Арифметическая фуксова группа - Arithmetic Fuchsian group

Арифметические фуксовы группы особый класс Фуксовы группы построен с использованием заказы в кватернионные алгебры. Это частные примеры арифметические группы. Прототипным примером арифметической фуксовой группы является модульная группа . Они и гиперболическая поверхность связанных с их действиями на гиперболическая плоскость часто демонстрируют особенно регулярное поведение среди фуксовых групп и гиперболических поверхностей.

Определение и примеры

Кватернионные алгебры

Кватернионная алгебра над полем четырехмерный центральный простой -алгебра. Алгебра кватернионов имеет основу где и .

Алгебра кватернионов называется расщепляемой над если он изоморфен как -алгебра к алгебре матриц .

Если это вложение в поле обозначим через алгебра, полученная расширение скаляров из к где мы смотрим как подполе через .

Арифметические фуксовы группы

Подгруппа как говорят полученный из кватернионной алгебры если его можно получить с помощью следующей конструкции. Позволять быть поле полностью действительных чисел и кватернионная алгебра над удовлетворяющие следующим условиям. Сначала уникальное вложение такой, что разделен на ; обозначим через изоморфизм -алгебры. Мы также просим, ​​чтобы для всех других вложений алгебра не расщепляется (это эквивалентно изоморфности Кватернионы Гамильтона ). Далее нам нужен заказ в . Позволять быть группой элементов в приведенной нормы 1 и пусть быть его изображением в через . Тогда образ является подгруппой (поскольку приведенная норма матричной алгебры - это просто определитель), и мы можем рассматривать фуксову группу, которая является ее образом в .

Главный факт об этих группах состоит в том, что они являются дискретными подгруппами и имеют конечный кообъем для Мера Хаара на Более того, приведенная выше конструкция дает кокомпактную подгруппу тогда и только тогда, когда алгебра не разделен . Дискретность - довольно непосредственное следствие того, что разбивается только при одном реальном вложении. Конечность коволюма доказать сложнее.[1]

An арифметическая фуксова группа любая подгруппа который соизмеримый в группу, полученную из алгебры кватернионов. Из этого определения сразу следует, что арифметические фуксовы группы дискретны и имеют конечный ковобъем (это означает, что они решетки в ).

Примеры

Простейшим примером арифметической фуксовой группы является модульная который получается построением выше с и Принимая Заказы Эйхлера в мы получаем подгруппы за конечного индекса в который можно явно записать следующим образом:

Конечно, арифметичность таких подгрупп следует из того факта, что они имеют конечный индекс в арифметической группе ; они принадлежат к более общему классу подгрупп конечного индекса, конгруэнтных подгрупп.

Любой порядок в алгебре кватернионов над который не разделен но распадается дает кокомпактную арифметическую фуксову группу. Таких алгебр предостаточно.[2]

В более общем смысле, все порядки в алгебрах кватернионов (удовлетворяющие указанным выше условиям), которые не являются дают кокомпактные подгруппы. Другой пример, представляющий особый интерес, получается, если взять быть Кватернионы Гурвица.

Максимальные подгруппы

Естественный вопрос состоит в том, чтобы идентифицировать среди арифметических фуксовых групп те, которые строго не входят в большую дискретную подгруппу. Они называются максимальный Клейновы группы и можно дать полную классификацию в данном классе арифметической соизмеримости. Отметим, что из теоремы Маргулиса следует, что решетка в является арифметическим тогда и только тогда, когда оно соизмеримо с бесконечным числом максимальных клейновых групп.

Подгруппы конгруэнтности

А главная конгруэнтная подгруппа из является подгруппой вида:

для некоторых Это нормальные подгруппы конечного индекса и фактор- изоморфна конечной группе А подгруппа конгруэнции из по определению является подгруппой, содержащей главную конгруэнтную подгруппу (это группы, которые определяются взятием матриц из которые удовлетворяют определенным сравнениям по модулю целого числа, отсюда и название).

Примечательно, что не все подгруппы конечного индекса являются конгруэнтными подгруппами. Хороший способ увидеть это - заметить, что есть подгруппы, которые сюрприз на переменная группа для произвольных и поскольку для больших группа не является подгруппой для любого эти подгруппы не могут быть конгруэнтными подгруппами. Фактически можно также видеть, что неконгруэнтных подгрупп гораздо больше, чем конгруэнтных подгрупп в .[3]

Понятие конгруэнтной подгруппы обобщается на кокомпактные арифметические фуксовы группы, и приведенные выше результаты также верны в этой общей ситуации.

Построение с помощью квадратичных форм

Существует изоморфизм между и связная компонента ортогональная группа заданный действием первого сопряжением на пространстве матриц нулевого следа, на котором определитель индуцирует структуру действительного квадратичное пространство подписи (2,1). Арифметические фуксовы группы могут быть построены непосредственно в последней группе, взяв целые точки в ортогональной группе, связанной с квадратичными формами, определенными над числовыми полями (и удовлетворяющими определенным условиям).

В этом соответствии модульная группа ассоциирована с точностью до соизмеримости с группой [4]

Арифметические клейновы группы

Приведенная выше конструкция может быть адаптирована для получения подгрупп в : вместо того, чтобы просить быть полностью реальным и быть разделенным ровно на одно реальное вложение, которое требуется иметь ровно одно комплексное вложение с точностью до комплексной сопряженности, при которой автоматически разбивается, и это не разделяется ни при каком встраивании . Подгруппы соизмеримые с полученными этой конструкцией, называются арифметические клейновы группы. Как и в фуксовом случае, арифметические клейновы группы - это дискретные подгруппы конечного кообъема.

Поля следов арифметических фуксовых групп

Инвариант поле трассировки фуксовой группы (или, через образ монодромии фундаментальной группы, гиперболической поверхности) есть поле, порожденное следами квадратов ее элементов. В случае арифметической поверхности, фундаментальная группа которой соизмерима с фуксовой группой, полученной из алгебры кватернионов над числовым полем инвариантное поле следа равно .

Фактически можно охарактеризовать арифметические многообразия через следы элементов их фундаментальной группы, результат, известный как критерий Такеучи.[5] Фуксова группа является арифметической тогда и только тогда, когда выполняются следующие три условия:

  • Его инвариантное поле следа это поле полностью действительных чисел;
  • Следы его элементов алгебраические целые числа;
  • Есть вложение такой, что для любого в группе, и любые другие вложения у нас есть .

Геометрия арифметических гиперболических поверхностей

Группа Ли группа положительных изометрий гиперболической плоскости . Таким образом, если дискретная подгруппа тогда действует правильно прерывисто на . Если к тому же является без кручения тогда действие свободный и фактор-пространство это поверхность (двумерное многообразие) с гиперболическая метрика (риманова метрика постоянной секционной кривизны −1). Если арифметическая фуксова группа такая поверхность называется арифметическая гиперболическая поверхность (не путать с арифметические поверхности из арифметической геометрии; однако, когда контекст ясен, "гиперболический" спецификатор может быть опущен). Поскольку арифметические фуксовы группы имеют конечный ковобъем, арифметические гиперболические поверхности всегда имеют конечный риманов объем (т.е. интеграл по из объемная форма конечно).

Формула объема и конечность

Можно дать формулу для объема выделенных арифметических поверхностей из арифметических данных, с которыми она была построена. Позволять - максимальный порядок в алгебре кватернионов из дискриминант над полем , позволять быть его степенью, его дискриминант и его Дзета-функция Дедекинда. Позволять - арифметическая группа, полученная из по описанной выше процедуре и то орбифолд . Его объем вычисляется по формуле[6]

продукт принимается главные идеалы из разделение и мы напоминаем это норма функция на идеалах, т.е. - мощность конечного кольца ). Читатель может проверить, что если результат этой формулы восстанавливает хорошо известный результат, что гиперболический объем модульной поверхности равен .

Вместе с описанием максимальных подгрупп и результатами о конечности числовых полей эта формула позволяет доказать следующее утверждение:

Учитывая любые существует лишь конечное число арифметических поверхностей, объем которых меньше, чем .

Обратите внимание, что в размерностях четыре и более теорема Вана о конечности (следствие местная жесткость ) утверждает, что это утверждение остается верным, заменяя «арифметику» на «конечный объем». Асимптотический эквивалент для числа арифметических многообразий определенного объема был дан Белолипецким — Геландером — Любоцким — Мозесом.[7]

Минимальный объем

Гиперболический орбифолд минимального объема может быть получен как поверхность, ассоциированная с определенным порядком, т.е. Кватернионный порядок Гурвица, и он компактный по объему .

Замкнутые геодезические и радиусы приемистости

А закрытая геодезическая на римановом многообразии является замкнутая кривая это также геодезический. Можно дать эффективное описание множества таких кривых на арифметической поверхности или на трехмногообразии: они соответствуют определенным единицам в определенных квадратичных расширениях основного поля (описание длинное и не приводится здесь полностью). Например, длина примитивных замкнутых геодезических на модульной поверхности соответствует модулю единиц нормы один в вещественных квадратичных полях. Это описание было использовано Сарнаком, чтобы установить гипотезу Гаусса о среднем порядке группы классов вещественных квадратичных полей.[8]

Можно использовать арифметические поверхности[9] построить семейства поверхностей рода для любого которые удовлетворяют (оптимальному, с точностью до константы) систолическое неравенство

Спектры арифметических гиперболических поверхностей

Собственные значения и собственные функции Лапласа

Если является гиперболической поверхностью, то существует выделенный оператор на гладкие функции на . В случае, когда компактна, она простирается до неограниченный, по существу самосопряженный оператор в гильбертовом пространстве из квадратично интегрируемые функции на . В спектральная теорема в римановой геометрии утверждает, что существует ортонормированный базис из собственные функции за . Связанный собственные значения неограничены, и их асимптотика определяется Закон Вейля.

В случае, когда является арифметическим, эти собственные функции представляют собой особый тип автоморфные формы за называется Формы Маасса. Собственные значения представляют интерес для теоретиков чисел, а также распределение и узловые наборы из .

Случай, когда имеет конечный объем более сложная, но аналогичная теория может быть установлена ​​с помощью понятия куспид.

Гипотеза Сельберга

В спектральный промежуток поверхности по определению является зазор между наименьшим собственным значением и второе наименьшее собственное значение ; таким образом, его стоимость равна и обозначим его через В общем, его можно сделать сколь угодно малым (см. Randol) (однако он имеет положительную нижнюю границу для поверхности с фиксированным объемом). Гипотеза Сельберга - это следующее утверждение, дающее гипотетическую равномерную нижнюю оценку в арифметическом случае:

Если является решеткой, полученной из алгебры кватернионов и является конгруэнтной подгруппой без кручения группы тогда для у нас есть

Обратите внимание, что это утверждение действительно только для подкласса арифметических поверхностей и, как можно видеть, неверно для общих подгрупп конечного индекса в решетках, полученных из кватернионных алгебр. Оригинальное заявление Сельберга[10] сделано только для конгруэнтных покрытий модульной поверхности и проверено для некоторых малых групп.[11] Сам Сельберг доказал нижнюю границу результат, известный как «теорема Сельберга 1/16». Самый известный результат в целом принадлежит Луо-Руднику-Сарнаку.[12]

Равномерность спектральной щели имеет значение для построения графики расширения как графы Шрайера [13]

Отношения с геометрией

Формула следа Сельберга показывает, что для гиперболической поверхности конечного объема это эквивалентно знать спектр длин (набор длин всех замкнутых геодезических на , с кратностями) и спектр . Однако точное соотношение не является явным.

Другое соотношение между спектром и геометрией дается формулой Неравенство Чигера, что в случае поверхности примерно утверждает, что положительная нижняя граница спектральной щели переводится в положительную нижнюю оценку общей длины набора гладких замкнутых кривых, разделяющих на две связанные компоненты.

Квантовая эргодичность

В квантовая эргодичность Теорема Шнирельмана, Колина де Вердьера и Зельдича утверждает, что в среднем собственные функции равнораспределены на . Уникальная гипотеза о квантовой эргодичности Рудника и Сарнака спрашивает, верно ли более сильное утверждение, что индивидуальные собственные функции равнораспределены. Формально заявление выглядит следующим образом.

Позволять быть арифметической поверхностью и - последовательность функций на такой, что
Тогда для любой гладкой функции с компактным носителем на у нас есть

Эту гипотезу доказал Э. Линденштраус.[14] в случае, когда компактный и дополнительно являются собственными функциями для Операторы Гекке на . В случае конгруэнтных покрытий модульной конструкции возникают дополнительные трудности, с которыми разбирался К.Сундарараджан.[15]

Изоспектральные поверхности

Тот факт, что для арифметических поверхностей арифметические данные определяют спектр оператора Лапласа был отмечен М. Ф. Виньерасом[16] и использовался ею для построения примеров изоспектральных компактных гиперболических поверхностей. Точное заявление выглядит следующим образом:

Если является кватернионной алгеброй, максимальные заказы в и ассоциированные фуксовы группы без кручения, то гиперболические поверхности имеют тот же спектр Лапласа.

Затем Виньерас построил явные экземпляры для удовлетворяющие вышеуказанным условиям и такие, что в дополнение не сопряжена с элементом к Полученные изоспектральные гиперболические поверхности не изометричны.

Примечания

  1. ^ Каток 1992.
  2. ^ Каток 1992, раздел 5.6.
  3. ^ Любоцкий Александр; Сегал, Дэн (2003). «Глава 7». Рост подгруппы. Birkhäuser.
  4. ^ Калегари, Дэнни (17 мая 2014 г.). «Сказка о двух арифметических решетках». Получено 20 июн 2016.
  5. ^ Каток 1992, Глава 5.
  6. ^ Борель, Арман (1981). «Классы соизмеримости и объемы трехмерных гиперболических многообразий». Анна. Scuola Norm. Sup.Pisa Cl. Наука. 8: 1–33.
  7. ^ Белолипецкий, Миша; Геландер, Цачик; Любоцкий Александр; Шалев, Анер (2010). «Счетные арифметические решетки и поверхности». Анна. математики. 172 (3): 2197–2221. arXiv:0811.2482. Дои:10.4007 / анналы.2010.172.2197.
  8. ^ Сарнак, Питер (1982). «Числа классов неопределенных двоичных квадратичных форм». J. Теория чисел. 15 (2): 229–247. Дои:10.1016 / 0022-314x (82) 90028-2.
  9. ^ Кац, М .; Schaps, M .; Вишне, У. (2007). «Логарифмический рост систолы арифметических римановых поверхностей по подгруппам конгруэнций». J. Дифференциальная геометрия. 76 (3): 399–422. arXiv:math.DG / 0505007. Дои:10.4310 / jdg / 1180135693.
  10. ^ Сельберг, Атле (1965), «Об оценке коэффициентов Фурье модулярных форм», в Whiteman, Альберт Леон (ред.), Теория чисел, Труды симпозиумов по чистой математике, VIII, Провиденс, Р.И.: Американское математическое общество, стр. 1–15, ISBN  978-0-8218-1408-6, Г-Н  0182610
  11. ^ Roelcke, W. "Uber die Wellengleichung bei Grenzkreisgruppen erster Art". С.-Б. Heidelberger Akad. Wiss. Math.-Nat. Kl. 1953/1955 (на немецком языке): 159–267.
  12. ^ Ким, Х. Х. (2003). С приложением 1 Динакара Рамакришнана и приложением 2 Ким и Питером Сарнаками. "Функциональность внешнего квадрата и симметричная четверть ". J. Amer. Математика. Soc. 16: 139–183. Дои:10.1090 / S0894-0347-02-00410-1.
  13. ^ Любоцкий, Александр (1994). Дискретные группы, расширяющиеся графы и инвариантные меры. Birkhäuser.
  14. ^ Линденштраус, Илон (2006). «Инвариантные меры и арифметическая квантовая однозначная эргодичность». Анна. математики. 163: 165–219. Дои:10.4007 / анналы.2006.163.165.
  15. ^ Саундарараджан, Каннан (2010). "Квантовая уникальная эргодичность для " (PDF). Анна. математики. 172: 1529–1538. Дои:10.4007 / анналы.2010.172.1529. JSTOR  29764647. Г-Н  2680500.
  16. ^ Виньера, Мари-Франс (1980). "Variétés riemanniennes isospectrales et non isométriques". Анна. математики. (На французском). 112 (1): 21–32. Дои:10.2307/1971319. JSTOR  1971319.

Рекомендации

  • Каток, Светлана (1992). Фуксовы группы. Univ. Чикагской прессы.