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Sección a cargo de. Adolfo Quirós Gracián. Jean-Pierre Serre. medalla Fields. por Pilar Bayer
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Ángela Ávila San Segundo
1 LA GACETA 211 LAS MEDALLAS FIELDS Sección a cargo de Adolfo Quirós Gracián Jean-Pierre Serre, medalla Fields por Pilar Bayer Cuando Jean-Pierre Serre fue galardonado con la medalla Fields en el International Congress of Mathematicians, celebrado en Amsterdam en 1954, sus primeras contribuciones en topología algebraica y en geometría algebraica reflejaban sólo el inicio de una carrera matemática extraordinaria. Muchos de sus trabajos en topología algebraica, geometría algebraica, álgebra, grupos y álgebras de Lie, y teoría de números son hoy referencia habitual en la producción científica. Día a día, y a lo largo de 50 años, Jean-Pierre Serre se ha acreditado como un maestro. Entre las características de la producción matemática de Serre destacamos la profundidad de su pensamiento, la elegancia de sus razonamientos, así como su bella manera de escribir. Estudiar una memoria o un libro de Serre es siempre un placer; releerlos, una necesidad. La amplia visión que Serre posee de la matemática, sus resultados, sus conjeturas, sus preguntas, así como la inestimable ayuda brindada a los matemáticos en tantas ocasiones, han cristalizado en algunos de los logros más espectaculares de la matemática de los últimos años. Sintetizar el quehacer de Serre en pocas páginas Jean-Pierre Serre es prácticamente imposible. No todos sus resultados van a ser mencionados en este escrito, por lo que pido disculpas de antemano. Dicho esto, no quisiera concluir la introducción sin expresar mi agradecimiento al consejo de redacción de La Gaceta por haberme confiado tan estimulante encargo.2 212 LAS MEDALLAS FIELDS PERFIL BIOGRÁFICO Jean-Pierre Serre nació el 15 de septiembre de 1926, en Bages (Pirineos Orientales), un pueblecito del Rosellón en el que su padre, Jean, y su madre, Adèle, regentaban una farmacia. Cuenta el propio Serre que su temprana afición por las matemáticas se vio favorecida por el estudio de un libro de cálculo guardado celosamente por su madre desde sus años universitarios, en Montpellier. De 1945 a 1948, Serre estudia en la École Normale Supérieure de París. Concluida su graduación en matemáticas, conoce a Henri Cartan y participa en su recién creado seminario; la colaboración de Serre en el Séminaire Cartan se extendería a lo largo de quince años. En 1951 Serre defiende su tesis doctoral en la Sorbonne. La tesis se vería publicada en Annals of Mathematics, aquel mismo año. En 1954, Jean-Pierre Serre y Kunihiko Kodaira recibían la medalla Fields de manos de Hermann Weyl. Era la tercera ocasión en que se concedían tales condecoraciones. Serre contaba 27 años. En su laudatio a los recipiendarios, Weyl dijo que Kodaira es un matemático joven, según la definición por la cual un matemático joven es aquel que no ha cumplido los 40 años, mientras que Serre es un matemático joven, con independencia de la definición adoptada!. Cuando en 1955 Serre presentó su candidatura a la plaza de Professeur del Collège de France (cátedra de Algèbre et Géométrie), tenía en su haber 30 artículos de investigación publicados, había realizado seis exposiciones en el Séminaire Bourbaki y estaba en posesión de la medalla Fields. Hasta el momento presente, la editorial Springer ha publicado cuatro volúmenes de la obra de Serre [Œuvres I-II-III (1986); IV (2000)], que comprenden 173 de sus artículos, anotados por el propio Serre. Además, Serre es autor de una docena de libros, la mayoría de los cuales han conocido numerosas ediciones y/o traducciones. En las secciones siguientes, una acotación de la forma [Œ 131(1984)] hará referencia al artículo 131 de las Œuvres, publicado en Cuando mencionemos un curso de Serre, se tratará de un curso impartido en el Collège de France, salvo indicación expresa de lo contrario. El nombre de un autor seguido de una fecha denotará una publicación. PRIMERA ETAPA: LA TESIS El notable desarrollo experimentado por el cálculo tensorial, la geometría riemanniana y la teoría de los grupos continuos de transformaciones favoreció en las primeras décadas del siglo XX la aparición de relevantes interacciones entre geometría, análisis y topología. Los libros de H. Seifert y W. Threlfall (1934, 1939) eran referencia obligada, tanto en el estudio de la topología como en el del cálculo de variaciones; los libros de A. Weil (1946, 1948) proponían3 LA GACETA 213 una base para la geometría algebraica a partir de la noción de variedad e iniciaban un estudio sistemático de las variedades abelianas; W. V. D. Hodge y H. Weyl probaban que toda forma diferencial cerrada es homóloga a una forma armónica; y la tesis de G. de Rham preparaba el camino para la teoría de haces, que nacería con J. Leray (1950). En 1950, L. Schwartz recibía la medalla Fields por su teoría de distribuciones. En la década de los cincuenta, Serre escribe sus primeros artículos, colabora en publicaciones con H. Cartan, A. Borel y G. P. Hochschild, y prepara su tesis doctoral como alumno de Henri Cartan. En una publicación inicial, Serre y Borel [Œ 2(1950)] demostraron la imposibilidad de fibrar un espacio euclidiano mediante fibras compactas. La tesis de Serre, titulada Homologie singulière des espaces fibrés. Applications [Œ 9(1951), 4(1950), 5(1951), 6(1951)], tenía por objetivo inicial la obtención de los grupos de cohomología singular de los complejos de Eilenberg- MacLane por medio de técnicas de espacios fibrados. La propiedad de elevación de homotopías que Serre impone a los espacios fibrados conduce a la existencia de una sucesión espectral de homología singular, análoga a la obtenida por J. Leray (1950) en el ámbito de la teoría de Čech; una sucesión espectral dual existe asimismo en cohomología. El concepto de espacio fibrado que Serre utiliza es más general que el habitual en la época, permitiéndole el tratamiento de los espacios de lazos. Dados un espacio topológico arco conexo X y un punto x X, el espacio de lazos en x, Ω, se interpreta como la fibra de un espacio fibrado, E, de base X. Los elementos de E son los caminos de X de origen en x. La idea realmente nueva consiste en interpretar la aplicación de evaluación, que a un camino le asigna su extremo, como una aplicación fibra f : E X. El espacio E es contráctil y, por ello, resulta de gran utilidad para relacionar la homología de Ω con la de X, una vez adaptada convenientemente la teoría de Leray. La tesis de Serre contiene aplicaciones diversas. Por ejemplo, a partir de un teorema de M. Morse (1938) y de sus propios resultados, Serre demuestra que para todo espacio de Riemann compacto y conexo existen infinitas geodésicas que unen dos cualesquiera de sus puntos. Pero, sin duda, la aplicación más notable contenida en la tesis de Serre es la que hace referencia al cálculo de grupos de homotopía de esferas π i (S n ). Con anterioridad, H. Freudenthal (1938) había determinado los grupos π n+1 (S n ); L. Pontrjagin y G. W. Whitehead (1950) habían calculado los grupos π n+2 (S n ); y H. Hopf había demostrado que el grupo π 2n 1 (S n ), n par, es isomorfo a la suma directa de Z y de un grupo finito. Gracias también a Freudenthal, se sabía que los grupos π n+k (S n ) dependen únicamente de k. Serre obtiene que todos los grupos π i (S n ), i > n, son finitos, salvo π 2n 1 (S n ), n par, que es la excepción descubierta por Hopf. Dado un primo p, demuestra que la componente p-primaria de π i (S n ), n 3, es nula si i < n + 2p 3; y la componente p-primaria de π n+2p 3 (S n ) es un p-grupo cíclico. El estudio de los grupos de homotopía de esferas fue proseguido por Serre en los dos años posteriores a la lectura de su tesis [Œ 8(1951), 10(1952), 11 (1952), 12(1952), 13(1952), 18(1953), 19(1953), 22(1953)]. Los artículos [Œ 104 214 LAS MEDALLAS FIELDS (1952), 11(1952)] están escritos en colaboración con H. Cartan y el artículo [Œ 8(1951)], en colaboración con A. Borel. Durante una estancia en Princeton, acaecida en 1952, Serre se da cuenta que es posible una localización en el cálculo de los grupos de homotopía. Para ello introduce un lenguaje mod C consistente en ignorar una clase C de objetos, como en aritmética. Serre [Œ 18(1953)] prueba que el grupo π i (S n ) es C-isomorfo a la suma directa de π i 1 (S n 1 ) y π i (S 2n 1 ), siendo C la clase de los 2-grupos. En [Œ 18(1953)] demuestra que todo grupo de Lie es homotópicamente equivalente a un producto de esferas, módulo ciertos números primos, que determina en el caso de los grupos clásicos. En [Œ 19(1953)] determina el comportamiento asintótico de la serie de Poincaré de las álgebras de cohomología módulo 2 de los complejos de Eilenberg-MacLane K(Π; q), cuando el grupo Π (abeliano si q 2) es finitamente generado; para ello combina resultados de la tesis de A. Borel, resultados de H. Cartan y de su propia tesis. En el mismo trabajo calcula los grupos π n+3 (S n ) y π n+4 (S n ). Basándose en [Œ 13(1952)] y en el conocimiento de los grupos π i (SO(n)), i 8, calcula en [Œ 22(1953)] todos los grupos π i (S 3 ), i 11, y π n+i (S n ), i 8. La determinación de los grupos de homotopía de las esferas sigue siendo todavía objeto de investigación, pero la intervención de Serre en este problema fue decisiva, tanto por los métodos empleados como por los resultados obtenidos. LA MEDALLA FIELDS El tratamiento cohomológico de las extensiones de grupos se inicia en la tesis de R. Lyndon (1948). G. Hochschild y Serre [Œ 15(1953)] prosiguen su estudio, guiados por la analogía existente con la cohomología de los espacios fibrados. Dados un grupo discreto G, un subgrupo invariante K y un grupo de coeficientes A, obtienen una sucesión espectral H(G/K, H(K, A)) H(G, A). Si H r (K, A) = 0, 0 < r < q, la sucesión espectral proporciona la sucesión exacta 0 H q (G/K, A K ) H q (G, A) H q (K, A) G/K H q (G/K, A K ) H q+1 (G, A). La denominada sucesión exacta de Hochschild-Serre se convertiría en la pieza clave de muchas demostraciones. En [Œ 16(1953)] Hochschild y Serre transferían su método al estudio de la cohomología de las álgebras de Lie. La teoría inicial de los espacios fibrados algebraicos, debida A. Weil, fue expuesta por Serre en el Séminaire Bourbaki [Œ 21(1952/53)]. Vale decir que en Weil tales espacios son siempre localmente triviales. En su exposición, Serre formula diversas preguntas sobre la clasificación de espacios fibrados algebraicos de fibra vectorial, que serían contestadas por A. Grothendieck (cuando la base es de género cero) y por M. Atiyah (cuando la base es de género uno). Ciertas reflexiones hechas por Serre en aquella ocasión se verían posteriormente reflejadas en sus memorias [FAC] y [GAGA], de las cuales hablaremos en la sección siguiente.5 LA GACETA 215 Cartan y Serre [Œ 24(1953)] prueban que los grupos de cohomología H q (X, F), asociados a una variedad analítica compleja y compacta X y con valores en un haz analítico coherente F, son espacios vectoriales de dimensión finita. En un artículo que dedica a H. Hopf, Serre [Œ 28(1955)] daba a conocer un teorema de dualidad, en el ámbito de las variedades analíticas complejas. Serre aplica el teorema de dualidad a la obtención de una demostración sencilla del teorema de Riemann-Roch para curvas y a la determinación de la cohomología de las variedades de Stein. En su demostración, Serre utiliza resultados transcendentes de P. Dolbeault, de G. de Rham y de la teoría de distribuciones de L. Schwartz. Previamente, en una carta a Borel [Œ 20(1953)], Serre había propuesto la generalización del teorema de Riemann-Roch para variedades de dimensión superior. Los resultados obtenidos por F. Hirzebruch al respecto fueron expuestos por Serre en el Séminarie Bourbaki [Œ 25(1953/54)]. El teorema de Riemann-Roch según Grothendieck sería expuesto por A. Borel y por Serre en un seminario en Princeton; el texto de esta exposición se encuentra en las Œuvres de A. Borel (Springer, 1983, n. 44(1958)). En su ponencia [Œ 27(1954)], presentada al International Congress of Mathematicians de Amsterdam, Serre propone la extensión de la teoría de haces al estudio de las variedades algebraicas definidas sobre un cuerpo de característica arbitraria, consciente de que numerosos problemas de la geometría algebraica clásica podían ser estudiados por medio de la teoría de haces. Si X es una variedad proyectiva y no singular definida sobre un cuerpo finito, los espacios vectoriales H q (X, Ω p ) son de dimensión h p,q, finita. Serre se pregunta si los valores p+q=n hp,q proporcionan los números de Betti que las conjeturas de Weil predicen. La pregunta sería contestada negativamente por J. Igusa (1955). En el congreso de Amsterdam, cuando H. Weyl entregó a Serre la medalla Fields, quizá algo preocupado por la extrema juventud de éste, concluyó su presentación recomendándole carry on as you began!. En los párrafos siguientes desearía ilustrar el cumplimiento de aquel encargo. HACES COHERENTES En la memoria fundamental Faisceaux algébriques cohérents [FAC] [Œ 29(1955)], Serre desarrolla una teoría de haces algebraicos coherentes en el ámbito de las variedades algebraicas sobre un cuerpo k de característica arbitraria. En la época, las variedades algebraicas se consideraban provistas de la topología de Zariski; con lo cual, al tratarse de espacios no separados, los métodos de la topología algebraica no eran directamente aplicables. Así, la exactitud de la sucesión exacta de cohomología asociada a una sucesión exacta de haces no es válida en general, pero se satisface al tomar haces coherentes. El [FAC] consta de tres capítulos. El capítulo I se dedica a la teoría general de haces; el capítulo II contiene una definición alternativa del concepto de variedad abstracta según A. Weil, y en él se estudia la teoría de haces6 216 LAS MEDALLAS FIELDS coherentes sobre las variedades afines; el capítulo III se dedica al estudio de la teoría de haces coherentes sobre las variedades proyectivas. A todo fibrado vectorial algebraico E definido sobre una variedad algebraica V, Serre asocia un haz algebraico coherente, S(E), formado por los gérmenes de las secciones de E. Sea O el haz de anillos locales de V y A = Γ(V, O), su anillo de coordenadas. Si V es una variedad afín, la aplicación E Γ(S(E)) establece una biyección entre las clases de fibrados vectoriales sobre V y las clases de A-módulos proyectivos finitamente generados. En ella, los fibrados triviales se corresponden con los A-módulos libres. Si V = k n, en cuyo caso A es el anillo de polinomios k[x 1,..., X n ], Serre hace notar que él no conoce ningún k[x 1,..., X n ]-módulo proyectivo finitamente generado que no sea libre. Esta observación daría lugar a la denominada conjetura de Serre, aunque, de hecho, Serre nunca la consideró como tal. El [FAC] de Serre, el Tôhoku (1957) de A. Grothendieck, y el libro de R. Godement (1964) sobre teoría de haces serían los textos precursores de una nueva metodología en geometría algebraica abstracta. Les seguiría la monumental obra de A. Grothendieck [EGA ( ); SGA (1968; )]. La conjetura de Serre en dimensión 2 fue demostrada por C. S. Seshadri (1959). Su trabajo fue expuesto por Serre en el Séminaire Dubreil-Pisot [Œ 48 (1960/61)]. En esta exposición, Serre puso de manifiesto la relación de su conjetura con el problema de la caracterización de las variedades algebraicas de intersección completa. Al cabo de 20 años de la publicación de [FAC], y tras la obtención de resultados parciales por diversos autores (por ejemplo, en dimensión 3), D. Quillen (1976) y A. Suslin (1976), independientemente el uno del otro, demostraban la conjetura de Serre en cualquier dimensión. Su teorema afirma que todo K[X 1,..., X n ]-módulo finitamente generado y proyectivo es libre, si K es un cuerpo o, más generalmente, un dominio principal. El mismo año en que Serre era nombrado Professeur del Collège de France, publicaba la célebre memoria Géométrie algébrique et géométrie analytique [GAGA] [Œ 32(1956)]. En [GAGA] se comparan el tratamiento algebraico y el tratamiento analítico (o por vía transcendente) que admite toda variedad algebraica compleja. Se demuestra que existe una correspondencia biyectiva entre los haces algebraicos coherentes definidos sobre una variedad proyectiva X y los haces analíticos coherentes definidos sobre el espacio analítico X h asociado a X; la correspondencia deja invariantes los grupos de cohomología. Como aplicaciones de este resultado mencionaremos la invariancia de los números de Betti por automorfismos del cuerpo complejo C cuando X es no singular, así como la comparación de espacios fibrados algebraicos y analíticos de bases X, X h asociados a un mismo grupo estructural G. Tales clases de fibrados se identifican con los elementos de los conjuntos de cohomología H 1 (X, G), H 1 (X h, G h ), en donde G (respectivamente G h ) designan el haz de gérmenes de aplicaciones regulares (respectivamente holomorfas) de X (respectivamente X h ) en G. De todos los grupos algebraicos semisimples, la memoria trata únicamente los grupos especiales lineales SL n y los grupos simplécticos Sp n. El [GAGA] contiene un anexo dedicado al estudio de los módulos planos y7 LA GACETA 217 de los pares planos de anillos locales, los cuales surgen de manera natural al comparar los anillos locales en un mismo punto x de X, X h. ÁLGEBRA LOCAL Los logros de Serre en el [FAC] y en el [GA- GA] derivaron hacia un interés por el álgebra local. En una ponencia en el simposio de Tokyo-Nikko [Œ 33(1956)], Serre demuestra que la validez del teorema de syzygias caracteriza los anillos locales regulares, completando un teorema de A. Auslander y D. Buchsbaum (1956) por el cual todo anillo local regular es de dimensión homológica global finita. La caracterización homológica de los anillos locales regulares permite a Serre probar fácilmente que todo anillo de fracciones de un anillo local regular es regular. La teoría básica de los anillos locales, preferente- Jean-Pierre Serre mente de igual característica, fue el tema del curso [Œ 42(1957/58)]. Su contenido quedaría reflejado en el libro Algèbre Locale. Multiplicités [ALM (1965)], que ha guiado a toda una generación de algebristas. El libro incluye la teoría general de módulos noetherianos y sus descomposiciones primarias, polinomios de Hilbert, extensiones enteras, teoremas de Krull sobre la caracterización de la normalidad de dominios noetherianos, aplicaciones del complejo de Koszul, módulos de Cohen-Macaulay, la caracterización homológica de los anillos locales regulares, así como el teorema de estructura de los anillos locales completos, en el caso de igual característica. El libro contiene asimismo la célebre fórmula del Tor, que expresa las multiplicidades de intersección de la geometría algebraica como características de Euler-Poincaré formadas a partir de los functores Tor de Cartan-Eilenberg. COHOMOLOGÍA DE VARIEDADES En [Œ 35(1957)] Serre obtiene una caracterización homológica de las variedades afines, análoga a la de las variedades de Stein, y extiende parte de los resultados del [FAC] a variedades algebraicas arbitrarias. En la ponencia [Œ 38(1958)], presentada al simposio de topología algebraica celebrado en Méjico, Serre asocia a una variedad algebraica X, proyectiva, no singular y definida sobre un cuerpo algebraicamente cerrado k de característica p > 0, unos grupos de cohomología, H i (X, W), valorados en un haz W de vectores de Witt. Aunque esta definición tampoco proporcionó los números de Betti adecuados, el artículo en cuestión contiene ideas que favorecerían el nacimiento de las cohomologías l-ádica y cristalina. Es de destacar el tratamiento dado en este trabajo al Frobenius F como endomorfismo semilineal de H 1 (X, O), cuando X es una curva proyectiva y no singular. Una vez se8 218 LAS MEDALLAS FIELDS ha identificado el espacio H 1 (X, O) con el espacio formado por las clases de reparticiones sobre la curva (en el sentido de Chevalley), la operación anterior conduce a la matriz de Hasse-Witt de X. Mediante el uso del operador de Cartier sobre las diferenciales de la curva, Serre demuestra que H 1 (X, W) es un módulo libre sobre el anillo de Witt, W (k), de rango 2g s, siendo g el género de la curva y p s el número de clases de divisores de X anuladas por p. Los resultados anteriores se completan en el trabajo [Œ 40(1958)], dedicado a E. Artin. Dada una variedad abeliana A definida sobre un cuerpo algebraicamente cerrado de característica positiva, el cup producto dota a H (A, O) de una estructura de álgebra de Hopf. Serre demuestra que el álgebra de cohomología H (A, O) se identifica con el álgebra exterior del espacio vectorial H 1 (A, O), como en el caso clásico. Prueba asimismo que en una tal variedad las operaciones de Bockstein son nulas; es decir, A carece de torsión homológica. Serre construye un ejemplo de una variedad abeliana para la cual H 2 (A, W) no es un módulo de tipo finito. Esta situación tampoco era satisfactoria. En los trabajos mencionados, es patente la influencia de A. Weil. La búsqueda de una buena cohomología para las variedades definidas sobre cuerpos finitos estaba motivada por el deseo de demostrar las conjeturas de Weil, formuladas en Como es bien sabido, la buena cohomología para las variedades abstractas sería hallada por A. Grothendieck tras el desarrollo de la teoría de esquemas y de la topología étale. En [Œ 45(1960)] Serre pone de manifiesto que ciertas ideas de A. Weil se trasladan con relativa facilidad al ámbito de las variedades complejas kählerianas. Para ello hace uso de la descomposición de Hodge y del teorema de dualidad. Serre pone de manifiesto que si la teoría de Kähler pudiera transponerse en característica p > 0, entonces se deducirían las conjeturas de Weil. Fue éste el punto de inspiración de A. Grothendieck para la formulación de las conjeturas estándar sobre motivos (conjeturas que siguen todavía abiertas). En [Œ 50(1961)] Serre construye un esquema proyectivo y no singular en característica p > 0 que no posee ninguna elevación en característica cero, ni siquiera como esquema formal. En su ponencia [Œ 56(1962)], presentada en el International Congress of Mathematicians de Estocolmo, Serre ofrece una síntesis de la teoría de esquemas. Después de revisar los esquemas de Grassmann, de Hilbert, de Picard, y los esquemas de módulos de curvas de género dado, se centra en las propiedades principales de los esquemas sobre un anillo local, noetheriano y completo. A partir de este momento, el lenguaje de los esquemas se haría presente en sus textos (aunque jamás ha abusado de la dureza de esta terminología). CUERPOS DE CLASES La teoría de cuerpos de clases, un tema clásico en teoría de números, describe las extensiones abelianas de ciertos cuerpos por medio del denominado isomorfismo de reciprocidad. En ocasiones, el isomorfismo de reciprocidad puede hacerse explícito mediante un cálculo de símbolos (de los cuales,9 LA GACETA 219 la ley de reciprocidad cuadrática de Gauss proporciona el primer ejemplo). El tratamiento cohomológico de la teoría de cuerpos de clases se inicia con G. Hochschild, E. Artin, J. Tate, A. Weil y T. Nakayama. El primer libro que Serre publica es Groupes algébriques et corps de classes [GACC (1959)]. El libro se basa en el primer curso impartido por Serre [Œ 37(1956/57)] y en ideas de S. Lang, relativas a un desarrollo de la teoría de cuerpos de clases sobre cuerpos de funciones basado en el uso de recubrimientos y de técnicas propias de la geometría algebraica. En [GACC] Serre desarrolla la teoría de cuerpos de clases para cuerpos de funciones de una variable sobre un cuerpo de constantes finito. Los orígenes de la teoría se remontan a E. Artin, F. K. Schmidt y E. Witt. El lenguaje geométrico empleado es el del [FAC] y, ocasionalmente, el de A. Weil. En el capítulo I se resumen los resultados principales. El capítulo II se dedica a la teoría general de curvas algebraicas definidas sobre un cuerpo base algebraicamente cerrado. En los capítulos III-V se demuestra un teorema de M. Rosenlicht (1957) por el cual toda aplicación racional, f : X G, de una curva proyectiva, irreducible y no singular en un grupo algebraico conmutativo factoriza a través de una jacobiana generalizada, J m. Las jacobianas generalizadas son grupos algebraicos conmutativos que poseen la interesante propiedad de proporcionar extensiones no triviales de variedades abelianas (la jacobiana usual J) por grupos algebraicos lineales, L m. Los grupos L m proporcionan los símbolos locales de la teoría de cuerpos de clases. Se consideran asimismo cuestiones de racionalidad por descenso del cuerpo base, siguiendo el método de Weil. En el capítulo VI se demuestra que todo recubrimiento abeliano de una curva algebraica irreducible es imagen recíproca de una isogenia separable en una jacobiana generalizada, unívocamente determinada. La propiedad permite asociar a todo recubrimiento abeliano de una curva un conductor. Al tomar en consideración los distintos módulos m de la curva, las jacobianas generalizadas forman un sistema proyectivo de espacios principales homogéneos. Cuando el cuerpo base es C, la estructura algebraica de J m determina una estructura analítica, por la cual J m es un grupo de Lie complejo. La teoría de cuerpos de clases para los cuerpos de funciones de una variable sobre un cuerpo finito es abordada en el capítulo VI; en él se demuestra el isomorfismo de reciprocidad y se procede al cálculo explícito de los símbolos de restos de normas. El capítulo VII contiene un tratamiento cohomológico general de las extensiones de grupos algebraicos conmutativos. El estudio de la cohomología de grupos, y en especial de la cohomología de Galois, sería el tema del curso [Œ 44(1958/59)]. El material correspondiente se integraría en el libro Corps locaux [CL (1962)]. El [CL] tiene por objetivo el proporcionar una exposición por vía cohomológica de la teoría local de cuerpos de clases en el caso aritmético; es decir relativa a cuerpos valorados y completos con respecto de una valoración discreta de cuerpo residual finito. En la primera parte del libro se encuentra el teorema de estructura de los anillos de valoración discreta completos. En la segunda parte se expone la teoría de la ramificación de D. Hilbert, con inclusión de la numeración superior debida a J. Herbrand, y contiene un capítulo10 220 LAS MEDALLAS FIELDS sobre la representación de Artin asociada a una extensión de Galois finita de un cuerpo valorado, completo y de cuerpo residual perfecto. La representación de Artin, popularizada por Serre, había sido sugerida por A. Weil en una frase de su artículo L avenir des mathématiques (1947). La tercera parte del [CL] se dedica a la cohomología de grupos; incluye la interpretación cohomológica del grupo de Brauer de un cuerpo, Br(k), y en ella se trabajan los axiomas de formación de clases, en el sentido de Artin-Tate. La teoría local de cuerpos de clases ocupa la cuarta parte del libro. El isomorfismo de reciprocidad se obtiene a través de una formación de clases asociada al cuerpo local de partida, y se precisa por medio de un cálculo explícito de símbolos de restos de normas que incorpora resultados de B. Dwork (1958). El conductor de Artin de un carácter se interpreta en términos de la teoría. Destaquemos asimismo que el libro propone numerosos ejercicios, difíciles en su mayoría. El artículo [Œ 75(1967)] contiene un resumen de la teoría local de cuerpos de clases. En un anexo del [CL], Serre incluye una introducción al estudio de la cohomología de Galois no abeliana. Dada una extensión de Galois K/k y dado un grupo algebraico G definido sobre k, los elementos del conjunto H 1 (Gal(K/k), G(K)) describen las clases de espacios principales homogéneos por G definidos sobre k que poseen un punto racional en K. Serre demuestra que H 1 (Gal(K/k), G(K)) = {1} cuando G es uno de los grupos algebraicos siguientes: aditivo G a, multiplicativo G m, lineal GL n, especial lineal SL n, simpléctico Sp 2n. El resultado puede entenderse como una generalización del teorema 90 de Hilbert. La teoría de los grupos pro-algebraicos conmutativos es desarrollada por Serre en [Œ 49(1960)], después del curso [Œ 47(59/60)] impartido sobre el tema. Su aplicación a la elaboración de una teoría de cuerpos de clases geométrica se encuentra en [Œ 51(1961)]. Fijemos un cuerpo base k algebraicamente cerrado. Un grupo casi-algebraico conmutativo se define como una clase de isogenia puramente inseparable de grupos algebraicos conmutativos, definidos sobre k. De los teoremas de estructura de los grupos algebraicos conmutativos, se deduce que todo grupo casi-algebraico conmutativo y conexo G posee un subgrupo lineal L tal que el grupo cociente G/L es una variedad abeliana; L es producto de un toro T por un grupo unipotente U; T es producto de grupos isomorfos a G m ; y U posee una serie de composición cuyos cocientes son isomorfos a G a. Las clases de los grupos G a, G m, grupos cíclicos de orden primo y variedades abelianas simples se denominan grupos casi-algebraicos conmutativos elementales. Los grupos casi-algebraicos conmutativos forman una categoría abeliana, que se denota por Q; los grupos casi-algebraicos conmutativos y finitos forman una subcategoría, que se denota por Q 0. Si G es un grupo casi-algebraico conmutativo y G 0 la componente conexa de su elemento neutro, el cociente π 0 (G) := G/G 0 es un grupo abeliano finito. La categoría de los grupos pro-algebraicos conmutativos se define como P = Pro(Q). Sea P 0 = Pro(Q 0 ) la subcategoría de los grupos pro-finitos abelianos. La categoría P posee límites proyectivos y suficientes objetos proyectivos. Todo proyectivo de P es suma de proyectivos indescomponibles y los grupos proyectivos indescomponibles coinciden11 LA GACETA 221 con las envolventes proyectivas de los grupos casi-algebraicos conmutativos elementales. El functor π 0 es exacto por la derecha; sus functores derivados por la izquierda permiten definir los grupos de homotopía π i (G), para todo grupo pro-algebraico y conmutativo. El grupo π 1 (G) se denomina, como de costumbre, el grupo fundamental de G. Los grupos pro-algebraicos conmutativos, conexos y simplemente conexos forman una subcategoría S de P. Para todo objeto G de P, existen un grupo G en S y un morfismo u : G G, únicos, cuyo núcleo y conúcleo pertenecen a P 0. Más concretamente, se dispone de una sucesión exacta 1 π 1 (G) G G π 0 (G) 1. Mediante el functor recubrimiento universal, las categorías P/P 0 y S son equivalentes. Sea ahora Λ = Hom(G m, G m ) Z[p 1 ], en donde p denota el exponente característico de k. Si M es la subcategoría de los grupos pro-algebraicos de tipo multiplicativo, el functor X definido por X(G) = Hom(G, G m ) establece una equivalencia entre la categoría dual de M y la categoría C Λ de los Λ-módulos. Después de calcular los grupos de homotopía de los grupos pro-algebraicos conmutativos elementales, Serre concluye en [Œ 49(1960)] que todo grupo pro-algebraico conmutativo es de dimensión cohomológica 2, si k es de característica positiva; y de dimensión cohomológica 1, si k es de característica cero. Serre [Œ 51(1961)] contiene el tratamiento de la teoría local de cuerpos de clases en el caso geométrico; es decir, sobre un cuerpo K valorado y completo respecto de una valoración discreta de cuerpo residual k algebraicamente cerrado. Mediante la utilización de resultados generales debidos a M. Greenberg, Serre dota al grupo de las unidades U K de K de una estructura de grupo pro-algebraico conmutativo sobre k, con lo cual dispone del grupo fundamental π 1 (U K ). El isomorfismo de reciprocidad se expresa en la elegante forma π 1 (U K ) G ab K, en donde Gab K designa el grupo de Galois de la extensión abeliana maximal de K. El isomorfismo de reciprocidad es compatible con la filtración natural de π 1 (U K ) y la filtración de G ab K aportada por los grupos de ramificación dotados de la numeración superior. Al igual que en el caso aritmético, el isomorfismo de reciprocidad se logra por vía cohomológica. En el caso geométrico existe asimismo una teoría del conductor, basada en las representaciones de Artin. Cuestiones de racionalidad sobre las representaciones de Artin fueron planteadas por Serre en [Œ 46(1960)]. En este artículo, Serre pone de manifiesto la necesidad de disponer de una teoría del conductor en dimensión superior, análoga a la que proporciona en dimensión 1 la teoría de cuerpos de clases. Material básico para entender estos conceptos, en relación con la teoría de representaciones, se encuentra en el popular libro de Serre Représentations linéaires des groupes finis [RLGF (1968)], bien conocido por químicos y por físicos.12 222 LAS MEDALLAS FIELDS ANÁLISIS NO ARQUIMEDIANO En lo que sigue, p denotará un número primo. La demostración de B. Dwork (1960) de la racionalidad de la función zeta de una variedad algebraica definida sobre un cuerpo finito (primera conjetura de Weil) favoreció el desarrollo experimentado por el análisis p-ádico en la década de los sesenta. Sea Z(t) = a n t n la función zeta de una hipersuperficie de un espacio afín sobre un cuerpo finito. Dwork probó que la serie Z(t) es expresable como cociente de determinantes de Fredholm asociados a ciertos operadores de espacios de Banach p-ádicos, como paso previo para establecer su carácter racional. De la descomposición mencionada se deduce que la función Z(t) es estrictamente meromorfa en todo el plano p-ádico. Serre [Œ 55(1962)] pone de manifiesto que, en el ámbito del análisis p- ádico, las teorías de F. Riesz y de I. Fredholm son válidas para una misma familia de aplicaciones, formada por las aplicaciones nucleares (con traza) o las completamente continuas (límite de aplicaciones de rango finito). La memoria en cuestión, que es auto-contenida, proporciona una excelente introducción al estudio de estos temas. Serre traslada al contexto del análisis p-ádico parte de los resultados de la tesis de A. Grothendieck (1955) sobre productos tensoriales topológicos y aplicaciones nucleares. Dado un endomorfismo u completamente continuo de un espacio de Banach E = c(i) sobre un cuerpo local K, Serre considera su determinante de Fredholm det(1 tu); la serie det(1 tu) = m=0 c mt m tiene radio de convergencia infinito y define una función entera de t. La resolvente de Fredholm de u, P (t, u) = det(1 tu)/(1 tu), es una función entera de t valorada en L(E, E). Dado un elemento a K, la teoría de Riesz, convenientemente adaptada, permite afirmar que el endomorfismo 1 au es invertible si, y sólo si, det(1 au) 0. Si éste es el caso, se satisface la relación det(1 au) = (1 au)p (a, u) = P (a, u)(1 au). Si a K es un cero de orden h de la función det(1 tu), entonces el espacio E descompone unívocamente en suma directa de dos subespacios cerrados N, F invariantes por u. El endomorfismo 1 au es nilpotente en N y es invertible en F ; la dimensión de N es h. Serre demuestra que, dada una sucesión exacta de espacios de Banach E i y aplicaciones d lineales y continuas, 0 E 0 E 1... E n 0, y, dados endomorfismos u i de E i completamente continuos tales que d i u i = u i+1 d, 0 i < n, entonces n i=1 det(1 tu i) ( 1)i = 1. La fórmula es esencial para poder simplificar ciertos cálculos que intervienen en el teorema de Dwork. La publicación de Serre [Œ 57(1961/62)] resume un curso sobre análisis p- ádico. Los mismos métodos p-ádicos permitieron a B. Dwork (1964) probar la ecuación funcional, conjeturada por Weil, de la función zeta de las variedades definidas sobre cuerpos finitos, pero, como es bien conocido, fueron insuficientes para demostrar la hipótesis de Riemann sobre la localización de sus ceros. La demostración de la última conjetura de Weil requeriría la teoría de esquemas de A. Grothendieck y el fino trabajo de P. Deligne (1974; 1977) sobre cohomología l-ádica (l p). Una exposición realizada por Serre sobre trabajos de Deligne se encuentra en [Œ 117(1978)].13 LA GACETA 223 Una variedad analítica G sobre un cuerpo local k que sea un grupo en esta categoría se denomina un grupo de Lie (o analítico) sobre k; su álgebra de Lie, g, se define como de costumbre. Cuando k = Q p es el cuerpo de los números p-ádicos, se dice sencillamente que G es un grupo de Lie p-ádico. El estudio de los grupos de Lie p-ádicos y de las álgebras de Lie p-ádicas se remonta a R. Hooke (1942). Todo grupo de Lie p-ádico es un grupo topológico localmente compacto, totalmente discontinuo y sus subgrupos cerrados suficientemente pequeños son grupos pro-p (es decir, límite proyectivo de p-grupos finitos). Todo homomorfismo continuo entre grupos de Lie p-ádicos es analítico; todo subgrupo cerrado de un grupo de Lie p-ádico es analítico. Si G es un grupo de Lie p-ádico y compacto, entonces G es finitamente generado topológicamente. En 1962, Serre se da cuenta que los misteriosos grupos de Galois asociados a los módulos de Tate, de los cuales hablaremos más adelante, son grupos de Lie p-ádicos; por tanto, poseen una álgebra de Lie, abordable por los métodos propios de la teoría. La constancia de este hecho abría un campo de enormes posibilidades. El libro de Serre Lie Algebras and Lie Groups [LALG (1965)] está basado en un curso impartido en la Universidad de Harvard. El libro consta de dos partes; en la primera, Serre expone la teoría general de álgebras de Lie y la teoría clásica de las representaciones del álgebra sl n, sobre un cuerpo base algebraicamente cerrado de característica cero. En la segunda parte del libro, Serre expone una teoría de variedades analíticas sobre un cuerpo completo k, ya sea real, complejo o ultramétrico. Presenta en este contexto la teoría de los grupos de Lie, supuesto el cuerpo base de característica cero. Hace especial hincapié en aquellos aspectos de la teoría relacionados con grupos formales, estudiando su biálgebra asociada. En el caso ultramétrico, y k localmente compacto, demuestra que los subgrupos compactos maximales de GL(n, k) coinciden con los grupos de estabilizadores de las O-redes de k n y son, por tanto, conjugados de GL(n, O), en donde O denota el anillo de la valoración de k. En [Œ 65(1965)] Serre clasifica las variedades analíticas p-ádicas compactas. Dado un cuerpo k, localmente compacto por la topología definida por una valoración discreta de anillo de valoración A, toda variedad analítica compacta X sobre k, de dimensión n en cada uno de sus puntos, es isomorfa a una suma disjunta finita de copias de la bola A n. Dos sumas ra n y r A n son isomorfas si, y sólo si, r r (mod q 1), en donde q denota el número de elementos del cuerpo residual de k. El número i(x) = r (mod q 1) es un invariante de la variedad, que Serre interpreta analíticamente. COHOMOLOGÍA DE GRUPOS PRO-FINITOS Y DE GRUPOS DE LIE p-ádicos Por definición, un grupo pro-finito es un límite proyectivo de grupos finitos; un caso particular son los grupos pro-p, ya mencionados. Los grupos de Galois de las extensiones no finitas y los grupos de Lie p-ádicos compactos proporcionan los ejemplos más interesantes de grupos pro-finitos. Así, el grupo14 224 LAS MEDALLAS FIELDS aditivo de los enteros p-ádicos, Z p, y los grupos SL n (Z p ), Sp 2n (Z p ) son grupos pro-finitos; el primero de ellos es, además, un grupo pro-p. Las principales propiedades de la cohomología de los grupos pro-finitos fueron el tema del curso [Œ 59(1962/63)]. Constituyen el capítulo I de los tres que contiene el libro Cohomologie Galoisienne [CG (1964)]. Los capítulos II y III de [CG] se dedican al estudio de la cohomología de Galois, en el caso conmutativo y en el caso no conmutativo, respectivamente. A todo grupo profinito G = lim G i que opera de manera continua en un grupo abeliano discreto A, se le asocian grupos de cohomología H q (G, A), mediante el uso de cocadenas continuas. Si A = lim A i es un límite inductivo de G i -módulos discretos, se satisface que H q (G, A) = lim H q (G i, A i ). En el capítulo I, dados un primo p y un grupo pro-finito G, se definen los conceptos de p-dimensión cohomológica, cd p (G), y de dimensión cohomológica, cd(g). Se caracterizan ciertos grupos pro-p, denominados de Poincaré, que admiten una teoría de dualidad y son de dimensión cohomológica finita. El trabajo [Œ 60(1963/64)] expone la teoría de M. Lazard relativa a grupos de Lie p-ádicos, presentada por Serre en el Séminaire Bourbaki. Si k es una extensión finita de Q p y G es un grupo algebraico definido sobre k, el grupo G(k) formado por los puntos k-racionales de G posee una estructura canónica de grupo de Lie sobre k la cual, por restricción de escalares, proporciona un grupo de Lie p-ádico. Se ve que todo grupo topológico p-valorado y completo G de rango finito es un grupo de Lie p-ádico; si el rango de G es n, la dimensión cohomológica de G es igual a n. Un grupo topológico es un grupo analítico p-ádico si, y sólo si, posee un subgrupo abierto H que es un grupo pro-p y tal que (H, H) H p, si p 2; o bien (H, H) H 4, si p = 2. Si G es un grupo de Lie p-ádico y compacto tal que cd(g) = n <, entonces G es un grupo pro-p de Poincaré de dimensión n y el carácter ℵ(x) = det Ad(x) proporciona la dualidad de G, en donde Ad(x) es el automorfismo del álgebra de g definido por x. Condición necesaria para que un grupo analítico p-ádico compacto sea de dimensión cohomológica finita es que sea libre de torsión. Serre plantea si la condición es asimismo suficiente. En la exposición se comparan la cohomología de un grupo de Lie p-ádico G y la de su álgebra de Lie g. El trabajo [Œ 66(1965)] se dedica al estudio de la dimensión cohomológica de los grupos pro-finitos. Serre demuestra que si G es un grupo pro-finito, libre de p-torsión, para todo subgrupo U de G abierto se satisface que cd p (U) = cd p (G); la prueba de este resultado es complicada y en ella Serre utiliza potencias de Steenrod, una herramienta adquirida en sus días de topólogo. El teorema anterior y resultados de M. Lazard (1965) permiten probar que todo grupo de Lie p-ádico compacto libre de p-torsión y de dimensión n satisface que cd p (G) = n. Como corolario, Serre obtiene que todo grupo pro-p sin torsión que contenga un subgrupo abierto libre es libre. Serre se pregunta si el análogo discreto de la afirmación anterior es cierto. J. Stallings (1968) y R. Swan (1969) probarían que ello es así: todo grupo G sin torsión que contenga un subgrupo de índice finito libre es libre.15 LA GACETA 225 Años después, Serre dedicaría a J. Tate el artículo [Œ 173(1998)] sobre cohomología de grupos pro-finitos. Dados un grupo pro-finito G de p-dimensión cohomológica finita y un G-módulo discreto A, que sea un espacio vectorial de dimensión finita sobre el cuerpo finito F p, se considera la característica de Euler-Poincaré e(g, A) := ( 1) i dim H i (G, A), en el supuesto que dim H i (G, A) <, para todo i. Serre demuestra que existe una distribución µ G sobre G reg con valores en Q p tal que e(g, A) = ϕ A, µ G, en donde ϕ A : G reg Z p denota el carácter de Brauer sobre el subgrupo de G formado por los elementos regulares. COHOMOLOGÍA DE GALOIS Parte del curso [Œ 59(1962/63)] y la segunda parte del libro [CG] se dedican al estudio de la cohomología de Galois en el caso conmutativo, con especial énfasis en los resultados de J. Tate. Al cabo de treinta años, el estudio de la cohomología de Galois sería reemprendido por Serre en los tres cursos [Œ 153(1990/91), 156(1991/92), 165(1993/94)]. Sea G = Gal(K/k) el grupo de Galois de una extensión de cuerpos y supongamos dado un G-módulo discreto A. Los grupos de cohomología de Galois H q (Gal(K/k), A) suelen denotarse también por H q (K/k, A), o bien, simplemente, por H q (k, A) cuando K = k s es una clausura separable de k. La cohomología de Galois permite definir el concepto de dimensión cohomológica de un cuerpo, cd(k). Los grupos de Demuškin son grupos de Poincaré que intervienen en el estudio del grupo de Galois de la extensión pro-p maximal de un cuerpo local, extensión finita de Q p. Sus propiedades fueron expuestas por Serre en el Séminaire Bourbaki [Œ 58(1962/63)], en el curso [Œ 59(1962/63)] y en [CG]. Sean k un cuerpo de números, k(p)/k la extensión pro-p no ramificada maximal de k y G = Gal(k(p)/k) y denotemos por C p el grupo de p elementos. El estudio de los enteros d = dim H 1 (G, C p ), r = dim H 2 (G, C p ), que proporcionan el número mínimo de generadores de G, en sentido topológico, y el número mínimo de relaciones en un sistema de d generadores de G, permitió a E. S. Golod y I. Shafarevich (1964) probar la existencia de torres infinitas de cuerpos de clases edificadas sobre cuerpos de números. El teorema de Golod y Shafarevich fue expuesto por Serre en [CG] y en [Œ 69(1966)]. La obstrucción asociada a un problema de inmersión de Galois, definido por una extensión de Galois L/K y por una extensión central del grupo Gal(L/K), viene dada por una clase de cohomología, la anulación de la cual caracteriza la resolubilidad del problema. Cuando el núcleo de la extensión central es C 2, la clase en cuestión se identifica con un elemento de H 2 (K, C 2 ) = Br 2 (K). Serre [Œ 131(1984)], en un artículo dedicado a J. Moore, calcula la obstrucción para ciertos problemas de inmersión de Galois, denominados espinoriales, en función de la segunda clase de Stiefel-Whitney de una forma traza Tr(x 2 ). Mediante la utilización de la fórmula de Serre, N. Vila (1984, 1985) demostró que el doble recubrimiento no trivial del grupo alter-16 226 LAS MEDALLAS FIELDS nado, Ã n = 2A n, es grupo de Galois de una extensión regular de Q(T ), para infinitos valores de n 4. J-F. Mestre (1990) extendió el resultado anterior a todo valor de n 4. En [Œ 151(1990), 152(1990)] Serre interpreta ciertos cálculos, efectuados por J-F. Mestre (1990) en la realización de Ãn, en términos de invariantes cohomológicos asociados a recubrimientos de curvas π : Y X (proyectivas, no singulares y definidas sobre C) de los que supone que todos sus índices de ramificación son impares. Mediante una fórmula, Serre relaciona los invariantes cohomológicos, valorados en H i (X, C 2 ), con las clases de Stiefel-Whitney del fibrado ortogonal E Y/X asociado al divisor diferente D(Y/X). La fórmula es demostrada mediante el estudio del comportamiento de características theta de X bajo la acción de π. En [Œ 152(1990)] Serre se pregunta si existe una fórmula que abarque como casos particulares las fórmulas demostradas en [Œ 131(1984)] y en [Œ 152(1990)]. La unificación de ambas fórmulas sería efectuada por H. Esnault, B. Kahn y E. Vieweg (1993). El tratamiento de estos problemas de inmersión de Galois se contempla en el libro Topics in Galois Theory [TGT (1992)]. Uno de los principales objetivos de este libro es el estudio del problema inverso de la teoría de Galois; está basado en un curso impartido por Serre en la Universidad de Harvard. El curso impartido por Serre [Œ 156(1991/92)] versó sobre la cohomología de Galois de las extensiones transcendentes puras. Supongamos que K es un cuerpo dotado de una valoración discreta, v, de cuerpo residual k. Sea C un Gal(K s /K)-módulo discreto no ramificado en v y tal que nc = 0, para cierto entero n > 0, primo con la característica de K. Dada una clase de cohomología α H i (K, C), Serre considera las nociones de residuo de α en v, polo de α en v y valor α(v). Cuando K = k(x) es el cuerpo de funciones de una curva proyectiva, lisa y conexa definida sobre k, Serre demuestra que tales clases de cohomología satisfacen una fórmula de residuos y un análogo del teorema de Abel. La teoría se aplica a la resolución de problemas de especialización del grupo de Brauer de K en el grupo de Brauer de k. Si X es una recta, x X(K), y α Br n (K), entonces α(x) Br n (k), siempre que x no sea un polo de α. Serre se ocupa de la función α(x) y, en particular, del lugar V (α) de sus ceros. En [Œ 150(1990)] trata el caso K = Q(T 1,... T r ), n = 2; los resultados se completan con estimaciones asintóticas sobre el número de ceros de α obtenidas mediante argumentos de criba y que dependen del número de componentes Q-irreducibles del divisor polar de α. Resultados de anulación de clases de cohomología por cambio de base racional fueron utilizados por J-F. Mestre (1994, 1998) en la resolución de problemas de inmersión de Galois sobre Q(T ) relativos a 6A 6 y 6A 7. COHOMOLOGÍA DE GALOIS DE GRUPOS ALGEBRAICOS LINEALES En la ponencia [Œ 53(1962)] presentada al coloquio de Bruselas sobre grupos algebraicos, Serre formuló las denominadas conjetura I y conjetura II relativas a la cohomología de los grupos algebraicos lineales.17 LA GACETA 227 Dado un grupo algebraico G definido sobre un cuerpo k, se dispone del grupo de cohomología H 0 (k, G) = G(k) y del conjunto de cohomología H 1 (k, G). La cohomología de Galois no abeliana interviene especialmente en la resolución de problemas de descenso del cuerpo base. Como ya hemos comentado, la teoría básica se encuentra en [CL] y en [CG]. En lo que sigue supondremos el cuerpo base k perfecto. La conjetura I afirma que H 1 (k, G) = 0, si cd(k) 1 y G es un grupo lineal conexo. La conjetura II afirma que H 1 (k, G) = 0, si cd(k) 2 y G es un grupo lineal semisimple y simplemente conexo. Por aquel entonces, se conocía la validez de la conjetura I en los casos siguientes: k cuerpo finito (S. Lang); k de característica cero y casi algebraicamente cerrado (T. Springer); G lineal conexo y resoluble o bien G grupo semisimple clásico (Serre). La conjetura I sería probada por R. Steinberg (1965). El espléndido trabajo de Steinberg es explicado en la versión inglesa de [CG]. Si k es de característica cero, la conjetura II implica la conjetura I. M. Kneser (1965) probó la conjetura II cuando k es un cuerpo p-ádico, y G. Harder (1965) hizo lo propio cuando k es un cuerpo de números algebraicos totalmente imaginario y G carece de factores de tipo E 8. La última parte de la prueba (el caso de tipo E 8 ) es debida a V. I. Chernusov (1989). Más generalmente, para todo cuerpo de números algebraicos k y para todo grupo algebraico lineal G semisimple y simplemente conexo, la aplicación H 1 (k, G) v real H1 (k v, G) es biyectiva ( principio de Hasse ), de acuerdo asimismo con una conjetura de Serre. Una exposición detallada se encuentra en V. Platonov y A. Rapinchuk (1991). El estudio de la cohomología de Galois de los grupos lineales semisimples es reemprendido por Serre en el curso [Œ 153(1990/91)]. Uno de sus objetivos es hacer explícitas relaciones existentes entre el conjunto de cohomología no abeliana H 1 (k, G) y ciertos grupos de cohomología de Galois H i (k, C). Consideremos dados: un grupo algebraico liso y lineal G, definido sobre un cuerpo k 0 ; un entero i 0; y un módulo de Galois C sobre k 0, de orden primo con la característica de k 0. Un invariante cohomológico de tipo H i (, C) es, por definición, un morfismo del functor H 1 (k, G) en el functor H i (k, C), definido sobre la categoría de las extensiones k de k 0. Supongamos que la característica de k es distinta de 2. Las clases de Stiefel-Whitney w i : H 1 (k, O(q)) H i (k, C 2 ); el invariante de Arason a : H 1 (k, Spin(q)) H 3 (k, C 2 ); el invariante de Merkurjev-Suslin ms : H 1 (k, SL D ) H 3 (k, µ 2 n ), así como los invariantes de Rost, que se definen para los distintos grupos lineales simplemente conexos, proporcionan ejemplos de la situación anterior. Serre estudia el comportamiento de estos invariantes por torsión y, con ayuda de los mismos, proporciona descripciones ad hoc de los conjuntos H 1 (k, G). E. Bayer y H. W. Lenstra (1990) habían obtenido un criterio cohomológico necesario para la existencia de bases normales autoduales en álgebras de Galois. Criterios suficientes para la existencia de tales bases fueron obtenidos por E. Bayer y Serre [Œ 163(1994)]. Dados un grupo finito G y un G-módulo M, una clase x de H q (G, M) se denomina negligible si, para todo cuerpo k y18 228 LAS MEDALLAS FIELDS todo homomorfismo continuo ϕ : Gal(k s /k) G, se tiene que ϕ (x) = 0 en H q (k, M). En la obtención de los criterios mencionados, el concepto de clase de cohomología negligible juega un papel destacado. En el curso [Œ 165(1993/94)], Serre prosigue el estudio de las clases de cohomología negligibles y asocia invariantes cohomológicos a álgebras étales. Por ejemplo, si E es una álgebra étale de rango n sobre un cuerpo k de característica 2, la forma traza q E = Tr(x 2 ) es una forma cuadrática no degenerada; las clases de Stiefel-Whitney w i (q E ) H i (k, C 2 ) proporcionan invariantes cohomológicos. Serre demuestra que son, esencialmente, los únicos. Mediante el uso de estos invariantes obtiene una caracterización de la forma traza en rango 7. Concluye con la siguiente aplicación al problema de E. Noether: dada la extensión central no trivial del grupo alternado Ã7 = 2A 7, y dado un subgrupo G de Ã7 incluido en un grupo simétrico S N, entonces el subcuerpo de G-invariantes de Q(T 1,..., T N ) no es una extensión transcendente pura de Q. La presentación de progresos recientes sobre cohomología de Galois, así como la formulación de algunos de sus problemas abiertos, fueron el objeto de la exposición de Serre [Œ 166(1995)], en el Séminaire Bourbaki. En ella Serre considera grupos algebraicos, lisos y lineales, definidos sobre un cuerpo k. A todo grupo G semisimple y conexo cuyo sistema de raíces sobre k s sea irreducible, Serre asocia un conjunto de números primos, S(G), que desempeñan un papel especial en el estudio del conjunto de cohomología H 1 (k, G) y en el de sus invariantes cohomológicos. Por ejemplo, todos los divisores del orden del centro del recubrimiento universal G de G están incluidos en S(G). Un teorema de J. Tits (1992) asegura que, para toda clase x H 1 (k, G), existe una extensión k x /k de grado S(G)-primario que anula x (es decir, tal que x es cero en H 1 (k x, G)). Serre se pregunta si, dadas extensiones finitas k i /k cuyos grados sean primos con S(G), es cierto que la aplicación H 1 (k, G) H 1 (k i, G) es inyectiva. Serre presenta la resolución de R. Steinberg de la conjetura I, para cuerpos perfectos de dimensión cohomológica 1 y G conexo, así como extensiones y variantes de la misma que hacen referencia a un cuerpo base imperfecto o bien que exigen, únicamente, cd p (G) 1 para todo p S(G). Serre menciona los casos en que la conjetura II ha sido probada: grupos de tipo SL D asociados a los elementos de norma 1 de una k-álgebra central y simple D, de rango n 2 (llamados también de tipo A n interior), por A. S. Merkurjev y A. Suslin (1983, 1985); grupos de espinores (en particular, todos los de tipo B n ), por A. S. Merkurjev; los grupos clásicos (salvo un caso D 4 ), por E. Bayer y R. Parimala (1995); y grupos de tipo G 2 y F 4, por el propio Serre. En conclusión, la conjetura II queda pendiente para los tipos E 6, E 7, E 8 y en un caso de tipo D 4.19 LA GACETA 229 GRUPOS ARITMÉTICOS. SUBGRUPOS DE CONGRUENCIA El estudio de los subgrupos de congruencia de un grupo aritmético se remonta a F. Klein. De hecho, Klein sabía que el grupo modular SL 2 (Z) posee muchos subgrupos de índice finito que no son subgrupos de congruencia. Consideremos un cuerpo global k y un conjunto finito S de plazas de k; supondremos que S contiene el conjunto S de todas las plazas arquimedianas de k. Sea O el anillo de S-enteros de k y denotemos por A k y A S k los anillos de adeles y de S-adeles de k, respectivamente. Escribiremos A f k para denotar el anillo de las adeles finitas de k, obtenido al tomar S = S. Dado un grupo algebraico lineal G definido sobre k, consideraremos fijada una representación fiel G GL n. Sea Γ := G(k) GL n (O). En G(k) se distinguen dos tipos de subgrupos: los subgrupos S-aritméticos y los subgrupos de S-congruencia. Un subgrupo Γ G(k) se denomina S- aritmético si Γ Γ es de índice finito en Γ y en Γ. Sean q O un ideal y GL n (O, q) := ker(gl n (O) GL n (O/q)). Definamos Γ q := Γ GL n (O, q). Un subgrupo Γ Γ se denomina de S-congruencia si contiene un subgrupo Γ q, para algún ideal q 0. Puesto que todo subgrupo de S-congruencia es S-aritmético, se tiene un homomorfismo de grupos topológicos π : Ĝ(k) G(k), en donde Ĝ(k) denota el completado de G(k) por la topología definida por los subgrupos de S-congruencia y G(k), por los subgrupos S-aritméticos. El grupo G(k) se identifica con la adherencia de G(k) en G(A f k ). Sea CS (G) el núcleo de π. El grupo C S (G), que coincide con ker(π) ( Γ), es pro-finito y π es un epimorfismo. El problema de los subgrupos de S-congruencia plantea la caracterización de los grupos G para los cuales π es un isomorfismo. Cuando G es un toro o un grupo algebraico lineal unipotente, el problema tiene respuesta afirmativa. Cuando G es un grupo algebraico lineal no simplemente conexo, el problema tiene respuesta negativa. Los grupos de Chevalley proporcionan un marco adecuado para el estudio del problema de los subgrupos de congruencia. (Recordemos que un grupo algebraico lineal se denomina de Chevalley si posee un toro que descompone sobre k cuya dimensión es igual al rango de G.) H. Bass, J. Milnor y Serre [Œ 74(1967), 103(1975)] precisaron la conjetura de los subgrupos de S-congruencia en la forma siguiente: Para todo grupo G de Chevalley de rango 2, simplemente conexo y simple, la extensión de grupos 1 C S (G(k)) Ĝ(k) G(k) 1 es central y, además, C S (G) = µ(k), si k es totalmente imaginario, y C S (G) = {1}, en caso contrario. Aquí µ(k) denota el subgrupo de k formado por las raíces de la unidad. Si S = S, se habla, simplemente, de la conjetura de los subgrupos de congruencia. Previamente, H. Bass, M. Lazard y Serre [Œ 61(1964)] habían probado que todo subgrupo de índice finito de SL n (Z), n 3, o de Sp 2n (Z), n 2, es un subgrupo de congruencia. El mismo resultado fue obtenido, de manera independiente, por J. Mennicke. La demostración de Bass, Lazard y Serre, por inducción sobre n 3, utiliza métodos de teoría K algebraica y se basa en el20 230 LAS MEDALLAS FIELDS cálculo previo de la cohomología de los grupos pro-finitos SL 2 (Z p ), Sp 2n (Z p ) con coeficientes en Q/Z y en Q p /Z p. Los resultados de M. Lazard relativos a la cohomología de grupos de Lie p-ádicos son asimismo necesarios. En [Œ 74(1967)] H. Bass, J. Milnor y Serre prueban la conjetura de los subgrupos de congruencia cuando k es un cuerpo de números algebraicos, G = SL n, n 3, y G = Sp 2n, n 2. Para ello determinan los correspondientes símbolos de Mennicke universales asociados a estos grupos y al anillo de enteros de un cuerpo k totalmente imaginario. El cálculo de los símbolos de Mennicke puede ser efectuado gracias al conocimiento explícito de leyes de reciprocidad y símbolos de restos de normas, propios de la teoría de cuerpos de clases, así como de otros teoremas fundamentales en teoría de números. Como generalización de una construcción de grupos metaplécticos, debida a A. Weil (1964), C. Moore (1964) había sugerido la existencia de una posible sucesión exacta 1 µ(k) G G(A k ) 1, que descompone sobre G(k) G(A k ), de núcleo pro-finito contenido en el centro de G, y universal con respecto de estas propiedades. Al considerar la clase de cohomología en H 2 (G(A k ), µ(k)) que corresponde a la sucesión exacta anterior, la conjetura metapléctica puede formularse cohomológicamente. En [Œ 74(1976)] se demuestra la equivalencia de la conjetura de los S-subgrupos de congruencia, cuando k es un cuerpo de números algebraicos totalmente imaginario, con la conjunción de dos conjeturas: la conjetura metapléctica y la conjetura que afirma que el subgrupo C S (G) está contenido en el centro de Ĝ(k). La solución del problema de los subgrupos de congruencia para el caso en que G es un grupo de Chevalley que descompone fue obtenida por H. Matsumoto (1966, 1969), utilizando los resultados conocidos para SL 3, Sp 4. El problema de los subgrupos de congruencia, así como su conexión con la teoría de Moore de los recubrimientos universales de G(A f k ), fueron presentados por Serre en el Séminaire Bourbaki [Œ 77(1966/67)]. Serre [Œ 86(1970)] trata el problema de los subgrupos de S-congruencia para SL 2 y k un cuerpo global. Si #S 2, demuestra que la respuesta es casi afirmativa, por cuanto que C S (SL 2 ) es un grupo finito cíclico. Si #S = 1, demuestra que el problema tiene respuesta esencialmente negativa, por cuanto que C S (SL 2 ) es un grupo infinito; la infinitud resulta de que Γ ab es infinito. La demostración es muy interesante; en el caso #S = 1 utiliza métodos de aritmética sofisticados (que incluyen la teoría de cuerpos de clases); en el caso #S > 1 utiliza herramientas topológicas. Daremos a continuación algunos detalles de la misma. En el caso #S 2, Serre demuestra que C S (G) está contenido en el centro de Ĝ(k) y utiliza la teoría de C. Moore. La finitud de C S (SL 2 ) implica consecuencias importantes. Así, dados un subgrupo S-aritmético N SL 2 (O), un cuerpo K de característica cero y una representación ρ : N G(K), existe un subgrupo N 1 N tal que la restricción de ρ a N 1 es algebraica. La representación ρ es semisimple. Para todo k[n]-módulo V de rango finito sobre K, se satisface que H 1 (N, V ) = 0; en particular, al tomar por V la representación adjunta de N, se obtiene que N es rígido. 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