Аннотация:
В работе дано явное решение известной задачи дифференцирования гиперэллиптических функций по параметрам соответствующей гиперэллиптической кривой.
Библиография: 24 названий.
Ключевые слова:
сигма-функции, образующие поля гиперэллиптических функций, уравнения теплопроводности, уравнения Шрёдингера, неголономный репер, алгебра Ли дифференциальных операторов.
Задача дифференцирования абелевых функций на якобианах алгебраических кривых по параметрам семейства кривых является классической. В случае эллиптических функций Вейерштрасса она была решена в работе Фробениуса и Штикельбергера (см. [1]). В связи с созданием алгебро-геометрических методов теории солитонов и математической физики (см. [2]–[4]) эта задача стала актуальной, так как эти методы позволили получать решения фундаментальных динамических систем в терминах абелевых функций на якобианах алгебраических кривых. Были введены универсальные расслоения якобианов, базой которых являются многообразия параметров алгебраических кривых. Содержательно, одна часть параметров выделяет гамильтоновы динамические системы, а вторая их часть задает значения гамильтонианов этих систем. Задача дифференцирования абелевых функций на якобианах алгебраических кривых по параметрам семейства кривых становится задачей описания зависимости решений от вариации начальных данных и значений гамильтонианов.
В работе [5] на основе теории многомерных сигма-функций, см. [6], предложен общий подход к решению этой задачи в случае большого семейства кривых, так называемых $(n,s)$-кривых. В данной работе в рамках этого подхода получено явное решение в случае $(2, 2g+1)$-кривых, т.е. для гиперэллиптических кривых любого рода $g$.
Мы рассматриваем гиперэллиптическую кривую рода $g \in \mathbb{N}$ в модели
Здесь $\lambda=(\lambda_4, \lambda_6, \dots, \lambda_{4 g}, \lambda_{4 g+2}) \in \mathbb{C}^{2 g}$ – параметры кривой. Пусть $\mathcal{B} \subset \mathbb{C}^{2g}$ – подпространство параметров такое, что кривая $\mathcal{V}_{\lambda}$ невырождена для $\lambda \in \mathcal{B}$. Тогда $\mathcal{B}=\mathbb{C}^{2g} \setminus \Sigma$, где $\Sigma$ – дискриминантная гиперповерхность. Обозначим через $\mathcal{P}$ кольцо полиномов от $\lambda \in \mathcal{B} \subset \mathbb{C}^{2g}$. Далее в формулах мы будем использовать обозначения $\lambda_0=1$ и $\lambda_s=0$ при $s \ne 0$ и $s \ne 2 k+2$ для $k=1,2,\dots,2g$.
Для мероморфной функции $f$ на $\mathbb{C}^g$ вектор $\omega \in \mathbb{C}^g$ является периодом, если
Если у мероморфной функции $f$ есть $2g$ независимых периодов в $\mathbb{C}^g$, то $f$ – абелева функция. Таким образом, абелева функция – это мероморфная функция на комплексном торе $T^g=\mathbb{C}^g/\Gamma$, где $\Gamma \subset \mathbb{C}^g$ – решетка ранга $2g$. Обозначим координаты в $\mathbb{C}^g$ через $z=(z_1, z_3, \dots, z_{2g-1})$.
В настоящей работе мы используем теорию гиперэллиптических функций Клейна [6]–[12]. Они строятся на основе сигма-функции $\sigma(z, \lambda)$, где $(z, \lambda) \in \mathbb{C}^g \times \mathcal{B} \subset \mathbb{C}^{3g}$. Положим $\partial_k=\partial/ \partial z_k$. Обозначим
Для каждого $\lambda \in \mathcal{B}$ набор периодов базисных голоморфных дифференциалов на кривой $\mathcal{V}_\lambda$ порождает решетку $\Gamma_\lambda$ ранга $2 g$ в $\mathbb{C}^g$. Тор $T^g_\lambda= \mathbb{C}^g/\Gamma_\lambda$ называется многообразием Якоби кривой $\mathcal{V}_{\lambda}$. Выражения $\wp_{k_1, \dots, k_n}$ как функции от $z$ являются абелевыми функциями с решеткой периодов $\Gamma_\lambda$. Поле абелевых функций на многообразии Якоби кривой $\mathcal{V}_{\lambda}$ совпадает с полем рациональных функций от $\wp_{k_1, \dots, k_n}$.
Рассматривая выражения $\wp_{k_1, \dots, k_n}$ как функции на расслоении $\mathcal{U}$ с базой $\mathcal{B}$ и слоем $T^g_\lambda$ над $\lambda \in \mathcal{B}$, мы приходим к следующему определению: гиперэллиптическими функциями рода $g$ называются рациональные функции от выражений $\wp_{k_1, \dots, k_n}$ над кольцом $\mathcal{P}$. Обозначим поле гиперэллиптических функций рода $g$ через $\mathcal{F}$. Мы рассматриваем задачу описания образующих этого поля в п. 4.
Задача дифференцирования гиперэллиптических функций по параметрам является обобщением для рода $g$ результата работы [1], см. также [5; § 1.2]. Приведем постановку этой задачи из [5; § 1.1]:
Задача 1.1. 1. Найти $3g$ образующих $\mathcal{F}$-модуля $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ дифференцирований поля $\mathcal{F}$.
2. Описать структуру алгебры Ли $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ над полем $\mathcal{F}$ (т.е. найти коммутационные соотношения этой алгебры Ли).
3. Описать действие $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ на $\mathcal{F}$.
В нашем подходе к решению этой задачи среди $3g$ образующих $\mathcal{F}$-модуля $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ выделяются $g$ образующих, соответствующих дифференцированиям $\partial_k=\partial/\partial z_k$ вдоль слоя расслоения $\mathcal U$. Остальные $2g$ образующих соответствуют дифференцированию по параметрам гиперэллиптической кривой (1).
Дубровин в случае рода $g=1$ показал значение решения задачи 1.1 с точки зрения дифференциальной геометрии универсального расслоения многообразий Якоби эллиптических кривых. Связность в этом расслоении он назвал $FS$-связностью (см. [13; добавление C]). В обзоре [6] задача 1.1 была рассмотрена с примерами в случаях эллиптических кривых рода $g=1$ и гиперэллиптических кривых рода $g=2$. Решение задачи 1.1 в случае рода $g=2$ описано в [14; теоремы B.3 и B.6]. В случае рода $g=3$ оно описано в [15; теорема 10.1 и следствие 10.2].
В настоящей работе мы строим решения задачи 1.1 для гиперэллиптических кривых любого рода $g \in \mathbb{N}$ на основе [5; теорема 14]. Для этого нам понадобятся линейные операторы, аннулирующие сигма-функцию $\sigma(z, \lambda)$. Их эффективное описание дано в работе [16]. Эти операторы строятся на основе полиномиальной алгебры Ли [17] векторных полей, касательных к дискриминантной гиперповерхности $\Sigma$ в $\mathbb{C}^{2g}$. Обозначим эту полиномиальную алгебру Ли через $\mathcal{L}$. Образующие $\mathcal{L}$ – это векторные поля
а при $l > m $ полагаем $v_{2l, 2m}(\lambda)=v_{2m, 2l}(\lambda)$ (см. [18; § 4.1] и [17]). В точке $\lambda \in \mathcal{B}$ векторные поля $\{L_{0}, L_{2}, L_{4}, \dots, L_{4 g-2}\}$ определяют $2g$-мерный неголономный репер. Структура полиномиальной алгебры Ли как $\mathcal{P}$-модуля определяется полиномиальными матрицами $V(\lambda)=(v_{2l,2m}(\lambda))$ и $C(\lambda)= (c_{2i,2j}^{2k}(\lambda))$, где $l, m \in \{ 1, 2, \dots, 2 g\}$, $i,j,k \in \{0,1,\dots,2g-1\}$, и коэффициенты $c_{2i,2j}^{2k}(\lambda)$ определяются равенствами
и выполнено $\alpha^{a,b}_{2k}=\beta^b_{2k,a}=\gamma_{2k,a,b}=0$ кроме нечетных $a, b$ от $1$ до $2g-1$. Эти операторы удовлетворяют условию (см. [19; теорема 1.3]), что алгебра Ли с образующими $\{Q_{0}, Q_{2}, Q_{4}, \dots, Q_{4 g-2}\}$ – это представление полиномиальной алгебры Ли $\mathcal{L}$. То есть имеют место равенства
Cигма-функция $\sigma(z, \lambda)$ является решением системы уравнений теплопроводности (6) с начальным условием, заданным полиномом (см. [21]). Коэффициенты $\alpha^{a,b}_{2k}$, $\beta^{b}_{2k, a}$ и $\gamma_{2k,a,b}$ выражения (8) являются коэффициентами символов Кристоффеля связности Гаусса–Манина расслоения с базой $\mathcal{B}$, слоем которого над $\lambda \in \mathcal{B}$ является кривая $\mathcal{V}^\circ_\lambda$, представляющая собой кривую $\mathcal{V}_\lambda$ с выколотой точкой на бесконечности (cм. [5; § 3.1 и теорема 13]). Более подоробно связь операторов (7) с теорией абелевых функций, проблемой Римана–Шоттки и уравнениями Шрёдингера в магнитных полях мы описали в [16; § 1]. В настоящей работе в теореме 2.1 мы получаем явный вид этих операторов.
2. Коэффициенты операторов Шрёдингера
Теорема 2.1. Для операторов Шрёдингера в (8) для нечетных $a, b$ от $1$ до $2g-1$ имеем
Доказательство. Выражения для $\alpha^{a,b}_{2k}$ и $\delta_{2k}$ получаются из леммы 3.1 в [16]. Ее доказательство основано на результатах работы [19].
Выражения теоремы 2.1 для $k=0,1$ и $2$ следуют из теоремы 4.1 в [16]. Нам потребуются выражения для $\beta^b_{2k,a} $ и $\gamma_{2k,a,b}$. Для нечетных $a, b$ от $1$ до $2g-1$ имеем
Выражения теоремы для $\beta^b_{2k,a}$ и $\gamma_{2k,a,b}$ при $k > 2$ получаются индукцией по $k$. А именно, при $k > 2$ соотношение (9) с учетом соотношений (5) и (7) дает выражение
из которого с учетом выражений (3) получаем шаг индукции. При этом обратим внимание, что в выражении для оператора $H_2$, см. (8), имеем $\alpha^{a,b}_{2} \ne 0$ лишь при $a=b=1$, что позволяет доказать шаг индукции для коэффициентов $\beta^b_{2k,a}$, используя выражения следствий 2.3–2.5 и выражения $\beta^b_{2s,a}$ при $s < k$. Шаг индукции для коэффициентов $\gamma_{2k,a,b}$ получается с использованием соответствующих выражений для коэффициентов $\beta^b_{2s,a}$ и $\gamma_{2s,a,b}$ при $s < k$.
Следствие 2.2. Выполнено $\beta^b_{2k,1}=1$, если $b=2 k+1$, и $\beta^b_{2k,1}=0$, если $b \ne 2 k+1$.
Следствие 2.5. Выполнено $\gamma_{2k,1,b}=0$, если $1<b$ и $2 k+1 \leqslant b$.
3. Решение задачи дифференцирования гиперэллиптических функций
Положим $\zeta_{k}=\partial_k \ln \sigma(z, \lambda)$, см. выражения (2). Приведем формулировку теоремы 14 в [5] в случае гиперэллиптических кривых в модели (1):
Теорема 3.1 [5; теорема 14]. Задача 1.1 имеет следующее решение:
где $i, j \in \{ 0, 1, \dots, 2 g-1\}$, $s, t \in \{ 1, 3, \dots, 2 g- 1\}$, и суммирование ведется по нечетным $a, b, c, d$ от $1$ до $2g-1$ и по $k$ от $0$ до $2g-1$;
(см. (2)), и параметров $\lambda_m$ гиперэллиптической кривой, где $m \in \{ 4, 6, \dots, 4 g+2\}$, представляется как полином с рациональными коэффициентами от функций
Доказательство теоремы напрямую следует из лемм 6.3, 6.4, 7.1 и 7.2 в [22]. А именно, обозначим кольцо полиномов с рациональными коэффициентами от функций $\wp_{1,k}, \wp_{1,1,k}, \wp_{1,1,1,k}$, где $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$, через $\mathcal{R}$. Согласно [22; лемма 6.3] $\lambda_m \in \mathcal{R}$ для $m \in \{ 4, 6, \dots, 4 g+2\}$. Согласно [22; лемма 6.4] $\wp_{k_1, k_2} \in \mathcal{R}$ для $k_1, k_2 \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$. Из лемм 7.1 и 7.2 в [22] мы получаем, что $\partial_k r \in \mathcal{R}$ для $r \in \mathcal{R}$, где $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$, что завершает доказательство теоремы.
Теорема 4.1 позволяет ввести образующие поля $\mathcal{F}$. Классическим выбором образующих этого поля являются координаты Дубровина–Новикова, см. [5; замечание 16]. Приведем результаты, задающие выражения параметров $\lambda_m$ гиперэллиптической кривой, где $m \in \{ 4, 6, \dots, 4 g+2\}$, и координат Дубровина–Новикова $u_k=- \partial_{1}^k \ln \sigma(z, \lambda)$, где $k \geqslant 2$, в качестве полиномов над $\mathbb{Q}$ от образующих поля $\mathcal{F}$. Обозначим
для всех параметров гиперэллиптической кривой $\lambda_m$, $m \in \{ 4, 6, \dots, 4 g+2\}$, заданных в качестве полиномов над $\mathbb{Q}$ от переменных $b_{1,k}, b_{2,k}, b_{3,k}$, $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$, выражениями теоремы 4.2.
Доказательство леммы получается применением оператора (13) к правой части равенства (11).
Следствие 4.5. Действие оператора $\mathcal{D}_1$ на поле рациональных функций над $\mathbb{Q}$ от образующих $b_{1,k}, b_{2,k}, b_{3,k}$, где $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$, совпадает с действием оператора $\partial_1$ на $\mathcal{F}$.
Выражения (13) позволяют задать координаты Дубровина–Новикова как полиномы с рациональными коэффициентами от функций $\wp_{1,k}, \wp_{1,1,k}, \wp_{1,1,1,k}$, где $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$:
Следствие 4.6. Для координат Дубровина–Новикова $u_k=- \partial_{1}^k \ln \sigma(z, \lambda)$, где $k \geqslant 2$, имеют место следующие выражения:
Выражения для координат $b_{1,k}, b_{2,k}, b_{3,k}$, где $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g-1\}$, как полиномов с рациональными коэффициентами от координат Дубровина–Новикова $u_{s}$ и параметров $\lambda_m$ гиперэллиптической кривой можно найти на основе равенства (11). А именно, для $\mathbf{b}_i(\xi)$, заданных равенствами (12), положим
Имеем $\varepsilon_{2}=8 b_{1,1}=8 u_2$. Для $k \in \{2, 3, \dots, g\}$ уравнение (14) определяет $\varepsilon_{2k}$ как однородный полином с рациональными коэффициентами от $b_{1,s}$, $b_{2,s}$ и $b_{3,s}$, где $s \in \{1,3,\dots,2k-3\}$. Соотношения
Следствие 4.7. В теореме 3.1 если известны выражения (10), то действие $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ на $\mathcal{F}$ задается действием $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ на функцию $\wp_{1,1}$, заданным явно в следствии 3.2.
Пример 4.8. В результате применения соотношений (15), получаем выражения для координат $b_{1,k}, b_{2,k}, b_{3,k}$, где $k \in \{ 1, 3, \dots, 2 g- 1\}$, как полиномов с рациональными коэффициентами от координат Дубровина–Новикова $u_{s}$ и параметров $\lambda_m$ гиперэллиптической кривой, например при $k=1,3,5$:
Напомним, что решение параметрической иерархии Кортевега–де Фриза (см. [22]) в терминах гиперэллиптичеcкой функции $\wp_{1,1}$ любого рода $g$ следует из тождества
где $k \in \{3, 5, \dots, 2g-1\}$. Так как в наших обозначениях $\wp_{1,k}=b_{1,k}$, то важными являются явные формулы, выражающие базисные функции $\wp_{1,k}$, где $k \in \{3, 5, \dots, 2g-1\}$, в виде полиномов от базисных функций Дубровина–Новикова с коэффициентами в кольце полиномов, порожденных коэффициентами гиперэллиптической кривой. См. формулы примера 4.8, вид которых не зависит от рода кривой.
Рассмотрим в поле гиперэллиптических функций рода $g$ подкольцо, порожденное над полем рациональных чисел базисными функциями Дубровина–Новикова. Как показывают формулы примера 4.9, наши базисные функции $b_{1,k}$ не принадлежат этому кольцу, а являются рациональными функциями над полем рациональных чисел от базисных функций Дубровина–Новикова.
Явные формулы этих рациональных функций важны, так как приводят к известным интегрируемым нелинейным дифференциальным уравнениям, не содержащим параметры, см. [14] и [24].
Пример 4.9. В явном виде в случае рода $g=2$ следствие 4.6 дает следующие выражения:
Эти формулы позволяют выразить координаты $b_{1,1}, b_{2,1}, b_{3,1}, b_{1,3}, b_{2,3}, b_{3,3}$ как рациональные функции над $\mathbb{Q}$ от координат Дубровина–Новикова $u_{s}$, а именно, мы получаем выражения
Заменой параметров эллиптической кривой $g_2=- 4 \lambda_4$, $g_3=- 4 \lambda_6$ с учетом выражений (3) мы получаем выражения § 1.2 работы [5]. Образующие (16) $\mathcal{F}$-модуля $\operatorname{Der} \mathcal{F}$ были впервые найдены в [1].
F. G. Frobenius, L. Stickelberger, “Über die Differentiation der elliptischen Functionen nach den Perioden und Invarianten”, J. Reine Angew. Math., 92 (1882), 311–337
2.
Б. А. Дубровин, В. Б. Матвеев, С. П. Новиков, “Нелинейные уравнения типа Кортевега–де Фриза, конечнозонные линейные операторы и абелевы многообразия”, УМН, 31:1 (187) (1976), 55–136
3.
И. М. Кричевер, “Методы алгебраической геометрии в теории нелинейных уравнений”, УМН, 32:6 (198) (1977), 183–208
4.
Б. А. Дубровин, “Тэта-функции и нелинейные уравнения”, УМН, 36:2 (218) (1981), 11–80
5.
В. М. Бухштабер, Д. В. Лейкин, “Решение задачи дифференцирования абелевых функций по параметрам для семейств $(n,s)$-кривых”, Функц. анализ и его прил., 42:4 (2008), 24–36
6.
V. M. Buchstaber, V. Z. Enolski, D. V. Leykin, “$\sigma$-Functions: old and new results”, Integrable Systems and Algebraic Geometry, v. 2, London Math. Soc. Lecture Note Ser., 459, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2020, 175–214
7.
F. Klein, “Ueber hyperelliptische Sigmafunctionen”, Math. Ann., 27:3 (1886), 431–464
8.
F. Klein, “Ueber hyperelliptische Sigmafunctionen”, Math. Ann., 32:3 (1888), 351–380
9.
H. F. Baker, “On the hyperelliptic sigma functions”, Amer. J. Math., 20:4 (1898), 301–384
10.
V. M. Buchstaber, V. Z. Enolskii, D. V. Leikin, “Hyperelliptic Kleinian functions and applications”, Solitons, Geometry, and Topology: On the Crossroad, Amer. Math. Soc. Transl. Ser. 2, 179, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1997, 1–34
11.
V. M. Buchstaber, V. Z. Enolskii, D. V. Leikin, “Kleinian functions, hyperelliptic Jacobians and applications”, Reviews in Mathematics and Math. Physics, Gordon and Breach, London, 1997, 3–120
12.
V. M. Buchstaber, V. Z. Enolskii, D. V. Leikin, Multi-Dimensional Sigma-Functions, arXiv: 1208.0990
13.
B. A. Dubrovin, “Geometry of 2D topological field theories”, Integrable Systems and Quantum Groups (Montecatini Terme, 1993), Lecture Notes in Math., 1620, Springer-Verlag, Berlin, 1994, 120–348
14.
В. М. Бухштабер, “Полиномиальные динамические системы и уравнение Кортевега–де Фриза”, Современные проблемы математики, механики и математической физики. II, Труды МИАН, 294, Наука, М., 2016, 191–215
15.
E. Yu. Bunkova, “Differentiation of genus 3 hyperelliptic functions”, European Journal of Mathematics, 4:1 (2018), 93–112
16.
В. М. Бухштабер, Е. Ю. Бунькова, “Сигма-функции и алгебры Ли операторов Шрёдингера”, Функц. анализ и его прил., 54:4 (2020), 3–16
17.
В. М. Бухштабер, Д. В. Лейкин, “Полиномиальные алгебры Ли”, Функц. анализ и его прил., 36:4 (2002), 18–34
18.
V. I. Arnold, Singularities of Caustics and Wave Fronts, Math. Appl. (Soviet Ser.), 62, Kluwer Acad., Dordrecht, 1990
19.
В. М. Бухштабер, Д. В. Лейкин, “Уравнения теплопроводности в неголономном репере”, Функц. анализ и его прил., 38:2 (2004), 12–27
20.
В. М. Бухштабер, Е. Ю. Бунькова, “Алгебры Ли операторов теплопроводности в неголономном репере”, Матем. заметки, 108:1 (2020), 17–32
21.
В. М. Бухштабер, Е. Ю. Бунькова, “Гиперэллиптические сигма-функции и полиномы Адлера–Мозера”, Функц. анализ и его прил., 55:3 (2021), 3–25
22.
В. М. Бухштабер, Е. Ю. Бунькова, “Параметрическая иерархия Кортевега–де Фриза и гиперэллиптические сигма-функции”, Функц. анализ и его прил., 56:3 (2022), 16–38
23.
V. M. Buchstaber, S. Yu. Shorina, “The $w$-function of the KdV hierarchy”, Geometry, Topology, and Mathematical Physics, Amer. Math. Soc. Transl. Ser. 2, 212, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2004, 41–66
24.
Н. А. Кудряшов, Аналитическая теория нелинейных дифференциальных уравнений, РХД, М.–Ижевск, 2004
Образец цитирования:
Е. Ю. Бунькова, В. М. Бухштабер, “Явные формулы дифференцирования гиперэллиптических функций”, Матем. заметки, 114:6 (2023), 808–821; Math. Notes, 114:6 (2023), 1151–1162