Krychlový povrch - Cubic surface

V matematice je kubický povrch povrchem v trojrozměrném prostoru definovaném jednou polynomickou rovnicí stupně 3. Kubické povrchy jsou základními příklady v algebraické geometrii . Teorie je zjednodušena prací v projektivním prostoru spíše než v afinním prostoru , a tak jsou krychlové povrchy obecně uvažovány v projektivním 3-prostoru . Teorie se také stává jednotnější zaměřením se na povrchy nad komplexními čísly než na reálná čísla ; všimněte si, že složitý povrch má skutečný rozměr 4. Jednoduchým příkladem je kubický povrch Fermat

v . Mnoho vlastností krychlových povrchů platí obecněji pro del Pezzo povrchy .

Image
Hladký krychlový povrch (Clebschův povrch)

Racionalita kubických povrchů

Ústředním rysem hladkých kubických povrchů X nad algebraicky uzavřeným polem je, že jsou všechny racionální , jak ukázal Alfred Clebsch v roce 1866. To znamená, že mezi projektivní rovinou minus a existuje korespondence jedna k jedné definovaná racionálními funkcemi. nižší dimenzionální podmnožina a X mínus nižší dimenzionální podmnožina. Obecněji řečeno, každá neredukovatelná krychlová plocha (možná singulární) nad algebraicky uzavřeným polem je racionální, pokud nejde o projektivní kužel nad krychlovou křivkou. V tomto ohledu jsou kubické povrchy mnohem jednodušší než hladké povrchy se stupněm alespoň 4 palce , které nikdy nejsou racionální. V charakteristické nule nejsou hladké povrchy se stupněm nejméně 4 palce ani neřízené .

Silněji, Clebsch ukázal, že každý hladký krychlový povrch přes algebraicky uzavřené pole je isomorphic k ráně-up of na 6 bodů. Výsledkem je, že každý hladký kubický povrch přes komplexní čísla je odlišný od připojeného součtu , kde znaménko minus odkazuje na změnu orientace . Naopak vyhození v 6 bodech je izomorfní na krychlový povrch právě tehdy, když jsou body v obecné poloze, což znamená, že žádné tři body neleží na přímce a všech 6 neleží na kuželu . Jako komplexní potrubí (nebo algebraická odrůda ) závisí povrch na uspořádání těchto 6 bodů.

27 řádků na krychlové ploše

Většina důkazů racionality pro krychlové povrchy začíná nalezením čáry na povrchu. (V kontextu projektivní geometrie je čára v izomorfní .) Přesněji Arthur Cayley a George Salmon v roce 1849 ukázali, že každý hladký kubický povrch nad algebraicky uzavřeným polem obsahuje přesně 27 čar. Toto je charakteristický rys krychlových: hladký kvadrický (stupeň 2) povrch je pokryt souvislou rodinou čar, zatímco většina povrchů stupně alespoň 4 palce neobsahuje žádné čáry. Další užitečná technika pro nalezení 27 řádků zahrnuje Schubertův kalkul, který vypočítá počet řádků pomocí teorie průniku Grassmannova řádku na .

Jak se mění koeficienty hladkého komplexního krychlového povrchu, pohybuje se 27 linek nepřetržitě. Výsledkem je, že uzavřená smyčka v rodině hladkých kubických povrchů určuje permutaci 27 řádků. Skupina permutací z 27 linií vzniklých tímto způsobem se nazývá monodromy skupina rodiny kubických ploch. Pozoruhodným objevem 19. století bylo, že monodromní skupina není ani triviální, ani celá symetrická skupina ; je to skupina řádu 51840 , působící přechodně na množinu čar. Tato skupina byla postupně rozpoznána ( Élie Cartan (1896), Arthur Coble (1915-17) a Patrick du Val (1936)) jako Weylova skupina typu , skupina generovaná odrazy na 6-dimenzionálním reálném vektorovém prostoru, související se Lieovou skupinou dimenze 78.

Stejná skupina řádu 51840 může být popsán v kombinačních podmínek, jako automorphism skupina na grafu z 27 linií, s vrcholem pro každý řádek a okraj, když dva řádky setkat. Tento graf byl analyzován v 19. století pomocí subgrafů, jako je Schläfliho konfigurace dvojitých šesti . Doplňkový graf (s hranou vždy, když jsou dva řádky disjunktní) je známý jako Schläfliho graf .

Image
Schläfliho graf

Mnoho problémů s kubickými povrchy lze vyřešit pomocí kombinatoriky kořenového systému . Například 27 řádků lze ztotožnit s váhami základní reprezentace skupiny Lie . Možné sady singularit, které se mohou vyskytovat na krychlovém povrchu, lze popsat pomocí subsystémů kořenového systému. Jedním z vysvětlení tohoto spojení je, že mříž vzniká jako ortogonální doplněk antikanonické třídy ve skupině Picardů s její průsečíkovou formou (pocházející z teorie průniku křivek na povrchu). Pro hladký komplexní krychlový povrch lze Picardovu mřížku také identifikovat se skupinou cohomologie .

Eckardt bod je bod, ve kterém 3 z 27 linek setkat. Většina kubických povrchů nemá Eckardtův bod, ale takové body se vyskytují na kodimenzionální -1 podmnožině rodiny všech hladkých kubických povrchů.

Vzhledem k identifikaci mezi krychlovým povrchem na X a vyhozením v 6 bodech v obecné poloze lze 27 čar na X považovat za: 6 výjimečných křivek vytvořených vyfukováním, birational transformace 15 linií přes páry 6 bodů v , a birational transformace 6 kužely obsahující všechny kromě jednoho ze 6 bodů. Na daný kubický povrch lze pohlížet jako na vyhození více než jedním způsobem (ve skutečnosti 72 různými způsoby), a tak popis jako nafukování neodhalí symetrii mezi všemi 27 řádky.

Vztah mezi kubickými povrchy a kořenovým systémem zobecňuje na vztah mezi všemi del Pezzo povrchy a kořenovými systémy. Toto je jedna z mnoha klasifikací ADE v matematice. Na základě těchto analogií poskytly Věra Serganova a Alexej Skorobogatov přímý geometrický vztah mezi kubickými povrchy a Lieovou skupinou .

Ve fyzice lze 27 linií identifikovat s 27 možnými náboji M-teorie na šestidimenzionálním torusu (6 momentů; 15 membrán ; 6 pětibranů ) a skupina E 6 pak přirozeně funguje jako skupina U-duality . Tato mapa mezi del Pezzo povrchy a M-teorie na tori je známá jako tajemná dualita .

Speciální krychlové povrchy

Hladký komplexní krychlový povrch s největší skupinou automorfismu je krychlový povrch Fermat, definovaný

Jeho skupina automorfismu je rozšířením řádu 648.

Další nejsymetrickější hladkou krychlovou plochou je Clebschova plocha , kterou lze definovat dvěma rovnicemi

Jeho skupina automorfismu je symetrická skupina řádu 120. Po komplexní lineární změně souřadnic lze Clebschovu plochu definovat také rovnicí

v .

Image
Cayleyův uzlový kubický povrch

Mezi singulárními komplexními kubickými povrchy je Cayleyův uzlový kubický povrch jedinečným povrchem s maximálním počtem uzlů , 4:

Jeho skupina automorfismu je řádově 24.

Skutečné krychlové povrchy

Na rozdíl od složitého případu není prostor hladkých krychlových ploch nad reálnými čísly spojen v klasické topologii (na základě topologie R ). Jeho spojené součásti (jinými slovy klasifikace hladkých skutečných kubických povrchů až do izotopie ) určili Ludwig Schläfli (1863), Felix Klein (1865) a HG Zeuthen (1875). Jmenovitě existuje 5 tříd izotopů hladkých skutečných krychlových ploch X v , odlišených topologií prostoru reálných bodů . Prostor skutečných bodů je odlišný od obou , nebo od disjunktního spojení 2sféry, kde označuje spojený součet r kopií skutečné projektivní roviny . Odpovídajícím způsobem je počet reálných řádků obsažených v X 27, 15, 7, 3 nebo 3.

Hladký skutečný kubický povrch je racionální vůči R právě tehdy, pokud je jeho prostor skutečných bodů spojen, tedy v prvních čtyřech z předchozích pěti případů.

Průměrný počet reálných čar na X je, když je definující polynom pro X náhodně odebrán z Gaussova souboru indukovaného Bombieriho vnitřním produktem .


Modulový prostor krychlových ploch

Dva hladké kubické povrchy jsou izomorfní jako algebraické odrůdy právě tehdy, jsou -li ekvivalentní nějakým lineárním automorfismem . Geometrická invariantní teorie dává modulům prostor krychlových ploch s jedním bodem pro každou třídu izomorfismu hladkých kubických povrchů. Tento modulový prostor má rozměr 4. Přesněji je to otevřená podmnožina váženého projektivního prostoru P (12345) od Salmona a Clebsche (1860). Zejména je to racionální 4násobek.

Kužel křivek

Čáry na krychlové ploše X přes algebraicky uzavřené pole lze popsat vnitřně, bez odkazu na vložení X do : jsou to přesně (-1) křivky na X , což znamená, že křivky jsou izomorfní a mají vlastní průnik- 1. Také třídy čar v Picardově mřížce X (nebo ekvivalentně skupina tříd dělitelů ) jsou přesně prvky u Pic ( X ) takové, že a . (Toto použití, že omezení nadrovina linky svazku O (1), na k X je anticanonical linie svazek , u adjunkce vzorce ).

Pro každý projektivní variety X je kužel křivky znamená, že konvexní kužel rozložený všech křivek v X (v reálném vektorového prostoru 1-cyklů modulo numerickou rovnocennost, nebo ve skupině homologie , pokud je pole báze je komplexní čísla). Pro krychlový povrch je kužel křivek překlenut 27 čarami. Zejména je to racionální polyedrický kužel s velkou skupinou symetrie, Weylovou skupinou . Podobný popis kužele křivek existuje pro jakýkoli povrch del Pezzo.

Kubické povrchy nad polem

Hladký krychlový povrch X nad polem k, který není algebraicky uzavřený, nemusí být racionální nad k . V extrémním případě existují hladké kubické povrchy nad racionálními čísly Q (nebo p-adickými čísly ) bez racionálních bodů , v takovém případě X rozhodně není racionální. Pokud X ( k ) je neprázdné, pak je X přinejmenším iracionální nad k , Beniamino Segre a János Kollár . Pro K nekonečný, unirationality znamená, že množina k- -rational bodů Zariski hustá v X .

Absolutní Galois skupina z k permutuje 27 linie X přes algebraické uzavření části k (prostřednictvím nějakého podskupiny skupiny Weyl, z ). Pokud se nějaká oběžná dráha této akce skládá z disjunktních přímek, pak X je vyhození „jednodušší“ del Pezzo plochy přes k v uzavřeném bodě. Jinak má X Picardovo číslo 1. (Picardova skupina X je podskupina geometrické Picardovy skupiny .) V druhém případě Segre ukázal, že X není nikdy racionální. Silněji, Yuri Manin se ukázal jako birational prohlášení tuhosti: dva hladké kubické povrchy Picard číslo 1 přes perfektní pole k jsou birational tehdy a jen tehdy, jsou izomorfní. Tyto výsledky například poskytují mnoho kubických povrchů nad Q, které jsou iracionální, ale ne racionální.

Jedinečné kubické povrchy

Na rozdíl od hladkých kubických povrchů, které obsahují 27 řádků, singulární kubické povrchy obsahují méně čar. Navíc je lze klasifikovat podle typu singularity, která vzniká v jejich normální formě. Tyto singularity jsou klasifikovány pomocí Dynkinových diagramů .

Klasifikace

Normální singulární krychlový povrch v místních souřadnic se říká, že je v normální formě , je-li dán . V závislosti na typu singularity, která obsahuje, je izomorfní k projektivnímu povrchu podle toho, kde jsou stejné jako v níže uvedené tabulce. To znamená, že můžeme získat klasifikaci všech singulárních kubických povrchů. Parametry následující tabulky jsou následující: jsou tři odlišné prvky , parametry jsou a jsou prvkem . Všimněte si, že existují dva různé singulární krychlové povrchy se singularitou .

Klasifikace singulárních kubických povrchů podle typu singularity
Jedinečnost

V normální formě, kdykoli krychlový povrch obsahuje alespoň jednu singularitu, bude mít singularitu at .

Čáry na singulárních kubických plochách

Podle klasifikace singulárních krychlových ploch následující tabulka ukazuje počet řádků, které každá plocha obsahuje.

Čáry na singulárních kubických plochách
Jedinečnost
Počet řádků 21 16 11 12 7 8 9 4 5 5 2 15 7 3 10 6 3 6 3 1

Skupiny automorfismu singulárních krychlových ploch bez parametrů

Automorphism normální singulární krychlový povrch je omezení z automorfismus o projektivní prostoru do . Takové automorfismy zachovávají singulární body. Navíc nepropouštějí singularity různých typů. Pokud povrch obsahuje dvě singularity stejného typu, může je automorfismus permutovat. Sbírka automorfismů na krychlové ploše tvoří skupinu , takzvanou skupinu automorfismu . Následující tabulka ukazuje všechny skupiny automorfismu singulárních krychlových ploch bez parametrů.

Skupiny automorfismu singulárních krychlových ploch bez parametrů
Jedinečnost Automorphism skupina
, symetrická skupina řádu

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy