Кіріспе
Математикада, кубтық бет – 3 өлшемді кеңістікте 3-дәрежелі бір полиномдық теңдеумен анықталатын бет. Кубтық беттер алгебралық геометрияның негізгі мысалдары болып табылады. Теорияны аффиндік кеңістікке қарағанда проективтік кеңістікте жұмыс істеу арқылы жеңілдетуге болады, сондықтан кубтық беттер көбінесе проективтік 3-кеңістікте қарастырылады. Теория күрделі сандарға қарағанда нақты сандарда қарастырылғанда біркелкірек болады; күрделі беттің нақты өлшемі 4 екенін ескеріңіз. Ферманың кубтық беті – қарапайым мысал. Кубтық беттердің көптеген қасиеттері жалпы алғанда Дель Пеццо беттеріне де қатысты.
in Many properties of cubic surfaces hold more generally for del Pezzo surfaces.
Кубтік беттердің рационалдылығы
Алгебралық жабық өріс үстіндегі X тегіс кубтық беттерінің ерекше бір белгісі – олардың барлығы рационалды, бұл 1866 жылы Альфред Клебш көрсеткен. Яғни, проективтік жазықтықтан төмен өлшемді жиынтықты шығарғаннан кейін қалған бөлік пен X-тен төмен өлшемді жиынтықты шығарғаннан кейін қалған бөлік арасында рационалды функциялар арқылы анықталатын бір-бірге сәйкестік бар. Көбінесе, алгебралық жабық өріс үстіндегі әрбір иррационалды кубтық бет (мүмкін ерекше нүктелері бар) рационалды болады, егер ол кубтық қисық үстіндегі проективтік конус болмаса. Осы тұрғыдан алғанда, кубтық беттер кемінде 4 дәрежелі тегіс беттерге қарағанда әлдеқайда қарапайым, олар ешқашан рационалды болмайды. Нөлдік сипаттамада кемінде 4 дәрежелі тегіс беттер тіпті унирулданып жатпайды. Клебш көрсеткендей, алгебралық жабық өріс үстіндегі әрбір тегіс кубтық бет 6 нүктеде проективтік кеңістіктің жарылысына изоморфты. Соның салдарынан, комплекс сандар үстіндегі әрбір тегіс кубтық бет байланысқан қосындыға диффеоморфты болады, мұндағы минус белгісі бағдардың өзгеруін білдіреді. Керісінше, 6 нүктеде проективтік кеңістіктің жарылысы кубтық бетке изоморфты болады, егер және тек қана нүктелер жалпы жағдайда орналасқан болса, яғни үш нүкте бір түзуде жатпаса және барлық 6 нүкте коникада жатпаса. Комплекс манифолды (немесе алгебралық сорт) ретінде, беттің түрі сол 6 нүктенің орналасуына байланысты.
Күшті бетіндегі 27 сызық
Көптеген кубикалық беттің рационалдығын дәлелдеулер сызық бетінде сызық табудан басталады. (Проективті геометрия контекстінде, сызық isomorphic to.) Нақтырақ айтқанда, Артур Кейли мен Джордж Салмон 1849 жылы алгебралық жабық өрістегі әрбір тегіс кубикалық бетте дәл 27 сызық болатынын көрсетті. Бұл кубиканың ерекше белгісі: тегіс квадрика (2-дәрежелі) беттің үстін үздіксіз сызықтар жабады, ал кемінде 4-дәрежелі беттердің көпшілігінде сызықтар жоқ. 27 сызықты табудың тағы бір пайдалы тәсілі – Шуберт калькулусын қолдану, ол Грасманн қиылысу теориясын пайдаланып сызықтар санын есептейді. Тегіс кубикалық беттер отбасындағы жабық цикл 27 сызықтың орналасуын анықтайды. Осылайша пайда болған 27 сызықтың орналасуларының тобы кубикалық беттер отбасының монодромиялық тобы деп аталады. 19 ғасырдың таңғажайып жаңалығы – монодромиялық топтың тривиальді де, толық симметриялық топ та емес екендігі; ол 51840 реттік топ, сызықтар жиынында транзитивті әрекет етеді. Бұл график 19 ғасырда Шлефлидің екі есе алтылық конфигурациясы сияқты субграфиктерді қолдана отырып талданды. Екі сызық қиылыспаған жағдайда жиегі бар қосымша график Шлефли графигі деп аталады. Кубикалық беттерге қатысты көптеген мәселелерді түбірлік жүйенің комбинаторикасын қолдану арқылы шешуге болады. Мысалы, 27 сызықты Лай тобының негізгі өкілдігінің салмақтарымен сәйкестендіруге болады. Кубикалық бетте пайда болатын ерекшеліктердің мүмкін жиынтығын түбірлік жүйенің ішкі жүйелері ретінде сипаттауға болады. Бұл байланыстың бір түсіндірмесі – Пикард тобындағы антиканондық кластың ортогональді толықтыруы қиылысу формасымен (беттегі қиылысу теориясынан шыққан) келеді. Тегіс кубикалық бет үшін Пикард торы кохомологиялық топпен де сәйкестендіріледі. Эккардт нүктесі – 27 сызықтың 3-і кездесетін нүкте. Көптеген кубикалық беттерде Эккардт нүктесі жоқ, бірақ мұндай нүктелер барлық тегіс кубикалық беттер отбасының 1-өлшемді жиынында кездеседі. X-тегі кубикалық бет пен жалпы орналасқан 6 нүктедегі жарылу арасындағы сәйкестікті ескере отырып, X-тегі 27 сызықты мыналар ретінде қарастыруға болады: жарылу арқылы құрылған 6 ерекше қисық, 6 нүктенің жұптары арқылы 15 сызықтың бирационалдық түрлендірулері және 6 нүктенің біреуінен басқасын қамтитын 6 кониканың бирационалдық түрлендірулері. Берілген кубикалық бетті бірнеше тәсілмен (әсіресе, 72 түрлі тәсілмен) жарылу ретінде қарастыруға болады, сондықтан жарылу ретінде сипаттау барлық 27 сызықтың симметриясын толыққанды ашпайды. Кубикалық беттер мен түбірлік жүйе арасындағы қатынас барлық дель-Пеццо беттері мен түбірлік жүйелері арасындағы қатынасқа жалпыланады. Бұл математикадағы көптеген ADE жіктелімдерінің бірі. Осы ұқсастықты жалғастыра отырып, Вера Серганова мен Алексей Скоробогатов кубикалық беттер мен Лай тобы арасындағы тікелей геометриялық байланысты берді. Физикада 27 сызықты алты өлшемді тордағы М-теорияның 27 мүмкін зарядымен (6 импульс; 15 мембрана; 6 бесбрана) сәйкестендіруге болады, ал E6 тобы табиғи түрде U-дуальдық тобы ретінде әрекет етеді. Бұл дель-Пеццо беттері мен М-теориясы арасындағы тордағы карта құпия дуалдық деп белгілі.
As the coefficients of a smooth complex cubic surface are varied, the 27 lines move continuously. As a result, a closed loop in the family of smooth cubic surfaces determines a permutation of the 27 lines. The group of permutations of the 27 lines arising this way is called the monodromy group of the family of cubic surfaces. A remarkable 19th century discovery was that the monodromy group is neither trivial nor the whole symmetric group ; it is a group of order 51840, acting transitively on the set of lines. This graph was analyzed in the 19th century using subgraphs such as the Schläfli double six configuration. The complementary graph (with an edge whenever two lines are disjoint) is known as the Schläfli graph. Many problems about cubic surfaces can be solved using the combinatorics of the root system. For example, the 27 lines can be identified with the weights of the fundamental representation of the Lie group The possible sets of singularities that can occur on a cubic surface can be described in terms of subsystems of the root system. One explanation for this connection is that the lattice arises as the orthogonal complement to the anticanonical class in the Picard group , with its intersection form (coming from the intersection theory of curves on a surface). For a smooth complex cubic surface, the Picard lattice can also be identified with the cohomology group
An Eckardt point is a point where 3 of the 27 lines meet. Most cubic surfaces have no Eckardt point, but such points occur on a codimension 1 subset of the family of all smooth cubic surfaces. Given an identification between a cubic surface on X and the blow up of at 6 points in general position, the 27 lines on X can be viewed as: the 6 exceptional curves created by blowing up, the birational transforms of the 15 lines through pairs of the 6 points in , and the birational transforms of the 6 conics containing all but one of the 6 points. A given cubic surface can be viewed as a blow up of in more than one way (in fact, in 72 different ways), and so a description as a blow up does not reveal the symmetry among all 27 of the lines. The relation between cubic surfaces and the root system generalizes to a relation between all del Pezzo surfaces and root systems. This is one of many ADE classifications in mathematics. Pursuing these analogies, Vera Serganova and Alexei Skorobogatov gave a direct geometric relation between cubic surfaces and the Lie group
In physics, the 27 lines can be identified with the 27 possible charges of M theory on a six dimensional torus (6 momenta; 15 membranes; 6 fivebranes) and the group E6 then naturally acts as the U duality group. This map between del Pezzo surfaces and M theory on tori is known as mysterious duality.
Нақты текше бет
Күрделі жағдайдан өзгеше, нақты сандар үстіндегі тегіс кубтық беттер кеңістігі классикалық топологияда (R топологиясына негізделген) байланыссыз. Оның байланысқан компоненттері (яғни, тегіс нақты кубтық беттердің изотопияға дейінгі жіктелуі) Людвиг Шлефли (1863), Феликс Клейн (1865) және Г. Г. Зейтен (1875) тарапынан анықталды. Атап айтқанда, нақты нүктелер кеңістігінің топологиясымен ерекшеленетін X-те 5 изотопиялық класс тегіс нақты кубтық беттер бар. Нақты нүктелер кеңістігі , немесе 2 сферасының ажыратылған қосындысына диффеоморфты, мұнда нақты проективті жазықтықтың r данасының байланысқан қосындысын білдіреді. Сәйкесінше, X-те қамтылған нақты түзулердің саны 27, 15, 7, 3 немесе 3-ке тең. Тегіс нақты кубтық бет R үстінде рационалды, егер және тек қана оның нақты нүктелер кеңістігі байланысқан болса, демек, алдыңғы бес жағдайдың алғашқы төртеуінде. Бомбиері ішкі көбейтіндісімен шақырылған Гаусс ансамблінен X-ті анықтайтын көпмүше кездейсоқ алынғанда, X-тегі нақты түзулердің орташа саны .
Кубтік беттердің модульдік кеңістігі
Екі тегіс кубтық бет алгебралық сорттар ретінде изоморфты, егер және тек егер олар геометриялық инвариант теориясының кейбір сызықтық автоморфизмі арқылы эквивалентті болса. Геометриялық инвариант теориясы кубтық беттердің модульдік кеңістігін береді, онда тегіс кубтық беттердің әрбір изоморфизм класы үшін бір нүкте болады. Бұл модульдік кеңістіктің өлшемі 4-ке тең. Нақтырақ айтқанда, ол Салмон мен Клебш (1860) бойынша P(1,2,3,4,5) салмақталған проективті кеңістіктің ашық ішкі жиыны болып табылады. Әсіресе, ол рационалды 4-қырлы кеңістік.
Бұрыштардың конусы
Алгебралық жабық өрістегі кубикалық бет Х-тің сызықтарын Х-тің ішке енгізілуіне сілтеме жасамай, іштей сипаттауға болады: олар Х-тегі (-1) қисықтары, яғни өздігінен қиылысу саны -1-ге тең болатын қисықтарға изоморфты қисықтар. Сондай-ақ, Х-тің Пикард торшасындағы (немесе эквивалентті түрде бөлгіш сынып тобындағы) сызықтардың кластары – Pic(X) элементтерінің u жиыны, мұнда және . (Бұл, гипержазықтық түзулігінің O(1) X-ке шектелуі, қосымша формула бойынша, X-тің антиканондық түзулігіне тең екенін пайдаланады.) Кез келген проективті X түрлігі үшін қисықтар конусы – X-тегі барлық қисықтармен (нақты векторлық кеңістіктегі 1-циклдар модулі сандық эквиваленттілік бойынша, немесе базалық өріс кешенді сандар болған жағдайда гомология тобында) құрылған дөңгелек конус. Кубикалық бет үшін қисықтар конусы 27 сызықпен құрылады. Атап айтқанда, бұл үлкен симметрия тобы бар рационалды полиэдрлі конус, ол Вейль тобы болып табылады. Кез келген дель Пеццо беті үшін қисықтар конусының ұқсас сипаттамасы бар.
Даладағы кубикалық беттер
Алгебралық жабық емес k өрісіндегі X тегіс текше бетінің k үстінен рационалды болуы міндетті емес. Мысалы, рационалды сандар Q (немесе p-адық сандар) үстінде рационалды нүктелері жоқ тегіс текше беттер бар, мұндай жағдайда X әлбетте рационалды емес. Егер X(k) бос емес болса, онда X кем дегенде k үстінен унирационалды, Беньямино Сегре мен Янош Коллардың көрсетуінше. k шексіз болған жағдайда, унирационалдылық k рационалды нүктелер жиынының X-те Зариски тығыздығын білдіреді. k-нің абсолютті Галуа тобы k-нің алгебралық жабылуы арқылы X-тің 27 түзуін алмастырады (Вейл тобының бір кіші тобы арқылы). Егер осы әрекеттің бір орбитасы байланыссыз түзулерден тұрса, онда X – k үстіндегі жабық нүктеде "жандандырылған" дель Пеццо бетінің жарылысы. Әйтпесе, X-тің Пикард саны 1-ге тең болады. (X-тің Пикард тобы геометриялық Пикард тобының кіші тобы болып табылады.) Соңғы жағдайда Сегре X-тің ешқашан рационалды емес екенін көрсетті. Юрий Манин күштірек бирационалдық қатаңдық туралы теореманы дәлелдеді: толық өріс k үстінде Пикард саны 1-ге тең екі тегіс текше бет, егер олар изоморфты болса ғана бирационалды болады. Мысалы, бұл нәтижелер Q үстінде унирационалды, бірақ рационалды емес көптеген текше беттерді береді.
Бірыңғай текше бет
Тегіс кубтық беттер 27 сызықтан тұратын болса, дара кубтық беттерде сызықтардың саны аз болады. Одан әрі, оларды нормалды түрінде туындайтын ерекшеліктеріне қарай жіктеуге болады. Мұндай ерекшеліктер Динкин диаграммалары арқылы жіктеледі.
Бірлік текше бетіндегі сызықтар
Бірлік текше беттерінің жіктелуіне сәйкес, келесі кесте әр беттегі сызықтардың санын көрсетеді. +Дара текше беттеріндегі сызықтарЕрекшелікСызықтар саны21161112789455215731063631