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解法: 対称冪の潜在的保型性によるサトー・テイト予想の証明(2011年)

ステップ 4/8: 高階ガロア表現に対する保型性リフト定理
ざっくり言うと

ワイルズによるフェルマーの最終定理の証明は、ガロア表現の「影」(小さな数を法とした還元)がすでにモジュラー形式に由来することが知られていれば、完全な表現もモジュラー形式に由来せざるを得ないことを示すことで機能した。それ以外の可能性が残る余地が本質的にないからである。

Clozel、Harris、Taylorは、この「リフト」技法を楕円曲線の二次元の設定から任意次元のガロア表現へと拡張し、GL(2)\mathrm{GL}(2) だけでなく GL(n+1)\mathrm{GL}(n+1) 上での保型性を証明するための一般的な道具を与えた。

ρˉ automorphic, ρ a lift of ρˉ ⟹ ρ automorphic(automorphy lifting, CHT 2008)\bar\rho \text{ automorphic}, \ \rho \text{ a lift of } \bar\rho \ \Longrightarrow \ \rho \text{ automorphic} \qquad \text{(automorphy lifting, CHT 2008)}
詳しい解説

Taylor–Wiles法は、ℓ\ell 進ガロア表現 ρ\rho が保型的であることを、固定された剰余表現 ρˉ=ρ mod ℓ\bar\rho = \rho \bmod \ell のすべてのリフトをパラメータ付けする変形環と、保型形式に作用するHecke環とを比較すること(R=TR = \mathbb{T} 定理)によって証明する。剰余表現 ρˉ\bar\rho がすでに保型的であることが知られ「大きな像」を持つとき、この方法は適切なリフト ρ\rho もすべて保型的であることを示す。

Clozel、Harris、Taylor(Publ. Math. IHÉS 108, 2008)は、このTaylor–Wiles–Kisin法を GL(2)\mathrm{GL}(2) から nn 次元ガロア表現へと一般化し、基底変換によって GL(n)\mathrm{GL}(n) へ移されるユニタリ群上の保型形式を扱った。この保型性リフト定理は、以降のすべてのステップを支える本質的な技術的エンジンである。

残る障害は、リフトのプロセスを始めるには、まずすでに保型的であることが知られている剰余表現 ρˉ\bar\rho が必要だということである——そして任意の楕円曲線 EE に対して、SymnE\mathrm{Sym}^n E に対するそのような出発点が明らかに存在するわけではない。それを作り出すことが次のステップの仕事である。

このステップの用語
Taylor–Wiles法
ワイルズとテイラーがフェルマーの最終定理のために考案した技法で、変形環とHecke環を比較すること(R=TR = \mathbb{T} 定理)によってガロア表現が保型的であることを証明し、後にClozel、Harris、Taylorによって高次元の表現へと拡張された。
剰余表現 ρˉ\bar\rho
ℓ\ell 進ガロア表現 ρ\rho を ℓ\ell を法として還元したもので、有限体上の表現を与える。保型性リフト定理は、ρ\rho 自身へリフトする前に、この「影」の表現がすでに保型的であることが知られていることを要求する。
このステップで使う知識