Blasius et Rogawski ont formulé une conjecture qui prévoit que l'action du Frobenius sur la cohomologie d'une variété de Shimura est annulée par un certain polynôme, à coefficients dans l'algèbre de Hecke. C'est l'analogue de la célèbre relation d'Eichler-Shimura pour la courbe modulaire. Dans cette thèse, on démontre cette conjecture pour les variétés de Shimura associées aux groupes unitaires en signature (n-1,1) quand n est impair. Par ailleurs, on étudie certains aspects dans le cas particulier n=3. On montre explicitement la relation de congruence sur le lieu ordinaire. De plus, on étudie le graphe des cristaux supersinguliers et les relèvements d'isogénies en caractéristique nulle. / Blasius and Rogawski have stated a conjecture saying that the action of the Frobenius element on the cohomology of a Shimura variety is annihilated by some polynomial with coefficients in the Hecke algebra. This is the analogue of the Eichler-Shimura congruence relation for the modular curve. In this thesis, we prove this conjecture for Shimura varieties associated to unitary groups in signature (n-1,1) when n is odd. We also investigate some particular aspects in the case n=3. We explicitely show the congruence relation on the ordinary locus. Further, we study the graph of supersingular Dieudonné crystals and liftings of isogenies to characteristic zero.

La conjecture d'André-Pink affirme qu'une sous-variété d'une variété de Shimura ayant une intersection dense avec une orbite de Hecke est faiblement spéciale. On démontre cette conjecture dans le cas de courbes dans une variété de Shimura de type abélien, ainsi que dans certains cas de sous-variétés de dimension supérieure. Ceci est un cas spécial de la conjecture de Zilber-Pink. C'est une généralisation de théorèmes d'Edixhoven et Yafaev quand l'orbite de Hecke se compose de points spéciaux, de Pink quand l'orbite de Hecke se compose de points Galois génériques, et de Habegger et Pila quand la variété de Shimura est un produit de courbes modulaires. Notre démonstration de la conjecture d'André-Pink pour les courbes dans l'espace de modules des variétés abéliennes principalement polarisées est basée sur la méthode de Pila et Zannier, utilisant une variante forte du théorème de comptage de Pila-Wilkie. On obtient les bornes galoisiennes requises grâce au théorème d'isogénie de Masser et Wüstholz. Afin de relier les bornes sur les isogénies aux hauteurs, on démontre également diverses bornes concernant l'arithmétique des formes hermitiennes sur l'anneau d'endomorphismes d'une variété abélienne. Afin d'étendre le résultat sur la conjecture d'André-Pink aux courbes dans les variétés de Shimura de type abélien et à certains cas de sous-variétés de dimension supérieure, on étudie les propriétés fonctorielles de plusieurs variantes des orbites de Hecke. Un chapitre concerne les rangs des groupes de Mumford-Tate de variétés abéliennes complexes. On y démontre une minoration de ces rangs en fonction de la dimension de la variété abélienne, étant donné que ses sous-variétés abéliennes simples sont deux à deux non isogènes. / The André-Pink conjecture predicts that a subvariety of a Shimura variety which has dense intersection with a Hecke orbit is weakly special. We prove this conjecture for curves in a Shimura variety of abelian type, as well as for certain cases for subvarieties of higher dimension. This is a special case of the Zilber-Pink conjecture. It generalises theorems of Edixhoven and Yafaev when the Hecke orbit consists of special points, of Pink when the Hecke orbit consists of Galois generic points, and of Habegger and Pila when the Shimura variety is a product of modular curves. Our proof of the André-Pink conjecture for curves in the moduli space of principally polarised abelian varieties is based on the Pila-Zannier method, using a strong form of the Pila-Wilkie counting theorem. The necessary Galois bounds are obtained from the Masser-Wüstholz isogeny theorem. In order to relate isogeny bounds to heights, we also prove various bounds concerning the arithmetic of Hermitian forms over the endomorphism ring of an abelian variety. In order to extend the result on the André-Pink conjecture to curves in Shimura varieties of abelian type and to some cases of higher-dimensional subvarieties, we study the functorial properties of Hecke orbits and variations thereof. One chapter concerns the ranks of Mumford-Tate groups of complex abelian varieties. We prove a lower bound for these ranks in terms of the dimension of the abelian variety, subject to the condition that the simple abelian subvarieties are pairwise non-isogenous.

Soit E une courbe elliptique sur C ayant multiplication complexe (CM) par l’ordre maximal OK d’un corps quadratique imaginaire K. Le premier théorème principal de la multiplication complexe affirme que le corps K(j(E)), obtenu en adjoignant à K le j-invariant de E, est égal au corps de classes de Hilbert de K, confer Cox [11, Theorem 11.1]. Notons que lorsque E est définie sur Q, le corps de classes de Hilbert K(j(E)) est égal à K et le groupe des classes ClK est trivial. Se pose alors le problème de déterminer les corps quadratiques totalement imaginaires K pour lesquels la courbe elliptique à multiplication complexe par OK correspondante est définie sur Q. De façon équivalente, il s’agit de trouver tous les corps quadratiques imaginaires dont le groupe des classes est trivial. Ce problème est connu sous le nom de problème du nombre de classes 1 de Gauss et a été résolu par Heegner en 1952 [16], Baker en 1967 [2] et Stark en 1967 [41]; les corps quadratiques imaginaires dont le groupe des classes est trivial sont les corps Q(racine carrée−d), où d e {3, 4, 7, 8, 11, 19, 43, 67, 163}. Dans les années ’50, Shimura et Taniyama [39] ont généralisé le premier théorème principal de la multiplication complexe aux variétés abéliennes. On dit qu’une variété abélienne A de dimension g a multiplication complexe si son anneau d’endomorphismes contient un ordre d’un corps CM de degré 2g. Soit K un corps CM de degré 2g et d’ordre maximal OK et soit un type CM de K. Soit A une variété abélienne complexe simplement polarisée de dimension g ayant multiplication complexe par OK. Le premier théorème principal de la multiplication complexe dans ce cadre affirme que le corps de classes H du corps du modules M de la variété abélienne simplement polarisée A est une extension non ramifiée du corps reflex Kr de K. De plus, le corps des classes H correspond au groupe d’idéaux I0(.r) (voir page 17) qui ne dépend que de (K,.), confer Théorème 1.5.6. Notons que le premier théorème de la multiplication complexe implique que si la variété abélienne polarisée A est définie sur Kr, le groupe des classes CM IKr/I0(.r) est trivial. Comme dans le cas des courbes elliptiques, on peut alors chercher à déterminer les couples CM (K,.) pour lesquels les variétés abéliennes correspondantes sont définies sur Kr. De fa¸con équivalente, il s’agit de déterminer les couples CM (K,.) dont le groupe des classes CM, IKr/I0(.r), est trivial. Dans cette thèse, on résout ce problème dans le cas des corps CM quartiques imaginaires (voir Chapitre 2) ainsi que dans celui des corps CM sextiques contenant un corps quadratique imaginaire (voir Chapitre 3). Enfin, on peut se demander quels sont les corps CM pour lesquels la variété abélienne simple à multiplication complexe admet Q comme corps de module. Murabayashi et Umegaki [31] ont déterminé les corps quartiques CM correspondant aux surfaces abéliennes simples à multiplication complexe de corps du module Q. Dans le chapitre 4, on détermine les corps CM sextiques correspondant aux variétés abéliennes simples à multiplication complexe de dimension 3 de corps du module Q. / Let E be an elliptic curve over C with complex multiplication (CM) by the maximal order OK of an imaginary quadratic field K. The first main theorem of complex multiplication for elliptic curves then states that the field extension K(j(E)), obtained by adjoining the j-invariant of E to K, is equal to the Hilbert class field of K, see Theorem 11.1 in Cox [11]. Note that if E is defined over Q, then the Hilbert class field K(j(E)) is equal to K, which implies that the class group ClK is trivial. We can ask for which imaginary quadratic fields K the corresponding elliptic curve with CM by OK is defined over Q. This is equivalent to asking to find all imaginary quadratic fields with trivial class group ClK. This problem is known as Gauss’ class number one problem, which was solved by Heegner in 1952 [16], Baker in 1967 [2], and Stark in 1967 [41]. The imaginary quadratic fields with trivial class group are the fields Q(V−d) with d E {3, 4, 7, 8, 11, 19, 43, 67, 163}. In the 1950’s, Shimura and Taniyama [39] generalized the first main theorem of CM for elliptic curves to abelian varieties. We say that an abelian variety A of dimension g has CM if the endomorphism ring of A contains an order of a CM field of degree 2g. Let K be a CM field of degree 2g with maximal order OK, and let K be a CM type of K. Let A be a polarized simple abelian variety over C of dimension g that has CM by OK. Then the first main theorem of CM says that the field of moduli M of the polarized simple abelian variety A gives an unramified class field H over the reflex field Kr of K. Moreover, the class field H corresponds to the ideal group I0(?r) (see page 17), which only depends on (K,?), see Theorem 1.5.6. Note that the first main theorem of CM implies that if the polarized abelian variety A is defined over Kr, then the CM class group IKr/I0(?r) is trivial. As in the elliptic curve case, we can ask for which CM pairs (K,?) the corresponding CM abelian varieties are defined over Kr. Equivalently, we can ask for which CM pairs (K,?) the CM class group IKr/I0(?r) is trivial. In this thesis we give an answer to this problem for quartic CM fields (see Chapter 2), and for sextic CM fields containing an imaginary quadratic field (see Chapter 3). Furthermore, we can ask for which CM fields the corresponding simple CM abelian varieties have field of moduli Q. Murabayashi and Umegak [31] determined the quartic CM fields that correspond to a simple CM abelian surface with field of moduli Q. In Chapter 4, we determine the sextic CM fields that correspond to a simple CM abelian threefold with field of moduli Q.

Dans cette thèse nous étudions les propriétés p-adiques des variétés de Shimura de type P.E.L qui ont bonne réduction en p et pour lesquelles le lieu ordinaire est vide. Dans un premier chapitre on construit des invariants qui découpent dans les variétés de Shimura un ouvert dense, le lieu mu-ordinaire, et nous étudions les propriétés géométriques de ces invariants. Dans le second chapitre nous étendons au cas mu-ordinaire la théorie du sous-groupe canonique, et construisons donc pour des familles de groupes p-divisibles “presque” mu-ordinaire une filtration canonique de la p^n-torsion. Cela s’applique en particulier à certains voisinages rigides stricts du lieu mu-ordinaires des variétés de Shimura étudiées. Dans le troisième chapitre, qui est un travail en commun avec Stéphane Bijakowski, nous reconstruisons des invariants dans un cadre plus étendu que dans le premier chapitre sur certains modèles locaux de variétés de Shimura, lorsque l’on autorise le nombre premier p à ramifier dans la donnée de Shimura locale. Enfin, dans le quatrième chapitre on met en application les constructions des deux premiers chapitres pour construire une variété rigide, une variété de Hecke, qui paramètre les familles p-adiques de formes modulaires de Picard de pente finie, lorsque p est inerte dans le corps quadratique imaginaire de la donnée de Picard. / In this thesis we study the p-adic properties of P.E.L. type Shimura varieties which have good reduction at p and for which the ordinary locus is empty. In the first chapter, we construct locally some invariants that cuts out inside the Shimura varieties an open and dense locus, the mu-ordinary locus, and study the geometric properties of these invariants. In the second chapter we extend to the unramified mu-ordinary case the theory of the canonical subgroup. Thus, we construct for ’nearly’ mu-ordinary families of p-divisible groups a canonical filtration of the p^n-torsion. This applies in particular to some strict rigid neighbourhoods of the mu-ordinary locus of the Shimura varieties previously studied. In the third chapter, which is a collaboration with Stéphane Bijakowski, we extend the construction of the invariants of the first chapter to some local integral models of Shimura varieties where the prime p can be ramified in the local datum. Finally, in the last chapter, we use the constructions of the first two chapter to construct a rigid variety, the Eigenvariety, which parametrises the finite slope p-adic families of Picard automorphic forms when the prime p is inert in the quadratic imaginary field of the Picard datum.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude de l'arithmétique et de la géométrie des variétés de Shimura. Cette thèse s'est essentiellement organisée autour de trois volets. Dans la première partie, on étudie certaines applications de la théorie des modèles en théorie des nombres. En 2014, Pila et Tsimerman ont donné une preuve de la conjecture d'Ax-Schanuel pour la fonction j et, avec Mok, ont récemment annoncé une preuve de sa généralisation à toute variété de Shimura. Nous nous référons à cette généralisation comme à la conjecture d'Ax-Schanuel hyperbolique. Dans ce projet, nous cherchons à généraliser les idées de Habegger et Pila pour montrer que, sous un certain nombre d'hypothèses arithmétiques, la conjecture d'Ax-Schanuel hyperbolique implique, par une extension de la stratégie de Pila-Zannier, la conjecture de Zilber-Pink pour les variétés de Shimura. Nous concluons en vérifiant toutes ces hypothèses arithmétiques à l'exception d'une seule dans le cas d'un produit de courbes modulaires, en admettant la conjecture dite des grandes orbites de Galois. Il s'agit d'un travail en commun avec Christopher Daw. La seconde partie est consacrée à un résultat cohomologique en direction de la conjecture de Zilber-Pink. Étant donné un groupe algébrique semi-simple sur un corps de nombres F contenu dans ℝ, nous démontrons que deux sous-groupes algébriques semi-simples définis sur F sont conjugués sur F, si et seulement s'il le sont sur une extension réelle finie de F de degré majoré indépendamment des sous-groupes choisis. Il s'agit d'un travail en commun avec Mikhail Borovoi et Christopher Daw. La troisième partie étudie la distribution des variétés de Shimura compactes. On rappelle qu'une variété de Shimura S de dimension 1 est toujours compacte sauf si S est une courbe modulaire. Nous généralisons cette observation en définissant une fonction de hauteur dans l'espace des variétés de Shimura associée à un groupe réductif réel donné. Dans le cas des groupes unitaires, on prouve que la densité des variétés de Shimura non-compactes est nulle. / In this thesis, we study some arithmetic and geometric problems for Shimura varieties. This thesis consists of three parts. In the first part, we study some applications of model theory to number theory. In 2014, Pila and Tsimerman gave a proof of the Ax-Schanuel conjecture for the j-function and, with Mok, have recently announced a proof of its generalization to any (pure) Shimura variety. We refer to this generalization as the hyperbolic Ax-Schanuel conjecture. In this article, we show that the hyperbolic Ax-Schanuel conjecture can be used to reduce the Zilber-Pink conjecture for Shimura varieties to a problem of point counting. We further show that this point counting problem can be tackled in a number of cases using the Pila-Wilkie counting theorem and several arithmetic conjectures. Our methods are inspired by previous applications of the Pila-Zannier method and, in particular, the recent proof by Habegger and Pila of the Zilber-Pink conjecture for curves in abelian varieties. This is joint work with Christopher Daw. The second part is devoted to a Galois cohomological result towards the proof of the Zilber-Pink conjecture. Let G be a linear algebraic group over a field k of characteristic 0. We show that any two connected semisimple k-subgroups of G that are conjugate over an algebraic closure of kare actually conjugate over a finite field extension of k of degree bounded independently of the subgroups. Moreover, if k is a real number field, we show that any two connected semisimple k-subgroups of G that are conjugate over the field of real numbers ℝ are actually conjugate over a finite real extension of k of degree bounded independently of the subgroups. This is joint work with Mikhail Borovoi and Christopher Daw. Finally, in the third part, we consider the distribution of compact Shimura varieties. We recall that a Shimura variety S of dimension 1 is always compact unless S is a modular curve. We generalize this observation by defining a height function in the space of Shimura varieties attached to a fixed real reductive group. In the case of unitary groups, we prove that the density of non-compact Shimura varieties is zero.

This thesis is comprised of three problems in number theory. The introduction is Chapter 1. The first problem is to partially generalize the main theorem of Gross, Kohnen and Zagier to higher weight modular forms. In Chapter 2, we present two conjectures which do this and some partial results towards their proofs as well as numerical examples. This work provides a new method to compute coefficients of weight k+1/2 modular forms for k>1 and to compute the square roots of central values of L-functions of weight 2k>2 modular forms. Chapter 3 presents four different interpretations of the main construction in Chapter 2. In particular we prove our conjectures are consistent with those of Beilinson and Bloch. The second problem in this thesis is to find an arithmetic formula for the central value of a certain Hecke L-series in the spirit of Waldspurger's results. This is done in Chapter 4 by using a correspondence between special points in Siegel space and maximal orders in quaternion algebras. The third problem is to find a lower bound for the cardinality of the principal genus group of binary quadratic forms of a fixed discriminant. Chapter 5 is joint work with Jeffrey Stopple and gives two such bounds. / text

Thesis advisor: Benjamin Howard / This dissertation gives a description of the GL(4) Rapoport-Zink space, including the connected components, irreducible components, intersection behavior of the irreducible components, and Ekedahl-Oort stratification. As an application of this, this dissertation also includes a description of the supersingular locus of the Shimura variety for the group GU(2,2) over a prime split in the relevant imaginary quadratic field. / Thesis (PhD) — Boston College, 2019. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Mathematics.

Cette thèse s'intéresse à la recherche de points rationnels sur les courbes elliptiques. Darmon et Logan ont proposé une construction conjecturale de points rationnels sur des courbes elliptiques modulaires définies sur un corps de nombres totalement réel. Cette construction va au delà de la construction classique des points de Heegner. C'est sur la généralisation de ces travaux que porte cette thèse. Après un premier chapitre de rappels concernant essentiellement les variétés de Shimura, on construit, dans le chapitre deux une forme différentielle dont l'ensemble des périodes est, sous une conjecture due à Yoshida, un réseau. On y définit aussi un ensemble de cycles dont la classe d'homologie est de torsion. A l'aide de ces données, on énonce au chapitre suivant une conjecture généralisant celle de Darmon et Logan. On s'interesse aussi aux propriétés de ces nouveaux points, principalement en lien avec les théorèmes "classiques" de Gross-Zagier et Gross-Kohnen-Zagier. Le chapitre 4 tente de rendre holomorphes les opérations du chapitre 2, et le chapitre 5 de les rendre plus explicites. Cette thèse comporte une annexe concernant les vérifications informatiques de la conjecture de Darmon.

Nous étudions la stratification de Newton des variétés de Shimura de type PEL aux places de bonne réduction. Nous considérons la strate basique de certaines variétés de Shimura simples de type PEL modulo une place de bonne réduction. Sous des hypothèses simplificatrices nous prouvons une relation entre la cohomologie l-adique de ce strate basique et la cohomologie de la variété de Shimura complexe. En particulier, nous obtenons des formules explicites pour le nombre de points dans la strate basique sur des corps finis, en termes de représentations automorphes. Nous obtenons les résultats à l'aide de la formule des traces et de la troncature de la formule de Kottwitz pour le nombre de points sur une variété de Shimura sur un corps fini. Nous montrons, en utilisant la formule des traces, que n'importe quelle strate de Newton d'une variété de Shimura de type PEL de type (A) est non vide en une place de bonne réduction. Ce résultat a déjà été établi par Viehmann-Wedhorn; nous donnons une nouvelle preuve de ce théorème. Considérons la strate basique des variétés de Shimura associées à certains groupes unitaires dans les cas où cette strate est une variété finie. Alors, nous démontrons un résultat d' équidistribution pour les opérateurs de Hecke agissant sur cette strate. Nous relions le taux de convergence avec celui de la conjecture de Ramanujan. Dans nos formules ne figurent que des représentations automorphes cuspidales sur Gl_n pour lesquelles cette conjecture est connue, et nous obtenons donc des estimations très bonnes sur la vitesse de convergence. En collaboration avec Erez Lapid nous calculons le module de Jacquet d'une représentation en échelle pour tout sous-groupe parabolique standard du groupe général linéaire sur un corps local non-archimédien.

One of the central themes of modern Number Theory is to study properties of Galois and automorphic representations and connections between them. In our dissertation, we describe two different projects that study properties of these objects. In our first project, which is analytic in nature, we consider Artin representations of Q of dimension 3 that are self-dual. We show that these occur with density 0 when counted using the conductor. This provides evidence that self-dual representations should be rare in all dimensions. Our second project, which is more algebraic in nature, is related to automorphic representations. We show the existence of canonical models for certain unitary Shimura varieties. This should help us in computing certain cohomology groups of these varieties, in which regular algebraic automorphic representations having useful properties should be found.