Jump to content

Модульная форма

(Перенаправлено из Модульных форм )

В математике модулярная форма — это (комплексная) аналитическая функция в верхней полуплоскости , , что удовлетворяет:

Поэтому теория модулярных форм относится к комплексному анализу . Основное значение теории — ее связь с теорией чисел . Модульные формы появляются и в других областях, таких как алгебраическая топология , упаковка сфер и теория струн .

Теория модульных форм является частным случаем более общей теории автоморфных форм , которые представляют собой функции, определенные на группах Ли , которые хорошо преобразуются относительно действия определенных дискретных подгрупп , обобщая пример модулярной группы. .

Термин «модульная форма» как систематическое описание обычно приписывают Гекке.

Каждая модульная форма привязана к представлению Галуа . [1]

Определение [ править ]

В общем, [2] дана подгруппа , конечного индекса называемая арифметической группой , модулярной формой уровня и вес является голоморфной функцией от верхней полуплоскости так, что выполняются два условия:

  • Условие автоморфии: Для любого есть равенство [примечание 1]
  • Условия роста: Для любого функция ограничен для

где и функция отождествляется с матрицей Отождествление таких функций с такими матрицами приводит к тому, что композиция таких функций соответствует умножению матриц. Кроме того, ее называют формой возврата , если она удовлетворяет следующему условию роста:

  • Каспидальное состояние: для любого функция как

Как разделы линейной группы [ править ]

Модульные формы также можно интерпретировать как участки определенного линейного расслоения на модульных разновидностях . Для модульная форма уровня и вес можно определить как элемент

где является каноническим расслоением на модульной кривой

Размерности этих пространств модулярных форм можно вычислить с помощью теоремы Римана–Роха . [3] Классические модульные формы для являются сечениями линейного расслоения на стеке модулей эллиптических кривых .

Модульная функция [ править ]

Модульная функция — это функция, инвариантная относительно модулярной группы, но без условия f ( z ) голоморфности в верхней полуплоскости (среди прочих требований). Вместо этого модулярные функции мероморфны : они голоморфны в дополнении множества изолированных точек, которые являются полюсами функции.

Модульные формы для SL(2, Z) [ править ]

Стандартное определение [ править ]

Модульная форма веса k для модульной группы

комплексная функция f в верхней полуплоскости H = { z C , Im ( z ) > 0}, удовлетворяющая следующим трем условиям:

  1. f голоморфная функция на H .
  2. Для любого z H и любой матрицы из SL(2, Z ) , как указано выше, мы имеем:
  3. f требуется, чтобы оно было ограничено при z i .

Примечания:

  • Вес k обычно является положительным целым числом.
  • При нечетном k только нулевая функция может удовлетворять второму условию.
  • Третье условие также формулируется, говоря, что f «голоморфен на вершине», терминология, которая объясняется ниже. Явно это условие означает, что существуют некоторые такой, что , значение ограничено выше некоторой горизонтальной прямой.
  • Второе условие для
читает
соответственно. Поскольку S и T порождают модулярную группу SL(2, Z ) , второе условие выше эквивалентно этим двум уравнениям.

в терминах решеток или эллиптических Определение кривых

Модульную форму можно эквивалентно определить как функцию F от набора решеток в C до набора комплексных чисел , которая удовлетворяет определенным условиям:

  1. Если мы рассмотрим решетку Λ = Z α + Z z, порожденную константой α и переменной z , то F (Λ) является аналитической функцией от z .
  2. Если α — ненулевое комплексное число и α Λ — решетка, полученная умножением каждого элемента Λ на α , то F ( α Λ) = α - к F (Λ), где k — константа (обычно положительное целое число), называемая весом формы.
  3. Абсолютное значение F остается ограниченным сверху до тех пор , (Λ) пока абсолютное значение наименьшего ненулевого элемента в Λ отделено от 0.

Ключевая идея в доказательстве эквивалентности двух определений состоит в том, что такая функция F определяется в силу второго условия своими значениями на решетках вида Z + Z τ , где τ H .

Примеры [ править ]

Серия И. Эйзенштейн

Простейшими примерами с этой точки зрения являются ряды Эйзенштейна . Для каждого четного целого числа k > 2 мы определяем G k (Λ) как сумму λ - к по всем ненулевым векторам λ из Λ :

Тогда Gk k модулярная форма веса . — Для Λ = Z + Z τ имеем

и

Условие k > 2 необходимо для сходимости ; для нечетного k существует сокращение между λ - к и (− λ ) - к , так что такие ряды тождественно равны нулю.

II. Тэта-функции четных унимодулярных решеток

Чётная унимодулярная решётка L в R н — это решетка, порожденная n векторами, образующими столбцы матрицы определителя 1 и удовлетворяющая условию, что квадрат длины каждого вектора в L является четным целым числом. Так называемая тета-функция

сходится, когда Im(z) > 0, и, как следствие формулы суммирования Пуассона, можно показать, что это модулярная форма веса n /2 . Построить даже унимодулярные решетки не так-то просто, но есть один из способов: пусть n — целое число, делящееся на 8, и рассмотрим все векторы v из R. н такой, что 2 v имеет целые координаты, либо все четные, либо все нечетные, и такой, что сумма координат v является четным целым числом. Мы называем эту решетку L n . Когда n = 8 , это решетка, порожденная корнями корневой системы, называемой E 8 . Поскольку существует только одна модульная форма веса 8 с точностью до скалярного умножения,

хотя решетки L 8 × L 8 и L 16 не подобны. Джон Милнор заметил, что 16-мерные торы, полученные делением R 16 Следовательно, эти две решетки являются примерами компактных римановых многообразий , которые изоспектральны , но не изометричны (см. « Услышать форму барабана »).

III. Модульный дискриминант

определяется Эта-функция Дедекинда как

где q – квадрат нома . Тогда модульный дискриминант ∆( z ) = (2π) 12 ч ( я ) 24 является модулярной формой веса 12. Наличие числа 24 связано с тем, что решетка Лича имеет 24 измерения. Знаменитая гипотеза Рамануджана утверждала , что, когда Δ( z ) разлагается в степенной ряд по q, коэффициент при q п для любого простого числа p имеет абсолютное значение ≤ 2 p 11/2 . Это было подтверждено работами Эйхлера , Шимуры , Куги , Ихары и Пьера Делиня в результате доказательства Делинем гипотез Вейля , которые, как было показано, подразумевают гипотезу Рамануджана.

Второй и третий примеры дают некоторый намек на связь между модулярными формами и классическими вопросами теории чисел, такими как представление целых чисел квадратичными формами и статистическая сумма . Решающую концептуальную связь между модулярными формами и теорией чисел обеспечивает теория операторов Гекке , которая также дает связь между теорией модулярных форм и теорией представлений .

Модульные функции [ править ]

Когда вес k можно показать равен нулю, с помощью теоремы Лиувилля , что единственные модульные формы являются постоянными функциями. Однако ослабление требования голоморфности f приводит к понятию модулярных функций . Функция f : H C называется модулярной, если она удовлетворяет следующим свойствам:

Часто пишут в терминах (квадрат нома ) , как:

Это также называется q -разложением f ( принцип q-разложения ). Коэффициенты известны как коэффициенты Фурье функции f , а число m называется порядком полюса функции f в точке i∞. Это условие называется «мероморфным на вершине», что означает, что только конечное число коэффициентов с отрицательным числом n отличны от нуля, поэтому q -разложение ограничено снизу, гарантируя, что оно мероморфно при q = 0. [примечание 2]

Иногда используется более слабое определение модулярных функций - согласно альтернативному определению достаточно, чтобы f была мероморфной в открытой верхней полуплоскости и чтобы f была инвариантной относительно подгруппы модулярной группы конечного индекса. [4] В данной статье это не соблюдено.

Другой способ сформулировать определение модулярных функций — использовать эллиптические кривые : каждая решетка Λ определяет эллиптическую кривую C /Λ над C ; две решетки определяют изоморфные эллиптические кривые тогда и только тогда, когда одна получается из другой умножением на некоторое ненулевое комплексное число α . Таким образом, модулярную функцию можно рассматривать и как мероморфную функцию на множестве классов изоморфизма эллиптических кривых. Например, j-инвариант j ( z ) эллиптической кривой, рассматриваемый как функция на множестве всех эллиптических кривых, является модулярной функцией. С более концептуальной точки зрения модулярные функции можно рассматривать как функции в пространстве модулей классов изоморфизма комплексных эллиптических кривых.

Модульная форма f, которая обращается в нуль при q = 0 (эквивалентно a 0 = 0 , также перефразируемая как z = i ), называется формой возврата ( Spitzenform на немецком языке ). Наименьшее n такое, что a n ≠ 0 — это порядок нуля f в точке i .

Модульная единица это модульная функция, полюсы и нули которой ограничены точками возврата. [5]

Модульные формы для более общих групп [ править ]

Функциональное уравнение, т. е. поведение f относительно можно смягчить, потребовав его только для матриц в меньших группах.

Риманова поверхность G \H [ редактировать ]

Пусть G — подгруппа SL(2, Z ), имеющая конечный индекс . Такая группа G действует на H так же, как SL(2, Z ) . фактортопологическое пространство G \ H Можно показать, что является хаусдорфовым пространством . Обычно он не компактен, но его можно компактифицировать, добавив конечное число точек, называемых точками возврата . Это точки на границе H , т.е. в Q ∪{∞}, [примечание 3] такой, что существует параболический элемент G (матрица со следом ±2), фиксирующий точку. Это дает компактное топологическое пространство G \ H . Более того, ей можно наделить структуру римановой поверхности , что позволяет говорить о голо- и мероморфных функциях.

Важными примерами являются для любого положительного целого числа N любая из подгрупп конгруэнтности

Для G = Γ 0 ( N ) или Γ( N ) пространства G \ H и G \ H обозначаются Y 0 ( N ) и X 0 ( N ) и Y ( N ), X ( N ) соответственно.

Геометрия G \ H можно понять, изучая фундаментальные области для G , то есть подмножества D H такие, что D пересекает каждую орбиту G -действия на H ровно один раз и такие, что замыкание D соответствует всем орбитам. Например род G \ , H можно вычислить. [6]

Определение [ править ]

Модульная форма для G веса k — это функция на H, удовлетворяющая приведенному выше функциональному уравнению для всех матриц в G , то есть голоморфная на H и во всех точках G. возврата Опять же, модулярные формы, которые исчезают во всех точках возврата, называются формами сборки для G . C ) -векторные пространства модулярной и параболической форм веса обозначаются M k ( G k и S k ( G ) соответственно . Аналогично, мероморфная функция на G \ H называется модулярной функцией для G . В случае G = Γ 0 ( N ) их также называют модулярными/касп-формами и функциями уровня N . Для G = Γ(1) = SL(2, Z ) это возвращает приведенные выше определения.

Последствия [ править ]

Теорию римановых поверхностей можно применить к G \ H для получения дополнительной информации о модульных формах и функциях. Например, пространства Mk Римана ( G ) и Sk ( G ) конечномерны, а их размерности можно вычислить благодаря Роха в терминах геометрии G -действия на H. теореме [7] Например,

где обозначает функцию пола и четный.

Модульные функции составляют поле функций римановой поверхности и, следовательно, образуют поле первой степени трансцендентности (над C ). Если модулярная функция f не равна тождественному 0, то можно показать, что число нулей f равно числу полюсов f . в замыкании фундаментальной области R Γ . Можно показать, что поле модулярной функции f не равно 0 функция уровня N ( N ≥ 1) порождается функциями j ( z ) и j ( Nz ). [8]

Линейные пакеты [ править ]

Ситуацию можно выгодно сравнить с той, которая возникает при поиске функций в проективном пространстве P( V ): в этой ситуации в идеале хотелось бы, чтобы функции F в векторном пространстве V были полиномиальными в координатах v ≠ 0 в V и удовлетворяют уравнению F ( cv ) = F ( v ) для всех ненулевых c . К сожалению, единственные такие функции — константы. Если мы допустим знаменатели (рациональные функции вместо многочленов), мы можем позволить F быть отношением двух однородных многочленов одной и той же степени. В качестве альтернативы мы можем придерживаться полиномов и ослабить зависимость от c , полагая F ( cv ) = c к Ф ( в ). Тогда решения представляют собой однородные многочлены степени k . С одной стороны, они образуют конечномерное векторное пространство для каждого k , а с другой, если мы позволим k меняться, мы сможем найти числители и знаменатели для построения всех рациональных функций, которые на самом деле являются функциями в базовом проективном пространстве P. ( В ).

Можно задаться вопросом: поскольку однородные полиномы на самом деле не являются функциями P( V ), каковы они с геометрической точки зрения? Алгебро -геометрический ответ заключается в том, что они представляют собой ( в сечения пучка данном случае можно также сказать, линейного расслоения ). Точно аналогичная ситуация и с модульными формами.

С этого геометрического направления также можно выгодно подойти к модульным формам как к сечениям линейных расслоений в пространстве модулей эллиптических кривых.

Кольца модульных форм [ править ]

Для подгруппы Γ группы SL(2, Z ) кольцо модулярных форм — это градуированное кольцо, порожденное модулярными формами Γ . Другими словами, если Mk , то (Γ) — кольцо модулярных форм веса k кольцо модулярных форм Γ — это градуированное кольцо .

Кольца модулярных форм конгруэнтных подгрупп группы SL(2, Z ) конечно порождены благодаря результату Пьера Делиня и Майкла Рапопорта . Такие кольца модулярных форм порождаются с весом не более 6, а отношения порождаются с весом не более 12, когда конгруэнтная подгруппа имеет модулярные формы с ненулевым нечетным весом, а соответствующие границы равны 5 и 10, когда нет модулярных форм с ненулевым нечетным весом. .

В более общем смысле существуют формулы для оценок весов образующих кольца модулярных форм и их соотношений для произвольных фуксовых групп .

Типы [ править ]

Целые формы [ править ]

Если f голоморфна = в точке возврата (не имеет полюса в точке q 0), она называется целой модулярной формой .

Если f мероморфна, но не голоморфна в точке возврата, она называется неполной модулярной формой . Например, j-инвариант представляет собой неполную модульную форму веса 0 и имеет простой полюс в точке i∞.

Новые формы [ править ]

Новые формы — это подпространство модульных форм. [9] фиксированного уровня которые не могут быть построены из модульных форм более низких уровней разделяющий . Остальные формы называются старыми формами . Эти старые формы можно построить, используя следующие наблюдения: если затем дающее обратное включение модульных форм .

Формы острия [ править ]

Форма возврата — это модулярная форма с нулевым постоянным коэффициентом в ряду Фурье. Это называется формой возврата, потому что форма исчезает на всех точках возврата.

Обобщения [ править ]

Помимо классического, существует ряд других вариантов использования термина «модульная функция»; например, в теории мер Хаара это функция ∆( g ), определяемая действием сопряжения.

Формы Мааса являются вещественно-аналитическими собственными функциями лапласиана , но не обязательно должны быть голоморфными . Голоморфные части некоторых слабых волновых форм Мааса оказываются, по сути, ложными тета-функциями Рамануджана . группы, не являющиеся подгруппами SL(2, Z ) Можно рассматривать .

Модульные формы Гильберта — это функции от n переменных, каждая из которых представляет собой комплексное число в верхней полуплоскости, удовлетворяющие модульному соотношению для матриц 2 × 2 с элементами в полностью вещественном числовом поле .

Модулярные формы Зигеля связаны с более крупными симплектическими группами так же, как классические модулярные формы связаны с SL(2, R ) ; другими словами, они связаны с абелевыми многообразиями в том же смысле, в каком классические модулярные формы (которые иногда называют эллиптическими модулярными формами , чтобы подчеркнуть это) связаны с эллиптическими кривыми.

Формы Якоби представляют собой смесь модульных форм и эллиптических функций. Примеры таких функций очень классические — тэта-функции Якоби и коэффициенты Фурье модулярных форм Зигеля второго рода — но относительно недавнее наблюдение показало, что формы Якоби имеют арифметическую теорию, очень аналогичную обычной теории модулярных форм.

Автоморфные формы расширяют понятие модулярных форм на общие группы Ли .

Модульные интегралы веса k — это мероморфные функции в верхней полуплоскости умеренного роста на бесконечности, которые не могут быть модулярными с весом k рациональной функцией.

Автоморфные факторы — это функции вида которые используются для обобщения отношения модульности, определяющего модульные формы, так что

Функция называется небентипусом модульной формы. Такие функции, как эта-функция Дедекинда , модульная форма веса 1/2, могут быть включены в теорию, допуская автоморфные факторы.

История [ править ]

Теория модульных форм развивалась в четыре периода:

  • В связи с теорией эллиптических функций в начале XIX в.
  • Феликсом Кляйном и другими в конце девятнадцатого века, когда стало понятно понятие автоморфной формы (для одной переменной).
  • Эрих Хекке , примерно 1925 г.
  • В 1960-е годы, когда потребности теории чисел и, в частности, формулировка теоремы модулярности, прояснили, что модульные формы глубоко запутаны.

Танияма и Шимура выявили соответствие 1 к 1 между определенными модульными формами и эллиптическими кривыми. Роберт Ленглендс опирался на эту идею при построении своей обширной программы Ленглендса , которая стала одной из самых далеко идущих и последовательных исследовательских программ в области математики.

В 1994 году Эндрю Уайлс использовал модульные формы для доказательства Великой теоремы Ферма . В 2001 году была доказана модулярность всех эллиптических кривых над рациональными числами. В 2013 году была доказана модулярность эллиптических кривых над действительными квадратичными полями . В 2023 году было доказано, что эллиптические кривые являются модулярными примерно для половины мнимых квадратичных полей, включая поля, образованные путем объединения рациональных чисел с квадратным корнем из целых чисел до -5. [1]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Некоторые авторы используют другие соглашения, допуская дополнительную константу, зависящую только от , см., например «DLMF: §23.15 Определения ‣ Модульные функции ‣ Глава 23 Эллиптические и модульные функции Вейерштрасса» . dlmf.nist.gov . Проверено 7 июля 2023 г.
  2. ^ Мероморфная . функция может иметь только конечное число членов с отрицательной экспонентой в своем ряду Лорана, своем q-разложении Он может иметь не более полюса в точке q = 0, а не существенную особенность , как это имеет exp(1/ q ).
  3. ^ Здесь матрица отправляет ∞ в a / c .

Цитаты [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ван Вик, Герхард (июль 2023 г.). «Эллиптические кривые раскрывают свои секреты в новой системе счисления» . Кванта .
  2. ^ Лан, Кай-Вэнь. «Когомологии автоморфных расслоений» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 1 августа 2020 года.
  3. ^ Милн. «Модульные функции и модульные формы» . п. 51.
  4. ^ Чандрасекхаран, К. (1985). Эллиптические функции . Издательство Спрингер. ISBN  3-540-15295-4 . п. 15
  5. ^ Куберт, Дэниел С .; Ланг, Серж (1981), Модульные единицы , Фундаментальные принципы математической науки, том. 244, Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag , с. 24, ISBN  978-0-387-90517-4 , МР   0648603 , Збл   0492.12002
  6. ^ Ганнинг, Роберт К. (1962), Лекции по модульным формам , Анналы математических исследований, том. 48, Издательство Принстонского университета , с. 13
  7. ^ Шимура, Горо (1971), Введение в арифметическую теорию автоморфных функций , Публикации Математического общества Японии, том. 11, Токио: Иванами Шотен , Теорема 2.33, Предложение 2.26.
  8. ^ Милн, Джеймс (2010), Модульные функции и модульные формы (PDF) , стр. 88 , Теорема 6.1.
  9. ^ Мокану, Андреа. «Теория Аткина-Ленера -Модульные формы» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 31 июля 2020 г.

Ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 84075b6cb76c48c108d77489ac892be7__1712880000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/84/e7/84075b6cb76c48c108d77489ac892be7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Modular form - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)