Кіріспе

Кодайра өлшемді тегіс күрделі беттің түрі 0. Математикада күрделі аналитикалық K3 беті – 2 өлшемді, байланысқан, компактты күрделі көптік, тривиальді каноникалық шоғырмен және нөлдік иррегулярлықпен сипатталатын бет. Кез келген өрістегі (алгебралық) K3 беті – геометриялық тұрғыдан байланысқан, тегіс, проективті алгебралық бет, осы шарттардың барлығын қанағаттандырады. Энрикес-Кодайраның беттер жіктемесінде K3 беттері – Кодайра өлшемі нөлге тең төрт минималды бет класының бірін құрайды. Мысалы, күрделі проективті 3 кеңістіктегі Ферма квартикалық бетін келтіруге болады. Екі өлшемді компактты күрделі торлармен бірге, K3 беттері – екінші өлшемдегі Калаби-Яу (сондай-ақ гиперкэхлер) көптіктер болып табылады. Олар алгебралық беттерді жіктеуде орталық орын алады, оң қисықтықтағы дель Пеццо беттерінен (жіктеуі оңай) және жалпы типтегі теріс қисықтықтағы беттерден (жіктеуі өте қиын) аралықта орналасқан. K3 бетін ең қарапайым алгебралық қисықтарға немесе абелдік түрлерге дейін тоғытылмайтын, бірақ оны түсінуге болатын алгебралық түрлер деп қарастыруға болады. Күрделі K3 бетінің нақты өлшемі 4-ке тең, және ол тегіс 4-көптүрліліктерді зерттеуде маңызды рөл атқарады. K3 беттері Кац-Муди алгебралары, айналы симметрия және іс жүзіндегі теорияны зерттеуде қолданылады. Күрделі алгебралық K3 беттерін күрделі аналитикалық K3 беттерінің кеңірек отбасының бір бөлігі ретінде қарастыру пайдалы болуы мүмкін. Алгебралық түрлердің көптеген басқа түрлері мұндай алгебралық емес деформацияларға ие емес.

Анықтама

K3 беттерін анықтаудың бірнеше эквивалентті жолдары бар. Тривиальды каноникалық бундельге ие жалғыз компактты күрделі беттер – K3 беттері мен компактты күрделі торлар, сондықтан K3 беттерін анықтау үшін соңғысын есепке алмағанда кез келген шартты қосуға болады. Мысалы, күрделі аналитикалық K3 бетін 2 өлшемді, жай байланысқан, тығыз күрделі көптүрлілік ретінде, ешқайда жоғалып кетпейтін голоморфты 2-формасы бар деп анықтау эквивалентті. (Бұл соңғы шарт каноникалық бундельдің тривиальды екенін нақты көрсетеді.) Анықтаманың басқа да нұсқалары бар. Комплекс сандар аймағында кейбір авторлар тек алгебралық K3 беттерін қарастырады. (Алгебралық K3 беті автоматты түрде проективті болады.) Немесе K3 беттері тегіс болудың орнына du Val сингулярлықтарына (2 өлшемнің каноникалық сингулярлықтарына) ие болуына рұқсат етуге болады.

Мысалдар

Сөйкемді секстикалық (6-дәрежелі) қисық бойымен тармақталған проективті жазықтықтың қос қаптамасы X – бұл 2-туыстағы K3 беті (яғни, 2g-2 = 2 дәрежесі). (Бұл терминология X-тегі жалпы гипержазықтың кері бейнесі 2-туысты тегіс қисық екенін білдіреді.) Тегіс квартикалық (4-дәрежелі) бет – бұл 3-туыстағы K3 беті (яғни, 4 дәрежесі). Күммер беті – бұл екі өлшемді абельдік түрлілік A-ның A-ның 2-бұрылыс нүктелерінде 16 сингулярлық пайда болатын әрекетінен алынған бөлігі. Бұл ерекше беттің минималды шешілуі де Күммер беті деп аталуы мүмкін; бұл шешілу K3 беті болып табылады. A егер 2-туысты қисықтың Якобианы болса, Күммер 16 түйінді квартикалық бет ретінде енгізілуі мүмкін екенін көрсетті. Жалпы алғанда: кез келген Y квартикалық беті үшін, ду Валь сингулярлықтары бар болса, Y-дің минималды шешілуі алгебралық K3 беті болады. Квадрик пен кубикалық қиылысы – 4-туыстағы K3 беті (яғни, 6 дәрежесі). Үш квадриктің қиылысы – 5-туыстағы K3 беті (яғни, 8 дәрежесі). Салмақты проективті кеңістіктерде ду Валь сингулярлықтары бар K3 беттерінің бірнеше деректер базасы бар.

Пикард торлары

Комплексті аналитикалық K3 бетінің Пикар тобы Pic(X) – X-тегі күрделі аналитикалық түзу шоғырлардың абельдік тобы. Алгебралық K3 бетінде Pic(X) – X-тегі алгебралық түзу шоғырлар тобы. Екі анықтама Жан-Пьер Сердің GAGA теоремасы бойынша күрделі алгебралық K3 беті үшін сәйкес келеді. K3 бетінің Пикар тобы әрқашан шекті түрде туындырылған еркін абельдік топ болып табылады; оның рангі Пикар саны деп аталады. Күрделі жағдайда Pic(X) – бұл K3 бетінің кіші тобы. K3 беттерінің маңызды ерекшелігі – әртүрлі Пикар сандарының болу мүмкіндігі. Х күрделі алгебралық K3 беті үшін Пикар саны 1 мен 20 аралығындағы кез келген бүтін санға тең болуы мүмкін. Күрделі аналитикалық жағдайда Пикар саны нөлге де тең болуы мүмкін. (Бұл жағдайда X-те жабық күрделі қисықтар мүлдем жоқ. Ал алгебралық бет әрқашан көптеген үздіксіз қисықтар отбасыларын қамтиды.) Характері p > 0 алгебралық жабық өріс үстінде Пикар саны 22-ге тең болатын суперсингулярлы K3 беттерінің арнайы класы бар. K3 бетінің Пикар торы – абельдік топ Pic(X) және оның қиылысу формасы, бүтін сандардағы мәндері бар симметриялық билинейрлік форма. (Жетістіктегі қиылысу формасы – жетістіктегі қиылысу формасының шектеуі. Жалпы өріс үшін қиылысу формасын қиылысу теориясын қолдану арқылы анықтауға болады, Пикар тобын дивизор кластары тобымен сәйкестендіру арқылы.) K3 бетінің Пикар торы әрқашан жұп болады, яғни әрбір үшін бүтін сан жұп. Ходж индексі теоремасы алгебралық K3 бетінің Пикар торы белгілі бір қолтаңбаға ие екенін көрсетеді. K3 бетінің көптеген қасиеттері оның Пикар торымен анықталады, ол бүтін сандар бойынша симметриялық билинейрлік форма ретінде қарастырылады. Бұл K3 беттерінің теориясы мен симметриялық билинейрлік формалардың арифметикасы арасындағы тығыз байланысқа әкеледі. Бұл байланыстың бірінші мысалы ретінде: күрделі аналитикалық K3 беті алгебралық болып табылады, егер және тек егер элемент болса. Шамамен айтқанда, барлық күрделі аналитикалық K3 беттерінің кеңістігі күрделі өлшемге ие 20, ал Пикар саны бар K3 беттерінің кеңістігі өлшемге ие (суперсингулярлық жағдайды ескермегенде). Әсіресе, алгебралық K3 беттері 19 өлшемді отбасыларда кездеседі. K3 беттерінің модульдік кеңістіктері туралы толыққанды мәліметтер төменде берілген. K3 беттерінің Пикар торы ретінде қандай торлар пайда болатынын нақты сипаттау қиын. Виачеслав Никулин мен Дэвид Моррисонның нақты мәлімдемесіне сәйкес, әрбір жұп тор, белгілі бір қолтаңбасымен, кейбір күрделі проективті K3 бетінің Пикар торы болып табылады. Мұндай беттердің кеңістігінің өлшемі болады.

Эллипстік K3 беттері

K3 беттерінің жалпы жағдайға қарағанда талдау оңай болатын маңызды кіші класы эллипстік фибрациялы K3 беттерінен тұрады. "Эллипстік" дегеніміз, осы морфизмнің барлық, бірақ шекті саны ғана талшықтары 1-туынды тегіс қисықтар болып табылады. Ерекше талшықтар рационалды қисықтардың біріккендері болып табылады, ал ерекше талшықтардың мүмкін түрлері Kodaira бойынша жіктеледі. Ерекше талшықтар әрқашан болады, себебі ерекше талшықтардың топологиялық Эйлер сипаттамаларының қосындысы болады. Жалпы эллипстік K3 бетінде дәл 24 ерекше талшық болады, олардың әрқайсысы (түйінді кубикалық қисық) типінде. K3 бетінің эллипстік фибрациясы бар-жоғын оның Пикард торынан білуге болады. Атап айтқанда, 2 немесе 3 емес сипаттамада, K3 бетінде эллипстік фибрация тек қана нөлден өзгеше элемент болған жағдайда ғана болады (2 немесе 3 сипаттамада соңғы шарт квазиэллипстік фибрацияға сәйкес келуі мүмкін). Осыдан эллипстік фибрация K3 бетінде 1-қырлы жағдай екені шығады. Сондықтан эллипстік фибрациялы күрделі аналитикалық K3 беттерінің 19 өлшемді отбасылары және эллипстік фибрациялы проективті K3 беттерінің 18 өлшемді модульдік кеңістіктері бар. Мысал: L сызығын қамтитын әрбір тегіс квартикалық бетінің L-ден проекциялау арқылы алынған эллипстік фибрациясы болады. Барлық тегіс квартикалық беттердің модульдік кеңістігі (изоморфизмге дейін) 19 өлшемді, ал сызықты қамтитын квартикалық беттердің ішкі кеңістігі 18 өлшемді.

K3 бетіндегі рационалды қисықтар

Дель Пеццо беттері сияқты оң қисықтықтағы түрлерге қарағанда, күрделі алгебралық K3 беті X бірқисықты емес; яғни, ол рационалды қисықтардың үздіксіз отбасымен жабылмайды. Екінші жағынан, жалпы типтегі беттер сияқты теріс қисықтықтағы түрлерге қарағанда, X рационалды қисықтардың үлкен дискретті жиынтығын қамтиды (мүмкін, жекелеген). Атап айтқанда, Федор Богомолов пен Дэвид Мамфорд X-тегі кез келген қисықтың рационалды қисықтардың оң сызықтық комбинациясына сызықтық эквивалентті екенін көрсетті. Теріс қисықтықтағы түрлерге тағы бір қарама-қайшылық – күрделі аналитикалық K3 беті X-тегі Кобаяши метрикасы толығымен нөлге тең. Дәлелдемеде алгебралық K3 беті X әрқашан эллиптикалық қисықтардың үздіксіз бейнелерінің отбасымен жабылады. (Бұл қисықтар X-те жекелеген болып табылады, егер X эллиптикалық K3 беті болмаса.) Қазірге ашық күйінде қалған күшейтілген сұрақ – әрбір күрделі K3 бетінен дегенерацияланбаған голоморфты бейнелеу бола ма (мұндағы "дегенерацияланбаған" дегеніміз – бейнелеудің туындысы белгілі бір нүктеде изоморфизм болатындығын білдіреді).

Кезеңдік карта

К3 кешенді аналитикалық бетінің белгісін Х-тен К3 торларына дейінгі торлардың изоморфизмі ретінде анықтаңыз. Белгіленген күрделі К3 беттерінің N кеңістігі 20 өлшемді, Хаусдорф емес күрделі көптік болып табылады. Күрделі аналитикалық K3 беттерінің изоморфизм кластарының жиынтығы N-нің ортогоналдық топқа қатысы болып табылады, бірақ бұл қатыс геометриялық мағыналы модульдік кеңістік емес, себебі әрекет дұрыс үзіліссіз болудан қашық. (Мысалы, тегіс квартиктер бетінің кеңістігі 19 өлшемді, қайталанбайтын кеңістік, бірақ 20 өлшемді N отбасындағы әрбір күрделі аналитикалық K3 бетінде тегіс квартиктерге изоморфты, кез келгендей кішкентай деформациялар бар.) Сол себепті, кемінде 2 өлшемді компактты күрделі торлардың мағыналы модульдік кеңістігі жоқ. Периодтық бейнелеу K3 бетін оның Ходж құрылымына жібереді. Торелли теоремасы мұқият тұжырымдалғанда: K3 беті оның Ходж құрылымымен анықталады. Периодтық домен 20 өлшемді күрделі көптік ретінде анықталады. Периодтық бейнелеу белгіленген K3 бетін X-тен комплекстік түзуге жібереді. Бұл сюръективті және жергілікті изоморфизм, бірақ изоморфизм емес (әсіресе D Хаусдорф, ал N емес). Дегенмен, K3 беттері үшін Тореллидің жаһандық теоремасы жиындардың үлестік бейнелеуі биективті дейді. Осыдан екі күрделі аналитикалық K3 беті X және Y егер және тек қана Ходж изометриясы болса, яғни қиылысу пішінін сақтайтын және абельдік топтардың изоморфизмі ретінде жіберсе, онда изоморфты болады.

К3 проекциялық беттерінің модульдік кеңістіктері

g түріндегі поляризацияланған K3 беті X – проективті K3 беті, сонымен бірге L – примитивті (яғни, 2 немесе одан көп еселенген басқа сызықтық түйін емес) кең сызықтық түйінмен бірге анықталады. Бұл сондай-ақ 2g-2 дәрежелі поляризацияланған K3 беті деп аталады. Осы шарттар бойынша L базалық нүктесіз болады. Нөлдік сипаттамада, Бертини теоремасы |L| сызықтық жүйесінде тегіс қисық C бар екенін білдіреді. Барлық мұндай қисықтардың туысы g-ға тең, сондықтан (X,L) g туыстың поляризацияланған K3 беті деп айтылады. L қималарының векторлық кеңістігінің өлшемі g+1-ге тең, сондықтан L, X-тен проективті кеңістікке морфизмді анықтайды. Көп жағдайда бұл морфизм ендіру болып табылады, сондықтан X, 2g-2 дәрежелі бетке изоморфты болады. Әр g үшін, g туысының поляризацияланған күрделі K3 беттерінің қайталанбайтын ірі модульдік кеңістігі бар; оны SO(2,19) тобы үшін Шимура қисығының Зариски ашық ішкі жиыны ретінде қарастыруға болады. Әр g үшін, бұл 19-өлшемді квазипроективті күрделі қисық болады. Сигеру Мукай бұл модульдік кеңістіктің унирационалды екенін көрсетті, егер немесе болса. Керісінше, Валерий Гриценко, Клаус Хулек және Грегори Санкаран бұл кеңістіктің жалпы типті екенін көрсетті, егер немесе болса. Бұл сала бойынша шолуды берді. Әртүрлі 19-өлшемді модульдік кеңістіктер күрделі тәсілмен бір-бірімен қиылысады. Шындығында, кемінде 2 Пикард санына ие K3 беттеріне сәйкес келетін әрбір модульдік кеңістіктің 1-өлшемді ішкі кеңістіктерінің санаулы шексіз жиынтығы бар. Мұндай K3 беттерінде поляризациялардың сансыз көп түрлі дәрежелері болады, тек 2g-2 ғана емес. Сондықтан, басқа модульдік кеңістіктердің шексіз көп саны қиылысады деуге болады. Бұл дәл емес, өйткені барлық модульдік кеңістіктерді қамтитын жақсы анықталған кеңістік жоқ. Алайда, бұл идеяның нақты түрі – кез келген екі күрделі алгебралық K3 беті алгебралық K3 беттері арқылы деформациялық түрде эквивалентті. Жалпы алғанда, g туысының квази поляризацияланған K3 беті – проективті K3 беті, примитивті nef және үлкен сызықтық түйін L-мен бірге, сондықтан мұндай сызықтық түйін әлі де морфизмді анықтайды, бірақ қазір ол шекті түрде көптеген (-2) қисықтарды қысқартуы мүмкін, сондықтан X-тің Y бейнесі сингулярлы болады. (Жер бетіндегі (-2) қисық – өзіндік қиылысы -2 болатын қисыққа изоморфты дегенді білдіреді.) g туысының квази поляризацияланған K3 беттерінің модульдік кеңістігі әлі де 19-өлшемді және қайталанбайтын (бұрынғы модульдік кеңістікті ашық ішкі жиын ретінде қамтиды). Формальды түрде, бұл K3 беттері Y-тің дю Валь сингулярлықтарымен модульдік кеңістігі ретінде қарастыруға ыңғайлы.

Кең пішін мен қисық пішін

Алгебралық K3 беттерінің ерекшелігі – Пикард торсы беттің көптеген геометриялық қасиеттерін анықтайды, оның ішінде кең бөлгіштердің (Пикард торсының автоморфизмдеріне дейін) дөңгелек конусын. Кең бөлгіш конусы Пикард торы арқылы келесідей анықталады. Ходж индексі теоремасы бойынша, нақты векторлық кеңістіктегі қиылысу формасы қолтаңбаға ие. Осыдан, оң өзіндік қиылысы бар элементтер жиынының екі байланысқан компоненті бар екендігі шығады. Оң конус деп X-тің кез келген кең бөлгішін қамтитын компонентті атаймыз. 1-жағдай: Pic(X)-тің u элементі болмаса, кең бөлгіш конусы оң конусқа тең болады. Осылайша, ол стандартты дөңгелек конус. 2-жағдай: Әйтпесе, , Пикард торсының түбірлерінің жиыны болсын. Түбірлердің ортогональды толықтырулары оң конус арқылы өтетін гипержазықтықтар жиынтығын құрайды. Одан кейін кең бөлгіш конусы – оң конустағы осы гипержазықтықтардың толықтыруының байланысқан компоненті. Кез келген екі мұндай компонент Pic(X) торсының ортогональды тобы арқылы изоморфты, себебі ол әрбір түбір гипержазықтығы бойынша шағылысуды қамтиды. Осы мағынада Пикард торсы изоморфизмге дейін кең бөлгіш конусын анықтайды. Сандор Ковачтың айтуынша, Pic(X)-те бір кең бөлгіш A-ны білу X-тің қисықтар конусының бұрынғысын анықтайды. Атап айтқанда, X-тің Пикард саны болсын. Егер түбірлер жиыны бос болса, онда қисықтар конусы оң конус жабылуы болып табылады. Әйтпесе, қисықтардың жабық конусы – барлық элементтермен қамтылған жабық дөңгелек конус. Бірінші жағдайда X-те (−2) қисықтары жоқ; екінші жағдайда қисықтардың жабық конусы – барлық (−2) қисықтарымен қамтылған жабық дөңгелек конус. (Егер , тағы бір мүмкіндік бар: қисықтар конусы бір (−2) қисығымен және өзімен қиылысы 0 болатын бір қисықпен қамтылуы мүмкін.) Осылайша, қисықтар конусы стандартты дөңгелек конус немесе «түйірлі бұрыштарға» ие (себебі әрбір (−2) қисық конустың оқшауланған шеткі сәулесін қамтиды).

Автоморфизм тобы

K3 беттері алгебралық сорттардың арасында ерекше болып саналады, себебі олардың автоморфизм топтары шексіз, дискретті және жоғары дәрежеде бейабелдік болуы мүмкін. Торелли теоремасының бір түрі бойынша, күрделі алгебралық K3 беті X-тің Пикард торы, X-тің автоморфизм тобын өлшемге дейін анықтайды. Атап айтқанда, Вейл тобы W, тамырлар жиынындағы көрістірулер арқылы туындаған O(Pic(X)) ортогоналдық тобының кіші тобы болсын. Онда W, O(Pic(X)) ортогоналдық тобының нормальді кіші тобы болып табылады, ал X-тің автоморфизм тобы O(Pic(X))/W үлестік тобымен өлшемге сәйкес келеді. Ханс Стеркке тиесілі байланысты мәлімдеме, Aut(X)-тің X-тің nef конусы бойынша рационалды полиэдрлік фундаменталь доменмен әрекет ететінін көрсетеді.

Сызық дуалдығына қатынасы

K3 беттері жолдың дуалдығында кеңінен кездеседі және оны түсіну үшін маңызды құрал болып табылады. Бұл беттерде жіптің тығыздалуы тривиалды емес, бірақ олардың көптеген қасиеттерін егжей-тегжейлі талдауға жеткілікті қарапайым. IIA типті жіп, IIB типті жіп, E8×E8 гетеротикалық жіп, Spin(32)/Z2 гетеротикалық жіп және M теориясы K3 бетінде тығыздалу арқылы байланыстырылған. Мысалы, K3 бетінде тығыздалған IIA типті жіп, 4 торда тығыздалған гетеротикалық жіпке эквивалентті.

Тарих

Квартикалық беттерді 19 ғасырда Эрнст Кумер, Артур Кейли, Фридрих Шур және басқа геометрлер зерттеді. Жалпы алғанда, Федериго Энрикес 1893 жылы әртүрлі g сандары үшін 2g-2 дәрежелі беттер бар екенін байқады, олар тривиальды каноникалық шоғыр және нөлдік иррационалдыққа ие. 1909 жылы Энрикес мұндай беттердің барлығын көрсетті, ал Франческо Севери мұндай беттердің модульдік кеңістігінің әр g үшін 19 өлшемді екенін көрсетті. Андре K3 беттеріне өз атын берді (жоғарыдағы цитатты қараңыз) және олардың жіктелуі туралы бірнеше ықпалды болжамдар жасады. Кунхико Кодайра 1960 жыл шамасында негізгі теорияны аяқтады, әсіресе алгебралық емес күрделі аналитикалық K3 беттерін бірінші рет жүйелі түрде зерттеді. Ол кез келген екі күрделі аналитикалық K3 бетінің деформация бойынша эквивалентті және де деффеоморфты екенін көрсетті, бұл алгебралық K3 беттері үшін де жаңалық болды. Кейінгі маңызды жетістік - Илья Пиатецкий Шапиро мен Игорь Шафаревичтің (1971) күрделі алгебралық K3 беттері үшін Торелли теоремасын дәлелдеуі, Даниэль Бернс пен Майкл Рапопорттың (1975) күрделі аналитикалық K3 беттеріне дейін кеңейтілді.