Klein çeyrek - Klein quartic

Klein çeyreği, sipariş-7 üçgen döşeme.
İkili, Klein dörtlüsü ikili döşemenin bir bölümüdür, sıra-3 altıgen döşeme.

İçinde hiperbolik geometri, Klein çeyrek, adını Felix Klein, bir kompakt Riemann yüzeyi nın-nin cins 3 mümkün olan en yüksek siparişle otomorfizm grubu bu cins için, yani düzen 168 oryantasyonu koruyan otomorfizmler ve 336 yönelim tersine çevrilebilirse otomorfizmler. Böylelikle, Klein dörtlüsü, Hurwitz yüzeyi mümkün olan en düşük cins; görmek Hurwitz'in otomorfizm teoremi. Onun (oryantasyonu koruyan) otomorfizm grubu izomorfiktir. PSL (2, 7) ikinci en küçük değişmeli olmayan basit grup. Dörtlü ilk olarak (Klein 1878b ).

Klein'ın kuartiği, matematiğin birçok dalında, dahil olmak üzere bağlamlarda ortaya çıkar. temsil teorisi, homoloji teorisi, sekizlik çarpma[kaynak belirtilmeli ], Fermat'ın son teoremi, ve Stark-Heegner teoremi açık hayali ikinci dereceden sayı alanları nın-nin sınıf No bir; görmek (Levy 1999 ) mülk araştırması için.

Başlangıçta, "Klein dörtlüsü", özellikle karmaşık projektif düzlem P2(C) tarafından tanımlandı cebirsel bir denklem. Bunun belirli bir Riemann metriği (bu onu minimal bir yüzey yapar P2(C)), altında Gauss eğriliği sabit değil. Ancak daha yaygın olarak (bu makalede olduğu gibi), artık bu cebirsel eğriye uyumlu olarak eşdeğer olan herhangi bir Riemann yüzeyi olarak düşünülmektedir ve özellikle de hiperbolik düzlem H2 kesin olarak ortak kompakt grup G bu hareket eder özgürce açık H2 izometri ile. Bu, Klein quartic'e bir Riemann metriği sabit eğrilik verir. −1 miras aldığı H2. Bu uyumlu olarak eşdeğer Riemann yüzeyleri seti, konformal otomorfizm grubu 168'in eşsiz basit grubuna izomorfik olan 3. cinsin tüm kompakt Riemann yüzeyleriyle tam olarak aynıdır. Bu grup aynı zamanda olarak da bilinir. PSL (2, 7)ve ayrıca izomorfik grup olarak PSL (3; 2). Tarafından kaplama alanı teori, grup G yukarıda bahsedilen izomorfiktir temel grup cinsin kompakt yüzeyinin 3.

Kapalı ve açık formlar

Dördün iki farklı biçimini ayırt etmek önemlidir. kapalı dörtlü, genellikle geometride kastedilen şeydir; topolojik olarak cins 3'e sahiptir ve bir kompakt alan. açık veya "delinmiş" dörtlü, sayı teorisinde ilgi çekicidir; topolojik olarak 24 delikli bir cins 3 yüzeydir ve geometrik olarak bu delikler sivri uçlar. Açık kuartik, aşağıda tartışıldığı gibi, döşemenin 24 merkezinde düzenli yedgenlerle delinerek kapalı kuartikten (topolojik olarak) elde edilebilir. Açık ve kapalı çeyrekler, hem hiperbolik hem de eksiksiz olsalar da farklı ölçütlere sahiptir.[1] - geometrik olarak, tepe noktaları delikler değil, "sonsuzluktaki noktalar" dır, dolayısıyla açık dördün hala tamamlanmıştır.

Cebirsel bir eğri olarak

Klein dörtlüsü, bir projektif cebirsel eğri üzerinde Karışık sayılar C, aşağıdaki dörtlü denklem ile tanımlanır homojen koordinatlar [x:y:z] açık P2(C):

Bu denklemin yeri P2(C) Klein'ın tanımladığı orijinal Riemann yüzeyidir.

Kuaterniyon cebir yapısı

Kompakt Klein dörtlüsü, bir bölümün bölümü olarak inşa edilebilir. hiperbolik düzlem uygun bir eylemle Fuşya grubu Γ (ben) asıl olan uygunluk alt grubu ideal ile ilişkili cebirsel tamsayılar halkasında Z(η) Alanın Q(η) nerede η = 2 çünkü (2π/7). Kimliği not edin

sergileyen 2 – η cebirsel tamsayılar halkasında 7 asal çarpanı olarak.

Grup Γ (ben) bir alt grubudur (2,3,7) hiperbolik üçgen grubu. Yani, Γ (ben) kuaterniyon cebirinde, jeneratörler tarafından bir ilişkisel cebir olarak üretilen birim norm elemanlarının bir alt grubudur ben, j ve ilişkiler

Kişi uygun olanı seçer Hurwitz kuaterniyon sırası kuaterniyon cebirinde, Γ (ben) bu durumda içindeki norm 1 öğeleri grubudur . Bir hiperbolik elemanın izinin en küçük mutlak değeri Γ (ben) dır-dir için 3.936 değerine karşılık gelir. sistol Klein quartic, bu cinsin en yükseklerinden biridir.

Döşeme

Dördün yansıma alanlarına göre döşenmesi, 3-7 kisrhombille.

Klein quartic simetri grubu (a "normal harita "[2]) ve bunlar, Klein'ın orijinal makalesine dayanan simetri grubunu anlamak için kullanılır. Verilen bir temel alan grup eylemi için (tam, oryantasyonu tersine çeviren simetri grubu için, bir (2,3,7) üçgen), yansıma alanları (bu alanın grup altındaki görüntüleri), dörtlü bir döşemeyi verir, öyle ki, otomorfizm grubu döşeme, yüzeyin otomorfizm grubuna eşittir - döşeme çizgilerindeki yansımalar, gruptaki yansımalara karşılık gelir (belirli bir temel üçgenin çizgilerindeki yansımalar, 3 oluşturucu yansımadan oluşan bir set verir). Bu döşeme, sıra-3 ikiye bölünmüş altıgen döşeme of hiperbolik düzlem ( evrensel kapak Çeyrek) ve tüm Hurwitz yüzeyleri bölümlerle aynı şekilde döşenir.

Bu döşeme tek tiptir ancak normal değildir ( skalen üçgenler ) ve bunun yerine genellikle normal döşemeler kullanılır. Herhangi bir döşemenin bir bölümü (2,3,7) aile kullanılabilir (ve aynı otomorfizm grubuna sahip olacaktır); Bunlardan iki normal döşeme, 24 normal hiperbolik Heptagonlar 3. derecenin her biri (56 köşede buluşma) ve ikili döşeme 56 eşkenar üçgenler 7. derecenin her biri (24 köşede buluşma). Otomorfizm grubunun sırası ilişkilidir, her iki durumda da çokgen sayısı çarpı çokgendeki kenar sayısıdır.

24 × 7 = 168
56 × 3 = 168

Hiperbolik düzlemdeki kaplama döşemeleri, sıra-3 altıgen döşeme ve sipariş-7 üçgen döşeme.

Otomorfizm grubu, (döşemenin simetrisi ile gerçekleştirilmeyen bir simetri ile) artırılarak, Mathieu grubu M24.[3]

Her birine karşılık gelen döşeme dörtlü (dörtlü çeşitliliğin alt kümelere bölünmesi) bir soyut çokyüzlü, geometriden özetlenen ve yalnızca döşemenin kombinasyonlarını yansıtan (bu, bir elde etmenin genel bir yoludur) soyut politop bir döşemeden) - çokyüzlünün tepe noktaları, kenarları ve yüzleri, döşemenin tepe noktalarına, kenarlarına ve yüzlerine eşittir, aynı geliş ilişkileri ile ve soyut çokyüzlünün (kombinatoryal) otomorfizm grubu eşittir Kuartik (geometrik) otomorfizm grubu. Bu şekilde geometri, kombinatoriklere indirgenir.

Afin çeyrek

Yukarıdakiler, projektif kuartik (kapalı bir manifold); afin kuartik, normal üçgen döşemenin 24 köşesine veya eşit olarak altıgen döşemedeki 24 heptagonun merkezlerine karşılık gelen 24 çıkıntıya (topolojik olarak delikler) sahiptir ve aşağıdaki gibi gerçekleştirilebilir.

Eylemini göz önünde bulundurarak SL (2, R) üzerinde üst yarı düzlem modeli H2 of hiperbolik düzlem tarafından Möbius dönüşümleri afin Klein quartic bölüm olarak gerçekleştirilebilir Γ (7) H2. (Buraya Γ (7) ... uygunluk alt grubu nın-nin SL (2, Z) tüm girişler alındığında kimlik matrisiyle uyumlu olan matrislerden oluşur modulo 7.)

Temel alan ve pantolon ayrıştırma

Klein kuartiği, bir Fuchsian grubunun etkisiyle hiperbolik düzlemin bölümü olarak elde edilebilir. temel alan alanı olan normal bir 14 gon tarafından Gauss-Bonnet teoremi. Bu, yüzeyi mozaikleyen ve simetri grubunu oluşturan 336 (2,3,7) üçgeni de içeren bitişik şekilde görülebilir.

Klein quartic'in temel alanı. Yüzey, kenarları eşit sayılarla ilişkilendirerek elde edilir.

(2,3,7) üçgenler ile mozaiklemede 24 düzenli yedigenin bir mozaiklemesi vardır. Yüzeyin sistol, 8 yedigen kenarın orta noktalarından geçer; bu nedenle literatürde "sekiz aşamalı jeodezik" olarak anılmıştır ve aşağıdaki bölümde kitabın adının sebebidir. Pantolon ayrışmasını gösteren şekildeki tüm renkli eğriler sistollerdir, ancak bu sadece bir alt kümedir; toplamda 21 tane var. Sistolün uzunluğu

Eşdeğer bir kapalı formül

Klein kuartik, cins 3'ün yüzeyleri için simetri grubunu maksimize ederken, sistol uzunluğunu maksimize etmez. Tahmin edilen maksimize edici, "M3" olarak adlandırılan yüzeydir (Schmutz 1993 ). M3, (2,3,12) üçgenden oluşan bir mozaiktir ve sistolünün çokluğu 24 ve uzunluğu vardır

Klein quartic'in pantolon ayrıştırması. Soldaki şekil, temel alanın (2,3,7) mozaiklemesindeki sınır jeodeziklerini göstermektedir. Sağdaki şekilde, temel alanın hangi kısmının hangi pantolon çiftine ait olduğunu netleştirmek için pantolonların her biri farklı renklendirilmiştir.

Klein quartic dört parçaya ayrılabilir pantolon çifti sistollerinin altısını keserek. Bu ayrışma simetrik bir dizi verir Fenchel-Nielsen koordinatları uzunluk parametrelerinin tümünün sistol uzunluğuna eşit olduğu ve bükülme parametrelerinin hepsinin eşit olduğu sistol uzunluğunun. Özellikle alarak sistol uzunluğu olmak için koordinatlar

kübik grafik bu pantolon ayrışmasına karşılık gelen dört yüzlü grafik, yani her biri diğerine bağlı olan 4 düğümün grafiğidir. Dört yüzlü grafik, projektif için grafiğe benzer Fano uçağı; gerçekte, Klein kuartisinin otomorfizm grubu, Fano düzlemininkine izomorfiktir.

Spektral teori

Klein kuarticinin ilk pozitif özdeğerine karşılık gelen sekiz fonksiyon. Açık mavi çizgiler boyunca fonksiyonlar sıfırdır. Bu araziler FreeFEM ++.

Hakkında çok az şey kanıtlandı spektral teori Bununla birlikte, Klein kuartik'inin, sabit negatif eğriliğe sahip 3 cinsinin tüm kompakt Riemann yüzeyleri arasında Laplace operatörünün ilk pozitif öz değerini maksimize ettiği varsayılmıştır. Bu varsayım, Klein quartic'in topolojik sınıfında en büyük simetri yüzey grubuna sahip olmasından kaynaklanmaktadır, Bolza yüzeyi 2. cinsin içinde. Klein quartic'in özdeğerleri, değişen doğruluk derecelerine göre hesaplanmıştır. İlk 15 farklı pozitif özdeğer, çokluklarıyla birlikte aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.

Klein quartic'in ilk 15 pozitif özdeğerinin sayısal hesaplamaları
ÖzdeğerSayısal değerÇokluk
01
2.677938
6.622517
10.86916
12.18448
17.24867
21.97057
24.08118
25.92766
30.80396
36.45558
37.42468
41.51316
44.88848
49.04296
50.62836

3 boyutlu modeller

Tarafından bir animasyon Greg Egan Bir tetrahedron simetrisine sahip bir formdan başlayarak ve daha fazla simetriyi göstermek için ters yüz ederek, Klein’ın Kuartik Eğrisinin üç boyutlu gömülmesini gösteren

Klein kuartiği olamaz gerçekleştirilen 3 boyutlu bir şekil olarak, hiçbir 3 boyutlu şeklin (dönme) simetrilerine eşit olmaması anlamında PSL (2; 7), dan beri PSL (2; 7) alt grubu olarak gömülmez SỐ 3) (veya O (3)) - gerçek sayılar üzerinde (önemsiz olmayan) 3 boyutlu doğrusal gösterime sahip değildir.

Bununla birlikte, Klein quartic'in birçok 3 boyutlu modeli, Klein'ın orijinal makalesinden başlayarak verilmiştir.[2][4][5][6][7] Kuartiğin özelliklerini göstermeye ve simetrileri topolojik olarak korumaya çalışan, hepsi geometrik olarak olmasa da. Elde edilen modeller genellikle ya dört yüzlü (sıra 12) veya oktahedral (sıra 24) simetrilere sahiptir; kalan 7. sıra simetrisi bu kadar kolay görselleştirilemez ve aslında Klein'ın makalesinin başlığıdır.

Sekiz Katlı Yol - heykeltıraş Helaman Ferguson ve beraberindeki kitap.

Çoğunlukla, kuartik ya düz bir cins 3 yüzeyi ile dört yüzlü simetri ile modellenir (normal bir tetrahedronun kenarlarını tüpler / kulplarla değiştirerek böyle bir şekil verir) "tetruses" olarak adlandırılır,[7] veya "tetroidler" olarak adlandırılan çok yüzlü yaklaşımlarla;[7] her iki durumda da bu bir gömme şeklin 3 boyutlu. En dikkat çekici pürüzsüz model (tetrus) heykeltır. Sekiz Katlı Yol tarafından Helaman Ferguson -de Matematik Bilimleri Araştırma Enstitüsü içinde Berkeley, California, mermer ve serpantinden yapılmış ve 14 Kasım 1993'te ortaya çıkmıştır. Başlık, üçgenlenmiş yüzeyin herhangi bir köşesinden başlayıp herhangi bir kenar boyunca hareket ederek, bir tepe noktasına ulaşırken dönüşümlü olarak sola ve sağa dönerseniz, her zaman sekiz kenardan sonra orijinal noktaya dönün. Heykelin satın alınması, zamanla bir bildiri kitabının (Levy 1999 ), dördün özelliklerini detaylandırıyor ve Klein'ın makalesinin ilk İngilizce çevirisini içeriyor. Dört yüzlü simetriye sahip çok yüzlü modeller en sık dışbükey örtü a kesik tetrahedron - görmek (Schulte & Wills 1985 ) ve (Scholl, Schürmann & Wills 2002 ) örnekler ve resimler için. Bu modellerden bazıları 20 üçgenden veya 56 üçgenden oluşur (soyut olarak, düzenli çarpık çokyüzlü {3,7 |, 4}, eşkenar olarak gerçekleştirilemeyen, dörtyüzlü kollarında kıvrımlar bulunan 56 yüz, 84 kenarlı ve 24 köşeli); diğerleri 24 yedigene sahipken - bu yedgenler, dışbükey olmasa da düzlemsel olarak alınabilir,[8] ve modeller üçgen olanlardan daha karmaşıktır çünkü karmaşıklık (esnek) köşelerden ziyade (esnek olmayan) yedgen yüzlerin şekillerinde yansıtılır.[2]

küçük kübikuboktahedron oktahedral simetri ile Klein kuartik döşemesinin çok yüzlü daldırılmasıdır.

Alternatif olarak, dörtlü, oktahedral simetriye sahip bir çokyüzlü ile modellenebilir: Klein, kuartiği oktahedral simetrilere ve sonsuz noktalara (bir "açık polihedron") sahip bir şekil ile modelledi,[5] yani üç hiperboloidler ortogonal eksenlerde buluşma,[2] kapalı bir çokyüzlü olarak da modellenebilirken batırılmış (kendi kendine kesişimleri var), gömülü değil.[2] Bu tür çokyüzlüler, çeşitli dışbükey gövdelere sahip olabilir. kesik küp,[9] küçümseme küpü,[8] ya da eşkenar dörtgen olduğu gibi küçük kübikuboktahedron sağda.[3] Küçük kübikuboktahedron daldırma, bazı üçgenlerin birleştirilmesiyle elde edilir (2 üçgen, bir kare, 6, bir sekizgen oluşturur). üçgenleri boyamak (karşılık gelen döşeme topolojik olarak ancak geometrik olarak değil 3 4 | 4 döşeme ). Bu daldırma, aynı zamanda geometrik olarak inşa etmek için de kullanılabilir. Mathieu grubu M24 karelerin ve sekizgenlerin ikiye bölen doğrularının zıt noktalarını değiştiren permütasyonu PSL (2,7) 'ye ekleyerek.[3]

Dessin d'enfants

dessin d'enfant Otomorfizm grubu (Riemann küresi bölümüyle) bölüm haritasıyla ilişkilendirilen Klein çeyreğinde, tam olarak 3. derece altıgen döşemenin 1-iskeletidir.[10] Yani bölüm haritası, noktaların üzerinde dallanmıştır. 0, 1728, ve ; 1728'e böldüğümüzde a Belyi işlevi (dallanmış 0, 1, ve ), 56 köşenin (dessin'deki siyah noktalar) 0'ın üzerinde olduğu yerde, 84 kenarın orta noktaları (dessin'deki beyaz noktalar) 1'in üzerinde ve 24 heptagonun merkezleri sonsuzun üzerinde uzanıyor. Ortaya çıkan desin, kenar geçişli ve "temiz" anlamına gelen "platonik" bir desindir (her beyaz noktanın değeri 2'dir).

İlgili yüzeyler

Klein quartic, çeşitli diğer yüzeylerle ilgilidir.

Geometrik olarak en küçüğüdür Hurwitz yüzeyi (en düşük cins); sonraki Macbeath yüzeyi (cins 7) ve aşağıdaki İlk Hurwitz üçlüsü (Cins 14'ün 3 yüzeyi). Daha genel olarak, belirli bir cinsin en simetrik yüzeyidir (bir Hurwitz yüzeyidir); bu sınıfta Bolza yüzeyi en simetrik cins 2 yüzeyi iken Bring'in yüzeyi oldukça simetrik bir cins 4 yüzey - bkz Riemann yüzeylerinin izometrileri daha fazla tartışma için.

Cebirsel olarak, (afin) Klein dörtlüsü, modüler eğri X (7) ve projektif Klein kuartiği, tıpkı dodekahedronun (her yüzün merkezinde bir sivri uçlu) modüler X (5) eğrisi olması gibi, onun yoğunlaştırılmasıdır; bu sayı teorisinin uygunluğunu açıklar.

Daha incelikli bir şekilde, (yansıtmalı) Klein dörtlüsü bir Shimura eğrisi (cins 7 ve 14'ün Hurwitz yüzeyleri gibi) ve bu tür parametreler esas olarak polarize değişmeli çeşitler boyut 6.[11]

Ayrıca başkaları da var kuartik yüzeyler ilgi - bkz özel çeyrek yüzeyler.

Daha istisnai olarak, Klein dörtlüsü bir "üçlü "anlamında Vladimir Arnold olarak da tanımlanabilir McKay yazışmaları. Bu koleksiyonda projektif özel doğrusal gruplar PSL (2,5), PSL (2,7) ve PSL (2,11) (siparişler 60, 168, 660) benzerdir ve karşılık gelir ikozahedral simetri (cins 0), Klein kuartik (cins 3) simetrileri ve Buckyball yüzeyi (cins 70).[12] Bunlar, "bölümünde ayrıntılı olarak açıklanan diğer birçok istisnai fenomenle de bağlantılıdır.üçlüler ".

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ (Levy 1999, s. 24)
  2. ^ a b c d e (Scholl, Schürmann & Wills 2002 )
  3. ^ a b c (Richter )
  4. ^ Klein'ın Quartic Eğrisi, John Baez, 28 Temmuz 2006
  5. ^ a b Riemann yüzeylerinin platonik döşemeleri, Gerard Westendorp
  6. ^ Klein quartic'in kağıt modelleri Arşivlendi 2011-06-07 de Wayback Makinesi, Mike Stay Arşivlendi 2010-09-07 de Wayback Makinesi
  7. ^ a b c Cins-3 Klein Quartic üzerindeki Desenler, Carlo H. Séquin, eşlik eden Bridges Art-Exhibit'teki Eserler, Londra, 4–8 Ağustos 2006 Bill Thurston'un desenine dayanan Eveline Séquin'in "Klein Quartic Quilt" ile
  8. ^ a b (Schulte & Wills 1985 )
  9. ^ Klein'ın Quartic Eğrisi, Greg Egan tarafından
  10. ^ le Bruyn, Lieven (7 Mart 2007), Şimdiye kadarki en iyi reddedilen teklif, dan arşivlendi orijinal 27 Şubat 2014.
  11. ^ Elkies, bölüm 4.4 (s. 94–97) (Levy 1999 ).
  12. ^ Martin, David; Singerman, Pablo (17 Nisan 2008), Biplanes'tan Klein çeyreğine ve Buckyball'a (PDF)

Edebiyat

Dış bağlantılar