Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009

Es sei A_2 der toroidal kompaktifizierte Modulraum prinzipal polarisierter komplexer abelscher Flächen, und M_k(Sp_4(Z)) das Geradenbündel Siegel'scher Modulformen von Gewicht k auf A_2, versehen mit der Petersson-Metrik. Betrachtet man A_2 als komplexe Faser einer arithmetischen Varietät über Spec(Z), und M_k(Sp_4(Z)) als das von einem Geradenbündel auf dieser arithmetischen Varietät induzierte Geradenbündel, so kann man die Frage nach dem arithmetischen Grad dieses Geradenbündels stellen. Wir stellen nachfolgend den Grad als Ausdruck in speziellen Werten der logarithmischen Ableitung der Riemann'schen Zeta-Funktion dar. Der arithmetische Grad setzt sich aus einem Beitrag vom Schnitt über den endlichen Fasern und einem Integral von Green'schen Formen über die komplexe Faser zusammen. Die Berechnung des von der komplexen Faser A_2 induzierten Anteils am arithmetischen Grad erfolgt durch eine spezifische Wahl von Schnitten von M_k(Sp_4(Z)), deren Eigenschaften bekannt oder durch ihre Darstellung als Polynome in Theta-Funktionen ableitbar sind. Mittels eines induktiven Arguments werden wir das Integral über das Stern-Produkt der zugehörigen Green'schen Formen auf eine Summe von Integralen über spezielle Zykel zurückführen, die beim sukzessiven Schneiden der zu den Schnitten gehörigen Divisoren auftauchen. Bei diesem Prozess entstehen Randterme in Form von Integralen um den toroidalen Rand. Wir werden zeigen, dass diese verschwinden, indem wir Minkowski-Theorie anwenden und eine bestimmte Wahl der Teilung der Eins treffen, die in der arithmetischen Schnitttheorie für logarithmisch singuläre Metriken auftaucht. Die Integrale über die speziellen Zykel berechnen wir durch Zurückführen auf ein Resultat von Kudla sowie auf eine modulare Version der Jensen-Formel. / Let A_2 be the toroidally compactified moduli stack of principally polarized complex abelian surfaces, and let M_k(Sp_4(Z)) be the line bundle of Siegel modular forms of weight k on A_2, equipped with the Petersson metric. Viewing A_2 as the complex fibre of an arithmetic variety over Spec(Z), and M_k(Sp_4(Z)) as the complex line bundle induced by a line bundle on this arithmetic variety, we can ask for the arithmetic degree of this line bundle. We will state a formula for the arithmetic degree in terms of special values of the logarithmic derivative of the Riemann zeta-function. The arithmetic degree consists of a contribution from intersection over Spec(Z), and from an integral of Green forms over the complex fibre. The computation of the summand of the arithmetic degree coming from the complex fibre A_2 will be approached by making a specific choice of sections of M_k(Sp_4(Z)), whose behaviour is well-known or can be worked out by their representation via theta-functions. With an induction argument, we will trace back the integral over the star-product of the corresponding Green forms to a sum of integrals over particular cycles on A_2 coming from the successive intersection of the divisors of these sections, as well as some boundary terms in the form of integrals around the toroidal boundary. We will prove that the boundary terms vanish, using Minkowski theory and a specific choice of the partition of unity that appears in arithmetic intersection theory for logarithmically singular metrics. The integrals over the special cycles will be traced back to results of Kudla and an application of a modular version of Jensen's formula.

In dieser Dissertation entwickeln wir eine Schnittheorie von torischen bzw. toroidalen b-Divisoren auf torischen bzw. toroidalen Einbettungen. Motiviert wird dies durch das Ziel, eine arithmetische Schnittheorie auf gemischten Shimura- Varietäten von nicht-kompaktem Typ zu begründen. Die bisher zur Verfügung stehenden Werkzeuge definieren keine numerischen Invarianten, die birational invariant sind. Zuerst definieren wir torische b-Divisoren auf torischen Varietäten und einen Integrabilitätsbegriff für solche Divisoren. Wir zeigen, dass torische b-Divisoren unter geeigneten Annahmen an die Positivität integrierbar sind und dass ihr Grad als das Volumen einer konvexen Menge gegeben ist. Außerdem zeigen wir, dass die Dimension des Vektorraums der globalen Schnitte eines torischen b-Divisors, der nef ist, gleich der Anzahl der Gitterpunkte in besagter konvexer Menge ist und wir geben eine Hilbert–Samuel-Formel für das asymptotische Wachstum dieser Dimension. Dies verallgemeinert klassische Resultate für klassische torische Divisoren auf torischen Varietäten. Als ein zusätzliches Resultat setzen wir konvexe Mengen, die von torischen b-Divisoren kommen, mit Newton–Okounkov- Körpern in Beziehung. Anschließend definieren wir toroidale b-Divisoren auf toroidalen Varietäten und einen Integrierbarkeitsbegriff für solche Divisoren. Wir zeigen, dass unter geeigneten Positivitätsannahmen toroidale b-Divisoren integrierbar sind und ihr Grad als ein Integral bezüglich eines Grenzmaßes aufgefasst werden kann. Dieses Grenzmaß ist ein schwacher Grenzwert von diskreten Maßen, deren Gewichte über tropische Schnittheorie auf rationalen konischen polyedrischen Komplexen definiert sind, welche zu der toroidalen Varietät gehören. Wir setzen dieses Grenzmaß ebenfalls in Beziehung zum zu einem konvexen Körper assoziierten Flächeninhaltsmaß. Diese Beziehung erlaubt es uns, Integrale bezüglich des Grenzmaßes explizit auszurechnen. Zusätzlich erhalten wir eine kanonische Zerlegung der Differenz zweier konvexer Mengen und eine Beziehung zwischen das Volumen von den Teilen und tropische Schnittheoretische Mengen. Schließlich berechnen wir als Anwendung den Grad des b-Divisors von Jacobiformen vom Gewicht k und Index m bezüglich der Hauptkongruenzuntergruppe zum Level N >= 3 auf der verallgemeinerten universellen elliptischen Kurve und wir zeigen, dass der b-divisoriale Ansatz gegenüber lediglich einer kanonischen Kompaktifizierung Vorteile bietet. / In this thesis we develop an intersection theory of toric and toroidal b-divisors on toric and toroidal embeddings, respectively. Our motivation comes from wanting to establish an arithmetic intersection theory on mixed Shimura varieties of non- compact type. The tools available until now do not define numerical invariants which are birationally invariant. First, we define toric b-divisors on toric varieties and an integrability notion of such divisors. We show that under suitable positivity assumptions toric b- divisors are integrable and that their degree is given as the volume of a convex set. Moreover, we show that the dimension of the space of global sections of a nef toric b-divisor is equal to the number of lattice points in this convex set and we give a Hilbert-Samuel type formula for its asymptotic growth. This generalizes classical results for classical toric divisors on toric varieties. As a by-product, we relate convex sets arising from toric b-divisors with Newton-Okounkov bodies. Then, we define toroidal b-divisors on toroidal varieties and an integrability notion of such divisors. We show that under suitable positivity assumptions toroidal b-divisors are integrable and that their degree is given as an integral with respect to a limit measure, which is a weak limit of discrete measures whose weights are defined via tropical intersection theory on the rational con- ical polyhedral complex attached to the toroidal variety. We also relate this limit measure with the surface area measure associated to a convex body. This relation enables us to compute integrals with respect to these limit measures ex- plicitly. Additionally, we give a canonical decomposition of the difference of two convex sets and we relate the volume of the pieces to tropical top intersection numbers. Finally, as an application, we compute the degree of the b-divisor of Jacobi forms of weight k and index m with respect to the principal congruence subgroup of level N >= 3 on the generalized universal elliptic curve and we show that it is meaningful to consider the b-divisorial approach instead of just fixing one canonical compactification.