Известия Российской академии наук. Серия математическая
RUS  ENG    ЖУРНАЛЫ   ПЕРСОНАЛИИ   ОРГАНИЗАЦИИ   КОНФЕРЕНЦИИ   СЕМИНАРЫ   ВИДЕОТЕКА   ПАКЕТ AMSBIB  
Общая информация
Последний выпуск
Скоро в журнале
Архив
Импакт-фактор
Правила для авторов
Загрузить рукопись

Поиск публикаций
Поиск ссылок

RSS
Последний выпуск
Текущие выпуски
Архивные выпуски
Что такое RSS



Изв. РАН. Сер. матем.:
Год:
Том:
Выпуск:
Страница:
Найти






Персональный вход:
Логин:
Пароль:
Запомнить пароль
Войти
Забыли пароль?
Регистрация


Известия Российской академии наук. Серия математическая, 2024, том 88, выпуск 3, страницы 101–110
DOI: https://doi.org/10.4213/im9533
(Mi im9533)
 

Алгебраическая теорема де Рама и функция Бейкера–Ахиезера

И. М. Кричеверab, Л. А. Тахтаджянcd

a Columbia University, New York, USA
b Сколковский институт науки и технологий, территория Инновационного Центра "Сколково"
c Department of Mathematics, Stony Brook University, NY, USA
d Международный математический институт им. Л. Эйлера, г. Санкт-Петербург
Список литературы:
Аннотация: Для случая алгебраических кривых (компактных римановых поверхностей) показано, что группа когомологий де Рама $H^1_{\mathrm{dR}}(X,\mathbb{C})$ римановой поверхности $X$ рода $g$ имеет естественную структуру симплектического векторного пространства. Выбор неспециального эффективного дивизора $D$ степени $g$ на $X$ задает симплектический базис $H^1_{\mathrm{dR}}(X,\mathbb{C})$, состоящий из голоморфных дифференциалов и дифференциалов второго рода с полюсами в $D$. Этот результат, алгебраическая теорема де Рама, позволяет описать касательное пространство к многообразиям Пикара и Якоби римановой поверхности $X$ в терминах дифференциалов второго рода и определить естественные векторные поля на многообразии Якоби, отвечающие движению точек дивизора $D$. В терминах формализма Лакса на алгебраических кривых эти векторные поля соответствуют уравнениям Дубровина в теории интегрируемых систем, а функция Бейкера–Ахиезера естественным образом получается интегрированием вдоль интегральных кривых.
Библиография: 14 наименований.
Ключевые слова: римановы поверхности, дивизоры, линейные расслоения, теорема Римана–Роха, дифференциалы второго рода, алгебраическая теорема де Рама, многообразия Пикара и Якоби, векторные поля на многообразии Якоби, представление Лакса, уравнения Дубровина, функция Бейкера–Ахиезера.
Поступило в редакцию: 16.08.2023
Исправленный вариант: 17.10.2023
Дата публикации: 30.05.2024
Англоязычная версия:
Izvestiya: Mathematics, 2024, Volume 88, Issue 3, Pages 506–514
DOI: https://doi.org/10.4213/im9533e
Реферативные базы данных:
Тип публикации: Статья
УДК: 512.732+512.772
MSC: 14F40, 14H40, 14H70

§ 1. Введение

Пусть $X$ – это гладкое алгебраическое многообразие над полем $\mathbb{C}$, снабженное классической топологией комплексного многообразия. Согласно Атье и Ходжу [1] замкнутая мероморфная $p$-форма $\varphi$ на $X$ называется дифференциалом второго рода, если она имеет нулевые вычеты на открытых подмножествах $U=X\setminus D$ для достаточно больших дивизоров $D$. Далеко идущее обобщение результатов Атьи и Ходжа было дано Гротендиком [2]. Факторгруппы

$$ \begin{equation*} \frac{\{p\text{-формы второго рода}\}}{\{\text{точные формы}\}} \end{equation*} \notag $$
имеют естественную интерпретацию в терминах спектральной последовательности комплекса пучков мероморфных форм на $X$ [3; гл. 3, § 5]. В частности, справедливо утверждение
$$ \begin{equation*} H_{\mathrm{dR}}^1(X,\mathbb{C})\simeq \frac{\{1\text{-формы второго рода}\}}{\{\text{точные формы}\}}. \end{equation*} \notag $$

Когда $X$ – это гладкая алгебраическая кривая рода $g$, этот изоморфизм следует из теоремы Римана–Роха. Оказывается, в этом случае на пространстве дифференциалов второго рода имеется естественная кососимметрическая билинейная форма, невырожденная на факторпространстве по подпространству точных форм. Используя эту билинейную форму, в теореме 1 мы приводим более явную формулировку алгебраической теоремы де Рама. А именно, мы показываем, что каждый неспециальный эффективный дивизор $D$ степени $g$ на римановой поверхности $X$ задает симплектический базис векторного пространства $H_{\mathrm{dR}}^1(X,\mathbb{C})$, позволяющий явно описать дополнение к лагранжевому подпространству $1$-форм на $X$ как пространство дифференциалов второго рода с полюсами в $D$.

В § 4 показано, что каждый неспециальный эффективный дивизор $D$ степени $g$ на $X$ задает явный изоморфизм векторного пространства $H^{0,1}(X,\mathbb{C})$ и лагранжевого подпространства дифференциалов второго рода с полюсами в $D$. Это позволяет явно описать касательное пространство к многообразию Пикара (и его “инкарнаций”, многообразий Альбанезе и Якоби) в алгебро-геометрических терминах.

Замечательным образом этот формализм связан с теорией интегрируемых систем. В стандартном подходе (см., например, [4]), интегрируемая система задается посредством уравнения нулевой кривизны

$$ \begin{equation*} \frac{\partial L}{\partial t} -\frac{\partial M}{\partial x}+LM-ML=0, \end{equation*} \notag $$
где $L(x,t,\lambda)$ и $M(x,t,\lambda)$ – это $r\times r$ матричнозначные рациональные функции спектрального параметра $\lambda$ на $\mathbb{C}\mathbb{P}^1$, также зависящие от дополнительных переменных $x$ и $t$ (переменных, описывающих пространство и время). В работах [5], [6] первого автора формализм уравнения нулевой кривизны был сформулирован для случая, когда спектральный параметр меняется на алгебраической кривой.

А именно, в [5] было показано, что такое обобщение естественным образом описывается формализмом систем Хитчина, записанных в терминах параметров Тюрина стабильных векторных расслоений ранга $r$ и степени $rg$ на алгебраической кривой. Соответственно, рациональные функции $L$ на $\mathbb{C}\mathbb{P}^1$ становятся $r\times r$ мероморфными $1$-формами $L(z)\,dz$ на алгебраической кривой; многообразие таких матриц параметризуется пространством модулей (точнее, его открытым подмножеством в топологии Зариского) стабильных векторных расслоений ранга $r$ и степени $rg$ (подробнее см. [5]). Аналогичным образом описываются мероморфные $r\times r$ матричнозначные функции $M(z)$.

Оказывается, что в простейшем случае $r=1$ этот формализм остается нетривиальным и тесно связан с теоремой 1 и обсуждением в § 3. А именно, как показано в § 5, мероморфные $1$-формы $L(z)\,dz$ переходят в дифференциалы первого рода на алгебраической кривой $X$, а аналоги $M(z)$ – это мероморфные функции $f$, определенные заданием двух неспециальных эффективных дивизоров $D$ и $D_0$ степени $g$ на римановой поверхности $X$. Переменные дивизоры $D$ параметризуют многообразие Якоби кривой $X$ с отмеченной точкой $D_0$, а векторные поля, описывающие движение точек дивизора $D$, естественным образом выражаются в терминах мероморфных функций $f$.

Замечательным образом в случае, когда $X$ – это гиперэллиптическая кривая, уравнения для интегральных кривых этих векторных полей, уравнения (5.3), совпадают с уравнениями Дубровина, возникающими в теории конечнозонного интегрирования уравнения Кортевега–де Фриза [7]! Более того, интегрируя мероморфные функции $f$ по интегральным кривым и используя уравнения Дубровина, мы естественным образом получаем функцию Бейкера–Ахиезера – фундаментальный объект алгебро-геометрического подхода к интегрируемым системам, введенный первым автором в работе [8].

Второй автор признателен рецензенту за конструктивные замечания и предложения.

§ 2. Дифференциалы второго рода

Пусть $X$ – компактная связная риманова поверхность рода $g$, рассматриваемая в классической топологии. Обозначим через $\mathcal{O}_X$ пучок ростков голоморфных функций на $X$, через $\mathcal{M}_X$ – пучок ростков мероморфных функций на $X$, а через $\mathcal{M}$ – векторное пространство мероморфных функций на $X$. Для любого дивизора $D$ на $X$ обозначим через $L=\mathcal{O}(D)$ голоморфное линейное расслоение, ассоциированное с $D$, а через $H^0(X,L)$ – векторное пространство голоморфных сечений расслоения $L$ над $X$. Очень полезным является изоморфизм

$$ \begin{equation*} H^0(X,L)\simeq \mathcal{L}_{D}=\{f\in \mathcal{M}\colon (f)+D\geqslant 0\}. \end{equation*} \notag $$

Теорема Римана–Роха вместе с двойственностью Кодаиры–Серра приводит к формуле

$$ \begin{equation*} h^0(L)-h^0(K_X-L)=\deg L +1-g, \end{equation*} \notag $$
где $h^0(L)=\dim_{\mathbb{C}} H^0(X,L)$, $\deg L$ – это степень линейного расслоения $L$, а $K_X$ – каноническое линейное расслоение над $X$, голоморфное кокасательное расслоение.

Пусть $\mathrm{d}$ – внешний дифференциал на $X$. Пучок $\mathrm{d} \mathcal{M}_X$ – это пучок ростков дифференциалов второго рода на $X$, а $\Omega^{(\mathrm{2nd})}= H^0(X,\mathrm{d} \mathcal{M}_X)$ – бесконечномерное векторное пространство дифференциалов второго рода, мероморфных $1$-форм на $X$, не имеющих ненулевых вычетов.

На бесконечномерном векторном пространстве $\Omega^{(\mathrm{2nd})}$ имеется естественная кососимметрическая билинейная форма1

$$ \begin{equation*} \omega_X(\theta_1,\theta_2)=\sum_{P\in X}\operatorname*{Res}_P(\mathrm{d}^{-1}\theta_1\theta_2),\qquad \theta_1,\theta_2\in \Omega^{(\mathrm{2nd})}, \end{equation*} \notag $$
где $\mathrm{d}^{-1}\theta_1$ означает локально определенную функцию $f$ такую, что $\mathrm{d} f = \theta_1$, и называемую локальной первообразной. Произвол в выборе $f$ является несущественным.

Действительно, ясно, что билинейная форма $\omega_X$ задается конечной суммой и не зависит от выбора произвольных констант в определении локальной первообразной. Кососимметричность формы $\omega_X$ следует из основного свойства

$$ \begin{equation*} \operatorname*{Res}_P(f_1\, \mathrm{d} f_2)=-\operatorname*{Res}_P(f_2\, \mathrm{d} f_1), \end{equation*} \notag $$
где мероморфные функции $f_1$ и $f_2$ – это локальные первообразные для $\theta_1$ и $\theta_2$ в некоторой окрестности $P\in X$.

§ 3. Алгебраическая теорема де Рама

В абстрактной форме алгебраическая теорема де Рама представляет собой следующее утверждение:

$$ \begin{equation} H^1_{\mathrm{dR}}(X,\mathbb{C})\simeq \Omega^{(\mathrm{2nd})}/\mathrm{d}\mathcal{M}, \end{equation} \tag{3.1} $$
легко доказываемое при помощи изоморфизма де Рама из теории пучков
$$ \begin{equation*} H^1_{\mathrm{dR}}(X,\mathbb{C})\simeq H^1(X,\underline{\mathbb{C}}), \end{equation*} \notag $$
где $\underline{\mathbb{C}}$ – это локально постоянный пучок.

В самом деле, рассмотрим короткую точную последовательность пучков

$$ \begin{equation*} 0 \to \underline{\mathbb{C}} \xrightarrow{i} \mathcal{M}_X \xrightarrow{\mathrm{d}} \mathrm{d} \mathcal{M}_X \to 0 \end{equation*} \notag $$
и ассоциированную с ней точную когомологическую последовательность
$$ \begin{equation*} H^0(X,\mathcal{M}_X) \xrightarrow{\mathrm{d}} H^0(X,\mathrm{d} \mathcal{M}_X) \xrightarrow{\delta} H^1(X,\underline{\mathbb{C}})\to H^1(X, \mathcal{M}_X). \end{equation*} \notag $$
Как вытекает из теоремы Римана–Роха,
$$ \begin{equation*} H^1(X, \mathcal{O}(D))=\{0\}, \end{equation*} \notag $$
если $\deg D>2g-2$, откуда следует (см., например, [9; гл. 2, § 17.7])
$$ \begin{equation*} H^1(X,\mathcal{M}_X)=\{0\}, \end{equation*} \notag $$
что и доказывает (3.1).

Используя билинейную форму $\omega_X$, мы можем конкретизировать изоморфизм (3.1). А именно, имеет место следующий результат (см. [10; гл. 6, § 8], [11; гл. III, § 5.3, § 5.4] и [12; теорема 4]).

Теорема 1. Справедливы следующие утверждения:

(i) ограничение билинейной формы $\omega_X$ на $\Omega^{(\mathrm{2nd})}/\mathrm{d}\mathcal{M}$ невырожденно и

$$ \begin{equation*} \dim_{\mathbb{C}}\Omega^{(\mathrm{2nd})}/\mathrm{d}\mathcal{M} =2g; \end{equation*} \notag $$

(ii) каждому эффективному неспециальному дивизору $D$ на $X$ степени $g$ отвечает изоморфизм

$$ \begin{equation*} \Omega^{(\mathrm{2nd})}/\mathrm{d}\mathcal{M}\simeq\Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+2D); \end{equation*} \notag $$

(iii) пусть $D=P_1 + \dots +P_g$ – неспециальный эффективный дивизор степени $g$ с различными точками; каждому выбору локальных координат в окрестностях точек $P_i$ отвечает симплектический базис $\{\vartheta_i,\tau_i\}_{i=1}^g$ векторного пространства $\Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+2D)$ по отношению к симплектической форме $\omega_X$,

$$ \begin{equation*} \omega_X(\vartheta_i,\vartheta_j)=\omega_X(\tau_i,\tau_j)=0,\quad \omega_X(\vartheta_i,\tau_j)=\delta_{ij},\qquad i,j=1,\dots,g, \end{equation*} \notag $$
этот базис состоит из дифференциалов первого рода $\vartheta_i$ и дифференциалов второго рода $\tau_i$, однозначно определяемых условиями
$$ \begin{equation*} \vartheta_i=\bigl(\delta_{ij}+O(z-z_j)\bigr)\, \mathrm{d} z \quad\textit{и}\quad \tau_i=\biggl(\frac{\delta_{ij}}{(z-z_j)^{2}}+O(z-z_j)\biggr)\mathrm{d} z, \end{equation*} \notag $$
где $z_j=z(P_j)$ для локальной координаты $z$ в $P_j$ и $i,j=1,\dots,g$.

Доказательство. Пусть $(\theta)_{\infty}=\sum_{i=1}^{l}n_iQ_i$ – дивизор полюсов дифференциала второго рода $\theta\in\Omega^{(\mathrm{2nd})}$, $n_i\geqslant 2$. Поскольку дивизор $D$ неспециальный, то $h^0(K_X-D)=0$, и по формуле Римана–Роха $h^0(D+nQ_i)=n+1$ для $n\geqslant 0$. Таким образом, если точка $Q_i$ не принадлежит дивизору $D$, то найдется мероморфная функция $f_i\in\mathcal{L}_{D+(n_i-1)Q_i}$ такая, что
$$ \begin{equation*} \operatorname*{ord}_{Q_i}(\theta-df_i)\geqslant 0. \end{equation*} \notag $$
Если точка $Q_i$ принадлежит дивизору $D$, то найдется функция $f_i\in\mathcal{L}_{D+(n_i-1)Q_i} $ такая, что
$$ \begin{equation*} \operatorname*{ord}_{Q_i}(\theta-df_i)\geqslant -2. \end{equation*} \notag $$
(Поскольку $h^0(D)=1$, то в этом случае выбором главной части $df_i$ в $Q_i$ нельзя сократить возможный полюс второго порядка дифференциала $\theta$.) Таким образом, для $f=\sum_{i=1}^{l}f_i$ получаем
$$ \begin{equation*} (\theta-\mathrm{d} f)\geqslant -2D, \end{equation*} \notag $$
что и доказывает утверждение (ii).

Формула для размерности в утверждении (i) легко вытекает из доказанного утверждения:

$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, \dim_{\mathbb{C}}\Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+2D) &=h^0(X, K_X+2D)\,{-}\,h^0(X, K_X+D)\,{+}\,h^0(X, K_X) \\ &=(3g-1)-(2g-1)+g=2g. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$

Для доказательства (iii) и оставшегося утверждения в (i) рассмотрим линейное отображение

$$ \begin{equation*} L\colon \Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+2D)\to\mathbb{C}^{2g}, \end{equation*} \notag $$
задаваемое следующим образом. Для каждого $\theta\in \Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+2D)$ определим $\alpha_i(\theta), \beta_i(\theta)\in\mathbb{C}$ из разложения
$$ \begin{equation*} \frac{\theta}{\mathrm{d} z}-\alpha_i(\theta) -\frac{\beta_i(\theta)}{(z-z_i)^{2}} =O(z-z_i) \end{equation*} \notag $$
в окрестности $P_i$ и положим
$$ \begin{equation*} L(\theta)=\bigl(\alpha_1(\theta), \beta_1(\theta),\dots,\alpha_g(\theta), \beta_g(\theta)\bigr). \end{equation*} \notag $$
Поскольку дивизор $D$ неспециальный, то отображение $L$ иньективно и, следовательно, является изоморфизмом, $\vartheta_i$ и $\tau_i$ определяются следующим выбором ненулевых компонент $L$: $\alpha_i=1$ и $\beta_i=1$. Теорема 1 доказана.

Замечание 1. Выбор неспециального эффективного дивизора $D$ на $X$ с $g$ различными точками $P_i$ и локальными координатами – это алгебраический аналог выбора $a$-циклов на римановой поверхности. Соответственно, дифференциалы $\tau_i$ – это аналоги дифференциалов второго рода с полюсами второго порядка, нулевыми $a$-периодами и нормализованными $b$-периодами. Симплектичность базиса $\{\vartheta_i,\tau_i\}_{i=1}^g$ – это аналог закона взаимности для дифференциалов первого рода и дифференциалов второго рода (см. [13; гл. 5, § 1] и [14; гл. VI, § 3]).

Замечание 2. Пусть $\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$ – это подпространство $\Omega^{(\mathrm{2nd})}$, натянутое на $\tau_i$,

$$ \begin{equation*} \Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)=\mathbb{C} \tau_1\oplus\dots\oplus\mathbb{C}\tau_g. \end{equation*} \notag $$
Тогда $\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$ и $H^0(X,K_X)$ – это лагранжевы подпространства в $\Omega^{(\mathrm{2nd})}/\mathrm{d}\mathcal{M}$, двойственные по отношению к спариванию, задаваемому симплектической формой $\omega_X$.

§ 4. Касательное пространство к многообразию Пикара

Имеет место разложение

$$ \begin{equation} H^1_{\mathrm{dR}}(X,\mathbb{C})=H^{1,0}(X,\mathbb{C})\oplus H^{0,1}(X,\mathbb{C}) \end{equation} \tag{4.1} $$
с естественным спариванием
$$ \begin{equation*} H^{1,0}(X,\mathbb{C})\otimes H^{0,1}(X,\mathbb{C}) \ni\alpha\otimes\beta\mapsto(\alpha,\beta)=\int_X\alpha\wedge\beta\in\mathbb{C}. \end{equation*} \notag $$

Отображение периодов

$$ \begin{equation*} H^{1,0}(X,\mathbb{C})\ni\vartheta\mapsto\int_c\vartheta\in\mathbb{C},\quad\text{где }\ c\in H_1(X,\mathbb{Z}), \end{equation*} \notag $$
задает каноническое вложение решетки $H_1(X,\mathbb{Z})$ в векторное пространство $H^{1,0}(X,\mathbb{C})^{\vee}$, двойственное к векторному пространству $H^{1,0}(X,\mathbb{C})$, и определяет многообразие Альбанезе
$$ \begin{equation*} \mathrm{Alb}(X)=H^{1,0}(X,\mathbb{C})^{\vee}/H_1(X,\mathbb{Z}). \end{equation*} \notag $$
Используя изоморфизм Дольбо и экспоненциальную последовательность пучков на $X$, для многообразия Пикара голоморфных линейных расслоений степени $0$ на $X$ получаем
$$ \begin{equation*} \mathrm{Pic}^0(X)=H^{0,1}(X,\mathbb{C})/H^1(X,\mathbb{Z}). \end{equation*} \notag $$

Таким образом, голоморфное касательное пространство к $\mathrm{Pic}^0(X)$ отождествляется с векторным пространством $H^{0,1}(X,\mathbb{C})$.

Однако теорема 1 позволяет описать касательное пространство к многообразию Пикара исключительно в алгебро-геометрических терминах. А именно, справедлив следующий простой результат.

Предложение 1. Каждый неспециальный эффективный дивизор $D$ степени $g$ на римановой поверхности $X$ определяет изоморфизм

$$ \begin{equation*} H^{0,1}(X,\mathbb{C})\simeq \Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D). \end{equation*} \notag $$

Доказательство. Как следует из пункта (iii) теоремы 1, отображение
$$ \begin{equation*} H^{0,1}(X,\mathbb{C})\ni\beta\mapsto\psi(\beta) =\sum_{i=1}^g(\vartheta_i,\beta)\tau_i\in\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D) \end{equation*} \notag $$
обладает свойством
$$ \begin{equation*} (\vartheta,\beta)=\omega_X(\vartheta,\psi(\beta)) \end{equation*} \notag $$
для произвольного $\vartheta\in H^0(X,K_X)$ и является изоморфизмом. Предложение доказано.

Отождествляя векторные пространства $H^{1,0}(X,\mathbb{C})^{\vee}$ и $\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$, мы получаем вложение решетки $H_1(X,\mathbb{Z})$ в векторное пространство $ \Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$, определяемое следующим образом. Пусть $\theta_c$ – это $(0,1)$-компонента элемента из $H^1(X,\mathbb{Z})$, двойственного по Пуанкаре циклу $c\in H_1(X,\mathbb{Z})$, так что

$$ \begin{equation*} \int_c\vartheta=\int_X\vartheta\wedge\theta_c=(\vartheta,\theta_c)\quad\text{для всех}\quad\vartheta\in H^{1,0}(X,\mathbb{C}). \end{equation*} \notag $$
Тогда
$$ \begin{equation} H_1(X,\mathbb{Z})\ni c\mapsto\tau_c=\psi(\theta_c)=\sum_{i=1}^g\int_c\vartheta_i\cdot \tau_i\in \Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D), \end{equation} \tag{4.2} $$
так что
$$ \begin{equation} \mathrm{Alb}(X)=\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)/H_1(X,\mathbb{Z}). \end{equation} \tag{4.3} $$
Таким образом, выбор неспециального эффективного дивизора $D$ степени $g$ на римановой поверхности $X$ позволяет отождествить голоморфные касательные векторные пространства к многообразиям
$$ \begin{equation*} \mathrm{Alb}(X)\simeq \mathrm{Pic}^0(X)\simeq\mathrm{Jac}(X) \end{equation*} \notag $$
с векторным пространством $\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$ дифференциалов второго рода с полюсами в точках дивизора $D$. Соответственно, голоморфное кокасательное пространство естественным образом отождествляется с векторным пространством $H^{1,0}(X, \mathbb{C})$ дифференциалов первого рода, a спаривание с $\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$ задается симплектической формой $\omega_X$.

§ 5. Функция Бейкера–Ахиезера

Зафиксируем неспециальный эффективный дивизор $D_0=Q_1 \,{+}\,{\cdots}\,{+}\, Q_g$ степени $g$ на римановой поверхности $X$ и обозначим через $\{\vartheta_i\}_{i=1}^g$ базис векторного пространства $H^0(X, K_X)$ из теоремы 1, построенный по дивизору $D_0$. Рассмотрим отображение Абеля–Якоби

$$ \begin{equation*} X^{(g)}\ni D\to \mu^{(g)}(D)\in\mathrm{Jac}(X), \end{equation*} \notag $$
где $\mu^{(g)}$ – это абелева сумма: для переменного дивизора $D=P_1 + \dots + P_g$,
$$ \begin{equation} \mu^{(g)}(D)=\biggl(\sum_{i=1}^g\int_{Q_i}^{P_i}\vartheta_1,\dots, \sum_{i=1}^g\int_{Q_i}^{P_i}\vartheta_g\biggr). \end{equation} \tag{5.1} $$

Выберем локальные координаты в точках $P_i$ и положим $z_i=z(P_i)$. Как следует из формулы (5.1), $1$-формы $dz_i$ на $\mathrm{Jac}(X)$ в отмеченной точке $\mu^g(D_0)$ отвечают дифференциалам $\vartheta_i$, а векторные поля $\partial/\partial z_i$ – дифференциалам второго рода $\tau_i$ из теоремы 1. Если дивизор $D$ также неспециальный, то из группового закона на многообразии Якоби и теоремы 1 следует, что $\mathrm{d} z_i$ и $\partial/\partial z_i$ в точке $\mu^{(g)}(D)\in \mathrm{Jac}(X)$ задают симплектический базис векторного пространства $\Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+2D)$ из теоремы 1.

Эквивалентным образом эти векторные поля на $\mathrm{Jac}(X)$ можно описать с помощью формализма уравнений Лакса на алгебраических кривых, развитого первым автором в работах [5], [6]. Основными ингредиентами в [5], [6] являются стабильные векторные расслоения ранга $r$ и степени $rg$ и операторы Лакса, специальные мероморфные $r\times r$ матричнозначные $1$-формы $L(z)\,dz$ на римановой поверхности $X$ и мероморфные $r\times r$ матричнозначные функции $M(z)$.

Специализация к многообразию Якоби отвечает случаю $r=1$ и существенно упрощает конструкцию в работах [5], [6]. А именно, мероморфные $1$-формы $L(z)\, \mathrm{d} z$ – это дифференциалы первого рода $\vartheta\in H^0(X,K_X)$, а аналоги мероморфных функций $M(z)$ определяются следующим образом.

Рассмотрим векторное пространство

$$ \begin{equation*} \mathcal{L}_{D+D_0}=\{f\in\mathcal{M} \colon (f)+D+D_0\geqslant 0\}. \end{equation*} \notag $$
Как следует из теоремы Римана–Роха, $\dim_{\mathbb{C}}\mathcal{L}_{D+D_0}=g+1$. Таким образом, для любого выбора главных частей функций из $\mathcal{L}_{D+D_0}$ в точках дивизора $D_0$, отличного от тождественно равного нулю, существует единственная, с точностью до несущественной аддитивной константы, функция $f\in\mathcal{L}_{D+D_0}$, удовлетворяющая условиям
$$ \begin{equation} f(z)=\frac{\alpha_i}{z-z_i} +O(1),\qquad z_i=z(P_i), \end{equation} \tag{5.2} $$
во всех точках дивизора $D=P_1+\dots+P_g$. Функции $f$, параметризованные фиксированными главными частями в точках дивизора $D_0$, играют роль мероморфных функций $M(z)$ в случае $r=1$; коэффициенты $\alpha_i$ зависят от выбора главных частей в точках дивизора $D_0$.

Имеет место однозначное разложение

$$ \begin{equation*} \mathrm{d} f=\tau-\tau_0, \end{equation*} \notag $$
где $\tau\in\Omega^{(\mathrm{2nd})}(2D)$ (см. замечание 2) и $(\tau_0)+2D_0\geqslant 0$. По теореме о вычетах
$$ \begin{equation*} -\sum_{i=1}^g\operatorname*{Res}_{P_i}(f\vartheta)=\omega_X(\vartheta,\tau) =\omega_X(\vartheta,\tau_0),\qquad\vartheta\in H^0(X,K_X), \end{equation*} \notag $$
так что спаривание (2.22) в работе [5], задаваемое симплектической формой Кричевера–Фонга, совпадает со спариванием, задаваемым симплектической формой $\omega_X$.

Выбор симплектического базиса векторного пространства

$$ \begin{equation*} \Omega^{(\mathrm{2nd})}\cap H^0(X, K_X+ 2D) \end{equation*} \notag $$
устанавливает соответствие
$$ \begin{equation*} f\mapsto \mathscr{L}_{f}= - \sum_{i=1}^g\alpha_i\,\frac{\partial}{\partial z_i} \end{equation*} \notag $$
между рациональными функциями $f\in\mathcal{L}_{D+D_0}$ и векторными полями на многообразии $\mathrm{Jac}(X)$. Вдоль интегральной кривой $D(t)=P_1(t)+\dots +P_g(t)$ с начальным условием $D(0)=D$ для векторного поля $\mathscr{L}_{f}$ имеем
$$ \begin{equation} \dot{z}_i(t)=-\alpha_i(t),\qquad i=1,\dots, g, \end{equation} \tag{5.3} $$
где точка означает производную по переменной $t$. В случае, когда $X$ – это гиперэллиптическая кривая, уравнения (5.3) – это классические уравнения Дубровина из теории конечнозонного интегрирования уравнения Кортевега–де Фриза [7], записанные в терминах преобразования Абеля. Используя уравнения Дубровина, получаем, что вдоль интегральной кривой уравнения (5.2) приобретают вид
$$ \begin{equation} f_t(z)=-\frac{\dot{z}_i(t)}{z-z_i(t)} +O(1),\qquad i=1,\dots,g. \end{equation} \tag{5.4} $$
Таким образом, интегрируя и полагая
$$ \begin{equation*} \Psi(z)=\exp\biggl\{\int_0^{T}f_t(z)\,dt\biggr\}, \end{equation*} \notag $$
мы видим из (5.4), что $\Psi$ – это мероморфная функция на $X\setminus D_0$, имеющая простые полюса только в точках дивизора $D$, простые нули только в точках дивизора $D(T)$ и имеющая существенные особенности в точках дивизора $D_0$.

Функция $\Psi$ и есть знаменитая функция Бейкера–Ахиезера, введенная первым автором в работе [8]!

Мы предоставляем заинтересованному читателю описать явными формулами эту связь алгебраической теоремы де Рама с интегрируемыми системами.

Список литературы

1. W. V. D. Hodge, M. F. Atiyah, “Integrals of the second kind on an algebraic variety”, Ann. of Math. (2), 62 (1955), 56–91  crossref  mathscinet  zmath
2. A. Grothendieck, “On the de Rham cohomology of algebraic varieties”, Inst. Hautes Études Sci. Publ. Math., 29 (1966), 95–103  crossref  mathscinet  zmath
3. Ф. Гриффитс, Дж. Харрис, Принципы алгебраической геометрии, Мир, М., 1982, 864 с.  mathscinet  zmath; пер. с англ.: Ph. Griffiths, J. Harris, Principles of algebraic geometry, Pure Appl. Math., Wiley-Interscience [John Wiley & Sons], New York, 1978, xii+813 с.  mathscinet  zmath
4. Л. А. Тахтаджян, Л. Д. Фаддеев, Гамильтонов подход в теории солитонов, Наука, М., 1986, 528 с.  mathscinet  zmath; англ. пер.: L. D. Faddeev, L. A. Takhtajan, Hamiltonian methods in the theory of solitons, Classics Math., Reprint of the 1987 original, Springer, Berlin, 2007, x+592 с.  crossref  mathscinet  zmath
5. I. Krichever, “Vector bundles and Lax equations on algebraic curves”, Comm. Math. Phys., 229:2 (2002), 229–269  crossref  mathscinet  zmath  adsnasa
6. I. M. Krichever, “Isomonodromy equations on algebraic curves, canonical transformations and Whitham equations”, Mosc. Math. J., 2:4 (2002), 717–752  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
7. Б. А. Дубровин, “Периодическая задача для уравнения Кортевега–де Фриза в классе конечнозонных потенциалов”, Функц. анализ и его прил., 9:3 (1975), 41–51  mathnet  mathscinet  zmath; англ. пер.: B. A. Dubrovin, “Periodic problems for the Korteweg–de Vries equation in the class of finite band potentials”, Funct. Anal. Appl., 9:3 (1975), 215–223  crossref
8. И. М. Кричевер, “Интегрирование нелинейных уравнений методами алгебраической геометрии”, Функц. анализ и его прил., 11:1 (1977), 15–31  mathnet  mathscinet  zmath; англ. пер.: I. M. Krichever, “Integration of nonlinear equations by the methods of algebraic geometry”, Funct. Anal. Appl., 11:1 (1977), 12–26  crossref
9. О. Форстер, Римановы поверхности, Мир, М., 1980, 248 с.  mathscinet; пер. с нем.: O. Forster, Riemannsche Flächen, Heidelberger Taschenbucher, 184, Springer-Verlag, Berlin–New York, 1977, x+223 pp.  crossref  mathscinet  zmath
10. К. Шевалле, Введение в теорию алгебраических функций от одной переменной, Физматгиз, М., 1959, 334 с.  mathscinet  zmath; пер. с англ.: C. Chevalley, Introduction to the theory of algebraic functions of one variable, Math. Surveys, VI, Amer. Math. Soc., New York, 1951, xi+188 с.  mathscinet  zmath
11. M. Eichler, Introduction to the theory of algebraic numbers and functions, Transl. from the German, Pure Appl. Math., 23, Academic Press, New York–London, 1966, xiv+324 pp.  mathscinet  zmath
12. Л. А. Тахтаджян, “Квантовые теории поля на алгебраических кривых. I. Аддитивные бозоны”, Изв. РАН. Сер. матем., 77:2 (2013), 165–196  mathnet  crossref  mathscinet  zmath; англ. пер.: L. A. Takhtajan, “Quantum field theories on algebraic curves. I. Additive bosons”, Izv. Math., 77:2 (2013), 378–406  crossref  adsnasa
13. K. Iwasawa, Algebraic functions, Transl. from the Japan., Transl. Math. Monogr., 118, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1993, xxii+287 pp.  mathscinet  zmath
14. И. Кра, Автоморфные формы и клейновы группы, Мир, М., 1975, 296 с.  mathscinet; пер. с англ.: I. Kra, Automorphic forms and Kleinian groups, Math. Lecture Note Ser., W. A. Benjamin, Inc., Reading, MA, 1972, xiv+464 с.  mathscinet  zmath

Образец цитирования: И. М. Кричевер, Л. А. Тахтаджян, “Алгебраическая теорема де Рама и функция Бейкера–Ахиезера”, Изв. РАН. Сер. матем., 88:3 (2024), 101–110; Izv. Math., 88:3 (2024), 506–514
Цитирование в формате AMSBIB
\RBibitem{KriTak24}
\by И.~М.~Кричевер, Л.~А.~Тахтаджян
\paper Алгебраическая теорема де Рама и функция Бейкера--Ахиезера
\jour Изв. РАН. Сер. матем.
\yr 2024
\vol 88
\issue 3
\pages 101--110
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/im9533}
\crossref{https://doi.org/10.4213/im9533}
\mathscinet{https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=4767901}
\zmath{https://zbmath.org/?q=an:1544.14027}
\adsnasa{https://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/bib_query?2024IzMat..88..506K}
\transl
\jour Izv. Math.
\yr 2024
\vol 88
\issue 3
\pages 506--514
\crossref{https://doi.org/10.4213/im9533e}
\isi{https://gateway.webofknowledge.com/gateway/Gateway.cgi?GWVersion=2&SrcApp=Publons&SrcAuth=Publons_CEL&DestLinkType=FullRecord&DestApp=WOS_CPL&KeyUT=001387711200004}
\scopus{https://www.scopus.com/record/display.url?origin=inward&eid=2-s2.0-85197624622}
Образцы ссылок на эту страницу:
  • https://www.mathnet.ru/rus/im9533
  • https://doi.org/10.4213/im9533
  • https://www.mathnet.ru/rus/im/v88/i3/p101
  • Citing articles in Google Scholar: Russian citations, English citations
    Related articles in Google Scholar: Russian articles, English articles
    Известия Российской академии наук. Серия математическая Izvestiya: Mathematics
     
      Обратная связь:
     Пользовательское соглашение  Регистрация посетителей портала  Логотипы © Математический институт им. В. А. Стеклова РАН, 2025