Канонический базис Гензеля-Шафаревича для формальных модулей Любина-Тейта и Хонды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.01.06, кандидат наук Иконникова Елена Валерьевна

• Иконникова Елена Валерьевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Иконникова Елена Валерьевна

1.2.3 Примарные элементы

1.3 Формальные группы Хонды

1.3.1 Формальные группы Хонды и их тип

1.3.2 Классификационные теоремы

2 Канонический базис для многомерного локального поля

2.1 Обозначения

2.2 Сходимость рядов с р-адическими коэффициентами

2.3 Экспонента Артина-Хассе

2.4 Случай поля без р-корней из единицы

2.5 Элемент ш(а)

2.6 Случай поля с р-корнями из единицы

3 Канонический базис для формальных модулей Любина-Тейта

3.1 Обозначения

3.2 Предварительные сведения

3.2.1 Формальные модули

3.2.2 Примарные элементы в формальном модуле

3.2.3 Действие изогении [п0]

3.3 Случай конечного поля вычетов

3.3.1 Случай отсутствия нетривиальных корней изогении [п^]

3.3.2 Случай наличия нетривиальных корней изогении [п^]

3.4 Случай совершенного поля вычетов

3.4.1 Случай e ф 0 mod (q - 1)

3.4.2 Случай e ф 0 mod (q — 1)

3.4.3 Базис формального модуля F(M) в случае совершенного поля вычетов

3.5 Случай несовершенного поля вычетов

3.5.1 Случай e = 0 mod (q — 1)

3.5.2 Случай e ф 0 (mod q — 1)

3.5.3 Базис формального модуля F(M) в случае несовершенного поля вычетов

4 Канонический базис для формальных модулей Хонды

4.1 Обозначения

4.2 Предварительные сведения

4.2.1 Основные результаты

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Канонический базис Гензеля-Шафаревича для формальных модулей Любина-Тейта и Хонды»

Введение

Тема исследования, ее актуальность и разработанность

Исследования формальных групп связаны со многими активно развивающимися разделами математики.

Во-первых, они играют важнейшую роль в теории полей классов. Так, формальные группы Любина-Тейта являются ключевым элементом при описании абелевых расширений локального поля (локальная теорема Кронекера-Вебера)

([37]).

Во-вторых, построение формальных групп помогает в изучении эллиптических кривых ([41]).

В-третьих, формальные группы постоянно возникают в алгебраической топологии при изучении обобщенных теорий когомологий ([1]). Учитывая тесную связь обобщенных теорий когомологий со стабильной теорией гомотопий и изучением спектров, формальные группы чрезвычайно полезны и для этих областей. Применение их в алгебраической топологии началось с работ Новикова, Бухштабера и Квиллена ([22], [3], [38]).

В-четвертых, формальные группы можно рассматривать как "промежуточное звено" между группами Ли и алгебрами Ли.

Известны также примеры приложения формальных групп к столь неожиданной области, как раскраска гиперграфов.

Построение базисов формальных модулей является ключевым шагом к выведению явных формул для символа Гильберта. Данная задача имеет долгую историю. Еще в работе Э. Куммера [35] был доказан результат, который в современных терминах является явной формулой для символа Гильберта меж-

ду определёнными элементами кругового расширения поля р-адических чисел. Явные формулы несколько иного типа впервые появляются в работе Артина и Хассе [26]. В дальнейшем развивались оба направления — построение формул типа Артина-Хассе (где символ Гильберта выражается через след некоторого элемента) и типа Куммера (представляющих символ Гильберта в виде вычета определённого ряда).

Сначала опишем развитие формул типа Артина-Хассе. В круговом локальном поле ) явные формулы такого типа были получены К. Ивасавой ([34]), в произвольном локальном поле — Ш. Сеном ([39]). Также изучался символ Гильберта, определённый относительно формальной группы. А. Уайлс ([42]) получил формулу типа Артина-Хассе для формальных групп Любина-Тейта для поля деления изогении [пт], А. В. Колывагин ([20]) — для полей, содержащих поле деления изогении [пт]. В мультипликативном случае и в случае формальных групп Любина-Тейта продвижения были также получены Р. Коулманом ([29]). Выдвинутая им гипотеза о виде формулы в общем случае формальных групп Любина-Тейта была доказана А. Де Шалитом [40]. Ф. Детрам [30] обобщил формулы Сена на случай формальных групп Любина-Тейта, а Д. Бенуа [27] — на случай р-делимых групп.

Изучение формул Куммеровского типа было продолжено в работе И. Р. Ша-фаревича [24]. С помощью теоремы Гензеля [33] Шафаревич построил мультипликативный базис группы главных единиц и, пользуясь разложением по этому базису, дал явное определение символа Гильберта в виде вычета некоторого ряда.

Более элементарные формулы в общем случае были получены в конце семидесятых годов независимо С. В. Востоковым ([12]) и Г. Брюкнером ([28]). В работе Востокова был преобразован и развит подход, использованный Шафа-ревичем. Метод, предложенный в этой работе, был впоследствии успешно применён в значительном количестве других важных случаев. Изложим подробнее основные шаги этого метода.

1. В соответствующем модуле (модуль формальной группы либо мультипликативная группа поля) строится система образующих, называемая обыч-

но системой образующих Гензеля или базисом Шафаревича (построение проводится по аналогии с методом, использованным Шафаревичем для построения базиса в работе [24]).

2. На кольце рядов строится формальное спаривание (•, •), заданное явной формулой как вычет некоторого ряда. Это спаривание определяется между формальными аналогами объектов, на которых задан символ Гильберта. Проверяется линейность и символьное свойство для формального спаривания. Затем с помощью разложения элементов поля К в ряды по простому элементу формальное спаривание переносится на К до спаривания {•, •}. Проверяется корректность этой конструкции, независимость результата от конкретного разложения в ряд и выбора простого элемента.

3. Полученное спаривание {•, •} вычисляется на элементах системы образующих Гензеля, и на них проверяется её совпадение с символом Гильберта.

4. С использованием независимости явного спаривания совпадение построенного спаривания {•, •} и символа Гильберта проверяется на всех элементах. Таким образом получается явная формула символа Гильберта.

Подобная схема была использована при построении формул типа Куммера для формальных групп Любина-Тейта ([4] - [7], [23]) относительных формальных групп Любина-Тейта ([8]), формальных групп Хонды ([9], [10]), для обобщенных формальных групп Любина-Тейта ([21]) и в ряде работ, посвященных многомерному локальному полю.

В случае классического локального поля с полем вычетов характеристики р, не содержащего корень из единицы степени р, элементы базиса Шафаревича выглядят следующим образом:

Е (сгХ *)|х=п,

где Е — экспонента Артина-Хассе, п — униформизирующая локального поля, С принадлежат набору ^ представителей в К базиса последнего поля вычетов

к над ¥р, 1 < г < . Любая главная единица поля единственным образом представима в виде произведения элементов базиса в целых р-адических степенях.

Если наибольшее т, такое, что поле содержит корень из единицы степени рт, больше нуля, то в набор элементов базиса Шафаревича добавляется элемент

ш(а) = Е (аз(Х ))|х=п,

где а — целый элемент подполя инерции, такой, что его след в Qp не делится на рт, а в — ряд с целыми коэффициентами из подполя инерции. При этом

з(Х) = х(Х)рт - 1,

где г(X) — ряд с целыми коэффициентами из подполя инерции, причем

х (п) = ^рт,

первообразному корню из единицы степени рт. Любая главная единица поля представима в виде произведения элементов базиса в целых р-адических степенях, при этом базис является каноническим по модулю Крт, т. е. для двух элементов поля, отличающихся множителем из Крт, соответствующие показатели в представлении сравнимы по модулю рт.

Цели и задачи исследования

Целью данного исследования является построение системы образующих для формальных модулей Любина-Тейта и Хонды.

Методы исследования

Работа носит теоретический характер. Использовались методы алгебраической теории чисел и теории формальных групп.

Научная новизна и степень достоверности

Все представленные результаты являются новыми, их достоверность подтверждается наличием математически строгих доказательств.

Публикации и апробация результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• конференции "Local Arithmetic Geometry" (Санкт-Петербург, 2015),

• международной конференции по алгебре, анализу и геометрии (Казань, 26 июня - 2 июля 2016 года),

• XV международной конференции "Алгебра, теория чисел и дискретная геометрия: современные проблемы и приложения" (Тула, 28-31 мая 2018 года),

• семинарах в СПбГУ и ПОМИ.

Результаты опубликованы в 3 статьях ([18], [19], [13]). Статья [18] написана в соавторстве, диссертанту принадлежат леммы 2 и 3 из §1 и доказательство теоремы 5. Статья [13] написана в соавторстве, диссертанту принадлежит раздел 3.1. Все журналы, в которых были опубликаованы результаты, входят в список рекомендованных ВАК для соискателей ученой степени кандидата и доктора наук и в наукометрическую базу данных SCOPUS.

Положения, выносимые на защиту

Теорема 1. Пусть n-мерное поле K не содержит корень из единицы степени p. Тогда любую его главную единицу можно представить в виде

П E(в???Г 1?=?,

? eQ

где

• О — допустимое множество;

• в-— е ^ - система представителей базиса последнего поля вычетов как векторного пространства над ¥р;

• а— е ^р;

• —— — локальные параметры;

• 0 < - < р—р); • р ,

однозначно при г>п(р) > 0 и с точностью до множителя из Кр для произвольного натурального (1 при уп(р) = 0, причем такое представление канонично по модулю КрЛ.

Теорема 2. Пусть К - п-мерное поле, и наибольшее т, такое, что поле содержит корень из единицы степени рт, больше нуля. Обозначим этот корень за (. Тогда любую главную единицу поля К можно представить в виде

П E(Q*1*E(as(X))ь|х 1 Q

где

• Q — допустимое множество;

• Q* € Ш;

• ail ,b € Zp;

• 1 — локальные параметры;

• 0 < 1 < p1 (p)/(p — 1);

• p J1 ;

• a — целый элемент подполя инерции, такой, что TrT/Qpa = 1 mod p

m .

7

• х(Х) Е Д{{Хх}}{{Х2}}...{{Хп-1}}[[Хп]], причем г(Х) = (р™, первообразному корню из единицы степени рт;

• в = гРт - 1,

с точностью до множителя из Крт. При этом базис является каноническим по модулю Крт, т.е. для двух элементов поля, отличающихся множителем из Крт, соответствующие показатели в представлении сравнимы по модулю рт.

Рассмтрим теперь построение системы образующих для формальных модулей Любина-Тейта. Опишем рассматриваемую ситуацию. У нас имеется локальное поле К0 нулевой характеристики, к0 — поле вычетов К0, |к0| = # = р? > 0, К — полное дискретно нормированное поле, содержащее К0, с полем вычетов к. Пусть также Г(Х, У) — формальная группа Любина-Тейта над О0 (кольцом целых К0), Г(М) - формальный О0-модуль, натянутый на максимальный идеал поля К.

Основные результаты (в обозначениях, вводимых далее) выглядят так: Теорема 3. Пусть к совершенно. Тогда множества

Е(Оп3),в Е Se,в = ет,

Е(Нпет) и Е(Епе1),

являются системой образующих модуля Г(М) над О0. Т.е., любой элемент а Е Г(М) представим в виде

а = [а*]п*пет +Р ^р[аг]£г,

где £{ пробегает все упомянутые множества, кроме элемента п* Е Кетф, а.ь,а* Е О0. При этом а.ь,а* определены однозначно по модулю пЩ.

Теорема 4. Пусть к несовершенно. Тогда множество

Е А [7>]п^*) и Е(Тпче)

является системой образующих модуля Г(М) над от. Т.е., любой элемент а е Г(М) представим в виде

в = £ Кв]еК*г™*") К?]е(7п").

При этом аа?,Ьопределены однозначно по модулю пЩ.

Далее мы переходим к построению системы образующих для формальных модулей Хонды. Пусть к - локальное поле характеристики 0, & = Fq, д = р^, р = 2, к'/к - конечное неразветвленное расширение с униформизующей п, К -п-мерное локальное поле, Ь - конечное расширение К, имеющее вид

Ь = Ь:((Т2))... ((Тп)),

Ь - конечное расширение К1 и Ь = Ь1((Т2))... ((Т^))), М - максимальный идеал в Ь. Пусть Г(X, У) е ОК[[X, У]] - формальная группа.

Теорема 5. Элементы

Ш{(Ь),Ь еОК, 1 < г < Н,

Е%(вП1 Тг22 ...ТПп), ^(вп1 Т22 ...Тпп),

где в е К, а е 0*к, 1 < р < ¡Н, р \ —, 0 < гп < в, = рьвп/(рк - 1), , Ед,а - определенные далее изоморфизмы, связанные с многочленами Эньяра, являются множеством образующих для Г(М).

Структура диссертации

Текст диссертации изложен на 77 страницах. Он включает в себя введение, четыре главы и заключение. Список литературы состоит из 42 наименований.

В первой главе приведены необходимые предварительные сведения о формальных группах. Вторая глава посвящена построению базиса Шафаревича

для многомерного поля с совершенным последним полем вычетов. Третья глава посвящена построению системы образующих для формальных модулей Любина-Тейта. В четвертой главе рассматривается случай формальных модулей Хонды.

Глава 1

Предварительные сведения

В этой главе мы изложим основные определения и теоремы теории формальных групп. Изложение материала основывается на [31].

1.1 Формальные группы: определение и простейшие свойства

В этом разделе А - коммутативное кольцо с единицей.

Определение 1. Формальный степенной ряд от двух переменных Г(Х,У) Е А[[Х, У]] задает коммутативную формальную группу над кольцом А, если выполняются условия

Г(Х, 0) = Г(0, Х) = Х, Г (Г (Х,У ),Е) = Г (Х, Г (У^)), Г (Х,У) = Г (У,Х).

(1.1) (1.2) (1.3)

Простейшими примерами являются аддитивная формальная группа

Г+(Х,У) = Х + У

(1.4)

и мультипликативная формальная группа

Гх(Х,У) = Х + У + ХУ = (1 + Х)(1 + У) - 1. (1.5) Из определения следует, что формальная группа имеет вид

Г(Х, У) = Х + У + ^ агзХгУ1, агз Е А. (1.6)

Определение 2. Формальный степенной ряд /(Х) Е ХА[[Х]] называется гомоморфизмом из формальной группы Г в формальную группу О, если

! (Г (Х, у )) = о(/(Х),! (У)). (1.7)

/ называется изоморфизмом, если существует обратный к нему относительно композиции ряд д = /-1, т.е., (/ о д)(Х) = (д о f )(Х) = Х.

Множество Еп^ (Г) эндоморфизмов формальной группы Г (гомоморфизмов из Г в Г) обладает структурой кольца относительно сложения

/(Х)+Р д(Х) = Г(!(Х),д(Х)) (1.8)

и композиции.

Лемма 1. Существует единственный гомоморфизм % Х еп6.а(г):

п х [и]р. (1.9)

Доказательство. Положим

[0]р = 0, [1>(Х) = Х, [п + 1]р(Х) = Г([п]г(Х),Х) при п ^ 0. (1.10)

Теперь покажем, что существует формальный степенной ряд [— 1]_р(Х) Е ХА[[Х]] такой, что Г(Х, [—1]^(Х) = 0. Положим (Х) = —Х. Предположим,

что

F(X,pi(X)) ф 0 mod deg (i + 1) при 1 < i < m (1.11)

и, кроме того,

F(X, ifm(X)) ф cm+lXm+l mod deg (m + 2). (1.12)

Тогда, положив

Pm+l(X) = (Pm(X) - Cm+lXm+\ (1.13)

получим

F(X, Vm+l(X)) = X + (pm(X) - Cm+lXm+1 + ^ üjXУ (pm+l(X))j Ф

i+j >2

ф F(X, ¥m(X) - Cm+lXm+l ф 0 mod deg (m + 2) (1.14)

Предел limpm(X) обладает требуемым свойством. Взяв его за [—1]F(X), положим

[n]F(X) = F([n + 1]f(X), [—1]f(X) (1.15)

для n ^ -2. Легко видеть, что полученное отображение является гомоморфизмом. □

Пусть теперь K - поле характеристики 0.

Предложение 1. Любая формальная группа над K изоморфна аддитивной формальной группе F+, т.е., существует формальный степенной ряд A(X) £ XK[[X]], A(X) ф X mod deg 2, такой что

F (X, Y) = A-l(A(X) + A(Y)). (1.16)

Доказательство. Обозначим за F22 (X,Y) частную производную ^ (X,Y). До-

кажем, что

Г2 (г (Х, у ), 0) = Г2 (Х, у )Г2 (у, 0). (1.17)

Сначала заметим, что

д д Г2(Х, Г(У^))Г2(У^) = —Г(Х, Г(У^)) = —Г(Г(Х, У). (1.18)

Подставим Z = 0. Теперь возьмем такой ряд Х(Х) = Х + ^ спХп, что

п>2

Х(Х ] =1 + 5 пс"Х п—1 = -ЩЩ = 1 + Х +Е а,1Х.. (1.19)

п>2 ¿>1

Тогда

д К-(ХУ= = ^ = ) (1.20)

дУ у у ' " -¡(Г(Х,У), 0) — (У, 0) дУ и, следовательно,

д

дУ

(Х(Г (Х,У) — Х(У )) = 0. (1.21)

Таким образом, Х(Г(Х,У)) = Х(У)+ д(Х) для некоторого ряда д(Х) Е К[[Х]]. Положив У = 0, получим, что Х(Х) = Х(Г(Х, 0)) = д(Х). В итоге,

Г(Х, У) = Х—1(Х(Х) + Х(У)). (1.22)

Определение 3. Ряд Х(Х) из предложения 1 называется логарифмом формальной группы Г и часто обозначается как logF (Х), а обратный к нему относительно композиции - как (Х).

Определение 4. ([14]) Пусть К0 - локальное поле, К - его конечное расширение, О = Ок и О0 = Ок0 - соответствующие кольца целых. Формальную

группу Г(Х,У) над О с логарифмом А(Х) е К[[х]] назовем формальной О0-модульной группой, если определен кольцевой гомоморфизм

: Oo ^ End0(F),

0 O (1.23)

а ^ [а]р(X) = A-1(aA(X)).

1.2 Формальные группы Любина-Тейта

1.2.1 Определение формальных групп Любина-Тейта

Пусть K - локальное числовое поле, с полем вычетов k мощности q и простым элементом п. Обозначим через множество формальных степенных рядов f (X) Е Ok[[X]], таких что выполняются два условия:

f (X) ф пХ mod deg2, (1.24)

f (X) ф Xq mod п. (1.25)

(Ok - кольцо целых поля K.)

Теорема 6. Пусть f (X) Е . Тогда существует единственная формальная группа F = Ff над Ok, такая что

Ff (f (X ),f (Y)) = f (Ff (X ),Ff (Y)). (1.26)

При этом для любого а Е Ok существует единственный эндоморфизм [a]F Е EndOK (F), такой что

[а]р(X) ф aX mod deg2. (1.27)

Более того, отображение Ok ^ EndOK (F):

a ^ [a]F (1.28)

является гомоморфизмом колец. При этом f = [п]F. Если g Е и G = Fg -

соответствующая формальная группа, то ^ и Гд изоморфны над Ок.

Определение 5. Построенная выше формальная группа Гf называется формальной группой Любина-Тейта.

Предложение 2 ([4]). В классе изоморфных формальных групп Любина-Тейта, соответствующих множеству , найдется такая формальная группа Г с логарифмом Х, что для любого п > 1 коэффициенты ряда

Х—1 о Х о [пп], (1.29)

где

„2

Хч Х4

Ха(Х )= Х + — + — + ... (1.30)

п п2

- логарифм Артина-Хассе, при степенях, меньших сп, делятся на п, а при степени сп коэффициент равен 1.

1.2.2 Формальные модули Любина-Тейта

Пусть Гf, /(Х) Е - формальная группа Любина-Тейта над Ок, где К - локальное числовое поле. Пусть Ь - пополнение алгебраического расширения над К. На максимальном идеале Мь можно ввести структуру Ок-модуля Г(Мь), задав сложение и умножение следующим образом:

а +Е в = Г (а,в), (1.31)

а • а = [а]р(а), (1.32)

для а Е Ок, а, в Е Мь. Пусть

Кп = {а Е Мк-р : [пп]г(а) = 0} . (1.33)

Определим поле Ьп = К(кп). Тогда Ьп/К - вполне разветвленное абелево расширение степени сп(с — 1) и Сд1(Ьп/К) изоморфна ик/ищК. Положим КП =

У Ьп и обозначим через Фк отображение взаимности.

Важность формальных групп Любина-Тейта для теории полей классов обусловлена следующей теоремой:

Теорема 7. Ьп является полем классов для (п) х ип,к, а КП - полем классов для (п).

Группа Галуа Са1(КаЪ/К) изоморфна прямому произведению Ga\(Kur/К) х Са1(К/К) и

Фк (паи)(С) = [и-1]Е (С) (1.34)

для С е и кп, а е Ъ, и е ик.

1.2.3 Примарные элементы

Используя обозначения предыдущего раздела, предположим, что поле Ь содержит ядро изогении [пп]. Обозначим через [Пп]и решение уравнения

[пп](Х ) = и. (1.35)

Определение 6. Элемент и е Г(Мь) называется пп-примарным, если расширение Ь ^[Пп]и^ /Ь неразветвлено.

Из условия Кег[пп] С Ь следует, что расширение Ь ^рт] и^ /Ь абелево.

1.3 Формальные группы Хонды

В этом разделе К будет локальным полем с конечным полем вычетов Fq характеристики р = 2 (( = р?). Пусть п - униформизующая К. Через Ь будет обозначено конечное неразветвленное расширение поля К. Введем также следующие обозначения:

• р - непрерывное продолжение автоморфизма Фробениуса поля К на пополнение Киг его максимального неразветвленноно расширения;

• ДЕ а.Х¿) = Т,(ч>(ах)Хдг) при а, Е Киг.

1.3.1 Формальные группы Хонды и их тип

Рассмотрим множество операторов вида

^ aiAi, at eOL. (1.36)

Если ввести в нем умножение по правилу

Да = a^A при a е Ol, (1.37)

это множество превратится в некоммутативное кольцо.

Определение 7. Формальная группа F е Ol [[X, Y]] с логарифмом logF (X) е L[[X]] называется формальной группой Хонды, если

u о logF = 0 mod п (1.38)

для некоторого оператора

u = п + aiA + ... е Ol[[A]]. (1.39)

Такой оператор u называется типом формальной группы F.

Заметим, что над неразветвленным расширением Qp каждая одномерная формальная группа является группой Хонды.

Определение 8. Типы u и v формальной группы F называются эквивалентными, если u = £ о v для некоторого £ е Ol[[A]], £(0) = 1.

Пусть F - формальная группа типа u. Тогда v = п + biA + ... е Ol[[A]] является типом F тогда и только тогда, когда u и v эквивалентны.

Пользуясь подготовительной леммой Вейерштрасса, можно доказать, что для каждой формальной группы Хонды существует единственный канонический тип

и = п - а1Д - ... - ан Ан, а1,..., аН-1 е Мь, ан е О*ь. (1.40)

Он однозначно (с точностью до изоморфизма) задает группу Г. Н называется высотой Г.

Пусть Г, О - две формальных группы Хонды, типов и и V соответственно. Тогда

НошОь (Г, О) = {а еОь : аи = va} , (1.41)

Еп^ (Г ) = Ок. (1.42)

Наряду с (1.40), порой полезно использовать эквивалентный ему тип

и = п - аД - а^+1А^+1 - ... (1.43)

Его можно получить из и применением оператора, обратного к

С = а - а1 А - ... - ^ А^-1, (1.44)

пп

то есть,

и = (п-1 (и + а^))-1 = п - (п-1 (и + а^))-1 анАь. (1.45)

1.3.2 Классификационные теоремы

Сформулируем две классификационные теоремы для формальных групп Хонды, доказанные в [15]

Теорема 8. Пусть Г - формальная группа Хонды типа

и = п — аД — ан+1Дн+1 — ..., аг Е Оь, (1.46)

и аь обратим. Пусть

и = п — а1Д — ... — анДк, а1,..., ан—1 Е Мь (1.47)

- канонический тип Г и Х = ¡одр - ее логарифм. Положим Х1 = В1ХрН, где

Ву = 1 + а^Д + ^Д2 + ... (1.48)

ан аН

(таким образом, и = п — аьВ^н). Тогда

1. Х1 является типом некоторой формальной группы Хонды Г1 типа щ = а—1иаь, и каноническим типом Г1 является и1 = а—1иаь;

2. f =

П

ah

является Ol - гомоморфизмом из F в Fi и f (X) = Xqh mod п.

Теорема 9. Пусть f е Ol[[X]] - степенной ряд, удовлетворяющий условиям

f (X) = Xqh mod п, (1.49)

f(X) = — mod deg2, (1.50)

ah

где ah - обратимый элемент Ol. Пусть также

u = п — aiA — ... — ahAh, ai,..., ah-i е ML (1.51)

и

C = a — ai A — ... — ah-i Ah—i. (1.52)

пп

Положим

и = С-1и = п - аД - ак+1Ак+1 - .... (1.53)

Тогда существует и единственна формальная группа Хонды Г типа и и ка-

нонического типа и, такая что f =

П

ah

является OL - гомоморфизмом из

Г в Г1 (где Г1 строится способом, указанным в предыдущей теореме.)

Данные теоремы позволяют нам определить на множестве форммальных групп Хонды над кольцом Оь обратимый оператор А : Г ^ Г1 и построить цепочку формальных групп

Г ^ Г1 ^ ... ^ Гп, (1.54)

где Гт = АтГ.

Обозначим через Хт = логарифм формальной группы Гт и через ит

ее канонический тип. Положим

п1 = п/ан, пт = п\ = п/а\ , (1.55)

(т) "ГТ т , 1+^h+...+^h(m-1) 1Л гм

= ЦП = п /ah* * . (1.56)

i=i

гр (т) (т)

Тогда ит о п1 = п1 и.

Введя обозначение /(т) = /т-1 о /т-2 о ... о /1 о /, из теоремы 8

вывести, что

-2 ◦ ... ◦ f1 ◦ f, из теоремы 8 можно

fm-i(X) ф ПтХ mod deg2, (1.57)

f (m)(X) ф п(т)Х mod deg2. (1.58)

Глава 2

Канонический базис для многомерного локального поля

Определение 9. Поле K называется n-мерным локальным полем над полем к, если задана последовательность полных дискретно нормированных полей Kn = K, Kn—i, ..., K0 = к, где каждое последующее поле является полем вычетов предыдущего.

При данной терминологии классическое локальное поле является одномерным локальным полем над некоторым конечным полем.

Результатом этой главы является построение базиса Шафаревича для многомерного поля с совершенным последним полем вычетов.

2.1 Обозначения

Будем придерживаться следующих обозначений:

• K - n-мерное локальное поле над совершенным полем к, char K = 0, char к = p;

" = (ti,t2, ..,tn) - набор локальных параметров в K;

R - система представителей Тейхмюллера поля вычетов к;

^ - система представителей базиса к как векторного пространства над Fp, ^С R;

"() - n-мерное нормирование поля K; " := "(p);

"i := p" (не обязательно целочисленный вектор); для индекса " е Zn " = (ri,r2, ...,rn); на индексах введен лексикографический порядок:

" > " ^^ 31 < l < n : qn = rn,Qn—i = rVj—i, ...,qi+i = ri+i,qi > ri

(в частности, будем называть индекс положительным, если его первый с конца ненулевой элемент положителен);

""--til ti3 tin •

t := bi l2 ...ln 1

"" = mod "" + ^^ 3""i > " : "" = "" mod ""1;

p = 00~t" mod ""+;

a — вычет, соответствующий элементу a е K;

rep : к " R - отображение, сопоставляющее вычету его представитель Тейхмюллера.

2.2 Сходимость рядов с р-адическими коэффициентами

Теперь рассмотрим вопрос сходимости в многомерном локальном поле степенных рядов с р-адическими коэффициентами при подстановке в них элементов максимального идеала, а также сходимость сумм результатов таких подстановок.

Определение 10. Набор индексов О будем называть допустимым, если для любых гп, ...,гп-к+1 Е Ж найдется гп-к Е Ж такое, что для каждого 1 е О с Гп = ьп,... ,Гп-к+1 = ¿п-к+1, выполняется неравенство Гп-к > ¿п-к

Определение 11. Множество наборов индексов {0г,г Е I} будем называть допустимым, если:

1. любой индекс встречается не более чем в конечном числе наборов множе-

2. У0г — допустимый набор индексов.

Следующие две теоремы доказаны в статье [17].

Теорема 10. Пусть {0г,г Е I} — допустимое множество наборов индексов. Тогда для любых ЬЕ Я сумма

сходится.

Теорема 11. Пусть {0г,г Е I} — допустимое множество наборов положительных индексов. Тогда для любых ЬЕ Я произведение

ства;

Е Е ь„1 111

(2.1)

гЕ1 1 ЕИг

П(1 + Е Ьг,1111)

(2.2)

гЕ1 1 ЕИг

сходится.

Замечание. Если множество {&1,г Е I} не является допустимым, нетрудно видеть, что сумма и произведение из теорем 10 и 11 могут расходиться.

Теперь докажем подготовительную лемму:

Лемма 2. Пусть & — допустимый набор положительных индексов. Тогда &* = {1Г1 + 1Г2 + ... + 1т|г Е &,т Е М} - допустимый набор индексов, при этом любой его элемент может быть представлен в виде суммы индексов из & не более чем конечным числом способов.

Доказательство. Сначала докажем допустимость, используя индукцию. Докажем, что, выбрав последние к элементов значения суммы индексов, мы ограничиваем некоторой константой количество слагаемых с хотя бы одним ненулевым элементом среди последних к элементов, а также количество возможных наборов их последних к элементов. Заметим, что это утверждение для к, равного длине индекса, равносильно второму утверждению теоремы. И докажем, что тогда есть оценка снизу на (п — к)-ый элемент суммы.

При к = 0 ограничение последнего индекса снизу такое же, как в &. При к = 1 и значении последнего элемента суммы в у слагаемых последний элемент не может быть больше в и меньше 0, следовательно, количество допустимых наборов конечно. Из этого и допустимости & сразу следует ограничение снизу на предпоследний элемент суммы. С другой стороны, слагаемых с ненулевым последним элементом также не может быть больше в.

Теперь докажем переход от к — 1 к к. Пусть зафиксированы последние к значений суммы. Тогда ограничено некоторой константой количество слагаемых с хотя бы одним ненулевым элементом среди последних к — 1 элементов, а также (по индукционному предположению) количество возможных наборов их последних к — 1 элементов. Отсюда и из допустимости & сразу следует ограничение снизу на к-ый с конца элемент их суммы, а также каждого слагаемого. У каждого слагаемого есть еще и ограничение сверху, так как сумма для них ограничена сверху. Для индексов с нулевыми последними (к — 1)-ми элементами и ненулевыми к-ми отсюда также следует ограничение на количество, а также значения к-х элементов. Из ограничений следует, что число допустимых

наборов последних к элементов слагаемых конечно, поэтому (к + 1)-ый с конца элемент их суммы ограничен снизу из допустимости О. □

Следствие 1. Пусть О1; О2 — два допустимых набора положительных индексов. Тогда 0+ = {1 1 + 12|тг е Ог} — допустимый набор индексов, при этом любой его элемент может быть представлен в виде суммы индексов из 01 и 02 только конечным числом способов.

Доказательство. Набор Оу = 01 У 02 допустим. При этом для него Оу по лемме 2 является допустимым набором и содержит О+, значит, О+ также допустим. Представления в виде сумм индексов также содержат все представления вида 11 + 12, тг Е Ог, и их конечное число. □

Лемма 3. Для любого ряда /(X) Е Жр[[Х]] и любого мультииндекса 1 > 1 корректна подстановка

КХ)1х=??. (2.3)

Доказательство. Запишем ряд / в виде

! (X ) = Е сгХг. (2.4)

¿>0

Разложим р по степеням локальных параметров:

Р = Е 011111 > (2.5)

11ЕГ

где Г - допустимый набор индексов. Теперь представим сг в виде

сг = Е ^р = Е Е91А11, е ж. (2.6)

з>0 1 ЕГ* V1=1 /

По лемме 2 любой мультииндекс 1 Е Г* появляется в разложении лишь для конечного числа индексов ], значит, и набор коэффициентов при

конечен.

Рассмотрим наборы мультииндексов

Г = {1 Е Г* : I = тц} . (2.7)

Заметим, что Уг> 1 Г/ = Г* и {Г/, I > 1} - допустимое мультимножество наборов индексов. Таким образом,

С = ЕЕ 0111. (2.8)

/>1 1 ег,

Подставим в f (X) значение X = t . Получаем

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иконникова Елена Валерьевна, 2022 год

Список литературы

[1] Адамс Дж. Ф. Стабильные гомотопии и обобщенные гомологии. - М.: Изд-во МЦНМО, 2013.

[2] Бондарко М. В., Востоков С. В., Лоренц Ф. Спаривание Гильберта для формальных групп над а-кольцами.// Зап. научн. сем. ПОМИ. - 2004. -Т. 319. - С. 5-58

[3] Бухштабер В. М. Характер Чженя-Дольда в кобордизмах. I. - Матем. сб. - 1970 - Т. 83 (125), №4 (12) - С. 575-595

[4] Востоков С. В. Норменное спаривание в формальных модулях // Изв. АН СССР, Сер. матем. - 1979. - Т. 43, № 4. - С. 765-794.

[5] Востоков С. В. Символы на формальных модулях // Изв. АН СССР, Сер. матем. - 1981. - Т. 45, № 5. - С. 985-1014.

[6] Востоков С. В. Символ Гильберта для формальных групп Любина-Тэйта I. // Зап. научн. семин. ЛОМИ. - 1982. - Т. 114. - С. 77-95.

[7] Востоков С. В., Фесенко И. Б. Символ Гильберта для формальных групп Любина-Тэйта II. // Зап. научн. семин. ЛОМИ. - 1983. - Т. 132. - С. 85-96.

[8] Востоков С. В., Демченко О. В. Явная форма спаривания Гильберта для относительных формальных групп Любина-Тэйта // Зап. научн. сем. ПОМИ. - 1995. - Т. 227. - С. 41-44.

[9] Востоков С. В., Бенуа Д. Г. Норменное спаривание в формальных группах и представления Галуа // Алгебра и анализ. - 1990. - Т. 2, № 6. - С. 69-79.

[10] Востоков С. В., Демченко О. В. Явная формула спаривания Гильберта для формальных групп Хонды // Зап. научн. сем. ПОМИ. - 2000. - Т. 272. - С. 86-128.

[11] Востоков С.В. Канонический базис Гензеля-Шафаревича в полных дискретно-нормированных полях. // Зап. научн. сем. ПОМИ. - 2011. - Т. 394. - С. 174-193

[12] Востоков С. В. Явная форма закона взаимности // Изв. АН СССР, Сер. матем. - 1978. - Т. 42, № 6. - С. 1288-1321.

[13] Востоков С.В., Востокова Р.П., Иконникова Е.В. Канонический базис Гензеля - Шафаревича для формальных модулей Хонды. // Чебышевский сборник. - 2020 - Т. 21(1).- С. 368-373.

[14] С. В. Востоков, И. Л. Климовицкий. Примарные элементы в формальных модулях. // Математика и информатика, 2, К 75-летию со дня рождения Анатолия Алексеевича Карацубы, Совр. пробл. матем. - 2013.- Вып. 17. -С. 153-163.

[15] О. В. Демченко. Новое в отношениях формальных групп Любина-Тейта и формальных групп Хонды. // Алгебра и анализ - 1998. - Т.10, вып. 5. - С. 77-84.

[16] Демченко О.В. Формальные группы Хонды: арифметика группы точек. // Алгебра и Анализ - 2000 - Т. 12, вып.1, - С.132-149.

[17] Жуков И. Б., Мадунц А. И. Аддитивные и мультипликативные разложения в многомерных локальных полях. // Зап. научн. сем. ПОМИ. - 2000. - Т. 272. - С. 186-196

[18] Иконникова Е. В., Шавердова Е. В. Базис Шафаревича в многомерном локальном поле.// Записки научных семинаров ПОМИ - 2013 - Т. 430, стр. 115-133.

[19] Иконникова Е. В. Канонический базис Гензеля-Шафаревича в формальных модулях Любина-Тейта.// Записки научных семинаров ПОМИ - 2014 - Т. 430, стр. 186-201.

[20] Колывагин В. А. Формальные группы и символ норменного вычета // Изв. АН СССР, Сер. матем. - 1979. - Т. 43. - С. 1054-1120.

[21] Мадунц А. И., Востокова Р. П. Формальные модули для обобщенных групп Любина-Тейта // Зап. научн. сем. ПОМИ. — 2015. — Т. 435. — С. 95-112.

[22] Новиков С. П. Методы алгебраической топологии с точки зрения теории кобордизмов. // Изв. АН СССР, Сер. матем. - 1967 - Т. 31б вып. 4 - С. 855-951.

[23] Фесенко И. Б. Обобщенный символ Гильберта в 2-адическом случае // Вестник Ленингр. унив., матем., мех., астрон. — 1985. — Т. 18. — С. 88-91.

[24] Шафаревич И. Р. Общий закон взаимности // Матем. сб. — 1950. — Т. 26(68), No 1. — С. 113-146.

[25] Afanaseva S.S., Ikonnikova E.V. Arithmetic of n0-critical module.// Lobachevskii Journal of Mathematics. - 2017. - Vol. 38 (1) - Pp. 131-136.

[26] Artin E., Hasse H. Die beiden Erganzungssatze zum Reziprozitatsgesetz der ln-ten Potenzreste im Korper der ln-ten Einheitswurzeln // Abh. Mathem. Seminar, Hamburg. — 1928. — Jg. 6. — S. 146-162.

[27] Benois D. Periodes p-adiques et lois de reciprocite explicites // J. reine und angew. Math. — 1997. — T. 493. — P. 115-151.

[28] Bruckner H. Explizites Reziprozitatsgesetz und Anwendungen // Vorlesungen aus dem Fachbereich Mathematik der Universität Essen. — 1979.

[29] Coleman R. The dilogarithm and the norm residue symbol // Bull. Soc. Math. France. — 1981. — Vol. 109. — Pp. 373-402.

[30] Destrempes F. Explicit reciprocity laws for Lubin-Tate modules //J. reine und angew. Math. — 1995. — Vol. 463. — Pp. 27-47.

[31] Fesenko I. B., Vostokov S. V. Local Fields and Their Extensions. - 2nd Edition.

— Providence, R. I. : Amer. Math. Soc., 2002. - 345 pp.

[32] Hazewinkel M. Formal Groups and Applications, Pure Appl. Math., 78, Academic Press, New York, 1978.

[33] Hensel K. Die multiplicative Dars ellung der algebraischen Zahlen fur den Bereich eines beliebigen Prin teil // Journ. fur die reine und a gew. Math.

— 1916. — Jg. 136.

[34] Iwasawa K. On explicit formulas for the norm residue symbol //J. Math. Soc. Japan. — 1968. — Vol. 20. — Pp. 151-164.

[35] Kummer E. Uber die allgemeinen Reziprozitatsgesetze der Potenzreste //J. reine und angew. Math. — 1858. — Jg. 56. — S. 270-279.

[36] Lubin J., Tate J. Formal complex multiplication in local fields. // Annals of Mathematics, Second Series. - 1965. - Vol. 81, No. 2. - Pp. 380-387.

[37] Milne, J.S. Class Field Theory (v4.03) // Available at www.jmilne.org.

[38] Quillen D. On the formal group laws of unoriented and complex cobordism theory. // Bull. Amer. Math. Soc. - 1975 - 75 (6) - Pp. 1293-1298.

[39] Sen S. On explicit reciprocity laws I, II // J. reine und angew. Math. — 1981.

— Vol. 323. — Pp. 69-87.

[40] Shalit E. de The explicit reciprocity law in local class field theory // Duke Math. J. - 1986. - Vol. 53. - Pp. 163-176.

[41] Silverman J.H. The Arithmetic of Eliptic Curves. Springer-Verlag New York, 2009.

[42] Wiles A. Higher reciprocity laws // Ann. Math. — 1978. — Vol. 107. — Pp. 235-254.