Reproduction de : Thèse de doctorat : Mathématiques appliquées : Grenoble, INPG : 1993. / Titre provenant de l'écran-titre.

On s'intéresse dans cette thèse à la détermination du rang de tenseur de la multiplication dans $mathbb{F}_{q^n}$, l'extension de degré $n$ du corps fini $mathbb{F}_q$ ; ce rang de tenseur correspond en particulier à la complexité bilinéaire de la multiplication dans $mathbb{F}_{q^n}$ sur $mathbb{F}_q$. Dans cette optique, on présente les différentes évolutions de l'algorithme de type évaluation-interpolation introduit en 1987 par D.V. et G.V. Chudnovsky et qui a permis d'établir que le rang de tenseur de la multiplication dans $mathbb{F}_{q^n}$ était linéaire en~$n$. Cet algorithme en fournit désormais les meilleures bornes connues dans le cas d'extensions de degré grand relativement au cardinal du corps de base — le cas des petites extensions étant bien connu. Afin d'obtenir des bornes uniformes en le degré de l'extension, il est nécessaire, pour chaque $n$, de déterminer un corps de fonctions algébriques qui convienne pour appliquer l'algorithme pour $mathbb{F}_{q^n}$, c'est-à-dire qui ait suffisamment de places de petit degré relativement à son genre $g$ et pour lequel on puisse établir l'existence de diviseurs ayant certaines propriétés, notamment des diviseurs non-spéciaux de degré ${g-1}$ ou de dimension nulle et de degré aussi près de ${g-1}$ que possible ; c'est pourquoi les tours de corps de fonctions sont d'un intérêt considérable. En particulier, on s'intéresse ici à l'étude des tours de Garcia-Stichtenoth d'extensions d'Artin-Schreier et de Kummer qui atteignent la borne de Drinfeld-Vlu{a}duc{t}. / In this thesis, we focus on the determination of the tensor rank of multiplication in $mathbb{F}_{q^n}$, the degree $n$ extension of the finite field $mathbb{F}_q$, which corresponds to the bilinear complexity of multiplication in $mathbb{F}_{q^n}$ over $mathbb{F}_q$. To this end, we describe the various successive improvements to the evaluation-interpolation algorithm introduced in 1987 by D.V. and G.V. Chudnovsky which shows the linearity of the tensor rank of multiplication in $mathbb{F}_{q^n}$ with respect to $n$. This algorithm gives the best known bounds for large degree extensions relative to the cardinality of the base field (the case when the degree of the extension is small is well known). In order to obtain uniform bounds, we need to determine, for each $n$, a suitable algebraic function field for the algorithm on $mathbb{F}_{q^n}$, namely a function field with sufficiently many places of small degree relative to its genus $g$ and for which we can prove the existence of divisors with some good properties such as non-special divisors of degree ${g-1}$ or zero-dimensional divisors with degree as close to ${g-1}$ as possiblestring; these conditions lead us to consider towers of algebraic function fields. In particular, we are interested in the study of Garcia-Stichtenoth towers of Artin-Schreier and Kummer extensions which attain the Drinfeld-Vlu{a}duc{t} bound.

Nous nous intéressons au nombre de points rationnels des variétés algébriques projectives sur un corps fini. Nous déterminons notamment la fonction zêta (et plus précisément les polynômes caractéristiques de l'endomorphisme de Frobenius sur les espaces de cohomologie étale l-adique) des courbes algébriques projectives sans autre hypothèse de lissité ou d'irréductibilité. Nous montrons la divisibilité de ces polynômes dans un revêtement plat de courbes connexes, que l'on peut interpréter comme un analogue de la conjecture d'holomorphie d'Artin sur les fonctions zêta de Dedekind des corps de nombres. Nous obtenons des bornes sur le nombre de points rationnels sur un corps fini dans un revêtement plat entre courbes algébriques projectives connexes, généralisant les bornes connues et notamment celle de Weil. Nous nous sommes également intéressé au problème du nombre de classes dans les corps de fonctions à une variable sur un corps fini. Nous avons établi un théorème de finitude en ce qui concerne les extensions totalement imaginaires d'extensions totalement réelles dont le nombre de classes d'idéaux du corps imaginaire est fixé . Dans le cas où ces extensions sont quadratiques, nous donnons une formule du nombre de classes relatif en terme de fonction L, ainsi qu'une formule liant cette fonction L à une somme de caractères de type Legendre dans le cas du nombre de classe 1. Si l'on suppose de plus que le groupe de Galois d'une telle extension est isomorphe au groupe de Klein, via la théorie du corps de classes ainsi que des factorisations de fonctions zêta et des estimations de régulateurs, nous déterminons ces corps via les extensions d'Artin-Schreier et les jacobiennes.

En mathématiques, une hauteur est une fonction utilisée pour mesurer la complexité d’un objet. Lorsqu’uniquement un nombre fini d’éléments possèdent une hauteur bornée, on dit alors que cette hauteur possède la propriété de Northcott. Un des intérêts de cette propriété est que les hauteurs la possédant peuvent être utilisées pour distinguer des sous-ensembles finis d’une famille infinie d’objets. Récemment, Pazuki et Pengo [47] ont étudié la propriété de Northcott où la hauteur considérée était l’évaluation de fonctions zêta de Dedekind en un entier n. Ce mémoire contient, en premier lieu, une étude similaire sur l’évaluation de fonctions zêta de corps de fonctions. Ce premier article pousse cette réflexion sur un plus grand domaine en considérant l’évaluation sur n’importe quel point s du plan complexe au lieu de valeurs entières n. On y montre que pour les points appartenant à une certaine région {s ∈ C ∶ Re(s) < σ0} où 0 < σ0 < 1/2, la hauteur considérée possède la propritété de Northcott et que ceux qui appartiennent à la région {s ∈ C ∶ Re(s) > 1/2} ne la possèdent pas. En prenant comme contexte les résultats du premier article, nous retournerons ensuite, dans un deuxième article, à la première situation des fonctions zêta de Dedekind pour étudier la question sur ce domaine étendu. Les résultats sur la propriété de Northcott sont différents et on trouve que le scénario sur les corps de fonctions est taché de disques non Northcott autour des entiers négatifs. Ces deux articles seront précédés d’une introduction à la théorie des corps de nombres et des corps de fonctions jusqu’à la définition de leur fonction zêta respective. Enfin, nous incluerons également une discussion des différences entre ces deux théories qui culminera à des définitions alternatives de leur fonction zêta. Ultimement, cette introduction pourvoira tous les outils nécessaires pour attaquer la question de la propriété de Northcott abordée dans les articles. / In mathematics, heights are functions used to measure the complexity of an object. When only a finite number of elements have a bounded height, we say that this height has the Northcott property. One of the advantages of this property is that the heights possessing it can be used to distinguish finite subsets of an infinite family of objects. Recently, Pazuki and Pengo [47] studied the Northcott property where the height considered was the evaluation of Dedekind zeta functions at an integer n. This thesis contains, first of all, an article describing a similar study on the evaluation of zeta functions of function fields. This first article pushes this reflection on a larger domain by considering the evaluation on any point s of the complex plane instead of integer values n. We show that for points belonging to a certain region {s ∈ C ∶ Re(s) < σ0} where 0 < σ0 < 1/2, the considered height has the Northcott property, while for those belonging to the region {s ∈ C ∶ Re(s) > 1/2}, the height does not have the Northcott property. Taking as context the results of the first article, we will then return, in a second article, to the initial situation of Dedekind zeta functions to study the question on this extended domain. The results on the Northcott property are different and the scenario on function fields is found to be stained with non-Northcott disks around the negative integers. These two articles will be preceded by an introduction to the theory of number fields and function fields up to the definition of their respective zeta functions. Finally, we will also include a discussion of the differences between these two theories culminating in alternative definitions of their zeta function. Ultimately, this introduction will provide all the tools necessary to attack the questions on the Northcott property discussed in the articles.

Le sujet principal de cette thèse est l’étude des valeurs moyennes et corrélations de fonctions multiplicatives. Les résultats portant sur ces derniers sont subséquemment appliqués à la résolution de plusieurs problèmes. Dans le premier chapitre, on rappelle certains résultats classiques concernant les valeurs moyennes des fonctions multiplicatives. On y énonce également les théorèmes principaux de la thèse. Le deuxième chapitre consiste de l’article “Mean values of multiplicative functions over the function fields". En se basant sur des résultats classiques de Wirsing, de Hall et de Tenenbaum concernant les fonctions multiplicatives arithmétiques, on énonce et on démontre des théorèmes qui y correspondent pour les fonctions multiplicatives sur les corps des fonctions Fq[x]. Ainsi, on résoud un problème posé dans un travail récent de Granville, Harper et Soundararajan. On décrit dans notre thése certaines caractéristiques du comportement des fonctions multiplicatives sur les corps de fonctions qui ne sont pas présentes dans le contexte des corps de nombres. Entre autres, on introduit pour la première fois une notion de “simulation” pour les fonctions multiplicatives sur les corps de fonctions Fq[x]. Les chapitres 3 et 4 comprennent plusieurs résultats de l’article “Correlations of multiplicative functions and applications". Dans cet article, on détermine une formule asymptotique pour les corrélations X n6x f1(P1(n)) · · · fm(Pm(n)), où f1, . . . ,fm sont des fonctions multiplicatives de module au plus ou égal à 1 ”simulatrices” qui satisfont certaines hypothèses naturelles, et P1, . . . ,Pm sont des polynomes ayant des coefficients positifs. On déduit de cette formule plusieurs conséquences intéressantes. D’abord, on donne une classification des fonctions multiplicatives f : N ! {−1,+1} ayant des sommes partielles uniformément bornées. Ainsi, on résoud un problème d’Erdos datant de 1957 (dans la forme conjecturée par Tao). Ensuite, on démontre que si la valeur moyenne des écarts |f(n + 1) − f(n)| est zéro, alors soit |f| a une valeur moyenne de zéro, soit f(n) = ns avec iii Re(s) < 1. Ce résultat affirme une ancienne conjecture de Kátai. Enfin, notre théorème principal est utilisé pour compter le nombre de représentations d’un entier n en tant que somme a+b, où a et b proviennent de sous-ensembles multiplicatifs fixés de N. Notre démonstration de ce résultat, dû à l’origine à Brüdern, évite l’usage de la “méthode du cercle". Les chapitres 5 et 6 sont basés sur les résultats obtenus dans l’article “Effective asymptotic formulae for multilinear averages and sign patterns of multiplicative functions," un travail conjoint avec Alexander Mangerel. D’après une méthode analytique dans l’esprit du théorème des valeurs moyennes de Halász, on détermine une formule asymptotique pour les moyennes multidimensionelles x−l X n2[x]l Y 16j6k fj(Lj(n)), lorsque x ! 1, où [x] := [1,x] et L1, . . . ,Lk sont des applications linéaires affines qui satisfont certaines hypothèses naturelles. Notre méthode rend ainsi une démonstration neuve d’un résultat de Frantzikinakis et Host avec, également, un terme principal explicite et un terme d’erreur quantitatif. On applique nos formules à la démonstration d’un phénomène local-global pour les normes de Gowers des fonctions multiplicatives. De plus, on découvre et explique certaines irrégularités dans la distribution des suites de signes de fonctions multiplicatives f : N ! {−1,+1}. Visant de tels résultats, on détermine les densités asymptotiques des ensembles d’entiers n tels que la fonction f rend une suite fixée de 3 ou 4 signes dans presque toutes les progressions arithmétiques de 3 ou 4 termes, respectivement, ayant n comme premier terme. Ceci mène à une généralisation et amélioration du travail de Buttkewitz et Elsholtz, et donne un complément à un travail récent de Matomäki, Radziwiłł et Tao sur les suites de signes de la fonction de Liouville. / The main theme of this thesis is to study mean values and correlations of multiplicative functions and apply the corresponding results to tackle some open problems. The first chapter contains discussion of several classical facts about mean values of multiplicative functions and statement of the main results of the thesis. The second chapter consists of the article “Mean values of multiplicative functions over the function fields". The main purpose of this chapter is to formulate and prove analog of several classical results due to Wirsing, Hall and Tenenbaum over the function field Fq[x], thus answering questions raised in the recent work of Granville, Harper and Soundararajan. We explain some features of the behaviour of multiplicative functions that are not present in the number field settings. This is accomplished by, among other things, introducing the notion of “pretentiousness" over the function fields. Chapter 3 and Chapter 4 include results of the article “Correlations of multiplicative functions and applications". Here, we give an asymptotic formula for correlations X n_x f1(P1(n))f2(P2(n)) · · · · · fm(Pm(n)) where f . . . ,fm are bounded “pretentious" multiplicative functions, under certain natural hypotheses. We then deduce several desirable consequences. First, we characterize all multiplicative functions f : N ! {−1,+1} with bounded partial sums. This answers a question of Erdos from 1957 in the form conjectured by Tao. Second, we show that if the average of the first divided difference of multiplicative function is zero, then either f(n) = ns for Re(s) < 1 or |f(n)| is small on average. This settles an old conjecture of Kátai. Third, we apply our theorem to count the number of representations of n = a + b where a,b belong to some multiplicative subsets of N. This gives a new "circle method-free" proof of the result of Brüdern. Chapters 5 and Chapter 6 are based on the results obtained in the article “Effective asymptotic formulae for multilinear averages and sign patterns of multiplicative functions," joint with Alexander Mangerel. Using an analytic approach in the spirit of Halász’ mean v value theorem, we compute multidimensional averages x−l X n2[x]l Y 16j6k fj(Lj(n)) as x ! 1, where [x] := [1,x] and L1, . . . ,Lk are affine linear forms that satisfy some natural conditions. Our approach gives a new proof of a result of Frantzikinakis and Host that is distinct from theirs, with explicit main and error terms. As an application of our formulae, we establish a local-to-global principle for Gowers norms of multiplicative functions. We reveal and explain irregularities in the distribution of the sign patterns of multiplicative functions by computing the asymptotic densities of the sets of integers n such that a given multiplicative function f : N ! {−1, 1} yields a fixed sign pattern of length 3 or 4 on almost all 3- and 4-term arithmetic progressions, respectively, with first term n. The latter generalizes and refines the work of Buttkewitz and Elsholtz and complements the recent work of Matomaki, Radziwiłł and Tao. We conclude this thesis by discussing some work in progress.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'arithmétique de certains corps de fonctions. Nous cherchons à établir dans un premier temps des théorèmes de dualité arithmétique sur ces corps, pour les appliquer ensuite à l'étude des points rationnels sur certaines variétés algébriques. Dans les trois premiers chapitres, nous travaillons sur le corps des fonctions d'une courbe sur un corps local supérieur (comme Qp, Qp((t)), C((t)) ou C((t))((u))). Dans le premier chapitre, nous établissons sur un tel corps des théorèmes de dualité arithmétique « à la Poitou-Tate » pour les modules finis, les tores, et même pour certains complexes de tores. Nous montrons aussi l'existence, sous certaines hypothèses, de certaines portions des suites exactes de Poitou-Tate correspondantes. Ces résultats sont appliqués dans le deuxième chapitre à l'étude du principe local-global pour les algèbres simples centrales, de l'approximation faible pour les tores, et des obstructions au principe local-global pour les torseurs sous des groupes linéaires connexes. Dans le troisième chapitre, nous nous penchons sur les variétés abéliennes et établissons des théorèmes de dualité arithmétique « à la Cassels-Tate ». Cela demande aussi de mener une étude fine des variétés abéliennes sur les corps locaux supérieurs. Dans le quatrième et dernier chapitre, nous travaillons sur les corps des fractions de certaines algèbres locales normales de dimension 2 (typiquement C((x, y)) ou Fp((x, y))). Nous établissons d'abord un théorème de dualité en cohomologie étale « à la Artin-Verdier » dans ce contexte. Cela nous permet ensuite de montrer des théorèmes de dualité arithmétique en cohomologie galoisienne « à la Poitou-Tate » pour les modules finis et les tores. Nous appliquons finalement ces résultats à l'étude de l'approximation faible pour les tores et des obstructions au principe local-global pour les torseurs sous des groupes linéaires connexes. / In this thesis, we are interested in the arithmetic of some function fields. We first want to establish arithmetic duality theorems over those fields, in order to apply them afterwards to the study of rational points on algebraic varieties. In the first three chapters, we work on the function field of a curve defined over a higher-dimensional local field (such as Qp, Qp((t)), C((t)) or C((t))((u))). In the first chapter, we establish "Poitou-Tate type" arithmetic duality theorems over such fields for finite modules, tori and even some complexes of tori. We also prove the existence, under some hypothesis, of parts of the corresponding Poitou-Tate exact sequences. These results are applied in the second chapter to the study of the local-global principle for central simple algebras, of weak approximation for tori, and of obstructions to local-global principle for torsors under connected linear algebraic groups. In the third chapter, we are interested in abelian varieties and we establish "Cassels-Tate type" arithmetic duality theorems. To do so, we also need to carry out a precise study of abelian varieties over higher-dimensional local fields. In the fourth and last chapter, we work on the field of fractions of some 2-dimensional normal local algebras (such as C((x, y)) or Fp((x, y))). We first establish in this context an "Artin-Verdier type" duality theorem in étale cohomology. This allows us to prove "Poitou-Tate type" arithmetic duality theorems in Galois cohomology for finite modules and tori. In the end, we apply these results to the study of weak approximation for tori and of obstructions to local-global principle for torsors under connected linear algebraic groups.