J-invariant

De testwiki
Salta a la navegació Salta a la cerca
j-invariant de Klein al pla complex

En matemàtiques, el j-invariant o funcio j de Felix Klein, considerada com a funció d'una variable complexa τ, és una funció modular de pes zero per a SL(2, Z) definida al semiplà superior dels nombres complexos. És l'única funció que és holomorfa allunyada d'un simple pol a la cúspide de manera que

j(e2πi/3)=0,j(i)=1728=123.

Les funcions racionals de Plantilla:Mvar són modulars i, de fet, ofereixen totes les funcions modulars. Clàssicament, el j-invariant es va estudiar com a parametrització de les corbes el·líptiques sobre C, però també té connexions sorprenents amb les simetries del grup monstre (aquesta connexió es coneix com a monstre moonshine).

Definició

Plantilla:VT Mentre que el j-invariant es pot definir purament en termes de certes sumes infinites (vegeu g₂, g₃ a continuació), es poden motivar considerant classes d'isomorfisme de corbes el·líptiques. Cada corba el·líptica E sobre C és un tor complex i, per tant, es pot identificar amb una xarxa de rang 2; és a dir, retícula bidimensional de C. Això es fa identificant les vores oposades de cada paral·lelogram a la xarxa. No obstant això, multiplicar la xarxa per un nombre complex, que correspon a girar i escalar la xarxa, conserva la classe d'isomorfisme de la corba el·líptica, de manera que sempre podem disposar perquè la xarxa sigui generada per 1 i alguna Plantilla:Mvar en H (on H és el semiplà superior). Per contra, si definim

g2=60(m,n)(0,0)(m+nτ)4,g3=140(m,n)(0,0)(m+nτ)6,

llavors aquesta xarxa es correspon amb la corba el·líptica sobre C definida per Plantilla:Math a través de les funcions el·líptiques de Weierstrass. Aleshores el j-invariant es defineix com

j(τ)=1728g23Δ

on el discriminant modular Plantilla:Math és

Δ=g2327g32

Es pot demostrar que Plantilla:Math és una forma modular de pes dotze, i g₂ una de pes quatre, de manera que la seva tercera potència és també de pes dotze. Així, el seu quocient i, per tant, j, és una funció modular de pes zero, en particular una funció holomòrfica invariant Plantilla:Math sota l'acció de Plantilla:Math. Com s'explica a continuació, j és surjectiva, el que significa que dona una bijecció entre classes d'isomorfisme de corbes el·líptiques sobre C i els nombres complexos.

El domini fonamental

El domini fonamental del grup modular que actua al semiplà superior

Les dues transformacions Plantilla:Math i Plantilla:Math juntes generen el grup lineal especial Plantilla:Math. Dividint pel seu centre Plantilla:Mvar produeix el grup modular que podem identificar-lo amb el grup lineal projectiu especial Plantilla:Math. Per una opció adequada de transformació pertanyent a aquest grup

τaτ+bcτ+d,adbc=1,

podem reduir Plantilla:Mvar a un valor que doni el mateix valor per j, i estirat al domini fonamental per j, que consisteix en valors per Plantilla:Mvar que compleixen les condicions

|τ|112<(τ)1212<(τ)<0|τ|>1

Quan la funció Plantilla:Math es restringeix a aquest domini, encara assumeix tots els valors dels nombres complexos C exactament una vegada. En altres paraules, per a cada c en C, hi ha una única τ al domini fonamental tal que Plantilla:Math. Per tant, j té la propietat de mapejar la regió fonamental a tot el pla complex.

Com una superfície de Riemann, el domini fonamental té el gènere 0, i cada funció modular (nivell 1) és una funció racional en j; i, per contra, totes les funcions racionals de j són una funció modular. En altres paraules, el camp de les funcions modulars és Plantilla:Math.

Teoria de camps de classes i j

El j-invariant té moltes propietats notables:

Aquests resultats clàssics són el punt de partida per a la teoria de la multiplicació complexa.

Propietats de transcendència

El 1937, Theodor Schneider va demostrar el resultat anteriorment esmentat, dient que si Plantilla:Mvar és un nombre irracional quadràtic al semiplà superior, llavors Plantilla:Math és un enter algebraic. A més, va demostrar que si Plantilla:Mvar és un nombre algebraic però no quadràtic imaginari, llavors Plantilla:Math és transcendental.

La j-funció té moltes altres propietats transcendents. Kurt Mahler va conjecturar un resultat de transcendència particular que sovint es coneix com a «conjectura de Mahler», encara que va resultar ser un corol·lari dels resultats per part de Yu. V. Nesterenko i Patrice Phillipon a la dècada del 1990. La conjectura de Mahler era que si Plantilla:Mvar es troba al semiplà superior, llavors Plantilla:Math i Plantilla:Math mai seran els dos simultàniament algebraics. Ara es coneixen resultats més consistents, per exemple, si Plantilla:Math és algebraic llavors els següents tres nombres són algebraicament independents i, per tant, almenys dos d'ells són transcendents:

j(τ),j(τ)π,j(τ)π2

La q-expansió i moonshine

Diverses propietats notables de Plantilla:Mvar tenen a veure amb la seva [[forma modular|Plantilla:Mvar-expansió]] (expansió de la sèrie de Fourier), escrita com a sèrie de Laurent en termes de Plantilla:Math (el quadrat del nome), que comença:

j(τ)=1q+744+196884q+21493760q2+864299970q3+20245856256q4+

S'ha de tindre en compte que Plantilla:Mvar té un pol simple a la cúspide, de manera que la Plantilla:Mvar-expansió no té termes a després de Plantilla:Math.

Tots els coeficients de Fourier són enters, el que resulta en diversos nombres gairebé enters, en particular la constant de Ramanujan:

eπ1636403203+744.

La fórmula asimptòtica del coeficient de Plantilla:Math es dona per

e4πn2n3/4,

com es pot demostrar pel mètode del cercle de Hardy-Littlewood.Plantilla:SfnPlantilla:Sfn

Moonshine

Més notablement, els coeficients de Fourier per als exponents positius de Plantilla:Mvar són les dimensions de la part graduada d'una representació d'àlgebra graduada de dimensió infinita del grup monstre anomenat mòdul moonshine (específicament, el coeficient de Plantilla:Math és la dimensió del grau-Plantilla:Mvar part del mòdul moonshine, el primer exemple és l'àlgebra de Griess, que té dimensió Plantilla:Math, corresponent al terme Plantilla:Math. Aquesta sorprenent observació, realitzada per primera vegada per John McKay, va ser el punt de partida per a la teoria moonshine.

L'estudi de la conjectura moonshine va fer que John Horton Conway i Simon P. Norton examinessin les funcions modulars del gènere zero. Si estan normalitzats per tenir el formulari

q1+O(q)

llavors John G. Thompson va demostrar que només hi ha un nombre finit d'aquestes funcions (d'alguns nivells finits), i Chris J. Cummins més tard va demostrar que hi ha exactament 6486 d'ells, 616 dels quals tenen coeficients integrals.Plantilla:Sfn

Expressions alternatives

Tenim

j(τ)=256(1x)3x2

on Plantilla:Math i Plantilla:Mvar és la funció lambda modular

λ(τ)=θ24(0,τ)θ34(0,τ)=k2(τ)

una relació de funcions theta de Jacobi θm, i és el quadrat del mòdul el·líptic k(τ).Plantilla:Sfn El valor de j no canvia quan es substitueix λ per qualsevol dels sis valors de la raó anharmònica:Plantilla:Sfn

{λ,11λ,λ1λ,1λ,λλ1,1λ}

Els punts de branca de Plantilla:Mvar estan a Plantilla:Math de manera que Plantilla:Mvar és una funció de Belyi.Plantilla:Sfn

Expressions en termes de funcions theta

Definim el nome q=eπiτ i la funció theta de Jacobi,

ϑ(0;τ)=ϑ00(0;τ)=1+2n=1(eπiτ)n2=n=qn2

a partir de la qual es poden derivar les funcions theta auxiliars. Fem,

a=θ2(0;q)=ϑ10(0;τ)b=θ3(0;q)=ϑ00(0;τ)c=θ4(0;q)=ϑ01(0;τ)

on θm i ϑn són notacions alternatives, i a4b4+c4=0. Llavors,

g2(τ)=23π4(a8+b8+c8)g3(τ)=427π6(a8+b8+c8)354(abc)82Δ=g2327g32=(2π)12(12abc)8=(2π)12η(τ)24

per a invariants de Weierstrass g₂, g₃, i la funció eta de Dedekind η(τ). A continuació, podem expressar j(τ) en una forma que es pot calcular ràpidament.

j(τ)=1728g23g2327g32=32(a8+b8+c8)3(abc)8

Definició algebraicaPlantilla:Sfn

Fins ara hem estat considerant Plantilla:Mvar com a funció d'una variable complexa. Tanmateix, com a invariant per a classes d'isomorfisme de corbes el·líptiques, es pot definir purament algebraica. Fem que

y2+a1xy+a3y=x3+a2x2+a4x+a6

sigui una corba el·líptica plana sobre qualsevol camp. Llavors podem realitzar transformacions successives per obtenir l'equació anterior com a forma estàndard y2=4x3g2xg3 (aquesta transformació només es pot fer quan la característica del camp no és igual a 2 o 3). Els coeficients resultants són:

b2=a12+4a2,b4=a1a3+2a4
b6=a32+4a6,b8=a12a6a1a3a4+a2a32+4a2a6a42
c4=b2224b4,c6=b23+36b2b4216b6,

on g2=c4 i g3=c6. També tenim el discriminant

Δ=b22b8+9b2b4b68b4327b62.

El Plantilla:Mvar-invariant per a la corba el·líptica ara es pot definir com

j=c43Δ

En el cas que el camp sobre el qual es defineixi la corba té característiques diferents de 2 o 3, això és igual a

j=1728c43c43c62.

Funció inversa

La funció inversa del Plantilla:Mvar-invariant es pot expressar en termes de la funció hipergeomètrica Plantilla:Math (vegeu també l'article de l'equació de Picard-Fuchs). Es dona explícitament un número Plantilla:Mvar, per resoldre l'equació Plantilla:Math per a Plantilla:Mvar es pot fer en almenys quatre maneres:

Mètode 1: Resoldre l'equació de sisè grau en Plantilla:Mvar,

j(τ)=256(1λ(1λ))3(λ(1λ))2=256(1x)3x2

on Plantilla:Math, i Plantilla:Mvar és la funció modular lambda de manera que l'equació de sisè grau es pot resoldre en forma d'equació de tercer grau en Plantilla:Mvar. Llavors,

τ=i 2F1(12,12,1;1λ)2F1(12,12,1;λ)

per a qualsevol dels sis valors de Plantilla:Mvar.

Mètode 2: Resoldre l'equació de quart grau en Plantilla:Mvar,

j(τ)=27(1+8γ)3γ(1γ)3

llavors, per a qualsevol de les quatre arrels,

τ=i32F1(13,23,1;1γ)2F1(13,23,1;γ)

Mètode 3: Resoldre l'equació de tercer grau en Plantilla:Mvar,

j(τ)=64(1+3β)3β(1β)2

llavors per a qualsevol de les tres arrels,

τ=i22F1(14,34,1;1β)2F1(14,34,1;β)

Mètode 4: Resoldre l'equació de segon grau en Plantilla:Mvar,

j(τ)=17284α(1α)

llavors,

τ=i 2F1(16,56,1;1α)2F1(16,56,1;α)

Una arrel dona Plantilla:Mvar, i l'altre dona Plantilla:Math, però a partir de Plantilla:Math no hi ha cap diferència si es tria Plantilla:Mvar. Els últims tres mètodes es poden trobar a la teoria de funcions el·líptiques de Ramanujan en bases alternatives.

La inversió s'aplica en càlculs d'alta precisió de períodes de funció el·líptica fins i tot a mesura que les seves relacions esdevinguin il·limitades. Un resultat relacionat és l'expressibilitat mitjançant radicals quadràtics dels valors de Plantilla:Mvar als punts de l'eix imaginari les magnituds de les quals són potències de 2 (permetent així construccions amb regle i compàs). El darrer resultat no és evident, ja que l'equació modular del nivell 2 és cúbica.

Fórmules Pi

Els germans Chudnovsky van trobar el 1987,Plantilla:Sfn

1π=126403203/2k=0(6k)!(1633344418k+13591409)(3k)!(k!)3(640320)3k

que utilitza el fet que j(1+1632)=6403203. Per fórmules similars, vegeu la sèrie de Ramanujan-Sato.

Valors especials

El j-invariant s'esvaeix a la «cantonada» del domini fonamental a

J(1+3i2)=0

Els següents són uns quants valors especials en termes de la notació alternativa J(τ)j(τ)/1728 (només els quatre primers són ben coneguts):

J(i)=J(1+i2)=1J(2i)=(53)3J(2i)=(112)3J(22i)=125216(19+132)3J(4i)=164(724+5132)3J(1+2i2)=164(7245132)3J(1+22i3)=125216(19132)3J(3i)=127(2+3)2(21+203)3J(23i)=12516(30+173)3J(1+73i2)=640007(651+14221)3J(1+311i10)=6427(23433)2(77+1533)3J(21i)=132(5+33)2(3+7)2(65+343+267+1521)3J(30i1)=116(10+72+45+310)4(55+302+125+1010)3J(30i2)=116(10+7245310)4(55+3021251010)3J(30i5)=116(1072+45310)4(55302+1251010)3J(30i10)=116(107245+310)4(55302125+1010)3J(1+31i2)=(1(1+192(139313+9331+2731273+13+931393312731+273))2)3J(70i)=(1+94(303+2202+1395+9610)2)3J(7i)=(1+9421+87(30+117+(6+7)21+87)2)3J(8i)=(1+9424(1+2)(123+10424+882+7384)2)3J(10i)=(1+98(2402+160754+1074254+7191254)2)3J(5i2)=(1+98(2402160754+10742547191254)2)3J(258i)=(1+9256(1+2)5(5+29)5(793+9072+23729+10358)2)3J(1+1435i2)=(19(9892538+44240795+154495541+690925205)2)3J(1+1555i2)=(19(22297077+99715565+(3571365+15971635)31+2152)2)3

Es van calcular diversos valors especials el 2014:[1]

J(5i+12)=(2927132352)3,J(5i)=(2927+132352)3,

i deixant,

a1,a2,a3,a4=1190448488,858585699,540309076,374537880b1,b2,b3,b4=693172512,595746414,407357424,240819696
J(5i+24)=((1+5)37239(a1a22+a35a41054(b1b22+b35b410)))3,J(10i+12)=((1+5)37239(a1a22+a35a410+54(b1b22+b35b410)))3,J(5i4)=((1+5)37239(a1+a22+a35+a41054(b1+b22+b35+b410)))3,J(20i)=((1+5)37239(a1+a22+a35+a410+54(b1+b22+b35+b410)))3.

Tots els valors anteriors són reals. Es pot inferir un parell conjugat complex aprofitant la simetria descrita a la referència, juntament amb els valors de J(10i) i J(5i/2), donats anteriorment:

J(14(5i±1))=(198((240210745)i±(16077195)54)2)3.

Es proporcionen quatre valors especials més, com dos parells conjugats complexos:[2]

J(413(5i±1))=((15)37239(a1a22a35+a410±i54(b1b22b35+b410)))3,J(517(4i±1))=((15)37239(a1+a22a35a410±i54(b1+b22b35b410)))3

Referències

Plantilla:Referències

Bibliografia

Plantilla:Div col

Plantilla:Div col end

Plantilla:Autoritat