Кіріспе

Математикада арифметикалық топ — алгебралық топтың бүтін нүктелерінен құралған топ, мысалы, олар квадраттық формалардың арифметикалық қасиеттерін зерттеуде және сандар теориясының басқа классикалық тақырыптарында табиғи түрде кездеседі. Сонымен қатар, олар Римандық көптүрліліктердің қызықты мысалдарын ұсынады, демек дифференциалдық геометрия және топология салаларында зерттелуге лайық объектілер болып табылады. Ақырында, бұл екі сала қазіргі заманғы сандар теориясындағы маңызды құрал – автоморфтық формалар теориясында бірігеді.

Тарих

Арифметикалық топтардың математикалық теориясының бір бастауы – алгебралық сандар теориясы. Чарльз Гермит, Герман Минковский және басқалардың классикалық түрлендіру теориясы тиісті симметриялық кеңістіктердегі белгілі бір арифметикалық топтардың әрекеті үшін негізгі домендерді есептеу ретінде қарастырылуы мүмкін. Бұл тақырып Минковскийдің сандар геометриясымен және дискриминант сияқты сандық өрістердің арифметикалық инварианттарын зерттеудің ерте дамуымен байланысты болды. Арифметикалық топтарды сандық өрістердің бірлік топтарының коммутациялық емес ортаға кеңейтілген жалпылауы ретінде қарастыруға болады. Осы топтар сондай-ақ классикалық модульдік формаларды зерттеу және олардың жалпылаулары дамыған кезде аналитикалық сандар теориясында пайда болды. Әрине, екі тақырып өзара байланысты болды, мысалы, Лэнгландтың кейбір негізгі домендердің көлемін талдау әдістерін қолдану арқылы есептеуінен көрінеді. Бұл классикалық теория көптеген жағдайларда фундаменталды домен көлемінің шектілігін көрсеткен Сигельдің жұмысымен аяқталды. Қазіргі заманғы теорияның басталуы үшін іргелі жұмыс қажет болды, ол Арман Борель, Андре Вейль, Жак Титс және басқалардың алгебралық топтар туралы еңбектерімен қамтамасыз етілді. Көп ұзамай коволюмның шектілігі Борель мен Хариш Чандра толық жалпылықта дәлелдеді. Бұл арада Лай топтарында торлардың жалпы теориясы бойынша Атле Селберг, Григорий Маргулис, Дэвид Каждан, М. С. Рагхунатан және басқалар алға жылжуды қолға алды. Осы кезеңнен кейінгі өнердің жай-күйі 1972 жылы жарық көрген Рагхунатанның трактатында бекітілді. Жетпісінші жылдары Маргулис бұл тақырыпты "көптеген" жағдайларда арифметикалық конструкциялар берілген Лай тобындағы барлық торларды қамтитынын дәлелдеу арқылы революциялады. Бұл бағыттағы кейбір шектеулі нәтижелерді Сельберг бұрын алған болатын, бірақ Маргулис әдістері (эргодикалық теориялық құралдарды гомогенді кеңістіктердегі әрекеттер үшін пайдалану) осы тұрғыда мүлдем жаңа болды және кейінгі дамуға өте ықпалды болды, сандар геометриясының ескі тақырыбын тиімді жаңартты және Маргулистің өзіне Оппенхайм болжамын дәлелдеуге мүмкіндік берді; Марина Ратнер кейіннен күшті нәтижелер (Ратнер теоремалары) алды. Басқа бағытта модульді формалардың классикалық тақырыбы автоморфтық формалардың заманауи теориясына айналды. Бұл жұмыстың қозғаушы күші – Роберт Лэнглендс бастаған Лэнглендс бағдарламасы. Ол жерде қолданылатын негізгі құралдардың бірі – Селбергтің жұмысынан шыққан және Джеймс Артурдың ең жалпы ортасында дамыған із формуласы. Ақырында арифметикалық топтар көбінесе жергілікті симметриялық Риманның көптүрліліктерінің қызықты мысалдарын құру үшін қолданылады. Әсіресе белсенді зерттеу тақырыбы арифметикалық гиперболалық 3-көптүрлілік болды, Уильям Турстон жазғандай, "көбінесе ерекше сұлулыққа ие".

Сандық өрістерді пайдалану

Жоғарыдағы құрылымның табиғи жалпыламасы былай: бүтін сандар сақинасы бар сан өрісі және алгебралық топ болсын. Егер бізге анықталған өрісте берілген ендіру болса, онда кіші топты арифметикалық топ деп атауға болады. Екінші жағынан, осылайша алынған топтар класы жоғарыда анықталған арифметикалық топтар класынан кең емес. Шындығында, егер біз скалярларды дан -ға шектеу арқылы алынған алгебралық топты және (мұндағы ) ендіру арқылы туындаған ендіруді қарастырсақ, онда жоғарыда құрылған топ тең болады.

Мысалдар

Арифметикалық топтың классикалық мысалы – немесе оған тығыз байланысты топтар , және . топ үшін, немесе кейде , модульдік топ деп аталады, себебі ол модульдік қисықпен байланысты. Осыған ұқсас мысалдар – Сигель модульдік топтары. Басқа да жақсы танымал және зерттелген мысалдарға Бьянки топтары жатады, мұндағы – квадраттан бос бүтін сан, ал – сандық өрістегі бүтін сандардың сақинасы, сондай-ақ Хилберт–Блюментал модульдік топтары. Тағы бір классикалық мысал сандық өрісте анықталған квадраттық нысанның ортогональды тобындағы интегралдық элементтермен беріледі, мысалы. Бұған байланысты құрылым – сандық өрістегі кватернион алгебраларындағы тәртіптердің бірлік топтарын алу (мысалы, Хурвиц кватерниондық тәртібі). Гермиттік формалардың бірлік топтарымен де осыған ұқсас құрылымдар жасалуы мүмкін, жақсы танымал мысал – Пикард модульдік тобы.

Жартылай қарапайым Ли топтарындағы арифметикалық торлар

Ли тобы болған кезде арифметикалық торды былай анықтауға болады: егер алгебралық топ берілген болса және оның тығыз ядросы бар морфизмі болса, онда арифметикалық кіші топтың бейнесі арифметикалық тор болады. Демек, мысалы, егер және - топтың кіші тобы болса, онда арифметикалық торда (бірақ басқа кіріктірулерге сәйкес келетін тағы көптеген мысалдар бар); мысалы, арифметикалық торда .

Борел-Хариш-Чандра теоремасы

Ли тобындағы тор әдетте шекті коволюмді дискретті кіші топ ретінде анықталады. Жоғарыдағы терминология осымен үйлеседі, себебі Борел мен Хариш-Чандраның теоремасы бойынша, жартылай қарапайым Ли тобындағы арифметикалық кіші топтың коволюмі шекті (дискреттілігі анық). Теорема одан да нақтырақ: арифметикалық тор кокомпактты болады, егер оны анықтау үшін қолданылған "форма" (яғни тобы) анизотропты болса ғана. Мысалы, айнымалыдағы квадраттық формаға байланысты арифметикалық тор, сәйкес ортогоналды топта кокомпактты болады, егер және тек егер квадраттық форма кесіндісінде ешқандай нүктеде нөлге тең болмаса.

Маргулидің арифметикалық теоремасы

Маргулис алған керемет нәтиже Борель-Хариш-Чандра теоремасының ішінара кері теоремасы болып табылады: белгілі бір Lie топтары үшін кез келген тор арифметикалық болады. Бұл нәтиже нақты дәрежесі екіден жоғары жартылай жай ғып топтарының барлық ирредуктивті торлары үшін дұрыс. Мысалы, барлық торлар арифметикалық болады, ал Маргулис өзінің теоремасын дәлелдеу үшін қолданған негізгі жаңа элемент – осы мақсат үшін дәлелдеген жоғары дәрежелі топтардағы торлардың супержұтқырлығы. Ирредуктивтілік тек қанағаттандырылмағанда ғана маңызды рөл атқарады (әйтпесе теорема әрқашан орындалады) және қарапайым емес: бұл кез келген көбейту жіктелуі үшін тордың әр фактордағы торлардың көбейтіндісімен салыстырылмайтынын білдіреді. Мысалы, тор ирредуктивті, ал емес. Маргулис арифметикалық (және супержұтқырлық) теоремасы 1-ші дәрежелі Lie топтары үшін, атап айтқанда, және ерекше топ үшін қолданылады. Ол барлық топтарда орындалмайтыны белгілі (GPS-ке сілтеме) және қашан үшін . -дегі топтарда арифметикалық емес торлар белгілі емес.

Арифметикалық Фуксиандық және Клейниандық топтар

Арифметикалық Фуксиан тобы келесі деректерден құралады: толық нақты сандар өрісі , кватернион алгебрасы және оның ішіндегі ордері . Бір ендіру үшін алгебра матрица алгебрасына изоморфты болуы керек, ал қалғандары үшін – Гамильтон кватерниондарына. Одан кейін бірліктер тобы – бұл решітке изоморфты және матрица алгебрасынан басқа барлық жағдайларда кокомпактты. Барлық арифметикалық решіттер осылай алынады (теңдестіруге дейін). Арифметикалық Клейн тобы да осылай құрылады, бірақ талап етіледі, өрісте дәл бір комплекс орын болсын және барлық нақты орындарда Гамильтон кватерниондары болсын. Олар арифметикалық теңдестіру кластарының барлығын қамтиды.

Жіктеу

Кез келген жартылай қарапайым Лай тобы үшін, теориялық тұрғыдан алғанда, оның барлық арифметикалық торларын (құрастыруға дейін) жоғарыда түсіндірілген жағдайлардағы сияқты жіктеу мүмкін. Бұл, оның нақты нүктелері компакт факторға дейін изоморфты болатын алгебралық топтарды жіктеуге келдіреді.

Конгруенттік кіші топтың мәселесі

Конгруэнттік кіші топ – (шамамен) белгілі бір бүтін санға дейін теңдеулерді қанағаттандыратын матрицалардың барлығын алып, анықталатын арифметикалық топтың кіші тобы, мысалы, диагональдық (сәйкесінше, диагональдан тыс) коэффициенттері 1-ге (сәйкесінше, 0-ге) оң бүтін санға дейін сәйкес келетін 2x2 бүтін сан матрицалар тобы. Бұл әрқашан шекті индекс кіші топтары болып табылады және конгруэнттік кіші топтар мәселесі барлық кіші топтар осылай алына ма деген сұраққа жауап іздейді. Бұл болжам (көбінесе Жан-Пьер Серреге жатқызылады) – жоғары дәрежелі топтардағы (қайтымсыз) арифметикалық торлар үшін дұрыс, ал бірінші дәрежелі топтарда бұрыс. Бұл мәселе осы жалпылықта әлі де ашық, бірақ нақты торлар үшін оны растайтын (оң және теріс жағдайларда) көптеген нәтижелер бар.

S-арифметикалық топтар

Арифметикалық тордың анықтамасындағы бүтін нүктелердің орнына, тек шекті сандағы алғашқы сандардан басқа жерде бүтін болатын нүктелерді алуға болады. Бұл арифметикалық тор (мұндағы - кері айналған алғашқы сандар жиыны) түсінігіне алып келеді. Типик мысал: Олар сондай-ақ белгілі бір топологиялық топтардағы табиғи торлар болып табылады, мысалы, - тобындағы тор.

Анықтама

Түпкі сандардың шекті жиынтығы үшін арифметикалық топтың формальды анықтамасы, -і қайда -і түпкі сандардың көбейтіндісімен ауыстырылған арифметикалық топтар үшін бірдей.

Ашық кеңейту графиктері

Кажданның (T) қасиеті немесе Любоцкий мен Циммердің нашар қасиеті бар арифметикалық топтар экспандерлік графтарды (Маргулис) немесе тіпті Раманужан графтарын (Любоцкий, Филлипс, Сарнак) салу үшін қолданылуы мүмкін. Мұндай графтардың ықтималдық нәтижелерге сәйкес көптеп табылатыны белгілі, бірақ осы құрастырулардың нақты сипаты оларды қызықты етеді.

Шекаралық беттер мен графиктер

Арифметикалық беттердің конгруэнциялық жабындары үлкен инжективитет радиусы бар беттерді тудырады. Сол сияқты, Любоцкий, Филлипс және Сарнак құрастырған Раманужан графтарының да үлкен айналымы бар. Шындығында, Раманужан қасиетінің өзі графтың жергілікті айналымының көбінесе үлкен екенін көрсетеді.

Изоспектрлік коллекторлар

Арифметикалық топтар изоспектрлік көптүрліліктерді құруға қолданылуы мүмкін. Бұл алғаш рет Мари Франс Виньерас тарапынан іске асырылды және содан бері оның құрылысының көптеген түрлері пайда болды. Изоспектралдылық мәселесі, шындығында, арифметикалық көптүрліліктердің шектеулі аясында зерттеуге ерекше қолайлы.

Жалған проекциялық жазықтық

Жалған проективті жазықтық – проективті жазықтықпен бірдей Бетти сандарына ие, бірақ оған бихоломорф емес күрделі бет. Алғашқы мысалын Мэмфорд тапқан. Клинглердің жұмысы (Ең де тәуелсіз дәлелдеген) барлық мұндай жазықтықтар 2 шардың арифметикалық торларының бөлігі екенін көрсетті. Мүмкін болатын торларды Прасад пен Ең жіктеді, ал классификацияны Картрайт пен Стегер аяқтады, олар компьютерлік есептеулер арқылы әрбір Прасад-Ең класындағы барлық жалған проективті жазықтықтарды анықтады.