の局所 Langlands 対応

(1)

局所・大域整合性

九州大学大学院数理学研究院三枝洋一 (Yoichi Mieda) Graduate School of Mathematics, Kyushu University

0 はじめに

本稿は「R=Tの最近の発展についての勉強会」の報告書であり，Carayolおよび斎藤毅氏により得られた，Hilbertモジュラー形式に伴うGalois表現について局所・大域整合性が成立するという結果の解説を行う．

まずはじめに，局所・大域整合性とは何かを簡単に紹介しておく．一般に代数体F に対し，GL_n(A_F)の保型表現ΠとFの絶対Galois群G_F のn次元`進表現ρがLanglands の意味で対応するとは，ほとんど全ての有限素点vに対し，不分岐主系列表現Π_vの佐武パラメータと不分岐表現ρ_vのFrobenius固有値が（あらかじめ固定した同型C∼=Q_`のもとで）一致していることをいう．Πが与えられたとき，それにLanglandsの意味で対応するG_F のn次元`進表現ρ(Π)を構成する問題を「Galois表現の構成問題」と呼ぶ．

この問題が解決されている例として，Eichler-Shimura, Deligneによる，楕円モジュラー形式に伴うGalois表現の構成が挙げられる．

保型表現Πに対してGalois表現の構成問題が解けていたとしても，有限個の素点vに

おいてはρ(Π)_vがどのようになっているかは明らかではない．Π_vが超尖点表現である場合など特に興味深そうな場合には，ρ(Π)_vの様子はρ(Π)の定義からは全く分からないのである．これが局所Langlands対応によって記述できることを主張するのが，局所・大域整合性である（局所Langlands対応については第1節参照）．より正確に述べると次のようになる：対応Π7−→ρ(Π)が局所・大域整合性を満たすとは，任意の有限素点vに対し，Π_vとρ(Π)_vがF_vの局所Langlands対応によって対応することをいう（vが`を割り切る場合は修正が必要である）．

本稿の主定理は，Hilbertモジュラー形式に伴う保型表現Πに対してGalois表現の構成問題が解決でき，さらにそれについて局所・大域整合性が成り立つというものである．

実際に主定理を述べる際（定理3.1）にはこれら2つの主張をまとめて書いている（それを見ても何が整合的なのかよく分からないかと思いここで説明しておいた次第である）． Carayolの結果はGalois表現の構成および`を割らない素点vにおける局所・大域整合性の部分であり，`を割る素点vにおける局所・大域整合性は斎藤毅氏による．なお，Galois 表現の構成だけならCarayolよりも以前に太田雅巳氏([Oh])によって得られていたことを補足しておく．

Carayolの論文が出版されたのはもう20 年以上も前である．この論文はDeligne の

「Piatetski-Shapiroへの手紙」の内容を受けた先駆的かつ重要なものであり，その後の志

村多様体の研究の進展に大きな影響を与えてきたと推察される．特に志村多様体の悪い

(2)

還元については，Carayolの手法を一般化したHarris-TaylorやMantovanらの研究により，ここ10年くらいの間にかなり理解が進んだ．筆者は本稿を担当するにあたり，こうした発展を踏まえた現代的な視点に立って「原典」たるCarayolの結果を解説してみようという目標を立てたのである．

しかしこの目標の高さに比べ筆者の能力も執筆時間もなかったようで，当初思い描いていたものよりも随分と中途半端なものができあがってしまった．特に，志村曲線の還元のうち通常部分（超特異点を除いた部分）の扱いに不満が残っている．しかし，超特異点の部分（[Ca1]の§7から§10）に関してはある程度簡略化することができた（注意5.24 参照）ので，ひとまずこれで提出することとしたい．志村曲線の整モデルに関しても記述をいろいろ準備していたのであるが，ほとんど割愛し，最小限の説明にとどめた．それを含めると量がかなり増えてしまう上，[Ca2]は十分良く書かれておりこれ以上解説が必要であるとも感じられなかったためである．

本稿の構成は次の通りである．まず第1節では，p進体上のGL₂の表現論と`進Galois 表現について簡単にまとめ，GL₂の局所Langlands対応の主張を紹介した．主な参考文献は[BH]である．証明はついていたりついていなかったりと気まぐれであるが，証明がないものは基本的には[BH]に書かれているはずである（局所Langlands対応も含めて！）．第2節では，代数体に関していくつか記号の準備を行った．第3節では主定理を定式化している．第4節では，主定理のうちCarayolの結果にあたる部分を，四元数環の乗法群の保型形式に伴うGalois表現の構成および（少し弱い）局所・大域整合性（定理4.1）に帰着している．帰着した先の定理4.1は次の第5節で証明される．この節が最も長いが，

Carayolの証明の本質的な部分はほとんどここに含まれているので致し方ないところであ

る．第6節では，斎藤毅氏の結果について扱っている．志村曲線の幾何学については詳細を書かないことにしたため，概略しか述べることができなかったが，なるべく雰囲気が出るように努めたつもりである．

本稿の執筆は存外に時間がかかり，提出が大幅に遅れてしまった．編集者の方々にこの場を借りてお詫びしたい．また，本稿の執筆を通して講演者のご苦労の一端を実感することができた．素晴らしい勉強会を開いてくださった安田正大氏，山下剛氏のお二人に改めて感謝の意を表したい．

記号・約束

• 体F に対し，その代数閉包をFで表す．また，分離閉包をF^sepで表す．これらを明示せずに固定する場合も多いが，それによって問題が起こらない場合に限っているはずである．

• 体Fに対し，その絶対Galois群Gal(F^sep/F)をG_F と書く．

• しばしば同型と等号=を区別しないことがあるが，それによって問題が起こらない場合に限っているはずである．

• 断りのない限りコホモロジーはエタールサイトでとる．

(3)

1 GL

₂

の局所 Langlands 対応

局所・大域整合性の主定理を述べる前に，GL₂の局所Langlands対応について復習しておこう．

本節ではFをp進体（Q_pの有限次拡大）とする．Fに関連する記号をまとめておく．

κをFの剰余体とし，その元の個数をqとおく．付値F^× −Zをv_F と書き，a∈F に対し|a|=q^−v^F^(a)とおく．

自然な全射G_F −→G_κの核I_F をFの惰性群という．κは有限体であるから，幾何的 Frobenius元(x7−→x^1/q)∈G_κと1∈Zbを対応させる同型G_κ ∼=Zbがある．G_F −→ G_κ とこの同型を合成して得られる群準同型G_F −→Zbをnと書き，G_F の部分群W_F ={σ ∈ G_F |n(σ)∈Z}をFのWeil群という．W_F には次を満たす位相が一意的に定まり，W_F は局所コンパクト群となる：

I_F ⊂W_F は開集合であり，その位相はG_F からの相対位相と一致する（特に I_F はコンパクト群である）．

局所Langlands対応とは，大雑把に言えば，素数`6=pに対し，

(a) GL₂(F)の既約スムーズ表現の同型類 (b) W_F の2次元`進表現の同型類

の間によい一対一対応があることを主張するものである．まず，(a)の方から説明する．

1.1 GL₂(F)のスムーズ表現定義1.1

Ωを体とする．位相群GのΩ上の表現V がスムーズであるとは，任意のx∈V に対しxの安定化群Stab_G(x)がGの開部分群であることをいう．

スムーズ表現の定義は表現空間V に関しては完全に代数的なものである（Ωの位相などは用いない）．したがって，2つの体Ω₁とΩ₂が同型ならば，Ω₁上のスムーズ表現と Ω₂上のスムーズ表現は同型Ω₁ ∼= Ω₂を固定するごとに自然に同一視できる．Ω₁上のスムーズ表現ρにι: Ω₁ −−→^∼⁼ Ω₂によって対応するΩ₂上のスムーズ表現をι(ρ)と書くことにする．

以下では主にC上のスムーズ表現を考えるので，単に「スムーズ表現」と言ったらC 上の表現のことを指すと約束することにする．

注意1.2

GL₂(F)のスムーズ表現(π, V)が認容的(admissible)であるとは，GL₂(F)の任意のコンパクト開部分群Kに対しその固定部分V^Kが有限次元ベクトル空間となることをいう．

本稿で「既約スムーズ表現」と書いてある部分が文献によっては「既約認容表現」となっ

(4)

ていることがあるが，GL₂(F)の既約スムーズ表現は必ず認容的であるから，これら2つは同じものを指していることになる．

例1.3

Bを上半三角行列全体からなるGL₂(F)の部分群とする．Bのスムーズ表現(π, V)が与えられたとき，そのGL₂(F)への代数的な誘導表現{ϕ: GL₂(F) −→ V

ϕ(bg) = π(b)ϕ(g) (b∈B)}（GL₂(F)の作用は(gϕ)(g⁰) =ϕ(g⁰g)で定義する）のうちスムーズな元

（安定化群が開になるような元），すなわちGL₂(F)のある開部分群Uに対しϕ(gu) =ϕ(g) (g∈GL₂(F), u∈U)となるようなϕ全体のなす部分表現をInd^GL_B ²^(F)πと書き，単にB からGL₂(F)への誘導表現という．これは明らかにGL₂(F)のスムーズ表現である．πが認容表現ならばInd^GL_B ²^(F⁾πも認容表現となる．

χ₁,χ₂をF^×の指標（スムーズな1次元表現）とするとき，Bの指標(χ₁, χ₂)が a b 0 d

! 7−→

χ₁(a)χ₂(d) によって定まる．これに上の構成を適用することで，GL₂(F) の認容表現 Ind^GL_B ²^(F)(χ₁, χ₂) が得られる．これが既約であることは，χ₁χ⁻¹₂ 6= 1,| |² と同値であることが知られている．このときInd^GL_B ²^(F)(χ₁, χ₂)をGL₂(F)の主系列表現という．特にχ₁,χ₂がv_F:F^× −→Zを経由するとき，不分岐主系列表現という．

注意1.4

δ_B: B −→ C^× を a b 0 d

!

7−→ |a⁻¹d|によって定める．Bのスムーズ表現π に対し n-Ind^GL_B ²^(F⁾π = Ind^GL_B ²^(F⁾(δ_B^−1/2⊗π)とおき，これをπの正規化された誘導表現という．

n-Indはユニタリ表現を保ち，双対と可換であるなどIndと比べ表現論的によい特徴を

例1.5

B の自明な指標からの誘導表現Ind^GL_B ²^(F⁾(1,1)は自明表現1を部分表現として持ち，

Ind^GL_B ²^(F)(1,1)/1は既約になる．これをStと書き，Steinberg表現という．0−→1−→

Ind^GL_B ²^(F)(1,1)−→St−→0は分裂しない完全系列である．

Stは（P¹(F)上のC値局所定数関数）/（P¹(F)上のC値定数関数）と実現することもできる（GL₂(F)はP¹(F)に一次分数変換で作用する）．

注意1.6

GL₂(F)の既約スムーズ表現は次のように分類することができる：

i) 1次元表現χ◦det（χはF^×の指標）

ii) 主系列表現 n-Ind^GL_B ²^(F⁾(χ₁, χ₂)（χ₁, χ₂ はF^×の指標）．n-Ind^GL_B ²^(F⁾(χ₁, χ₂) ∼= n-Ind^GL_B ²^(F⁾(χ⁰₁, χ⁰₂)は「χ₁ = χ⁰₁, χ₂ = χ⁰₂」または「χ₁ = χ⁰₂, χ₂ = χ⁰₁」と同値である．

(5)

iii) スペシャル表現(χ◦det)⊗St（χはF^×の指標）． iv) それ以外．

iv)の「それ以外」の表現は超尖点表現と呼ばれ，全ての行列要素の台がGL₂(F)の中心F^×を法としてコンパクトであるという特徴付けを持つ．

iii), iv)を合わせて離散系列表現または本質的二乗可積分表現と呼ぶ．これらは，全て

の行列要素が中心を法として二乗可積分であるという特徴付けを持つ．

GL₂(F)の既約スムーズ表現πに対する重要な不変量として，L因子，ε因子というものがある．πのL因子L(π, s)はq^−sのC係数多項式の逆数であり，ε因子ε(π, s, ψ)（ψ はFの非自明な加法的指標）はq^−sのC係数単項式である．これらはGL₁の場合にTate によって考察されたL因子，ε因子のGL₂版であり，GL₁のときと同様，保型形式・保型表現に伴うL関数と関係する．ここでは局所Langlands対応の定式化に用いるだけなので，これ以上深入りはしないことにする．例えば[BH]のChapter 6などを参照されたい．

1.2 WF の`進表現

次に(b)，すなわち`進表現の方について説明する．素数`6=p = charκを固定する．

W_F の`進表現の定義は簡単である．

定義1.7

W_F の`_{進表現とは，有限次元}Q_`ベクトル空間V への連続表現ρ:W_F −→ GL(V) のことである（V には`進位相を入れる）．1次元`進表現のことを`進指標と呼ぶ．

同様に，G_F の`進表現も定義することができる．

この定義では，Q_`の`進位相を用いていることに注意したい．したがって，例えばQ_` をそれと同型な体Cに置き換えると状況が大きく変化してしまう．また，`進表現の同型類が素数`6=pに依存しない集合であるかどうかも定義からは全く明らかではない．

例1.8

c∈Q^×_` とするとき，W_F −→Q^×_` をσ 7−→c^n(σ)で定めるとW_F の1次元`進表現が得られる．W_F の不分岐`進指標，すなわちI_F 上自明な`進指標はこのようなもので尽くされる．特に整数mに対しc=q^−mであるとき，この`進指標の表現空間はQ_`(m)と表されることが多い（いわゆるTate捻り）．さらにm= 1のとき，この`進指標は`進円分指標と一致することが容易に分かる．

より代数的に`進表現を捉える方法が次に紹介するWeil-Deligne表現である．

定義1.9

標数0の体Ω上のWeil-Deligne表現とは，W_FのΩ上の有限次元スムーズ表現(r, V)

(6)

と羃零な線型写像N:V −→V（モノドロミー作用素と呼ばれる）の組で，任意のσ∈W_F に対しN r(σ) =q^n(σ)r(σ)Nを満たすもののことである．

この定義はΩに関して代数的であることが直ちに分かる．特に，同型な体（CとQ_`な

ど）上のWeil-Deligne表現は（体の同型を固定するごとに）同一視することができる．

Q_`上のWeil-Deligne表現からは次のようにして`進表現を構成することができる：

定義1.10

n(ϕ) = 1となるϕ ∈W_F および同型Z_`(1)∼=Z_`を一つ固定する．(r, N)をQ_`上の Weil-Deligne表現とするとき，σ∈W_F に対し

ρ(σ) =r(σ) exp t_`(ϕ^−n(σ)σ)N

とすることでW_F の`進表現ρが定まる．ここで，t_`:I_F −→ Z_`(1)は`進馴分岐指標であり，同型Z_`(1) ∼=Z_`によってI_F −→ Z_`と見ている（F の素元の`羃乗根の系 ξ = (ξ_n)_nを一つとると，t_`はσ(ξ) =t_`(σ)ξ (σ ∈I_K)によって特徴付けられる）．注意1.11

関手(r, N)7−→ρはϕおよび同型Z_`(1)∼=Z_`に依存するが，同型類の対応(r, N)7−→ρ は依存しない．実際，ϕをϕ⁰=ϕσ (σ∈I_F)に置き換えたときに(r, N)に対応する`進表現をρ⁰と書くと，ρとρ⁰はx7−→exp((q−1)⁻¹t_`(σ)N)xによって同型である．また，

同型Z_`(1)∼=Z_`をそのa∈Z^×_` 倍で置き換えたときに(r, N)に対応する`進表現をρ⁰⁰と書くと，ρとρ⁰⁰はαN α⁻¹=aNとなるα∈Aut_Q

`(V)によって同型である．

W_F の全ての`進表現がWeil-Deligne表現から上記の方法で得られることを主張する

のがGrothendieckのモノドロミー定理である．

定理1.12（Grothendieckのモノドロミー定理）

定義1.10における(r, N)7−→ ρは（Q_`上の）Weil-Deligne表現の圏と`進表現の圏との圏同値を誘導する．

証明は例えば[BH, 32.5]参照．特に，`進表現の圏は（`6=pである限り）素数`に依存しないことが分かる．

定義1.13

W_F の`進表現ρに対し，それに対応するQ_`上のWeil-Deligne表現をWD(ρ)と書く．同型ι:Q_` ∼=Cが固定されているとき，WD(ρ)に対応するC上のWeil-Deligne表現ι(WD(ρ))もしばしばWD(ρ)と書く．

また，G_F の`進表現ρに対し，WD(ρ|_W_F)のことも単にWD(ρ)と書く．

(7)

注意1.14

ρを既約な`進表現としWD(ρ) = (r, V, N)とおくと，WD(ρ)は既約なWeil-Deligne 表現であるからN = 0となる（(r|_Ker_N,KerN,0)が(r, V, N)の部分対象であることに注意）．したがってρ=rとなるので，ρはスムーズ表現であることが従う．つまり，既約な`進表現はスムーズ表現である．特に任意の`進指標はスムーズである．

一方，後に紹介するようにN 6= 0となるWeil-Deligne表現も存在する（例1.16）．そのようなWeil-Deligne表現に対応する`進表現はスムーズではない（t_`の核がI_Fの開部分群ではないことに注意）．

以下では主にC上のWeil-Deligne表現について考えるので，断りなくWeil-Deligne表現と言ったらC上のものを指すことにする．`進表現に対応して，Weil-Deligne表現のテンソル積や双対が自然に定義できる（[BH, 31.2]参照）．また，LをFの有限次拡大とするとき，W_F のWeil-Deligne表現(r, N)に対しそのW_Lへの制限(r, N)|_W_Lも自然に定義できる（rをW_Lに制限するだけでよい）．

半単純性についての次の条件も重要である：

定義1.15

W_F のWeil-Deligne表現(r, N)に対し次は同値である（[BH, 28.7]参照）：

• rは半単純表現，すなわち既約表現の直和である．

• n(ϕ) = 1となるあるϕ∈W_F に対し，r(ϕ)は半単純（対角化可能）な線型写像である．

• n(ϕ) = 1となる任意のϕ∈W_F に対し，r(ϕ)は半単純な線型写像である．

(r, N)がこの同値な3条件を満たすとき，Frobenius半単純なWeil-Deligne表現であるという．

一般のWeil-Deligne表現(r, N)が与えられたとき，それからFrobenius半単純なWeil- Deligne表現(r^ss, N)を次のようにして得ることができる：n(ϕ) = 1となるϕ∈W_F を固定し，r(ϕ) =su=usをr(ϕ)のJordan分解とし（sは半単純，uは羃単），r^ss(ϕⁿσ) = sⁿr(σ) (σ ∈ I_K)とおく（r^ss の同型類はϕのとり方によらない）．(r^ss, N)を(r, N) のFrobenius半単純化といい，(r, N)^F^-ssと書く．また，Weil-Deligne表現(r^ss,0)を (r, N)^ssで表し，(r, N)の半単純化という．

例1.16

2次元Frobenius半単純Weil-Deligne表現(r, V, N)を分類してみよう．rが既約かどうかにまず注目し，その後N が0かどうかに注目する．

i) rが既約ならばN = 0である．実際，KerN ⊂V は部分W_F 加群であり，Nは羃零なのでKerN 6= 0となる．このとき，(r, V,0)は既約なWeil-Deligne表現である．

(8)

W_F の既約2次元スムーズ表現rを構成する方法の一つとして，誘導表現を用いるというものがある．LをFの2次拡大とし，χをW_Lの指標とするとき，Ind^W_W^F_Lχ はW_F の2次元表現である．これはしばしば既約表現になる．このようにして得られる既約表現を単項的であるという．

ii) rが可約（したがって2つの指標の直和）であるとする．

(a) N = 0であるとき，W_F の指標χ₁, χ₂ が存在して(r, N) ∼= (χ₁ ⊕χ₂,0) = (χ₁,0)⊕(χ₂,0)となる．つまり，(r, V, N)は2つの0でないWeil-Deligne表現の直和となる．

(b) N 6= 0であるとき，KerNはV の1次元部分表現であり，N:V /KerN −→

(KerN)(−1)はW_Fの作用と可換な同型である（W_Fのスムーズ表現(r, V)および整数mに対し，W_FのVへの作用を(σ, x)7−→q^−m·n(σ)r(σ)xで定めたものを V(m)あるいはr(m)と書く．Tate捻りの類似）．したがって，KerNへの作用より定まるW_Fの指標をχとおくと，N:V /KerN −−→^∼⁼ (KerN)(−1) =χ(−1) であるから，次のような同型がある：

(r, V, N)∼=

χ⊕χ(−1),C², 0 1 0 0

!

．

特にχがσ 7−→q^−n(σ)/2である場合に右辺をSpと書く．上の考察より，N 6= 0 となるWeil-Deligne表現はW_F の指標χを用いてχ⊗Spと表すことができることが分かる．χ⊗Spは直既約だが既約ではない．

注意1.17

上の例より次のことが分かる：半単純化が一致する2つの2次元Frobenius半単純Weil- Deligne表現(r, N), (r, N⁰)が同型であるためには，NとN⁰の階数が一致することが必要十分である．

GL₂の既約スムーズ表現のときと同様に，Weil-Deligne表現(r, N)に対してもL因子 L((r, N), s)とε因子ε((r, N), s, ψ)（ψはFの非自明な加法的指標）が定義できる．L因子の定義は簡単である：r⁰ = KerN ⊂rとし，ϕ∈W_F をn(ϕ) = 1となる元とすると，

L((r, N), s) = det(1−r⁰(ϕ)q^−s)⁻¹．しかし，ε因子の定義は容易に述べることができない（大域的な手法を用いた構成がよく知られている）．例えば[BH]のChapter 7を参照されたい．

1.3 GL₂の局所Langlands対応

GL₂の場合を考える前に，GL₁の局所Langlands対応，すなわちF^×の指標とW_F の指標の対応を構成しておく．

(9)

定義1.18

Art_F:F^× −−→^∼⁼ W_F を局所類体論の同型とする（F の素元$に対しn(Art_F($)) = 1 となるように正規化する）．F^×の指標χに対し，rec_Fχ = χ◦Art⁻¹_F とおく．これは W_F の指標である．

rec_F はL因子，ε因子を保つ，すなわちF^×の指標χに対しL(χ, s) = L(rec_Fχ, s), ε(χ, s, ψ) =ε(rec_Fχ, s, ψ)が成り立つことが知られている（ε因子に関しては，むしろこの等式が成立するように構成すると言ったほうが正しい）．

例1.19

rec_F(| |)はW_F の円分指標Q_`(1)と一致する．

これでGL₂の局所Langlands対応の主張を述べることができる．

定理1.20（GL₂の局所Langlands対応）

Fの非自明な加法的指標ψを一つ固定する．

GL₂(F)の既約スムーズ表現πに対し，次の条件を満たすFrobenius半単純な2次元 Weil-Deligne表現rec_F(π)が同型を除いて唯一存在する：F^×の任意の指標χに対し，

L (χ◦det)⊗π, s

=L rec_F(χ)⊗rec_F(π), s , ε (χ◦det)⊗π, s, ψ

=ε rec_F(χ)⊗rec_F(π), s, ψ

．

rec_F(π)はψのとり方によらない．すなわち，上の2つ目の等式は任意の非自明加法的指標に対し成立する．また，rec_F は指標による捻り，双対と両立する．すなわち，

F^×の任意の指標χに対しrec_F((χ◦det)⊗π) = rec_F(χ)⊗rec_F(π)が成立し，また rec_F(π^∨) = rec_F(π)^∨となる．πの中心指標をχ_πとおくと，det rec_F(π) = rec_F(χ_π)となる．

π 7−→rec_F(π)は

(a) GL₂(F)の既約スムーズ表現の同型類 (b) 2次元Weil-Deligne表現の同型類の間の全単射を与える．

この定理を最初に完全に証明したのはKutzko ([Ku])である．現在では一般にGL_nの場合にHarris-Taylor ([HT]), Henniart ([He1])によって志村多様体のコホモロジーを用いた証明が与えられている他，Bushnell-Henniart ([BH])による純局所的な証明もある（後者はGL₂に限る）．なお，GL_nの場合は局所Langlands対応を定理1.20中の条件だけで特徴付けることはできない．現在知られている特徴付けとして，対のL因子およびε因子というものを用いる方法がある([He2])．

(10)

例1.21

rec_F(n-Ind^GL_B ²^(F⁾(χ₁, χ₂)) = rec_Fχ₁⊕rec_Fχ₂, rec_FSt=Spである．したがって，

• 主系列表現と可約半単純Weil-Deligne表現

• スペシャル表現と直既約だが既約でないWeil-Deligne表現

• 超尖点表現と既約Weil-Deligne表現の間にそれぞれ一対一対応ができる．

1.4 p進表現に対応するWeil-Deligne表現

これまでは`6=pである場合を考えてきたが，`=pの場合，つまりp進体のp進表現についても簡単に触れておく．p進体のp進表現は`進表現よりもはるかに複雑であり，

定理1.12のようにWeil-Deligne表現と一対一に対応するわけではない．しかし，G_F の p進表現ρからWeil-Deligne表現WD(ρ)を構成することは可能である．

WD(ρ)を定義するには，Fontaineにより導入されたp進周期環B_stを用いる．Q_p上不分岐なF の部分体のうち最大のものをF₀と書くと，B_stは次の付加構造を持ったF₀ 代数である：

• Galois群G_F の作用（F₀線型）．

• Frobenius作用φ:B_st−→B_st（G_F線型，F₀の算術的Frobenius同型に関し半線型）．

• モノドロミー作用素N:B_st−→B_st （G_F 線型，N φ=pφNを満たす）． F の有限次拡大体Lに対し，B_st^{Gal(F /L)}=L₀が成り立つ．

定義1.22

Q_p同型F ∼=Q_pを固定する．G_F のp進表現ρ:G_F −→GL(V)に対し，Q_pベクトル空間D_pst(V)を

D_pst(V) = [

F⊂L⊂F

(V ⊗_Q_pB_st)^{Gal(F /L)}⊗_Q

p⊗L0 Q_p

で定める（LはFの有限次拡大を動く．V ⊗_Q_pB_stへのGal(F /L)の作用は対角的に定める．テンソル積はL₀ ,−→F ∼=Q_pの係数拡大によって得られるQ_p⊗L₀ −→Q_pに関してとる）．

dim_Q

pD_pst(V)≤dim_Q

pV であることが知られている．特にD_pst(V)は有限次元Q_p ベクトル空間である．dim_Q

pD_pst(V) = dim_Q

pV であるとき，V は潜在的半安定表現であるといわれる．p進表現が潜在的半安定であることはde Rham表現（ここでは定義しない）であることと同値であることが知られているので，以下では潜在的半安定表現

(11)

のことをde Rham表現ということにする．

V ⊗_Q_pB_stにはσ∈W_F の作用をσ⊗(φ^n(σ)[κ:F^p^]◦σ)で定めることができる．これは任意のLに対しQ_p⊗_Q_pL₀線型であるから，D_pst(V)へのW_F の作用を誘導する．こうして得られた表現をrと書く．D_pst(V)の定義よりrはスムーズ表現となる．

一方，V⊗_Q_pB_stにはモノドロミー作用素をid⊗Nで定めることができ，これはD_pst(V) 上のモノドロミー作用素（これもN と書く）を誘導する．

N φ=pφN より，σ ∈ W_F に対しN r(σ) =p^n(σ)[κ:F^p^]r(σ)N =q^n(σ)r(σ)N が従うので，(r, D_pst(V), N)はQ_p上のWeil-Deligne表現である．これをWD(ρ)と書く．

注意1.23

`進表現のときと異なり，WDは充満忠実にはならない．実際，D_pst(V)には上で説明していない付加構造であるフィルトレーションがあり，V がde Rham表現であるときは D_pst(V)へのG_F の作用，Frobenius作用φ（id⊗φから誘導されるもの），フィルトレーションという3つの付加構造からV がちょうど復元できる（de Rham表現V に対して3 つの付加構造を持ったベクトル空間D_pst(V)を対応させる関手は充満忠実である）ことが証明できる．WDをとるとフィルトレーションが忘却されるので，充満忠実性が崩れるのである．

1.5 補遺：Weil群の表現についての補足

ここでは，p進体のWeil群のスムーズ表現に関する技術的な補題をいくつか準備する．

これらは主に4.3節で用いられる．

補題1.24

r:W_F −→GL(V)をW_F の有限次元スムーズ表現とするとき，次が成り立つ：

i) r(I_F)は有限群である．

ii) ϕ∈W_F をn(ϕ) = 1となる元とするとき，ある正整数mに対しr(ϕ^m) : V −→V はW_F の作用と可換になる．

証明 V の基底x₁, . . . , x_n∈V をとる．rはスムーズ表現であるから，Stab_I_F(x_i)はI_F の開部分群である．よってFの有限次拡大体Lが存在してI_F ∩W_L ⊂T_n

i=1Stab_I_F(x_i) となる．必要ならLを大きくしてF のGalois拡大とすることで，H =I_F ∩W_LはW_F の正規部分群となるようにできる．HはI_Fの指数有限な開部分群でありKerrに含まれるので，まずr(I_F)は有限群であることが分かる．一方，ϕは共役によってI_F/Hに作用するが，I_F/Hは有限群なので，ある整数m >0に対しϕ^mはI_F/Hに自明に作用する．

このmに対し，r(ϕ^m) :V −→V はW_F の作用と可換であるのでよい（W_F はI_F とϕで生成されることに注意）．

(12)

系1.25

r:W_F −→ GL(V)をW_F の有限次元既約スムーズ表現とするとき，W_F の不分岐指標χが存在して，χ⊗r:W_F −→GL(V)の像は有限となる．

証明補題1.24 ii)の条件を満たす正整数mをとると，rは既約なのでSchurの補題によりr(ϕ^m)は定数である．r(ϕ^m) = cとおき，不分岐指標χ: W_F −→C^×をϕ7−→ c^−1/m となるように定めれば，χ⊗rの像はr(I_F)およびχ(ϕⁱ) (1≤i≤m−1)で生成されるので有限群となる．

この証明と同様の考え方によって，W_F の半単純スムーズ表現は指標によって区別できることが証明できる．これは第6節で用いられる．

命題1.26 （[Sa2, Lemma 1 (1)]）

r, r⁰をW_F の半単純表現とし，任意のσ ∈ W_F⁺ := {σ ∈ W_F | n(σ) ≥ 0}に対し Trr(σ) = Trr⁰(σ)が成り立っているとする．このとき，r∼=r⁰である．

証明 ϕ∈W_F をn(ϕ) = 1となる元とすると，補題1.24 ii)よりr(ϕ^m),r⁰(ϕ^m)がともに W_F の作用と可換であるような正整数mがとれる．r(ϕ^m)またはr⁰(ϕ^m)の固有値として現れる複素数をa₁, . . . , a_kとおき，rのr(ϕ^m)に関する固有分解をr=r₁⊕ · · · ⊕r_k（r_iに r(ϕ^m)がa_i倍で作用する），r⁰のr⁰(ϕ^m)に関する固有分解をr⁰ =r⁰₁⊕· · ·⊕r_k⁰（r⁰_iにr⁰(ϕ^m) がa_i倍で作用する）とおく．多項式Q_i(T),P_i(T)をQ_i(T) = (T−a_i)⁻¹Q_n

j=1(T−a_j), P_i(T) =Q_i(a_i)⁻¹Q_i(T)で定めると，P_i(r(ϕ^m))はrからr_iへの射影子であり，P_i(r⁰(ϕ^m)) はr⁰からr⁰_iへの射影子であるから，任意のσ∈W_F⁺に対し

Trr_i(σ) = Tr

P_i r(ϕ^m) r(σ)

= Tr

P_i r⁰(ϕ^m) r⁰(σ)

= Trr⁰_i(σ)

となる．これより，一般のσ ∈ W_F に対しても，ϕ^mlσ ∈ W_F⁺ となる整数lをとると Trr_i(σ) = a^−l_i Trr_i(ϕ^mlσ) = a^−l_i Trr_i⁰(ϕ^mlσ) = Trr_i⁰(σ) となるので同様の等式が成り立つ．

さて，不分岐指標χ_i:W_F −→ C^×をϕ7−→ a^−1/m_i で定めると，系1.25と同様にして χ_i⊗r_i,χ_i⊗r_i⁰はW_F の有限商を経由することが分かる．上で示したことからこれらの指標は一致するので，有限群の表現論によりχ_i⊗r_i ∼=χ_i⊗r⁰_iすなわちr_i∼=r⁰_iが得られる．これよりよい．

定義1.27

W_F の有限次元スムーズ表現r:W_F −→ GL(V)に対し，PrをW_F −−→^r GL(V) −

PGL(V)の合成として定める．

(13)

命題1.28

W_F の2次元スムーズ表現r:W_F −→GL₂(C)に対し，ImPrが有限群であると仮定する（系1.25より，rが既約ならばこの仮定は満たされる）．このとき，ImPrは次のいずれかと同型である：

i) 巡回群Z/nZ．

ii) 二面体群D_n=Z/nZ o Z/2Z(n≥3)． iii) 四面体群（交代群A₄）．

iv) 八面体群（対称群S₄）．

i)の場合rは可約であり，ii), iii), iv)の場合rは既約である．

ii)の場合はrは単項的となる．iii)の場合rは四面体型であるといい，iv)の場合rは八面体型であるという．

証明まず，W_F は可解群であるから，ImPrも可解群であることに注意する．

PGL₂(C)∼= SO3(C)である．同型の構成方法のみ説明することにする．PGL₂のLie環をgとおくと，PGL₂(C)は随伴作用によりgに作用し，さらにgのKilling形式を保つ．

gは3次元単純Lie環であるから，これにより準同型PGL₂(C)−→SO₃(C)が得られる．

よく知られているように，SO₃(C)の有限部分群は巡回群，二面体群，四面体群，八面体群，二十面体群の5種類である．二十面体群はA₅と同型なので可解でないから現れない．

あとは次を証明すれば十分である：

(a) rが可約かつImPrが有限群ならばImPrは巡回群である．

(b) ImPrが巡回群ならばrは可約である．

(c) ImPrが二面体群ならばrは単項的である．

まず(a)を示す．ImPr が有限群であることから，n(ϕ) = 1となるϕ ∈ W_F に対し r(ϕ)^m=cとなる整数m >0および定数c6= 0が存在する．これよりr(ϕ)は半単純であり，rはFrobenius半単純表現であることが分かる．したがってrが可約ならば1次元表現の直和χ₁⊕χ₂と同型となるので，ImPrは巡回群になる．

次に(b)を示す．ImPrが位数nの巡回群であるとし，GL₂(C)−→PGL₂(C)でImPr の生成元にうつるようなImrの元αをとる．αの固有ベクトルを一つとり，それで生成されるC²の1次元部分空間をV とおく．Imrの元はαⁱの定数倍であるからV を保つので，V はW_F の作用により保たれる．よってrは可約である．

最後に(c)を示す．ImPrが二面体群であるとし，その指数2の正規部分群をHとおく．HのPrによる逆像に対応するFの2次拡大をLとする．このときHは巡回群であるから，(b)よりr|_W_Lは可約であり，したがってW_Lの指標χでHom_W_L(r|_W_L, χ)6= 0

(14)

となるものが存在する．このときHom_W_F(r,Ind^W_W^F_Lχ) 6= 0であるから，rの既約性と dim_CInd^W_W^F

Lχ= 2よりr ∼= Ind^W_W^F_Lχが従う．

補題1.29 （[Ca1, 12.1.3 Lemme]）

W_Fの2次元既約スムーズ表現rが四面体型または八面体型であるとする．HをImPr の2-Sylow部分群とし（これは指数3の部分群である），HのW_F における逆像に対応するF の拡大体をLとおく（LはFの3次拡大である．rが四面体型のときLはF の

Galois拡大であるが，rが八面体型のときはそうではない）．

W_Fの（既約とは限らない）2次元スムーズ表現r⁰に対しr|_W_L ∼=r⁰|_W_Lおよびdetr = detr⁰が成立するならば，r ∼=r⁰である．

証明まずr が四面体型の場合を考える．この場合H はImPr の正規部分群である．

W_F/W_L∼=Z/3Zの非自明指標χを一つとると，

Ind^W_W^F_L(r|_W_L)∼=r⊕χr⊕χ²r, Ind^W_W^F_L(r⁰|_W_L)∼=r⁰⊕χr⁰⊕χ²r⁰

となる．条件よりこれらは同型なので，r⁰ は既約であり，r ∼= χⁱr⁰となる0 ≤ i≤ 2が存在することが分かる．両辺のdetをとることでdetr=χ²ⁱdetr⁰が得られるから，χ²ⁱ は自明指標である．χ³が自明であることとχの非自明性からi= 0が分かり，r ∼=r⁰が従う．

次にrが八面体型の場合を考える．GをImPrの指数2の正規部分群とし，対応する F の拡大体をM とおく．Gは四面体群であるから，r|_W_M は四面体型である．さらに，

Gの2-Sylow部分群H⁰はHに含まれる（実際，H⁰はGの唯一の2-Sylow部分群なので ImPrの正規部分群となる．Sylowの定理よりImPrの2-Sylow部分群H⁰⁰でH⁰を含むものが存在し，HはH⁰⁰と共役なのでH⁰を含む）．このことからr|_W_M,r⁰|_W_M はこの補題の条件を満たしていることが分かり，既に示した場合を用いることでr|_W_M =r⁰|_W_M が得られる．

したがって，rとr⁰の指標はW_L∪W_M上で一致する．一方，W_Fの任意の元はW_L∪W_M の元と共役であることが容易に確かめられる（S₄の2-Sylow部分群Hを1つとり，S₄の任意の元がH∪A₄の元と共役であることを直接確かめればよい）．よってrとr⁰の指標はW_F 上で一致することが分かるので，命題1.26よりrとr⁰の半単純化は同型である．

これとrの既約性からr∼=r⁰が従うのでよい．

注意1.30

上の補題において，r|_W_Lは可約または単項的である．

(15)

2 代数体に関する記号・補足

ここでは，Fを代数体とし，F に関連する記号をいくつか導入する．

2.1 アデール

F の素点vに対し，F のvによる完備化をF_vと書く．vが有限素点である場合には，

F_vは完備離散付値体となるが，その整数環をO_vと書く．

A_F =Q₀

vF_v := {(a_v)_v ∈ Q

vF_v |有限個のvを除いてa_v ∈ O_v}でF のアデール環を表す．Fの素点からなる有限集合Sに対し，F_S =Q

v∈SF_v,A^S_F =Q₀

v /∈SF_vとおく．特に Sが無限素点全体からなる集合の場合はそれぞれF_∞,A^∞_F と書く．また，S={v₁, . . . , v_n} である場合にはF_S,A^S_F と書かずに単にF_v₁_,...,v_n,A^v_F¹^,...,vⁿと書く．F =Qの場合はAの下添字Qを省略する．

F 上の代数群Gに対し，G(A_F),G(F_S), G(A^S_F)を定義することができる．例えば，

GL_n(A_F) = Y₀

v

GL_n(F_v) = n

(g_v)_v ∈Y

v

GL_n(F_v)

有限個のvを除きg_v ∈GL_n(O_v) o

である．特に GL₁(A_F)のことを A^×_F と書き，イデール群と呼ぶ．| |_F: A^×_F −→ C^×; (a_v)_v −→ Q

v|a|_v をイデールノルムという（| |_v は素点vに対応する絶対値）．イデールノルムはF^×⊂A^×_F 上自明である．

上記で導入した上添字，下添字の記法は，アデールのみならず保型表現などの大域的な対象に対し適用される．例えば，保型表現Πの有限部分はΠ^∞と書く．

2.2 大域類体論

群準同型Art_F:A^×_F −→G^ab_F を局所類体論の準同型

• Art_F_v:F_v^× −→G^ab_F_v ⊂G^ab_F （vが有限素点のとき），

• Art_F_v:R^× −R^×/R_>0−−→^∼⁼ G^ab_F_v⊂G^ab_F （vが実素点のとき），

• Art_F_v:C^× −→ {1}=G^ab_F_v ⊂G^ab_F （vが複素素点のとき）

の積として定める．これは同型A^×_F/(F^×(F_∞^×)⁰)^∧ −−→^∼⁼ G^ab_F を誘導する（(F_∞^×)⁰はF_∞^×の単位元を含む連結成分，(F^×(F_∞^×)⁰)^∧はF^×(F_∞^×)⁰のA^×_F における閉包）．

定義2.1

χ:A^×_F/F^×−→C^×を連続指標とする．各埋め込みσ:F ,−→Cに対し整数n_σが存在して次の条件を満たすとき，χは代数的Hecke指標であるといわれる：

合成((F ⊗_QR)^×)⁰ ⊂(F ⊗_QR)^× −−→^∼⁼ F_∞^× −−→^χ^∞ C^×はQ

σ(σ⊗1)ⁿ^σ に一致する．