T_{K} = Cap_{L/K}^{bp} ≃ Hom(G, μ_{L}) d’être d’ordre ℓ (cf. §3).

Par ailleurs, L contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité, la trivialité de T_{L}^{bp} équivaut à celle du ℓ-groupe des classes logarithmiques Cℓ_{L} (et implique au passage la validité dans L des conjectures de Leopoldt et de Gross-Kuz’min). En d’autres termes la pro-ℓ-extension abélienne localement cyclotomique maximale L^{lc} de L coïncide avec sa ℤ_{ℓ}-extension cyclotomique L^{c}. Il suit K^{lc} = L^{lc} = L^{c} et le ℓ-groupe des classes logarithmiques Cℓ_{K} de K est donc exactement d’ordre ℓ.

Ce point acquis, nous pouvons observer que toutes ces propriétés se propagent à chaque étage fini L_{n}/K_{n} de la ℓ-tour cyclotomique L^{c}/K^{c} construite sur l’extension L/K. En effet, la trivialité du ℓ-groupe des classes logarithmiques Cℓ_{L} ≃ Gal(L^{lc}/L^{c}) montre que la pro-ℓ-extension (galoisienne) localement cyclotomique maximale de L se réduit encore à L^{c}, de sorte que tous les Cℓ_{L_{n}} sont identiquement nuls. Par dualité, il en est de même des modules T_{L_{n}}^{bp} de sorte que chacune des extensions L_{n}/K_{n} vérifie nos hypothèses de départ. En particulier, il vient ainsi :

|T_{K_{n}}^{bp}| = |Cℓ_{K_{n}}| = ℓ & |T_{L_{n}}^{bp}| = |Cℓ_{L_{n}}| = 1

à chaque étage fini n ∈ ℕ de la ℓ-tour cyclotomique.

Regardons maintenant le sommet L^{c}/K^{c} de la tour : L’extension L^{c}/K^{c} est localement cyclotomique, donc, dans le cas présent, complètement décomposée en chacune de ses places. Comme L^{c} ne possède aucune ℓ-extension non-triviale complètement décomposée partout, c’est précisément la ℓ-extension (en l’occurence abélienne) complètement décomposée maximale de K^{c}. Et le groupe de Galois Gal(L^{c}/K^{c}) ≃ G est donc isomorphe à la limite projective (pour les applications normes) des ℓ-groupes de ℓ-classes Cℓ′_{K_{n}} des corps K_{n}. Autrement dit, il suit :

\underleftarrow{lim} Cℓ_{K_{n}} = \underleftarrow{lim} Cℓ′_{K_{n}} ≃ G i.e. Cℓ_{L_{n}} = Cℓ′_{L_{n}} = 1 pour tout n ≫ 0 ;

puis, par un argument classique de Théorie d’Iwasawa :

\underrightarrow{lim} Cℓ_{K_{n}} = \underrightarrow{lim} Cℓ′_{K_{n}} = Cℓ′_{K^{c}} = 1,

de sorte que, contrairement aux modules T_{K_{n}}^{bp}, les groupes de classes Cℓ_{K_{n}} et Cℓ′_{K_{n}} capitulent ultimement dans la ℓ-tour cyclotomique à chaque étage assez grand K_{n+1}/K_{n}, avec apparition à chaque fois au niveau supérieur de classes (ambiges) qui ne proviennent pas de l’étage inférieur.

À l’opposé, puisqu’il n’y a pas de capitulation pour les modules de Bertrandias-Payan dans la ℓ-tour cyclotomique, tous les T_{K_{n}}^{bp} sont engendrés par la classe d’un même diviseur 𝔞_{K} ∈ D′_{K}, lequel est logarithmiquement principal pour n ≫ 0. Il suit de là que les extensions L_{n}/K_{n} sont ultimement de type unité. En résumé, il vient :

Théorème 22. Soit K un corps de nombres contenant les racines ℓ-ièmes de l’unité avec T_{K}^{bp} ≠ 1, mais qui possède une ℓ-extension L de degré [L : K] = ℓ avec T_{L}^{bp} = 1. On a alors :

— |T_{K_{n}}^{bp}| = |Cℓ_{K_{n}}| = ℓ et T_{L_{n}}^{bp} = Cℓ_{L_{n}} = 1 à chaque étage fini L_{n}/K_{n} de la ℓ-tour cyclotomique.

— Cℓ_{K_{n}} = Cℓ′_{K_{n}} pour tout n ≫ 0 avec capitulation dans Cℓ_{K_{n+1}} = Cℓ′_{K_{n+1}} ; et donc Cℓ′_{K^{c}} = 1. En particulier les ℓ-extensions localement cyclotomiques L_{n}/K_{n} sont ultimement de type unité.

Remarque. Le corps sextique K = ℚ[\sqrt[3]{17}, \sqrt{−3}] présenté à la fin de la section 3 fournit un exemple simple de la situation décrite ci-dessus. Bien entendu, quoique totalement imaginaire, il n’est pas à conjugaison complexe, cette conjugaison étant incompatible avec le type unité (cf. §7).

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Jean-François Jaulent Institut de Mathématiques de Bordeaux Université de Bordeaux & CNRS 351, cours de la libération F-33405 Talence Cedex courriel : Jean-Francois.Jaulent@math.u-bordeaux1.fr