Ramification dans une extension abélienne
Je fais face à l'exercice suivant en théorie algébrique des nombres.
Pour une extension abélienne $K/\Q$, on définit $n$ le plus petit entier tel que $K\subset \Q(\zeta_n)$. Montrer que $p$ se ramifie dans $K/\Q$ si et seulement si $p$ divise $n$.
J'ai réussi à démontrer $\Rightarrow$. Pour la direction $\Leftarrow$, j'avais l'idée suivante.
On a la tour $\Q\subset K\subset \Q_p(\zeta_n)$. Soit $\mathfrak{q}\mid p$ dans $\Q(\zeta_n)$ et soit $\mathfrak{p}=\mathfrak{q}\cap \mathcal{O}_K$. L'extension étant galoisienne, toutes les extensions sont galoisiennes, donc les idéaux premiers sont isomorphes. On peut donc parler de $e_p(K/\Q)$ au lieu de $e_{\mathfrak{q}}(K/\Q)$.
Quitte à compléter les corps (le complété de $\Q(\zeta_n)$ par rapport à $\mathfrak{q}$ est $\Q_p(\zeta_n)$, je note $K_{\mathfrak{p}}$ le complété de $K$ par rapport à $\mathfrak{p}$), ce qui ne change pas les indices de ramification, on peut donc supposer que l'on est dans le cas local.
On a une tour $\Q_p\subset K_{\mathfrak{p}}\subset \Q_p(\zeta_n)$ et on sait que $p\mid n$. On veut montrer que $e(K_{\mathfrak{p}}/\Q_p)>1$.
Soit $n=p^k n'$ avec $p\nmid n'$. Alors, l'extension $\Q_p\subset \Q_p(\zeta_{p^k})$ est totalement ramifiée d'indice de ramification $p^{k-1}(p-1)$ et $\Q_p(\zeta_{p^k})\subset \Q_p(\zeta_n)$ est non ramifiée. On en déduit que $\Q_p\subset \Q_p(\zeta_n)$ est ramifiée.
Or, maintenant je suis coincé. Comment je peux conclure maintenant que $\Q_p\subset K_{\mathfrak{p}}$ est ramifiée ? Je pense qu'on ne sait rien sur l'extension $K_{\mathfrak{p}}\subset \Q_p(\zeta_n)$.
Comme toujours, toute aide est la bienvenue.
Pour une extension abélienne $K/\Q$, on définit $n$ le plus petit entier tel que $K\subset \Q(\zeta_n)$. Montrer que $p$ se ramifie dans $K/\Q$ si et seulement si $p$ divise $n$.
J'ai réussi à démontrer $\Rightarrow$. Pour la direction $\Leftarrow$, j'avais l'idée suivante.
On a la tour $\Q\subset K\subset \Q_p(\zeta_n)$. Soit $\mathfrak{q}\mid p$ dans $\Q(\zeta_n)$ et soit $\mathfrak{p}=\mathfrak{q}\cap \mathcal{O}_K$. L'extension étant galoisienne, toutes les extensions sont galoisiennes, donc les idéaux premiers sont isomorphes. On peut donc parler de $e_p(K/\Q)$ au lieu de $e_{\mathfrak{q}}(K/\Q)$.
Quitte à compléter les corps (le complété de $\Q(\zeta_n)$ par rapport à $\mathfrak{q}$ est $\Q_p(\zeta_n)$, je note $K_{\mathfrak{p}}$ le complété de $K$ par rapport à $\mathfrak{p}$), ce qui ne change pas les indices de ramification, on peut donc supposer que l'on est dans le cas local.
On a une tour $\Q_p\subset K_{\mathfrak{p}}\subset \Q_p(\zeta_n)$ et on sait que $p\mid n$. On veut montrer que $e(K_{\mathfrak{p}}/\Q_p)>1$.
Soit $n=p^k n'$ avec $p\nmid n'$. Alors, l'extension $\Q_p\subset \Q_p(\zeta_{p^k})$ est totalement ramifiée d'indice de ramification $p^{k-1}(p-1)$ et $\Q_p(\zeta_{p^k})\subset \Q_p(\zeta_n)$ est non ramifiée. On en déduit que $\Q_p\subset \Q_p(\zeta_n)$ est ramifiée.
Or, maintenant je suis coincé. Comment je peux conclure maintenant que $\Q_p\subset K_{\mathfrak{p}}$ est ramifiée ? Je pense qu'on ne sait rien sur l'extension $K_{\mathfrak{p}}\subset \Q_p(\zeta_n)$.
Comme toujours, toute aide est la bienvenue.
Réponses
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Ton entier $n$ s'appelle le conducteur de $K$. La théorie donne une factorisation de ce conducteur cf. la dernière section de cette page wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Conductor_(class_field_theory)
Au passage je ne sais pas trop pourquoi tu passes aux complétés, il est bien connu que les premiers ramifiés dans $\mathbb Q(\zeta_n)$ sont les facteurs premiers de $n$ (sauf si $p=2$ et $v_2(n)=1$, mais dans ce cas $\mathbb Q(\zeta_n) = \mathbb Q(\zeta_{n/2})$). -
Merci pour la réponse. Oui, je sais que $n$ s'appelle le conducteur de $K$. Néanmoins, je cherche une démonstration élémentaire qui n'utilise pas de théorie de corps de classes. Ceci devrait être possible dans ce cas spécifique; la référence que vous donnez donne un résultat très général.
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Ben je ne sais pas trop comment tu vas pouvoir déduire des choses sur $K$ (en l'occurrence que $p$ est ramifié dans $K$) à partir d'une information sur $n$, autrement qu'en utilisant le fait que $\mathbb Q(\zeta_n)$ est un corps de classes convenable de $K$.
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Moi non plus... En tout cas, c'est un exercice qui provient du polycopié suivant (page 61, exercice 2), bien avant l'introduction de la théorie de corps de classes.
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Je n'ai pas vraiment le temps maintenant, mais il faudrait rassembler ce qui est démontré sur le conducteur dans la preuve donnée du théorème de Kronecker-Weber, il y a peut-être des informations qui permettent de s'en sortir.
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En bas de la page 57, il est affirmé que l'on peut prendre $n = \prod_{p \mid \Delta_L} p^{k_p}$ où les $k_p$ sont des entiers que je n'arrive pas à déterminer. Le résultat est immédiat si on arrive à se convaincre du fait que l'on peut prendre $k_p \geq 1$...
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Effectivement, je pense que cela va marcher ! Merci beaucoup, je vais me essayer de finir l'argument maintenant.
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Pour ceux qui sont intéressés, après une recherche étendue, j'ai trouvé la preuve de cet exercice dans "Elementary and Analytic Theory of Algebraic Numbers" par Wladyslaw Narkiewicz.
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Merci pour la référence. Les bouquins de Narkiewicz sont très biens en général !
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Salut,
Je n'ai pas le temps de faire une démo complète, mais je pense qu'une façon de faire qui n'utilise pas la théorie du corps de classe est de procéder ainsi :
On identifie (canoniquement) le groupe de Galois de $\Q(\zeta_n)$ à $G = (\Z/n\Z)^\times$.
On écrit $n = p^km$ avec $m$ premier à $p$. Considérons le morphisme $(\Z/n\Z)^\times \to (\Z/m\Z)^\times$ de réduction modulo $m$, soit $H$ son noyau.
1/ Montre que $\Q(\zeta_n)^H = \Q(\zeta_m)$ (par exemple, montre que $\Q(\zeta_m) \subset \Q(\zeta_n)^H$ et compare les degrés).
2/ Montre que $H$ est le sous-groupe d'inertie en $p$. Cela revient à étudier la valuation de $\zeta_n^a - \zeta_n$ suivant les valeurs de $a$.
3/ Déduis-en la propriété voulue.
Amicalement,
Aurel
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