François Brunault

(See also my list of publications on arXiv)

Preprints

On the Borisov-Gunnells relations for products of Eisenstein series
[+] Abstract

Borisov and Gunnells have proved that certain linear combinations of products of Eisenstein series are Eisenstein series themselves, in analogy with the Manin relations for modular symbols. We devise a new method to determine and prove such relations, by differentiating with respect to the parameters of the Eisenstein series.

$K_2$ of families of elliptic curves over non-Abelian cubic and quartic fields, with Rob de Jeu, Hang Liu and Fernando Rodriguez Villegas
[+] Abstract

We give two constructions of families of elliptic curves over cubic or quartic fields with three, respectively four, `integral' elements in the kernel of the tame symbol on the curves. The fields are in general non-Abelian, and the elements linearly independent. For the integrality of the elements we prove a new criterion that does not ignore any torsion. We also verify Beilinson's conjecture numerically for just over 90 of the curves.

On the Mahler measure of $(1+x)(1+y)+z$
[+] Abstract

We prove a conjecture of Boyd and Rodriguez Villegas relating the Mahler measure of the polynomial $(1+x)(1+y)+z$ and the value at $s=3$ of the $L$-function of an elliptic curve of conductor $15$. The proof makes use of the computation by Zudilin and the author of the regulator of certain $K_4$ classes on modular curves.

See also the PARI/GP and SageMath accompanying scripts.

Modular regulators and multiple Eisenstein values, with Wadim Zudilin
[+] Abstract

We compute explicitly the Goncharov regulator integral associated to $K_4$ classes on modular curves in terms of $L$-values of modular forms. We use this expression to connect it with the Beilinson regulator integral.

On the K₄ group of modular curves
[+] Abstract

We construct elements in the group $K_4$ of modular curves using the polylogarithmic complexes of weight 3 defined by Goncharov and De Jeu. The construction is uniform in the level and uses new modular units obtained as cross-ratios of division values of the Weierstrass $\mathrm{\wp }$ function. These units provide explicit triangulations of the 3-term relations in $K_2$ of modular curves, which in turn give rise to elements in $K_4$. Based on numerical computations and on recent results of W. Wang, we conjecture that these elements are proportional to the Beilinson elements defined using the Eisenstein symbol.

See also the PARI/GP and Magma accompanying scripts.

Books

Many Variations of Mahler Measures: A Lasting Symphony, with Wadim Zudilin. Australian Mathematical Society Lecture Series (Cambridge University Press, 2020).
[+] Abstract

The Mahler measure is a fascinating notion and an exciting topic in contemporary mathematics, interconnecting with subjects as diverse as number theory, analysis, arithmetic geometry, special functions and random walks. This friendly and concise introduction to the Mahler measure is a valuable resource for both graduate courses and self-study. It provides the reader with the necessary background material, before presenting the recent achievements and the remaining challenges in the field. The first part introduces the univariate Mahler measure and addresses Lehmer's question, and then discusses techniques of reducing multivariate measures to hypergeometric functions. The second part touches on the novelties of the subject, especially the relation with elliptic curves, modular forms and special values of $L$-functions. Finally, the Appendix presents the modern definition of motivic cohomology and regulator maps, as well as Deligne–Beilinson cohomology. The text includes many exercises to test comprehension and challenge readers of all abilities.

Errata

Articles

Limits of Mahler measures in multiple variables, with Antonin Guilloux, Mahya Mehrabdollahei and Riccardo Pengo. Annales de l'Institut Fourier 74 (2024) no. 4, pp. 1407-1450. Online version.
[+] Abstract

We prove that certain sequences of Laurent polynomials, obtained from a fixed multivariate Laurent polynomial $P$ by monomial substitutions, give rise to sequences of Mahler measures which converge to the Mahler measure of $P$. This generalizes previous work of Boyd and Lawton, who considered univariate monomial substitutions. We provide moreover an explicit upper bound for the error term in this convergence, generalizing work of Dimitrov and Habegger, and a full asymptotic expansion for a family of 2-variable polynomials, whose Mahler measures were studied independently by the third author.

On the modularity of endomorphism algebras. Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Mathematics. 71 (2023), pp. 23-33.
[+] Abstract

We show that any homomorphism between Jacobians of modular curves arises from a linear combination of Hecke modular correspondences. The proof uses the adelic language and is based on a study of the actions of ${\mathrm{GL}}_2$ and Galois on the étale cohomology of the tower of modular curves. We also make this result explicit for Ribet's twisting operators on modular abelian varieties.

Comparing elements in K₂ of elliptic curves. Appendix to A numerical approach toward the p-adic Beilinson conjecture for elliptic curves over Q by Masanori Asakura and Masataka Chida. Research in the Mathematical Sciences, Volume 10, Article 11 (2023).

Fourier expansions at cusps, with Michael Neururer. The Ramanujan Journal 53 (2020), pp. 423–437. Online version (view-only).
[+] Abstract

In this article we study the fields generated by the Fourier coefficients of modular forms at arbitrary cusps. We prove that these fields are contained in certain cyclotomic extensions of the field generated by the Fourier coefficients at infinity. We also show that this bound is tight in the case of newforms with trivial Nebentypus. The main tool is a result of Shimura on the interplay between the actions of ${\mathrm{GL}}_2^{+}(\mathbf{Q})$ and $\mathrm{Aut}(\mathbf{C})$ on modular forms.

See also our Note on Fourier expansions at cusps.

Mahler measures of elliptic modular surfaces, with Michael Neururer. Transactions of the American Mathematical Society 372 (2019), pp. 119–152.
[+] Abstract

We develop a new method for relating Mahler measures of three-variable polynomials that define elliptic modular surfaces to $L$-values of modular forms. Using an idea of Deninger, we express the Mahler measure as a Deligne period of the surface and then apply the first author's extension of the Rogers-Zudilin method for Kuga-Sato varieties, to arrive at an $L$-value.

See also the SageMath accompanying scripts by Michael Neururer to compute with Siegel units and Eisenstein symbols.

Non-critical equivariant L-values of modular abelian varieties. International Journal of Number Theory 14 (2018), no. 9, pp. 2517–2542.
[+] Abstract

We prove an equivariant version of Beilinson's conjecture on non-critical $L$-values of strongly modular abelian varieties over number fields. The proof builds on Beilinson's theorem on modular curves as well as a modularity result for endomorphism algebras. As an application, we prove a weak version of Zagier's conjecture on $L(E,2)$ and Deninger's conjecture on $L(E,3)$ for non-CM strongly modular $\mathbf{Q}$-curves.

Régulateurs modulaires explicites via la méthode de Rogers-Zudilin. Compositio Mathematica 153 (2017), pp. 1119–1152.
[+] Résumé

Nous calculons le régulateur des éléments de Beilinson-Deninger-Scholl en termes de valeurs spéciales de fonctions L de formes modulaires en utilisant la méthode de Rogers-Zudilin.

Regulators of Siegel units and applications. Journal of Number Theory 163 (2016), pp. 542–569.
[+] Abstract

We present a formula for the regulator of two arbitrary Siegel units in terms of $L$-values of pairwise products of Eisenstein series of weight one. We give applications to Boyd's conjectures and Zagier's conjectures for elliptic curves of conductors 14, 21, 35, 48 and 54.

On the ramification of modular parametrizations at the cusps. Journal de Théorie des Nombres de Bordeaux 28 (2016), n°3, pp. 773–790.
[+] Abstract

We investigate the ramification of modular parametrizations of elliptic curves at the cusps. We prove that if the modular form associated to the elliptic curve has minimal level among its twists by Dirichlet characters, then the modular parametrization is unramified at the cusps. The proof uses Bushnell's formula for the Godement-Jacquet local constant of a cuspidal automorphic representation of $\mathrm{GL}(2)$. We also report on numerical computations indicating that in general, the ramification index at a cusp seems to be a divisor of 24.

Regulators for Rankin-Selberg products of modular forms, with Masataka Chida. Annales Mathématiques du Québec 40 (2016), n°2, pp. 221–249, Special issue marking the 60th birthday of Glenn Stevens.
[+] Abstract

We prove a weak version of Beilinson's conjecture for non-critical values of $L$-functions for the Rankin-Selberg product of two modular forms.

Parametrizing elliptic curves by modular units. Journal of the Australian Mathematical Society 100 (2016), n°1, pp. 33–41.
[+] Abstract

It is well-known that every elliptic curve over the rationals admits a parametrization by means of modular functions. In this short note, we show that only finitely many elliptic curves over $\mathbf{Q}$ can be parametrized by modular units. This answers a question raised by Zudilin in a recent work on Mahler measures. Further, we give the list of all elliptic curves $E$ of conductor up to 1000 parametrized by modular units supported in the rational torsion subgroup of $E$. Finally, we raise several open questions.

On Zagier's conjecture for base changes of elliptic curves. Documenta Mathematica 18 (2013), pp. 395–412.
[+] Abstract

Let $E$ be an elliptic curve over $\mathbf{Q}$, and let $F$ be a finite abelian extension of $\mathbf{Q}$. Using Beilinson’s theorem on a suitable modular curve, we prove a weak version of Zagier’s conjecture for $L(E_F,2)$, where $E_F$ is the base change of $E$ to $F$.

Régulateurs p-adiques explicites pour le K₂ des courbes elliptiques. Publications mathématiques de Besançon (2010), pp. 29–57.
[+] Résumé

Dans cet article, nous utilisons le système d’Euler de Kato et la théorie de Perrin-Riou pour établir une formule reliant la valeur en 0 de la fonction $L$ $p$-adique d’une courbe elliptique définie sur $\mathbf{Q}$, et un régulateur p-adique sur la courbe modulaire $X(N)$. En particulier, nous obtenons une relation explicite entre fonction $L$ $p$-adique et régulateur p-adique pour la courbe elliptique $X_0(20)$.

Beilinson-Kato elements in K₂ of modular curves. Acta Arithmetica 134 (2008), n°3, pp. 283–298.
[+] Abstract

This article investigates explicit linear dependence relations in the $K_2$-group of modular curves. In particular, it is shown that the Beilinson-Kato elements in $K_2$ of the modular curve $Y(N)$ satisfy the Manin relations when $N$ is not divisible by 3. Similar results are obtained for the modular curves $X_1(N)$ and $X_0(N)$ when $N$ is prime. Finally we exhibit explicit generators of $K_2$, assuming the Beilinson conjecture.

Valeur en 2 de fonctions L de formes modulaires de poids 2 : théorème de Beilinson explicite. Bulletin de la Société Mathématique de France 135 (2007), n°2, pp. 215–246.
[+] Résumé

Nous montrons une version explicite du théorème de Beilinson pour la courbe modulaire $X_1(N)$. Ce résultat est la première étape d'un travail reliant, d'une part, la valeur en 2 de la fonction $L$ d'une forme primitive de poids 2, et d'autre part, la fonction dilogarithme associée à la courbe modulaire correspondante, dans l'esprit de la conjecture de Zagier pour les courbes elliptiques. Comme corollaire de notre théorème, dans le cas où $N$ est premier, nous répondons à une question de Schappacher et Scholl concernant l'image de l'application régulateur de Beilinson.

Version explicite du théorème de Beilinson pour la courbe modulaire X₁(N). Comptes Rendus Mathématique, Académie des Sciences, Paris 343 (2006), pp. 505–510.
[+] Résumé

Nous énonçons une version explicite du théorème de Beilinson pour la courbe modulaire $X_1(N)$. Nous en déduisons, pour toute courbe elliptique $E$ de conducteur $N$ premier, une formule donnant $L(E,2)$ en termes des valeurs tordues $L(E,\chi ,1)$, avec $\chi$ caractère modulo $N$. Nous illustrons ce résultat et ses conséquences dans le cas de la courbe elliptique $E=X_1(11)$.

The elliptic polylogarithm (article d'exposition), avec David Blottière. Oberwolfach Reports 1 (2004), n°4, pp. 2573–2579.

Zagier's conjectures on special values of L-functions (article d'exposition). Rivista di Matematica della Università di Parma 7 (2004), n°3*, pp. 165–176.

Other texts

Régulateurs explicites et fonctions L de formes modulaires.
Habilitation à diriger des recherches, soutenue le 19 septembre 2019 à l'École normale supérieure de Lyon.
[+] Résumé

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent principalement la théorie des formes modulaires. Nous étudions en particulier leurs fonctions $L$ et les liens avec la théorie des régulateurs, d'un point de vue à la fois théorique et effectif. Nous commençons par démontrer des versions explicites de la conjecture de Beilinson pour les formes modulaires dans le cas de la première valeur non critique, en utilisant la méthode récente de Rogers et Zudilin. Nous donnons aussi un analogue pour la fonction $L$ $p$-adique associée à une courbe elliptique. Par ailleurs, en collaboration avec Chida, nous traitons le cas du produit de Rankin de deux formes modulaires. Nous appliquons ces formules pour montrer des cas particuliers des conjectures de Boyd sur les mesures de Mahler des polynômes en deux variables, et en collaboration avec Neururer, nous généralisons la méthode à certains polynômes en trois variables. Nous étudions ensuite la conjecture de Beilinson pour les variétés abéliennes quotients de la jacobienne d'une courbe modulaire. Grâce au langage adélique, nous montrons que l'algèbre de leurs endomorphismes est engendrée par les correspondances de Hecke, ce qui permet d'établir une version équivariante de la conjecture. Pour terminer, nous présentons deux résultats concernant le développement de Fourier des formes modulaires. Nous donnons une condition suffisante pour que la paramétrisation modulaire d'une courbe elliptique soit non ramifiée aux pointes de la courbe modulaire. Enfin, en collaboration avec Neururer, nous bornons le corps engendré par les coefficients de Fourier d'une forme modulaire en une pointe arbitraire.

[+] Abstract

The work presented here is concerned with the theory of modular forms, their associated $L$-functions and the links with the theory of regulators, from a theoretical and effective point of view. We begin by proving explicit versions of the Beilinson conjecture for modular forms in the case of the first non-critical $L$-value, by using the recent method of Rogers and Zudilin. We also give an analogue for the $p$-adic $L$-function associated to an elliptic curve. Moreover, in joint work with Chida, we treat the case of the Rankin product of two modular forms. We apply these formulas to show particular cases of the Boyd conjectures on Mahler measures of polynomials in two variables, and in joint work with Neururer, we generalise this method to some polynomials in three variables. We then study the Beilinson conjecture for abelian varieties which are quotients of the Jacobian of a modular curve. We show with the adelic language that their endomorphism algebras are generated by the Hecke correspondences, which enables us to establish an equivariant version of this conjecture. We end this text by presenting two results concerning Fourier expansions of modular forms. We give a sufficient condition for the modular parametrisation of an elliptic curve being unramified at the cusps of the modular curve. Finally, in joint work with Neururer, we bound the field generated by the Fourier coefficients of a modular form at an arbitrary cusp.

Étude de la valeur en s=2 de la fonction L d'une courbe elliptique.
Thèse de l'Université Paris 7 Denis-Diderot, sous la direction de Loïc Merel, soutenue le 9 décembre 2005.
[+] Résumé

Nous étudions dans cette thèse la valeur spéciale des fonctions $L$ des courbes elliptiques, et plus généralement des formes modulaires de poids 2, au premier point entier non critique, à savoir $s=2$. Nous démontrons une version explicite d'un théorème de Beilinson relatif à cette valeur spéciale : pour toute forme parabolique primitive $f$ de poids 2, niveau $N⩾1$ et caractère $\psi$, et pour tout caractère de Dirichlet $\chi$ modulo $N$ (pair, primitif et distinct du conjugué de $\psi$), nous exprimons $L(f,2)L(f,\chi ,1)$ comme régulateur d'un symbole de Milnor explicite associé à des unités modulaires de $X_1(N)$. Lorsque $N=p$ est premier, nous en déduisons que les symboles de Milnor associés aux unités modulaires de $X_1(p)$ engendrent l'espace d'arrivée du régulateur de Beilinson. En utilisant l'appendice par Merel, nous donnons une formule explicite et universelle pour $L(E,2)$, où $E$ est une courbe elliptique de conducteur $p$ premier, en termes des valeurs tordues $L(E,\chi ,1)$, avec $\chi$ caractère de conducteur $p$. Nous suggérons également une reformulation de la conjecture de Zagier pour $L(E,2)$ au niveau de la jacobienne $J_1(N)$ de $X_1(N)$, où $N$ est le conducteur de $E$. En ce sens, nous proposons un analogue du dilogarithme elliptique pour la jacobienne $J$ d'une courbe algébrique : c'est une fonction $R_J$ des points complexes de $J$ vers le dual de l'espace des $1$-formes différentielles holomorphes sur $J$. Nous montrons que $L(f,2)L(f,\chi ,1)$ est combinaison linéaire explicite de valeurs de $R_{J_1(N)}$, appliquée à $f$, en des points $\mathbf{Q}$-rationnels du sous-groupe cuspidal de $J_1(N)$.

Démonstration par Goncharov et Levin de la conjecture de Zagier pour L(E,2). Mémoire de DEA, septembre 2001.

Talks

Mahler measures and multiple Eisenstein values. Séminaire Équations différentielles motiviques et au–delà, Paris, IHP, février 2024.

Parametrizing Q-curves by modular units. Atelier PARI/GP, Besançon, janvier 2022. Vidéo.

Products of Eisenstein series. Atelier PARI/GP, Besançon, janvier 2018.

A one-page description of the Rogers-Zudilin method. Journées arithmétiques, Caen, juillet 2017.

Conjecture de Zagier pour l'extension des scalaires d'une courbe elliptique. Conférence Algol, Lyon, juin 2011.

Périodes et valeurs de fonctions L. ÉNS Lyon, janvier 2010.

Régulateurs et fonctions L p-adiques. Deuxième congrès Canada-France, juin 2008.

Calcul explicite du régulateur de Beilinson associé à la courbe modulaire X₁(N). Colloque Jeunes chercheurs en théorie des nombres, Montpellier, 2004.

Unpublished notes

Sturm bounds for general congruence subgroups
[+] Abstract

We prove a Sturm bound for modular forms on general congruence subgroups (improving known results in the case the width of the cusp is greater than 1). We also give some examples.

On the Mahler measure associated to X₁(13)
[+] Abstract

We show that the Mahler measure of a defining equation of the modular curve $X_1(13)$ is equal to the derivative at $s=0$ of the $L$-function of a cusp form of weight 2 and level 13 with integral Fourier coefficients. The proof combines Deninger's method, an explicit version of Beilinson's theorem together with an idea of Merel to express the regulator integral as a linear combination of periods. Finally, we present further examples related to the modular curves of level 16, 18 and 25.

Note on Fourier expansions at cusps, with Michael Neururer.
[+] Abstract

This was originally an appendix to our paper Fourier expansions at cusps. The purpose of this note is to give a proof of a theorem of Shimura on the action of $\mathrm{Aut}(\mathbf{C})$ on modular forms for $\mathrm{\Gamma }(N)$ from the perspective of algebraic modular forms. As the theorem is well-known, we do not intend to publish this note but want to keep it available as a preprint.

Degré d'une somme de nombres algébriques.
[+] Résumé

Nous détaillons dans ce texte une preuve due à Isaacs du résultat suivant : si $a$ et $b$ sont des nombres algébriques de degrés premiers entre eux, alors le degré de $a+b$ est égal au produit des degrés de $a$ et de $b$. La démonstration utilise la théorie des représentations des groupes finis.

Loi de groupe sur une intersection de deux quadriques.
[+] Résumé

Nous étudions dans ce texte la loi de groupe sur une courbe elliptique particulière donnée comme intersection de deux quadriques. Nous interprétons géométriquement cette loi et, en explicitant des résultats de Lange-Ruppert et Kohel, nous en déterminons toutes les expressions algébriques possibles en degré 2.

Théorème de Beilinson explicite et applications.

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