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
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 H → C , 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:
Расширение поля Q [ j ( τ ), τ ]/ Q ( τ ) является абелевым, то есть имеет абелеву группу Галуа .
Пусть Λ — решетка в C, порожденная {1, τ }. Легко видеть, что все элементы Q ( τ ) , которые фиксируют Λ при умножении, образуют кольцо с единицами, называемое порядком . Другие решетки с образующими {1, τ ′ }, ассоциированные подобным образом с тем же порядком, определяют алгебраические сопряжения j ( τ ′ ) j ( τ ) над Q ( τ ) . Упорядоченный по включению, единственный максимальный порядок в Q ( τ ) — это кольцо алгебраических целых чисел Q ( τ ) , и значения τ , имеющие его в качестве ассоциированного порядка, приводят к неразветвленным расширениям Q ( τ ) .
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 τ — алгебраическое 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 2π iτ и j ( τ ) никогда не являются одновременно алгебраическими. Сейчас известны более сильные результаты, например, если e 2π iτ 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 2π iτ , который начинается так:
Обратите внимание, что j имеет простой полюс в точке возврата, поэтому его q -разложение не имеет членов ниже q −1 .
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]
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]
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 3 − g 2 x − g 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
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]
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
^ 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
^ Милн, Стивен С. (2000). «Определители Ганкеля рядов Эйзенштейна». arXiv : math/0009130v3 .В статье используется неэквивалентное определение , но это учтено в данной статье.
^ Гарет А. Джонс и Дэвид Сингерман. (1987) Комплексные функции: алгебраическая и геометрическая точка зрения. Cambridge UP. [1]
^ Петерссон, Ганс (1932). «Über die Entwicklungskoeffizienten der automorphen Formen». Акта Математика . 58 (1): 169–215. дои : 10.1007/BF02547776 . МР 1555346.
^ 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.
^ 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.
^ 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, ISBN978-0-521-74022-7, ЗБЛ 1253.30001
^ Ланг, Серж (1987). Эллиптические функции . Graduate Texts in Mathematics. Vol. 112. New-York ect: Springer-Verlag. pp. 299–300. ISBN978-1-4612-9142-8. Збл 0615.14018.
^ Борвейн, Джонатан М.; Борвейн, Питер Б. (1987). Pi и AGM: исследование аналитической теории чисел и вычислительной сложности (первое издание). Wiley-Interscience. ISBN0-471-83138-7.Теорема 4.8
Апостол, Том М. (1976), Модульные функции и ряды Дирихле в теории чисел , Graduate Texts in Mathematics, т. 41, Нью-Йорк: Springer-Verlag, MR 0422157. Содержит очень читабельное введение и различные интересные личности.
Апостол, Том М. (1990), Модульные функции и ряды Дирихле в теории чисел , Graduate Texts in Mathematics, т. 41 (2-е изд.), doi :10.1007/978-1-4612-0999-7, ISBN 978-0-387-97127-8, МР 1027834
Берндт, Брюс К.; Чан, Хенг Хуат (1999), «Рамануджан и модулярный j-инвариант», Канадский математический вестник , 42 (4): 427–440, doi : 10.4153/CMB-1999-050-1 , MR 1727340. Предоставляет множество интересных алгебраических тождеств, включая обратное как гипергеометрический ряд.
Кокс, Дэвид А. (1989), Простые числа вида x^2 + ny^2: Ферма, теория полей классов и комплексное умножение , Нью-Йорк: Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons Inc., MR 1028322Вводит j-инвариант и обсуждает связанную с ним теорию полей классов.
Конвей, Джон Хортон ; Нортон, Саймон (1979), «Чудовищный лунный свет», Бюллетень Лондонского математического общества , 11 (3): 308–339, doi :10.1112/blms/11.3.308, MR 0554399. Включает список 175 модульных функций рода ноль.
Ранкин, Роберт А. (1977), Модульные формы и функции , Кембридж: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-21212-0, МР 0498390. Дает краткий обзор в контексте модульных форм.