home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / sci-math-faq / FLT / Wiles < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-11-19  |  11.5 KB  |  236 lines

  1. Newsgroups: sci.math,sci.answers,news.answers
  2. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!crl.dec.com!caen!sol.ctr.columbia.edu!news.uoregon.edu!mayonews.mayo.edu!newsdist.tc.umn.edu!umn.edu!spool.mu.edu!torn!watserv3.uwaterloo.ca!undergrad.math.uwaterloo.ca!neumann.uwaterloo.ca!alopez-o
  3. From: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca (Alex Lopez-Ortiz)
  4. Subject: sci.math FAQ: Wiles attack 
  5. Summary: Part 6 of many, New version,
  6. Originator: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca
  7. Message-ID: <DI76JI.H68@undergrad.math.uwaterloo.ca>
  8. Sender: news@undergrad.math.uwaterloo.ca (news spool owner)
  9. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  10. Date: Fri, 17 Nov 1995 17:14:06 GMT
  11. Expires: Fri, 8 Dec 1995 09:55:55 GMT
  12. Reply-To: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca
  13. Nntp-Posting-Host: neumann.uwaterloo.ca
  14. Organization: University of Waterloo
  15. Keywords: Fermat Last Theorem
  16. Followup-To: sci.math
  17. Lines: 216
  18. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.math:124631 sci.answers:3459 news.answers:57910
  19.  
  20. Archive-Name: sci-math-faq/FLT/Wiles
  21. Last-modified: December 8, 1994
  22. Version: 6.2
  23.  
  24.  
  25.  
  26. Wiles' line of attack
  27.  
  28.  
  29.  
  30.    Here is an outline of the first, incorrect proposed proof. The bits
  31.    about Euler system are
  32.  
  33.           From Ken Ribet:
  34.  
  35.           Here is a brief summary of what Wiles said in his three
  36.           lectures.
  37.  
  38.           The method of Wiles borrows results and techniques from lots
  39.           and lots of people. To mention a few: Mazur, Hida, Flach,
  40.           Kolyvagin, yours truly, Wiles himself (older papers by Wiles),
  41.           Rubin... The way he does it is roughly as follows. Start with a
  42.           mod p representation of the Galois group of Q which is known to
  43.           be modular. You want to prove that all its lifts with a certain
  44.           property are modular. This means that the canonical map from
  45.           Mazur's universal deformation ring to its maximal Hecke algebra
  46.           quotient is an isomorphism. To prove a map like this is an
  47.           isomorphism, you can give some sufficient conditions based on
  48.           commutative algebra. Most notably, you have to bound the order
  49.           of a cohomology group which looks like a Selmer group for Sym^2
  50.           of the representation attached to a modular form. The
  51.           techniques for doing this come from Flach; and then the proof
  52.           went on to use Euler systems a la Kolyvagin, except in some new
  53.           geometric guise. [This part turned out to be wrong and
  54.           unnecessary].
  55.  
  56.           If you take an elliptic curve over Q , you can look at the
  57.           representation of Gal on the 3-division points of the curve. If
  58.           you're lucky, this will be known to be modular, because of
  59.           results of Jerry Tunnell (on base change). Thus, if you're
  60.           lucky, the problem I described above can be solved (there are
  61.           most definitely some hypotheses to check), and then the curve
  62.           is modular. Basically, being lucky means that the image of the
  63.           representation of Galois on 3-division points is GL(2,Z/3Z) .
  64.  
  65.           Suppose that you are unlucky, i.e., that your curve E has a
  66.           rational subgroup of order 3. Basically by inspection, you can
  67.           prove that if it has a rational subgroup of order 5 as well,
  68.           then it can't be semistable. (You look at the four non-cuspidal
  69.           rational points of X_0(15) .) So you can assume that E[5] is
  70.           ``nice''. Then the idea is to find an E' with the same
  71.           5-division structure, for which E'[3] is modular. (Then E' is
  72.           modular, so E'[5] = E[5] is modular.) You consider the modular
  73.           curve X which parameterizes elliptic curves whose 5-division
  74.           points look like E[5] . This is a twist of X(5) . It's
  75.           therefore of genus 0, and it has a rational point (namely, E ),
  76.           so it's a projective line. Over that you look at the
  77.           irreducible covering which corresponds to some desired
  78.           3-division structure. You use Hilbert irreducibility and the
  79.           Cebotarev density theorem (in some way that hasn't yet sunk in)
  80.           to produce a non-cuspidal rational point of X over which the
  81.           covering remains irreducible. You take E' to be the curve
  82.           corresponding to this chosen rational point of X .
  83.  
  84.  
  85.           From the previous version of the FAQ:
  86.  
  87.           (b) conjectures arising from the study of elliptic curves and
  88.           modular forms. - The Taniyama-Weil-Shmimura conjecture.
  89.  
  90.           There is a very important and well known conjecture known as
  91.           the Taniyama-Weil-Shimura conjecture that concerns elliptic
  92.           curves. This conjecture has been shown by the work of Frey,
  93.           Serre, Ribet, et. al. to imply FLT uniformly, not just
  94.           asymptotically as with the ABC conjecture.
  95.  
  96.           The conjecture basically states that all elliptic curves can be
  97.           parameterized in terms of modular forms.
  98.  
  99.           There is new work on the arithmetic of elliptic curves. Sha,
  100.           the Tate-Shafarevich group on elliptic curves of rank 0 or 1.
  101.           By the way an interesting aspect of this work is that there is
  102.           a close connection between Sha, and some of the classical work
  103.           on FLT. For example, there is a classical proof that uses
  104.           infinite descent to prove FLT for n = 4 . It can be shown that
  105.           there is an elliptic curve associated with FLT and that for n =
  106.           4 , Sha is trivial. It can also be shown that in the cases
  107.           where Sha is non-trivial, that infinite-descent arguments do
  108.           not work; that in some sense ``Sha blocks the descent''.
  109.           Somewhat more technically, Sha is an obstruction to the
  110.           local-global principle [e.g. the Hasse-Minkowski theorem].
  111.  
  112.  
  113.           From Karl Rubin:
  114.  
  115.  
  116.  
  117.  
  118.  
  119.  
  120.  
  121.           It has been known for some time, by work of Frey and Ribet,
  122.           that Fermat follows from this. If u^q + v^q + w^q = 0 , then
  123.           Frey had the idea of looking at the (semistable) elliptic curve
  124.           y^2 = x(x - a^q)(x + b^q) . If this elliptic curve comes from a
  125.           modular form, then the work of Ribet on Serre's conjecture
  126.           shows that there would have to exist a modular form of weight 2
  127.           on Gamma_0(2) . But there are no such forms.
  128.  
  129.           To prove the Theorem, start with an elliptic curve E , a prime
  130.           p and let rho_p : Gal(\bar(Q)/Q) --> GL_2(Z/pZ) be the
  131.           representation giving the action of Galois on the p -torsion
  132.           E[p] . We wish to show that a certain lift of this
  133.           representation to GL_2(Z_p) (namely, the p -adic representation
  134.           on the Tate module T_p(E) ) is attached to a modular form. We
  135.           will do this by using Mazur's theory of deformations, to show
  136.           that every lifting which ``looks modular'' in a certain precise
  137.           sense is attached to a modular form.
  138.  
  139.           Fix certain ``lifting data'', such as the allowed ramification,
  140.           specified local behavior at p , etc. for the lift. This defines
  141.           a lifting problem, and Mazur proves that there is a universal
  142.           lift, i.e. a local ring R and a representation into GL_2(R)
  143.           such that every lift of the appropriate type factors through
  144.           this one.
  145.  
  146.           Now suppose that rho_p is modular, i.e. there is some lift of
  147.           rho_p which is attached to a modular form. Then there is also a
  148.           hecke ring T , which is the maximal quotient of R with the
  149.           property that all modular lifts factor through T . It is a
  150.           conjecture of Mazur that R = T , and it would follow from this
  151.           that every lift of rho_p which ``looks modular'' (in particular
  152.           the one we are interested in) is attached to a modular form.
  153.  
  154.           Thus we need to know 2 things:
  155.         (a)
  156.             rho_p is modular
  157.         (b)
  158.             R = T .
  159.  
  160.  
  161.           It was proved by Tunnell that rho_3 is modular for every
  162.           elliptic curve. This is because PGL_2(Z/3Z) = S_4 . So (a) will
  163.           be satisfied if we take p = 3 . This is crucial.
  164.  
  165.           Wiles uses (a) to prove (b) under some restrictions on rho_p .
  166.           Using (a) and some commutative algebra (using the fact that T
  167.           is Gorenstein, basically due to Mazur) Wiles reduces the
  168.           statement T = R to checking an inequality between the sizes of
  169.           2 groups. One of these is related to the Selmer group of the
  170.           symmetric square of the given modular lifting of rho_p , and
  171.           the other is related (by work of Hida) to an L -value. The
  172.           required inequality, which everyone presumes is an instance of
  173.           the Bloch-Kato conjecture, is what Wiles needs to verify.
  174.  
  175.           [This is the part that turned out to be wrong in the first
  176.           version]. He does this using a Kolyvagin-type Euler system
  177.           argument. This is the most technically difficult part of the
  178.           proof, and is responsible for most of the length of the
  179.           manuscript. He uses modular units to construct what he calls a
  180.           geometric Euler system of cohomology classes. The inspiration
  181.           for his construction comes from work of Flach, who came up with
  182.           what is essentially the bottom level of this Euler system. But
  183.           Wiles needed to go much farther than Flach did. In the end,
  184.           under certain hypotheses on rho_p he gets a workable Euler
  185.           system and proves the desired inequality. Among other things,
  186.           it is necessary that rho_p is irreducible.
  187.  
  188.           [The new proof replaces the argument above with one using
  189.           commutative algebra and and some clever observations by De
  190.           Shalit to fill in the gap.]
  191.  
  192.           Suppose now that E is semistable.
  193.  
  194.           Case 1. rho_3 is irreducible.
  195.           Take p = 3. By Tunnell's theorem (a) above is true. Under these
  196.           hypotheses the argument above works for rho_3 , so we conclude
  197.           that E is modular.
  198.  
  199.           Case 2. rho_3 is reducible. Take p = 5 . In this case rho_5
  200.           must be irreducible, or else E would correspond to a rational
  201.           point on X_0(15) . But X_0(15) has only 4 noncuspidal rational
  202.           points, and these correspond to non-semistable curves. If we
  203.           knew that rho_5 were modular, then the computation above would
  204.           apply and E would be modular.
  205.  
  206.           We will find a new semistable elliptic curve E' such that
  207.           rho_(E,5) = rho_(E',5) and rho_(E',3) is irreducible. Then by
  208.           Case I, E' is modular. Therefore rho_(E,5) = rho_(E',5) does
  209.           have a modular lifting and we will be done.
  210.  
  211.           We need to construct such an E' . Let X denote the modular
  212.           curve whose points correspond to pairs (A, C) where A is an
  213.           elliptic curve and C is a subgroup of A isomorphic to the group
  214.           scheme E[5] . (All such curves will have mod-5 representation
  215.           equal to rho_E .) This X is genus 0, and has one rational point
  216.           corresponding to E , so it has infinitely many. Now Wiles uses
  217.           a Hilbert Irreducibility argument to show that not all rational
  218.           points can be images of rational points on modular curves
  219.           covering X , corresponding to degenerate level 3 structure
  220.           (i.e. im(rho_3) != GL_2(Z/3) ). In other words, an E' of the
  221.           type we need exists. (To make sure E' is semistable, choose it
  222.           5-adically close to E . Then it is semistable at 5, and at
  223.           other primes because rho_(E',5) = rho_(E,5) .)
  224.  
  225.  
  226.  
  227.  
  228.      _________________________________________________________________
  229.  
  230.  
  231.  
  232.     alopez-o@barrow.uwaterloo.ca
  233.     Tue Apr 04 17:26:57 EDT 1995
  234.  
  235.  
  236.