はじめに
この記事では
前回の記事
に引き続き保型形式の基礎理論について要所を掻い摘んで解説していきます。
なお、とりあえず書きたいことは書けたのでこのシリーズはこの記事で一旦完結となります。
モジュラー形式
モジュラー群
およびその指数有限な部分群のことをモジュラー群という。
またモジュラー群
のことをレベルの主合同部分群と言い、あるに対しを含むようなモジュラー群を合同部分群という。
モジュラー形式
モジュラー群に関する保型形式、保型関数のことをモジュラー形式、モジュラー関数と言う。
またについてのモジュラー形式のことをレベルのモジュラー形式と言う。
-展開
における尖点の固定部分群は
であるのでレベルのモジュラー形式は(重さが偶数のとき)
とフーリエ展開できる。これをの-展開と言う。
また有理数に対しなるを取ると、はの正規部分群であることからもレベルのモジュラー形式となり、
と展開できる。これものにおける-展開と言うことがある(なおこの展開は一意には定まらない)。
保型性の判定
Fuchs群が有限個の行列によって生成されているとき、作用の結合性
からであるためには
が成り立つことを確認すれば十分である。
特にモジュラー群は
と生成されることが知られているので、が-モジュラー形式であるためには
が成り立つことを確認すれば十分となる。
また有限生成群の指数有限な部分群は再び有限生成となることが知られているので、一般のモジュラー群に対してもこのような判定法は有効となる。
-不変量
以下とおき、-モジュラー形式のことを単にモジュラー形式と言うこととする。またと基本領域
(に適当に境界を加えたもの)を同一視して考える。
アイゼンシュタイン級数
と整数に対し
と定められる関数のことをアイゼンシュタイン級数という。ただしはそれぞれ整数全体を渡るものとした。
これは重さの正則モジュラー形式を定める。
はという関係にある。実際
とわかる。
-不変量
に対し
と定められる関数のことを-不変量と言う。これはモジュラー関数を定める。
この分母は
と展開できることが知られており、特にはにおいて極を持たないことがわかる。
また
と-展開できるのでは
という-展開を持ち、
この記事
の定理3系から以下の主張を得る。
はにおいてのみを極を持ち、特には基本領域からへの全単射をなす。
任意のモジュラー関数はについての有理関数として表せる。つまりが成り立つ。
モジュラー関数のにおける零点、極をそれぞれとし
とおく(に対してはとする)。このときは零点も極も持たないモジュラー関数となるので定数である。つまりと表せる。
-不変量は代表的なモジュラー関数としてよく紹介されるが、この性質こそ-不変量がモジュラー関数の代表たる所以だと私は思っている。特にその-展開の係数が上のように正規化されているのも都合がよく、上におけるの-展開を
とおくと
となるのでと求めることができる。
モジュラー関数
-不変量と似た性質を持つ関数としてモジュラー関数というものがある。これはテータ関数
に対し
と定められる関数で、これはについてのモジュラー関数をなす。
この逆数を取った関数はおよび尖点において極を持たず、
という-展開を持つことからやはりが成り立つ。
また-モジュラー関数は-モジュラー関数でもあるのでもの有理関数として表せ、実際
となることが知られている。
ちなみに一般のレベルに対してはを満たすようなモジュラー関数が存在するとは限らない。