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保型形式入門:モジュラー形式とj-不変量

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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

 SL2(Z)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
Γ(N)={(abcd)SL2(Z)(abcd)(1001)(modN)}
のことをレベルN主合同部分群と言い、あるNに対しΓ(N)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Γ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Γ(N)についてのモジュラー形式のことをレベルNのモジュラー形式と言う。

q-展開

 Γ(N)における尖点の固定部分群は
Γ(N)={(1Nn01)nZ}Z(Γ(N))
であるのでレベルNのモジュラー形式fは(重さが偶数のとき)
f(z)=n=mcnqn(q=e2πiz/N)
とフーリエ展開できる。これをfq-展開と言う。
 また有理数rに対しσr=なるσSL2(Z)を取ると、Γ(N)SL2(Z)の正規部分群であることからf|[σ1]kもレベルNのモジュラー形式となり、
f|[σ1]k(z)=n=mcnqn
と展開できる。これもfrにおけるq-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Γが有限個の行列γ1,γ2,,γnによって生成されているとき、作用の結合性
f|[γγ]k=(f|[γ]k)|[γ]k
からfΩk(Γ)であるためには
f|[γ1]k=f|[γ2]k==f|[γn]k=f
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Γ=SL2(Z)
Γ=(1101),(0110)
と生成されることが知られているので、fΓ-モジュラー形式であるためには
f(z+1)=f(z),f(1z)=zkf(z)
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。

j-不変量

 以下Γ=SL2(Z)とおき、Γ-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ΓHと基本領域
Ω={zH|Re(z)|<1/2,|z|>1}
(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

 zHと整数k2に対し
G2k(z)=(m,n)(0,0)1(mz+n)2k,E2k(z)=12gcd(m,n)=11(mz+n)2k
と定められる関数G2k,E2kのことをアイゼンシュタイン級数という。ただしm,nはそれぞれ整数全体を渡るものとした。
 これは重さ2kの正則モジュラー形式を定める。

 G2k,E2kG2k(z)=2ζ(2k)E2k(z)という関係にある。実際
G2k(z)=l=1gcd(m,n)=l1(mz+n)2k=l=11l2kgcd(m,n)=11(mz+n)2k=2ζ(2k)E2k(z)
とわかる。

j-不変量

 zHに対し
j(z)=1728E4(z)3E4(z)3E6(z)2
と定められる関数jのことをj-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
E4(z)3E6(z)21728=qn=1(1qn)24(q=e2πiz)
と展開できることが知られており、特にj(z)Hにおいて極を持たないことがわかる。
 また
E4(z)3=1+O(q),E4(z)3E6(z)21728=q+O(q2)
q-展開できるのでj(z)
j(z)=1q+O(1)
というq-展開を持ち、 この記事 の定理3系から以下の主張を得る。

 j(z)ΓHにおいてz=のみを極を持ち、特にj(z)は基本領域からCへの全単射をなす。

 任意のモジュラー関数はj(z)についての有理関数として表せる。つまりA0(Γ)=C(j)が成り立つ。

 モジュラー関数のΓHにおける零点、極をそれぞれα1,α2,,αn,β1,β2,,βnとし
g(z)=(j(z)j(α1))(j(z)j(α2))(j(z)j(αn))(j(z)j(β1))(j(z)j(β2))(j(z)j(βn))C(j(z))
とおく(γ=に対しては(zj(γ))1とする)。このときf(z)/g(z)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f(z)=Cg(z)と表せる。

 j-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j-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q-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fq-展開を
f(z)=aqm+O(q(m1))
とおくと
g(z)=1qm+O(q(m1))
となるのでf(z)/g(z)=aと求めることができる。

モジュラーλ関数

 j-不変量と似た性質を持つ関数としてモジュラーλ関数というものがある。これはテータ関数
θ2(τ)=n=q(n+12)2,θ3(τ)=n=qn2(q=eπiτ)
に対し
λ(τ)=θ2(τ)4θ3(τ)4
と定められる関数で、これはΛ=Γ(2)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λ~=16/λHおよび尖点1,0において極を持たず、
16λ(τ)=1q+O(1)
というq-展開を持つことからやはりA0(Λ)=C(λ)が成り立つ。
 またΓ-モジュラー関数はΛ-モジュラー関数でもあるのでjλの有理関数として表せ、実際
j=256(1λ+λ2)3(λ(1λ))2
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A0(Γ(N))=C(f)を満たすようなモジュラー関数fが存在するとは限らない。

投稿日:2023727
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投稿者

子葉
子葉
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主に複素解析、代数学、数論を学んでおります。 私の経験上、その証明が簡単に探しても見つからない、英語の文献を漁らないと載ってない、なんて定理の解説を主にやっていきます。 同じ経験をしている人の助けになれば。最近は自分用のノートになっている節があります。

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