stringtranslate.com

j-инвариант

J -инвариант Клейна в комплексной плоскости

В математике j -инвариант или j- функция Феликса Кляйна , рассматриваемая как функция комплексной переменной τ , представляет собой модулярную функцию нулевого веса для специальной линейной группы SL(2, Z ) , определенной на верхней полуплоскости комплексной переменной τ . цифры . Это единственная такая функция, голоморфная вдали от простого полюса в точке возврата, такая, что 

Рациональные функции от j являются модулярными и фактически дают все модулярные функции. Классически j -инвариант изучался как параметризация эллиптических кривых над , но он также имеет удивительные связи с симметриями группы Monster (эту связь называют чудовищным самогоном ).

Определение

Действительная часть j -инварианта как функция квадрата нома на единичном круге
Фаза j -инварианта в зависимости от квадрата нома на единичном круге

j -инвариант можно определить как функцию в верхней полуплоскости H = { τC , Im ( τ ) > 0},

при этом третье определение подразумевает, что может быть выражено в виде куба , также с 1728 года .

Данными функциями являются модульный дискриминант , эта-функция Дедекинда и модульные инварианты,

где , – ряды Фурье ,

и , – ряды Эйзенштейна ,

и (квадрат нома ) . Тогда j -инвариант может быть непосредственно выражен через ряд Эйзенштейна как:

без числового коэффициента, отличного от 1728. Это подразумевает третий способ определения модульного дискриминанта: [1]

Например, используя приведенные выше определения и , тогда эта-функция Дедекинда имеет точное значение ,

подразумевая трансцендентные числа ,

но давая алгебраическое число (на самом деле целое число ),

В общем, это можно мотивировать, рассматривая каждое τ как представление класса изоморфизма эллиптических кривых. Каждая эллиптическая кривая E над C является комплексным тором и, следовательно, может быть отождествлена ​​с решеткой ранга 2; то есть двумерная решетка C . Эту решетку можно вращать и масштабировать (операции, сохраняющие класс изоморфизма), так что она порождается 1 и τ H . Эта решетка соответствует эллиптической кривой (см. Эллиптические функции Вейерштрасса ).

Обратите внимание, что j определен всюду в H, поскольку модульный дискриминант не равен нулю. Это связано с тем, что соответствующий кубический многочлен имеет разные корни.

Фундаментальная область

Обычный выбор фундаментальной области (серый) для модулярной группы, действующей в верхней полуплоскости.

Можно показать, что Δмодульная форма с весом двенадцать, а g 2 — с весом четыре, так что его третья степень также имеет вес двенадцать. Таким образом, их фактор, а, следовательно, и j , является модулярной функцией нулевого веса, в частности, голоморфной функцией HC , инвариантной относительно действия SL(2, Z ) . Факторизация по ее центру {±I} дает модулярную группу , которую мы можем отождествить с проективной специальной линейной группой PSL(2, Z ) .

Подходящим выбором преобразований, принадлежащих к этой группе,

мы можем уменьшить τ до значения, дающего то же значение для j и лежащего в фундаментальной области для j , которая состоит из значений τ , удовлетворяющих условиям

Функция j ( τ ) , ограниченная этой областью, по-прежнему принимает каждое значение комплексных чисел C ровно один раз. Другими словами, для каждого c в C существует уникальное τ в фундаментальной области такое, что c = j ( τ ) . Таким образом, j обладает свойством отображать фундаментальную область на всю комплексную плоскость.

Кроме того, два значения τ,τ' ∈ H образуют одну и ту же эллиптическую кривую тогда и только тогда, когда τ = T(τ') для некоторого T ∈ PSL(2, Z ) . Это означает, что j обеспечивает биекцию множества эллиптических кривых над C на комплексную плоскость. [2]

Как риманова поверхность , фундаментальная область имеет род 0 , и каждая модулярная функция ( первого уровня ) является рациональной функцией от j ; и, наоборот, каждая рациональная функция от j является модулярной функцией. Другими словами, поле модулярных функций — это C ( j ) .

Теория полей классов и j

j -инвариант обладает множеством замечательных свойств:

Эти классические результаты являются отправной точкой теории комплексного умножения.

Свойства трансцендентности

В 1937 году Теодор Шнайдер доказал вышеупомянутый результат: если τ — квадратичное иррациональное число в верхней полуплоскости, то j ( τ ) — целое алгебраическое число. Кроме того, он доказал, что если τалгебраическое число , а не мнимое квадратичное, то j ( τ ) трансцендентно.

Функция j обладает множеством других трансцендентных свойств. Курт Малер выдвинул особую гипотезу о трансцендентности, которую часто называют гипотезой Малера, хотя она была доказана как следствие результатов Ю. В. Нестеренко и Патрис Филлипон в 1990-е годы. Гипотеза Малера (теперь доказанная) состоит в том, что если τ находится в верхней полуплоскости, то e и j ( τ ) никогда не будут одновременно алгебраическими. Теперь известны более сильные результаты, например, если e алгебраическое, то следующие три числа алгебраически независимы и, следовательно, по крайней мере два из них трансцендентны:

q - расширение и самогон

Несколько замечательных свойств j связаны с его q -разложением ( разложением в ряд Фурье ), записанным в виде ряда Лорана через q = e , которое начинается:

Обратите внимание, что j имеет простой полюс на вершине, поэтому в его q -разложении нет членов ниже q −1 .

Все коэффициенты Фурье являются целыми числами, в результате чего получается несколько почти целых чисел , в частности константа Рамануджана :

.

Асимптотическая формула для коэффициента при q n имеет вид

,

что можно доказать с помощью метода круга Харди – Литтлвуда . [4] [5]

Самогон

Еще более примечательно то, что коэффициенты Фурье для положительных показателей q — это размерности градуированной части бесконечномерного градуированного алгебраического представления группы монстров , называемого модулем самогонного аппарата — в частности, коэффициент q n — это размерность градуированной алгебры . часть самогонного модуля, первым примером является алгебра Грисса , имеющая размерность 196884, что соответствует терму 196884q . Это поразительное наблюдение, впервые сделанное Джоном Маккеем , стало отправной точкой для теории самогона .

Изучение гипотезы о самогоне привело Джона Хортона Конвея и Саймона П. Нортона к рассмотрению модульных функций нулевого рода. Если они нормализованы и имеют вид

затем Джон Г. Томпсон показал, что существует только конечное число таких функций (некоторого конечного уровня), а Крис Дж. Камминс позже показал, что их ровно 6486, 616 из которых имеют целые коэффициенты. [6]

Альтернативные выражения

У нас есть

где x = λ (1 − λ ) , а λмодулярная лямбда-функция

отношение тэта-функций Якоби θm , а – квадрат эллиптического модуля k ( τ ) . [7] Значение j не меняется, когда λ заменяется любым из шести значений перекрестного отношения : [8]

Точки ветвления j находятся в точках {0, 1, ∞} , так что jфункция Белого . [9]

Выражения через тэта-функции

Определим ном q = e π и тэта-функцию Якоби ,

из которого можно вывести вспомогательные тета-функции, определенные здесь . Позволять,

где ϑ ij и θ n — альтернативные обозначения, а a 4b 4 + c 4 = 0 . Тогда мы имеем для модулярных инвариантов g 2 , g 3 ,

и модульный дискриминант,

с эта-функцией Дедекинда η ( τ ) . Затем j ( τ ) можно быстро вычислить:

Алгебраическое определение

До сих пор мы рассматривали j как функцию комплексной переменной. Однако как инвариант классов изоморфизма эллиптических кривых его можно определить чисто алгебраически. [10] Пусть

— плоская эллиптическая кривая над любым полем . Затем мы можем выполнить последовательные преобразования, чтобы привести приведенное выше уравнение к стандартной форме y 2 = 4 x 3g 2 xg 3 (обратите внимание, что это преобразование можно выполнить только тогда, когда характеристика поля не равна 2 или 3 ). Итоговые коэффициенты:

где г 2 знак равно c 4 и г 3 знак равно c 6 . У нас также есть дискриминант

j -инвариант эллиптической кривой теперь можно определить как

В случае, когда поле, над которым определяется кривая, имеет характеристику, отличную от 2 или 3, это равно

Обратная функция

Обратная функция j - инварианта может быть выражена через гипергеометрическую функцию 2 F 1 (см. также статью Уравнение Пикара–Фукса ). Явно, учитывая число N , решить уравнение j ( τ ) = N для τ можно как минимум четырьмя способами.

Метод 1 : Решение секстика в λ ,

где x = λ (1 − λ ) , а λмодульная лямбда-функция , поэтому секстику можно решить как кубику от x . Затем,

для любого из шести значений λ , где Mсреднее арифметико-геометрическое . [примечание 1]

Метод 2 : Решение квартики в γ ,

тогда для любого из четырех корней

Метод 3 : Решение кубики в β ,

тогда для любого из трех корней

Метод 4. Решение квадратичного уравнения по α .

затем,

Один корень дает τ , а другой — − 1/τ , но поскольку j ( τ ) = j (− 1/τ ) ​​, не имеет значения, какой α выбран. Последние три метода можно найти втеории эллиптических функций Рамануджана с альтернативными базисами.

Инверсия применяется при высокоточном вычислении периодов эллиптических функций, даже если их отношения становятся неограниченными. [ нужна цитация ] Сопутствующим результатом является выразимость через квадратичные радикалы значений j в точках мнимой оси, величины которых являются степенями 2 (что позволяет строить компас и линейку ). Последний результат едва ли очевиден, поскольку модулярное уравнение для j порядка 2 кубическое. [11]

Формулы Пи

Братья Чудновские нашли в 1987 году [12]

доказательство которого использует тот факт, что

Подобные формулы см. в серии Рамануджана-Сато .

Неспособность классифицировать эллиптические кривые по другим полям.

-инвариант чувствителен только к классам изоморфизма эллиптических кривых над комплексными числами или, в более общем смысле, к алгебраически замкнутому полю . Над другими полями существуют примеры эллиптических кривых, у которых -инвариант тот же, но неизоморфен. Например, пусть – эллиптические кривые, соответствующие полиномам

оба имеют -инвариант . Тогда рациональные точки можно вычислить как:

рациональных решений с . нет . Это можно показать с помощью формулы Кардано, чтобы показать, что в этом случае все решения иррациональны. С другой стороны, на множестве точек

уравнение для становится . Разделив на для исключения решения, квадратичная формула дает рациональные решения:

Если эти кривые рассматриваться над , существует изоморфизм, отправляющий

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Равенство имеет место, если среднее арифметико-геометрическое комплексных чисел (таких, что ) определяется следующим образом: Пусть , , , где знаки выбираются так, что для всех . Если , то знак выбран такой, что . Затем . Когда положительные действительные числа (при ), это определение совпадает с обычным определением среднего арифметико-геометрического для положительных действительных чисел. См. «Среднее арифметико-геометрическое Гаусса» Дэвида А. Кокса .

Другой

  1. ^ Милн, Стивен С. (2000). «Определители Ханкеля ряда Эйзенштейна». arXiv : math/0009130v3 .В статье используется неэквивалентное определение , но это учтено в данной статье.
  2. ^ Гарет А. Джонс и Дэвид Сингерман. (1987) Комплексные функции: алгебраическая и геометрическая точка зрения. Кембриджский университет. [1]
  3. ^ Сильверман, Джозеф Х. (1986). Арифметика эллиптических кривых . Тексты для аспирантов по математике . Том. 106. Шпрингер-Верлаг . п. 339. ИСБН 978-0-387-96203-0. Збл  0585.14026.
  4. ^ Петерссон, Ганс (1932). «Über die Entwicklungskoeffizienten der automorphen Formen». Акта Математика . 58 (1): 169–215. дои : 10.1007/BF02547776 . МР  1555346.
  5. ^ Радемахер, Ганс (1938). «Коэффициенты Фурье модулярного инварианта j(τ)». Американский журнал математики . 60 (2): 501–512. дои : 10.2307/2371313. JSTOR  2371313. MR  1507331.
  6. ^ Камминс, Крис Дж. (2004). «Конгруэнцовые подгруппы групп, соизмеримых с PSL(2,Z)$ рода 0 и 1». Экспериментальная математика . 13 (3): 361–382. дои : 10.1080/10586458.2004.10504547. ISSN  1058-6458. S2CID  10319627. Збл  1099.11022.
  7. ^ Чандрасекхаран (1985) стр.108
  8. ^ Чандрасекхаран, К. (1985), Эллиптические функции , Grundlehren der mathematischen Wissenschaften, vol. 281, Шпрингер-Верлаг , с. 110, ISBN 978-3-540-15295-8, Збл  0575.33001
  9. ^ Жирондо, Эрнесто; Гонсалес-Диес, Габино (2012), Введение в компактные римановы поверхности и детские рисунки , Студенческие тексты Лондонского математического общества, том. 79, Кембридж: Издательство Кембриджского университета , с. 267, ISBN 978-0-521-74022-7, Збл  1253.30001
  10. ^ Ланг, Серж (1987). Эллиптические функции . Тексты для аспирантов по математике. Том. 112. Нью-Йорк и др.: Springer-Verlag. стр. 299–300. ISBN 978-1-4612-9142-8. Збл  0615.14018.
  11. ^ Борвейн, Джонатан М.; Борвейн, Питер Б. (1987). Пи и AGM: исследование аналитической теории чисел и сложности вычислений (первое изд.). Уайли-Интерсайенс. ISBN 0-471-83138-7.Теорема 4.8
  12. ^ Чудновский, Дэвид В .; Чудновский, Грегори В. (1989), «Вычисление классических констант», Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки , 86 (21): 8178–8182, Бибкод : 1989PNAS...86.8178C, doi : 10.1073/pnas.86.21.8178 , ISSN  0027-8424, JSTOR  34831, PMC 298242 , PMID  16594075 .