В математике детский рисунок — это тип вложения графов, используемый для изучения римановых поверхностей и для предоставления комбинаторных инвариантов для действия абсолютной группы Галуа рациональных чисел . Название этих вложений по-французски означает «детский рисунок»; его множественное число — dessins d'enfant , «детские рисунки», или dessins d'enfants , «детские рисунки».
Детский рисунок — это граф , вершины которого попеременно окрашены в черный и белый цвета, вложенный в ориентированную поверхность , которая во многих случаях является просто плоскостью . Для существования раскраски граф должен быть двудольным . Грани вложения должны быть топологическими дисками. Поверхность и вложение могут быть описаны комбинаторно с использованием системы вращения — циклического порядка ребер, окружающих каждую вершину графа, который описывает порядок, в котором ребра будут пересекаться путем, проходящим по часовой стрелке по поверхности в небольшой петле вокруг вершины.
Любой рисунок может предоставить поверхности, в которую он вложен, структуру в виде римановой поверхности. Естественно спросить, какие римановы поверхности возникают таким образом. Ответ дает теорема Белого , которая утверждает, что римановы поверхности, которые могут быть описаны рисунками, — это как раз те, которые могут быть определены как алгебраические кривые над полем алгебраических чисел . Абсолютная группа Галуа преобразует эти конкретные кривые друг в друга и тем самым преобразует также и базовые рисунки.
Более подробное рассмотрение этой темы см. в работах Шнепса (1994) или Ландо и Звонкина (2004).
Ранние протоформы детских рисунков появились ещё в 1856 году в икосианском исчислении Уильяма Роуэна Гамильтона [1] ; в современных терминах это гамильтоновы пути на икосаэдрическом графе.
Узнаваемые современные детские рисунки и функции Белого использовались Феликсом Клейном . [2] Клейн называл эти диаграммы Linienzüge (нем., множественное число от Linienzug «линия-дорожка», также использовалось как термин для многоугольника ); он использовал белый круг для прообраза 0 и «+» для прообраза 1, а не черный круг для 0 и белый круг для 1, как в современной нотации. [3] Он использовал эти диаграммы для построения 11-кратного покрытия сферы Римана само по себе с группой монодромии , следуя более ранним построениям 7-кратного покрытия с монодромией, связанной с квартикой Клейна . [4] Все они были связаны с его исследованиями геометрии уравнения пятой степени и группы , собранными в его знаменитых Лекциях по икосаэдру 1884/88 гг . Гораздо позже было показано, что три поверхности, построенные таким образом из этих трех групп, тесно связаны посредством явления троичности .
Детские рисунки в их современной форме были вновь открыты более века спустя и названы Александром Гротендиком в 1984 году в его «Эскизе одной программы» . [5] Заппони (2003) цитирует Гротендика относительно его открытия действия Галуа в детских рисунках:
Это открытие, которое технически так просто, произвело на меня очень сильное впечатление, и оно представляет собой решающий поворотный момент в ходе моих размышлений, смещение, в частности, моего центра интереса к математике, который внезапно оказался сильно сфокусированным. Я не думаю, что математический факт когда-либо поражал меня так сильно, как этот, и не имел сопоставимого психологического воздействия. Это, безусловно, из-за очень знакомой, нетехнической природы рассматриваемых объектов, совершенно явный пример которой дает любой детский рисунок, нацарапанный на клочке бумаги (по крайней мере, если рисунок сделан без отрыва карандаша). С таким рисунком мы находим связанные тонкие арифметические инварианты, которые полностью переворачиваются с ног на голову, как только мы добавляем еще один штрих.
Часть теории уже была разработана независимо Джонсом и Сингерманом (1978) за некоторое время до Гротендика. Они описывают соответствие между картами на топологических поверхностях, картами на римановых поверхностях и группами с определенными выделенными генераторами, но не рассматривают действие Галуа. Их понятие карты соответствует конкретному случаю детского рисунка. Более поздняя работа Брайанта и Сингермана (1985) распространяет эту трактовку на поверхности с границей.
Комплексные числа вместе с особой точкой, обозначенной как , образуют топологическое пространство , известное как сфера Римана . Любой многочлен , и, в более общем смысле, любая рациональная функция , где и являются многочленами, преобразует сферу Римана, отображая ее на себя. Рассмотрим, например, [6] рациональную функцию
В большинстве точек сферы Римана это преобразование является локальным гомеоморфизмом : оно отображает небольшой диск с центром в любой точке взаимно-однозначным образом в другой диск. Однако в некоторых критических точках отображение более сложное и отображает диск с центром в точке взаимно -однозначным образом на его образ. Число известно как степень критической точки, а преобразованный образ критической точки известен как критическое значение . Приведенный выше пример, , имеет следующие критические точки и критические значения. (Некоторые точки сферы Римана, которые, хотя сами по себе не являются критическими, отображаются в одно из критических значений, также включены; они обозначены как имеющие степень один.)
Можно сформировать детский рисунок, поместив черные точки в прообразы 0 (то есть в 1 и 9), белые точки в прообразы 1 (то есть в ), и дуги в прообразы отрезка [ 0, 1]. Этот отрезок имеет четыре прообраза, два вдоль отрезка от 1 до 9 и два, образующие простую замкнутую кривую , которая петляет от 1 к себе, окружая 0; полученный рисунок показан на рисунке.
В другом направлении, из этого рисунка, описанного как комбинаторный объект без указания местоположений критических точек, можно сформировать компактную риманову поверхность и отображение этой поверхности на сферу Римана, эквивалентное отображению, из которого рисунок был изначально построен. Для этого поместите точку с меткой внутри каждой области рисунка (показано красными точками на втором рисунке) и триангулируйте каждую область, соединив эту точку с черными и белыми точками, образующими границу области, соединяясь несколько раз с той же черной или белой точкой, если она появляется несколько раз на границе области. Каждый треугольник в триангуляции имеет три вершины с метками 0 (для черных точек), 1 (для белых точек) или . Для каждого треугольника замените полуплоскость , либо верхнюю полуплоскость на треугольник, который имеет 0, 1 и в порядке против часовой стрелки, либо нижнюю полуплоскость на треугольник, который имеет их в порядке по часовой стрелке, и для каждой смежной пары треугольников склейте соответствующие полуплоскости вместе вдоль части их границ, обозначенных метками вершин. Полученная риманова поверхность может быть отображена на сферу Римана с помощью тождественного отображения внутри каждой полуплоскости. Таким образом, детский рисунок, образованный из , достаточен для описания себя с точностью до биголоморфизма . Однако эта конструкция идентифицирует риманову поверхность только как многообразие со сложной структурой; она не строит вложение этого многообразия как алгебраической кривой в комплексную проективную плоскость , хотя такое вложение всегда существует.
Та же конструкция применяется в более общем случае, когда — любая риманова поверхность и — функция Белого ; то есть голоморфная функция от до сферы Римана, имеющая только 0, 1 и в качестве критических значений. Пара такого типа известна как пара Белого . Из любой пары Белого можно образовать детский рисунок , нарисованный на поверхности , имеющий свои черные точки в прообразах 0, свои белые точки в прообразах 1 и свои края, расположенные вдоль прообразов отрезка прямой . Наоборот, любой детский рисунок на любой поверхности можно использовать для определения инструкций склеивания для набора полупространств, которые вместе образуют риманову поверхность, гомеоморфную ; отображение каждого полупространства тождеством на сферу Римана создает функцию Белого на , и, следовательно, приводит к паре Белого . Любые две пары Белого , которые приводят к комбинаторно эквивалентным детским рисункам, являются биголоморфными, и теорема Белого подразумевает, что для любой компактной римановой поверхности, определенной над алгебраическими числами , существуют функция Белого и детский рисунок, которые дают комбинаторное описание как , так и .
Вершина в рисунке имеет графово-теоретическую степень , число инцидентных ребер, которая равна ее степени как критической точки функции Белого. В приведенном выше примере все белые точки имеют степень два; рисунки со свойством, что каждая белая точка имеет два ребра, называются чистыми , а соответствующие им функции Белого называются чистыми . Когда это происходит, можно описать рисунок более простым вложенным графом, который имеет только черные точки в качестве своих вершин и который имеет ребро для каждой белой точки с конечными точками в двух черных соседях белой точки. Например, рисунок, показанный на рисунке, можно нарисовать проще таким образом как пару черных точек с ребром между ними и самопетлей в одной из точек. Обычно рисуют только черные точки чистого рисунка и оставляют белые точки неотмеченными; можно восстановить полный рисунок, добавив белую точку в середину каждого ребра карты.
Таким образом, любое вложение графа в поверхность, в которой каждая грань является диском (то есть топологическая карта), приводит к получению рисунка, рассматривая вершины графа как черные точки рисунка и помещая белые точки в середину каждого вложенного ребра графа. Если карта соответствует функции Белого , ее двойственная карта (рисунок, образованный из прообразов отрезка прямой ) соответствует мультипликативной обратной функции . [7]
Рисунок, который не является чистым, можно преобразовать в чистый рисунок на той же поверхности, перекрасив все его точки в черный цвет и добавив новые белые точки на каждом из его ребер. Соответствующее преобразование пар Белого заключается в замене функции Белого на чистую функцию Белого . Можно вычислить критические точки непосредственно из этой формулы: , , и . Таким образом, является прообразом под средней точкой отрезка прямой , а ребра рисунка, образованного из , подразделяют ребра рисунка, образованного из .
При интерпретации чистого рисунка как карты произвольный рисунок представляет собой гиперкарту : то есть рисунок гиперграфа , в котором черные точки представляют вершины, а белые точки представляют гиперребра.
Пять Платоновых тел — правильный тетраэдр , куб , октаэдр , додекаэдр и икосаэдр — рассматриваемые как двумерные поверхности, обладают тем свойством, что любой флаг (тройка вершины, ребра и грани, которые все встречаются друг с другом) может быть преобразован в любой другой флаг с помощью симметрии поверхности. В более общем смысле, карта, встроенная в поверхность с тем же свойством, что любой флаг может быть преобразован в любой другой флаг с помощью симметрии, называется регулярной картой .
Если регулярная карта используется для генерации чистого рисунка, а полученный рисунок используется для генерации триангулированной римановой поверхности, то ребра треугольников лежат вдоль линий симметрии поверхности, а отражения относительно этих линий порождают группу симметрии, называемую группой треугольников , для которой треугольники образуют фундаментальные области. Например, на рисунке показано множество треугольников, сгенерированных таким образом, начиная с правильного додекаэдра. Когда регулярная карта лежит на поверхности, род которой больше единицы, универсальным покрытием поверхности является гиперболическая плоскость , а группа треугольников в гиперболической плоскости, образованная из поднятой триангуляции, является (кокомпактной) фуксовой группой, представляющей дискретный набор изометрий гиперболической плоскости. В этом случае исходная поверхность является фактором гиперболической плоскости по подгруппе конечного индекса Γ в этой группе.
Наоборот, если задана риманова поверхность, которая является частным от разбиения (разбиения сферы, евклидовой плоскости или гиперболической плоскости треугольниками с углами , , и , то соответствующий рисунок является графом Кэли, заданным образующими порядка два и порядка три группы, или, что эквивалентно, разбиением той же поверхности -угольниками, встречающимися по три в каждой вершине. Вершины этого разбиения дают черные точки рисунка, центры ребер дают белые точки, а центры граней дают точки над бесконечностью.
Простейшими двудольными графами являются деревья . Любое вложение дерева имеет одну область, и поэтому по формуле Эйлера лежит на сферической поверхности. Соответствующая пара Белого образует преобразование сферы Римана, которое, если поместить полюс в , может быть представлено в виде полинома . Обратно, любой полином с 0 и 1 в качестве его конечных критических значений образует функцию Белого из сферы Римана в себя, имеющую одну бесконечнозначную критическую точку и соответствующую детскому рисунку, который является деревом. Степень полинома равна числу ребер в соответствующем дереве. Такая полиномиальная функция Белого известна как полином Шабата , [8] в честь Джорджа Шабата.
Например, возьмем в качестве монома , имеющего только одну конечную критическую точку и критическое значение, оба равны нулю . Хотя 1 не является критическим значением для , его все равно можно интерпретировать как функцию Белого от сферы Римана к себе, поскольку все его критические значения лежат в множестве . Соответствующий детский рисунок представляет собой звезду, имеющую одну центральную черную вершину, соединенную с белыми листьями ( полный двудольный граф ).
В более общем смысле, полином, имеющий два критических значения , может быть назван полиномом Шабата. Такой полином может быть нормализован в функцию Белого с его критическими значениями 0 и 1 по формуле, но может быть удобнее оставить его в ненормализованном виде. [9]
Важное семейство примеров многочленов Шабата дается многочленами Чебышева первого рода, , которые имеют −1 и 1 в качестве критических значений. Соответствующие рисунки принимают форму графов путей , чередующихся между черными и белыми вершинами, с ребрами на пути. Из-за связи между многочленами Шабата и многочленами Чебышева, многочлены Шабата сами иногда называются обобщенными многочленами Чебышева. [9] [10]
Различные деревья, как правило, соответствуют различным многочленам Шабата, как и различные вложения или раскраски одного и того же дерева. С точностью до нормализации и линейных преобразований его аргумента многочлен Шабата однозначно определяется раскраской вложенного дерева, но не всегда просто найти многочлен Шабата, который имеет заданное вложенное дерево в качестве своего детского рисунка.
Полином может быть преобразован в полином Шабата путем выбора [11] Два выбора приводят к двум функциям Белого и . Эти функции, хотя и тесно связаны друг с другом, не эквивалентны, поскольку они описываются двумя неизоморфными деревьями, показанными на рисунке.
Однако, поскольку эти многочлены определены над полем алгебраических чисел , они могут быть преобразованы действием абсолютной группы Галуа рациональных чисел. Элемент из , который преобразуется в , преобразуется в и наоборот, и, таким образом, можно также сказать, что он преобразует каждое из двух деревьев, показанных на рисунке, в другое дерево. В более общем смысле, из-за того, что критические значения любой функции Белого являются чистыми рациональными числами 0, 1 и , эти критические значения не изменяются действием Галуа, поэтому это действие переводит пары Белого в другие пары Белого. Можно определить действие на любой детский рисунок соответствующим действием на пары Белого; это действие, например, переставляет два дерева, показанных на рисунке.
Благодаря теореме Белого действие на детские рисунки является точным (то есть каждые два элемента из определяют различные перестановки на множестве детских рисунков), [12], поэтому изучение детских рисунков может многое рассказать нам о себе. В этом свете очень интересно понять, какие рисунки могут быть преобразованы друг в друга действием , а какие нет. Например, можно заметить, что два показанных дерева имеют одинаковые последовательности степеней для своих черных узлов и белых узлов: оба имеют черный узел со степенью три, два черных узла со степенью два, два белых узла со степенью два и три белых узла со степенью один. Это равенство не является совпадением: всякий раз, когда преобразует один рисунок в другой, оба будут иметь одну и ту же последовательность степеней. Последовательность степеней является одним известным инвариантом действия Галуа, но не единственным инвариантом.
Стабилизатор рисунка — это подгруппа из , состоящая из групповых элементов, которые оставляют рисунок неизменным. Из-за соответствия Галуа между подгруппами и полями алгебраических чисел стабилизатор соответствует полю, полю модулей рисунка . Орбита рисунка — это множество всех других рисунков, в которые он может быть преобразован; из-за инварианта степени орбиты обязательно конечны, а стабилизаторы имеют конечный индекс . Аналогично можно определить стабилизатор орбиты (подгруппу, которая фиксирует все элементы орбиты) и соответствующее поле модулей орбиты, другой инвариант рисунка. Стабилизатор орбиты — это максимальная нормальная подгруппа из , содержащаяся в стабилизаторе рисунка, а поле модулей орбиты соответствует наименьшему нормальному расширению , содержащему поле модулей рисунка. Например, для двух сопряженных рисунков, рассматриваемых в этом разделе, поле модулей орбиты равно . Две функции Белого и этого примера определены над полем модулей, но существуют рисунки, для которых поле определения функции Белого должно быть больше поля модулей. [13]