stringtranslate.com

j-инвариант

j -инвариант Клейна в комплексной плоскости

В математике j -инвариант Феликса Клейна или j - функция , рассматриваемая как функция комплексной переменной τ , является модулярной функцией веса ноль для специальной линейной группы SL(2, Z ), определенной на верхней полуплоскости комплексных чисел . Это единственная такая функция, которая голоморфна вдали от простого полюса в точке возврата, такой что 

Рациональные функции j являются модулярными и фактически дают все модулярные функции веса 0. Классически j -инвариант изучался как параметризация эллиптических кривых над , но он также имеет удивительные связи с симметриями группы Monster (эта связь называется monstrous moonshine ).

Определение

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

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

с третьим определением, подразумевающим, что может быть выражено как куб , также с 1728 года .

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

где , — ряды Фурье ,

и , являются рядами Эйзенштейна ,

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

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

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

подразумевая трансцендентные числа ,

но давая алгебраическое число (фактически целое число ),

В общем случае это можно мотивировать, рассматривая каждую τ как представление класса изоморфизма эллиптических кривых. Каждая эллиптическая кривая E над C является комплексным тором и, таким образом, может быть отождествлена ​​с решеткой ранга 2; то есть двумерной решеткой 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 определено всюду в H, поскольку модульный дискриминант не равен нулю. Это связано с тем, что соответствующий кубический многочлен имеет различные корни.

Фундаментальная область

Обычный выбор фундаментальной области (серой) для модулярной группы, действующей на верхней полуплоскости.

Можно показать, что Δ является модулярной формой веса двенадцать, а g 2 — весом четыре, так что ее третья степень также имеет вес двенадцать. Таким образом, их частное, а следовательно, и j , является модулярной функцией веса ноль, 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 ) .

Путем подходящего выбора преобразования, принадлежащего 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 для τ, удовлетворяющих условиям

Функция j ( τ ) при ограничении этой областью все еще принимает каждое значение в комплексных числах 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 отображения фундаментальной области на всю комплексную плоскость.

Кроме того, два значения τ,τ' ∈ H создают 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 из множества эллиптических кривых над C в комплексную плоскость. [2]

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

Теория полей классов идж

j - инвариант обладает многими замечательными свойствами:

Эти классические результаты являются отправной точкой теории комплексного умножения.

Свойства трансцендентности

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

Функция j имеет множество других трансцендентных свойств. Курт Малер выдвинул гипотезу о конкретном результате трансцендентности, который часто называют гипотезой Малера, хотя она была доказана как следствие результатов Ю. В. Нестеренко и Патриса Филлипона в 1990-х годах. Гипотеза Малера (теперь доказанная) заключается в том, что если τ находится в верхней полуплоскости, то e и j ( τ ) никогда не являются одновременно алгебраическими. Сейчас известны более сильные результаты, например, если e является алгебраическим, то следующие три числа алгебраически независимы, и, таким образом, по крайней мере два из них трансцендентны:

Theд-расширение и самогон

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

Обратите внимание, что j имеет простой полюс в точке возврата, поэтому его q -разложение не имеет членов ниже q −1 .

Все коэффициенты Фурье являются целыми числами, что приводит к нескольким почти целым числам , в частности, константе Рамануджана :

.

Асимптотическая формула для коэффициента q n имеет вид

,

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

Самогон

Что еще более примечательно, коэффициенты Фурье для положительных показателей q являются размерностями градуированной части бесконечномерного представления градуированной алгебры группы монстров , называемой модулем лунного света , в частности, коэффициент q n является размерностью части степени n модуля лунного света, первым примером является алгебра Грисса , имеющая размерность 196 884, что соответствует члену 196884 q . Это поразительное наблюдение, впервые сделанное Джоном Маккеем , стало отправной точкой для теории лунного света .

Изучение гипотезы Moonshine привело Джона Хортона Конвея и Саймона П. Нортона к рассмотрению модулярных функций рода ноль. Если они нормализованы так, чтобы иметь 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 ) и λмодульная лямбда-функция

отношение тета-функций Якоби θ m , и является квадратом эллиптического модуля k ( τ ) . [7] Значение j не изменяется при замене λ любым из шести значений перекрестного отношения : [8]

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

Выражения в терминах тета-функций

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

из которых можно вывести вспомогательные тета-функции, определенные здесь . Пусть,

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

и модульный дискриминант,

с функцией Дедекинда η ( τ ) . Затем можно быстро вычислить j ( τ ) ,

Алгебраическое определение

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

быть плоской эллиптической кривой над любым полем . Тогда мы можем выполнить последовательные преобразования, чтобы получить приведенное выше уравнение в стандартной форме y 2 = 4 x 3g 2 xg 3 (обратите внимание, что это преобразование может быть выполнено только тогда, когда характеристика поля не равна 2 или 3). Результирующие коэффициенты:

где g 2 = c 4 и g 3 = c 6. У нас также есть дискриминант

j - инвариант для эллиптической кривой теперь можно определить как

В случае, если поле, по которому 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, если задано число N , решить уравнение j ( τ ) = N относительно τ можно по крайней мере четырьмя способами.

Метод 1 : Решение секстики относительно λ ,

где x = λ (1 − λ ) , а λ — это модульная лямбда-функция , поэтому секстика может быть решена как кубическая по x . Тогда,

для любого из шести значений λ , где Mсреднее арифметическое–геометрическое . [примечание 1]

Метод 2 : Решение четвертой степени относительно γ ,

тогда для любого из четырех корней ,

Метод 3 : Решение кубического уравнения относительно β ,

тогда для любого из трех корней,

Метод 4 : Решение квадратного уравнения относительно α ,

затем,

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

Инверсия применяется в высокоточных вычислениях периодов эллиптических функций, даже если их отношения становятся неограниченными. [ требуется ссылка ] Связанный результат — это выразимость через квадратичные радикалы значений j в точках мнимой оси, величины которых являются степенями 2 (что позволяет строить с помощью циркуля и линейки ). Последний результат вряд ли очевиден, поскольку модульное уравнение для j порядка 2 является кубическим. [11]

Формулы числа Пи

Братья Чудновские, основанные в 1987 году, [12]

доказательство которого использует тот факт, что

Аналогичные формулы см. в ряду Рамануджана–Сато .

Неспособность классифицировать эллиптические кривые по сравнению с другими полями

-Инвариант чувствителен только к классам изоморфизма эллиптических кривых над комплексными числами или, более общо, алгебраически замкнутым полем . Над другими полями существуют примеры эллиптических кривых, чей -инвариант тот же самый, но они неизоморфны. Например, пусть будут эллиптическими кривыми, связанными с полиномами

оба имеют -инвариант . Тогда рациональные точки могут быть вычислены как:

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

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

Если эти кривые рассматривать над , то существует изоморфизм, отправляющий

Ссылки

Примечания

  1. ^ Равенство выполняется, если арифметико-геометрическое среднее комплексных чисел (таких, что ) определяется следующим образом: Пусть , , , где знаки выбраны так, что для всех . Если , знак выбран так, что . Тогда . Когда являются положительными действительными числами (с ), это определение совпадает с обычным определением арифметико-геометрического среднего для положительных действительных чисел. См. The Arithmetic-Geometric Mean of Gauss Дэвида А. Кокса .

Другой

  1. ^ Милн, Стивен С. (2000). «Определители Ганкеля рядов 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. Cambridge UP. [1]
  3. ^ Сильверман, Джозеф Х. (1986). Арифметика эллиптических кривых . Graduate Texts in Mathematics . Vol. 106. Springer-Verlag . стр. 339. ISBN 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)». American Journal of Mathematics . 60 (2): 501–512. doi :10.2307/2371313. JSTOR  2371313. MR  1507331.
  6. ^ Cummins, Chris J. (2004). «Конгруэнтные подгруппы групп, соизмеримых с PSL(2,Z)$ рода 0 и 1». Experimental Mathematics . 13 (3): 361–382. doi :10.1080/10586458.2004.10504547. ISSN  1058-6458. S2CID  10319627. Zbl  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 . Graduate Texts in Mathematics. Vol. 112. New-York ect: Springer-Verlag. pp. 299–300. ISBN 978-1-4612-9142-8. Збл  0615.14018.
  11. ^ Борвейн, Джонатан М.; Борвейн, Питер Б. (1987). Pi и AGM: исследование аналитической теории чисел и вычислительной сложности (первое издание). Wiley-Interscience. 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, Bibcode : 1989PNAS...86.8178C, doi : 10.1073/pnas.86.21.8178 , ISSN  0027-8424, JSTOR  34831, PMC 298242 , PMID  16594075 .