Graduate Texts in Mathematics 97 Neal Koblitz Introduction to Elliptic Curves and Modular Forms |
Н.Коблиц Введение в эллиптические кривые и модулярные формы Перевод с английского О. В. Огиевецкого под редакцией Ю. И. Манина |
|||
Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg Tokyo 1984 |
Москва «Мир» 1988 |
|||
|
Американский математик Нил Коблиц известен русскому читателю по переводу его книги
Мне представляется, что эта хорошо задуманная и хорошо выполненная книга долго будет популярна у всех математиков, любящих теорию чисел, и у молодых в особенности.
В этой книге рассмотрены основные свойства эллиптических кривых и модулярных форм, особенно их теоретико-числовые аспекты. Главным примером и мотивировкой для большей части книги служит задача о конгруэнтных числах.
Я намеревался сделать этот предмет доступным для тех, кому трудно изучать более продвинутые или более алгебраически ориентированные работы. В то же время я хотел, чтобы книга включала в себя темы, находящиеся на переднем крае современных исследований. Основной текст и упражнения снабжены конкретными примерами, чтобы сделать материал интересным и увлекательным для математиков, работающих в областях, далёких от предмета этой книги.
Многочисленные упражнения (и ответы к ним) включены для того, чтобы книга стала полезной и для старшекурсников, прослушавших стандартные курсы вещественного и комплексного анализа и алгебры. Они смогут найти здесь приложения изученного материала, углубив тем самым своё понимание некоторых основных приёмов, постоянно применяемых в разных областях математики. Студенты, выбравшие своей специальностью теорию чисел или алгебраическую геометрию, найдут в этой книге мотивированное и снабжённое многими примерами введение в предмет, а студенты младших курсов могут использовать её для курсовых работ и для обсуждений на семинарах.
Эта книга написана на основе записей лекций, которые я прочёл в Вашингтонском университете в
Рисунок на фронтисписе выполнен профессором А. Т. Фоменко из Московского государственного университета. Этот рисунок иллюстрирует тему этой книги. На нём изображено семейство эллиптических кривых (торов), возникающее в задаче о конгруэнтных числах. Эллиптическая кривая, соответствующая натуральному числу n, разветвляется в точках 0, ∞, n и
Примечание: литературные ссылки даются в виде [Автор год]; в случае, когда в списке литературы участвует несколько работ одного автора, вышедших в одном и том же году, мы ставим буквы a,
Сиэтл, Вашингтон | Нил Коблиц |
АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ Изображена «трёхмерная модель» деформации римановой поверхности алгебраической функции A. Т. Фоменко. «Математика и миф сквозь призму геометрии». М., Изд-во МГУ, 2001. |
В теории эллиптических кривых и модулярных форм соединяются самые разные ветви математики: комплексный анализ, алгебраическая геометрия, теория представлений, теория чисел. Хотя мы будем придерживаться теоретико-числовой точки зрения, нам придётся использовать технику, изучаемую в стандартных курсах комплексного и вещественного анализа и алгебры. Теория чисел богата гипотезами и теоремами, формулировки которых доступны старшеклассникам, а доказательства либо не найдены, либо, в отдельных случаях, венчают усилия многих десятилетий исследовательской работы и используют самые сильные технические средства математики двадцатого века.
Круг вопросов, обсуждаемых в этой книге, мотивирован одной из таких теорем. Её содержание составляет недавно открытое Дж. Туннеллом изящное описание так называемых «конгруэнтных чисел» [Tunnell 1983]. Мы не сможем доказать все необходимые результаты; тем не менее, большая часть теоремы Туннелла будет разобрана во всех подробностях.
Теорема Туннелла даёт почти исчерпывающее решение древней задачи: найти простой способ определять, является ли данное целое число n площадью прямоугольного треугольника с рациональными длинами сторон. Натуральное число n называется конгруэнтным, если существует прямоугольный треугольник, все стороны которого рациональны, а площадь равна n. Например, 6 площадь треугольника со сторонами 3, 4 и 5 и, следовательно, 6 конгруэнтное число.
Прямоугольные треугольники с целочисленными сторонами X, Y, Z («пифагоровы тройки») изучались в Древней Греции Пифагором, Евклидом, Диофантом и др. Основным открытием этих математиков был простой способ построения всех таких треугольников. А именно, выберем пару целых положительных чисел a и b, таких, что
u = | a2 b2 a2 + b2 |
, v = | 2ab a2 + b2 |
. |
Тогда целые числа
Некоторые из чисел n, возникающих как площади рациональных прямоугольных треугольников, изучались в Греции. Однако первое систематическое обсуждение задачи о конгруэнтных числах было предпринято,
После этого многие математики тратили значительные усилия на исследование отдельных случаев задачи о конгруэнтных числах. В частности, Эйлер первым показал, что
Со временем стало известно, что числа 1, 2, 3, 4 не являются конгруэнтными, а 5, 6, 7 являются. Однако попытка найти непосредственный критерий конгруэнтности данного числа n казалась безнадёжной. В двадцатом веке произошло существенное продвижение в понимании этой задачи. Она оказалась включённой в рамки арифметической теории эллиптических кривых. Именно эта теория позволила Туннеллу доказать свою замечательную теорему.
Часть этой теоремы звучит так (полная формулировка будет приведена позже):
Теорема (Туннелл). Пусть n нечётное натуральное число, свободное от квадратов. Рассмотрим два условия:
(A) | n конгруэнтно; |
(B) | число троек целых чисел |
Тогда из (A) следует (B); кроме того, если верна слабая форма так называемой гипотезы БёрчаСуиннертон-Дайера, то из (B)
Основные понятия, необходимые для доказательства теоремы Туннелла, это
Дадим сначала более общее определение конгруэнтного числа. Положительное рациональное число
Заметим, что в определении конгруэнтного числа стороны треугольника должны быть только рациональными, не обязательно целыми. В то время как
11/2 | 65/6 |
62/3 |
Имеется простой алгоритм, использующий пифагоровы тройки, который позволяет в принципе перечислить все конгруэнтные числа (см. задачи ниже). К сожалению, для данного числа n нельзя сказать, как долго придётся ждать появления числа n, если оно конгруэнтно; таким образом, то, что n не появилось, ещё не означает, что оно неконгруэнтно может быть, мы просто ждали недостаточно долго. С практической точки зрения, теорема Туннелла замечательна тем, что
Предположим теперь, что X, Y, Z стороны прямоугольного треугольника с площадью n. Это означает, что
Предложение 1. Пусть n положительное целое свободное от квадратов число; X, Y, Z, x всегда будут обозначать рациональные числа с
Соответствие задаётся следующими формулами:
X, Y, Z → | x = (Z/2)2 |
x → | X = √x+n √xn, Y = √x+n + √xn, Z = 2√x. |
В частности, число n конгруэнтно тогда и только тогда, когда существует такое число x, что все три числа x,
Доказательство. Сперва предположим, что X, Y, Z нужная нам тройка:
1. Напомним, что пифагорова тройка (X,Y,Z) это решение уравнения
2. Используя задачу 1, составьте блок-схему алгоритма, который перечисляет все свободные от квадратов конгруэнтные числа (конечно, не в возрастающем порядке). Выпишите, следуя вашему алгоритму, первые двенадцать различных конгруэнтных чисел. Заметим, что узнать, когда данное конгруэнтное число n впервые появится в списке, невозможно. Например, 101 конгруэнтное число, но первая пифагорова тройка, которая приводит к треугольнику с площадью
X = |
|
|||
Y = |
|
|||
Z = | 224403517704336969924557513090674863160948472041 8912332268928859588025535178967163570016480830 |
. |
3. (a) Покажите, что если бы 1 было конгруэнтным числом, то уравнение (b) Покажите, что 1 не является конгруэнтным числом. (Замечание: отсюда следует последняя теорема Ферма для
4. Закончите доказательство предложения 1, показав, что две различные тройки X, Y, Z не могут привести к одному и
5. (a) Найдите (b) Найдите (c) Найдите два значения
6. (a) Покажите, что условие (B) теоремы Туннелла эквивалентно следующему условию: число способов, которыми n может быть записано в виде (b) Напишите блок-схему алгоритма, проверяющего для
7. (а) Покажите, что условие (B) теоремы Туннелла выполнено в случае, когда n сравнимо с 5 или 7 по (b) Проверяя условие (B) для всех свободных от квадратов чисел n, сравнимых с 1 или 3 по (c) По теореме Туннелла число, найденное в пункте (b), будет наименьшим конгруэнтным числом, сравнимым с 1 или 3 по
[· · ·]
Теорема ([Tunnell 1983]). Если n нечётное (соответственно чётное) свободное от квадратов положительное число, равное площади некоторого прямоугольного треугольника с рациональными сторонами, то
# | { | x, y, zÎZ | n = 2x2 + y2 + 32z2 | } | = | 1 2 |
# | { | x, y, zÎZ | n = 2x2 + y2 + 8z2 | } |
(соответственно
# | { | x, y, zÎZ | | | n 2 |
= 4x2 + y2 + 32z2 | } | = | 1 2 |
# | { | x, y, zÎZ | | | n 2 |
= 4x2 + y2 + 8z2 | } | ). |
Обратно, если слабая гипотеза БёрчаСуиннертон-Дайера верна для эллиптических кривых
На рисунке мы схематически изобразили основные этапы рассуждений.
число n конгруэнтно | ||
элементарная часть (гл. I) | ||
кривая бесконечно много рациональных точек | ||
гипотеза Бёрча Суиннертон-Дайера КоутсУайлс | ||
L(En, 1) = 0 | ||
Теоремы Шимуры, Вальдспургера, Туннелла | ||
n-й коэффициент q-разложения произведения Туннелла равен нулю |
Отметим, что совсем недавно Б. X. Гроссу и Д. Цагиру ([Gross, Zagier 1983]) удалось показать, что слабая гипотеза БёрчаСуиннертон-Дайера верна для кривых En для широкого класса
Как упоминалось в гл. I, практическое значение теоремы Туннелла состоит в том. что она даёт эффективный и быстрый алгоритм для определения того, конгруэнтно ли данное
Только в одном смысле теорема Туннелла всё ещё остаётся не полностью удовлетворительным решением древней задачи о конгруэнтных числах: в одном направлении она опирается на слабую гипотезу БёрчаСуиннертон-Дайера для некоторых эллиптических кривых. Но за последнее время были достигнуты значительные успехи в доказательстве этой гипотезы для достаточно широкого класса кривых, включающего
Замечательно, что полученное теперь близкое к полному решение такого старого и наивного вопроса, как задача о конгруэнтных числах, потребовало привлечения самых мощных и изощрённых средств из разнообразных областей математики двадцатого века.
1. | Боревич З. И., Шафаревич И. Р. Теория чисел. |
2. | Манин Ю. И. Круговые поля и модулярные кривые. УМН, 26, 6 (1971). |
3. | Шафаревич И. Р. Основы алгебраической геометрии. М.: Наука, 1972. |
Alter R. The congruent number problem. Amer. Math. Monthly 87 (1980),
Andrews G. E. The theory of partitions. Addison-Wesley, 1976. [Имеется перевод: Эндрюс Г. Теория разбиений. М.: Наука, 1982.]
Arthaud N. On Birch and Swinnerton-Dyer's conjecture for elliptic curves with complex multiplication. Compositio Math. 37 (1978),
Artin E. The Gamma Function. Holt, Rinehart & Winston, 1964.
Artin E. Collected Papers.
van Asch A. G. Modular forms of half integral weight, some explicit arithmetic. Math. Ann. 262 (1983),
Atkin A. O. L., Lehner J. Hecke operators
Bellman R. A Brief Introduction to Theta Functions. Holt, Rinehart & Winston, 1961.
Birch B. J. Conjectures on elliptic curves. Amer. Math. Soc. Proc. Symp. Pure Math. 8 (1963),
Birch B. J. Heegner points on elliptic curves. Symp. Math. Ist. d. Alta Mat. 15 (1975),
Birch B. J., Swinnerton-Dyer H. P. F. Notes on elliptic curves I and II. J. Reine Angew. Math. 212 (1963),
Brumer A., Kramer K. The rank of elliptic curves. Duke Math. J. 44 (1977),
Cassels J. W. S. Diophantine equations with special reference to elliptic curves. J. London Math. Soc. 41 (1966),
Cassels J. W. S., Frölich A., eds. Algebraic Number Theory. Academic Press, 1967. [Имеется перевод: Алгебраическая теория чисел. Под ред. Дж. Касселса и А. Фрёлиха. М.: Мир, 1969.]
Coates J. The arithmetic of elliptic curves with complex multiplication. Proc. Int. Cong. Math. Helsinki (1978),
Coates J., and Wiles A. On the conjecture of Birch and
Cohen H. Sommes de carrés, fonctions L et formes modulaires. C. R. Acad. Sc. Paris 277 (1973),
Cohen H. Sums involving the values at negative integers of
Cohen H. Variations sur un Thème de Siegel et Hecke. Acta Arith. 30 (1976),
Cohen H., Oesterlé J. Dimensions des espaces de formes modulaires. Springer-Verlag Lecture Notes in Math. 627 (1976),
Davenport H., Hasse H. Die Nullstellen der Kongruenz-zetafunktionen in gewissen zyklischen Fällen. J. Reine Angew. Math. 172 (1935),
Deligne P. Valeurs de fonctions L et périodes d'intégrales. Amer. Math. Soc. Proc. Symp. Pure Math. 33 (1979), Part 2,
Deligne P., Serre J.-P. Formes modulaires de poids 1. Ann. Sci. Ecole Norm. Sup. 7 (1974),
Dickson L. E. History of the theory of numbers. Chelsea, 1952.
Dirichlet P. G. L. Werke. Chelsea, 1969.
Dwork B. On the rationality of the zeta function. Amer. J. Math. 82 (1960),
Eichler М., Zagier D. On the Theory of Jacobi forms. Birkhauser, 1984.
Flicker Y. Automorphic forms on covering groups of GL(2). Invent. Math. 57 (1980),
Gelbart S. Weil's Representation and the Spectrum of the metaplectic group. Lecture Notes in Math. 530, Springer-Verlag, 1976.
Goldfeld D. Sur les produits partiels eulériens attachés aux courbes elliptiques. C. R. Acad. Sc. Paris 294 (1982),
Goldfeld D., Hoffstein J., Patterson S. J. On automorphic functions of
Goldfeld D., Viola C. Mean values of
Goldfeld D., Viola C. Some conjectures on elliptic curves over cyclotomic fieds. Trans. Amer. Math. Soc. 276 (1983),
Greenberg R. On the Birch and
Gross B. H. Arithmetic on Elliptic Curves with Complex Multiplication. Lecture Notes in Math. 776, Springer-Verlag, 1980.
Gross B. H., Zagier D. On the critical values of Hecke
Gross B. H., Zagier D. Points de Heegner et dérivées de
Gunning R. C. Lectures on modular forms. Princeton Univ. Press, 1962. [Имеется перевод: сб. Математика 8:6 (1964),
Guy R. К. Unsolved Problems in Number Theory. Springer-Verlag, 1981.
Hardy G. H. On the representation of a number as the sum of any number of squares, and in particular of five or seven. Proc. Nat. Acad. Sci. 4 (1918),
Hardy G. H. On the representation of a number as the sum of any number of squares, and in particular of five. Trans. Amer. Math. Soc. 21 (1920),
Hardy G. H., Wright E. M. An Introduction to the Theory of Numbers. 4th ed., Oxford Univ. Press, 1960.
Hartshorne R. Algebraic Geometry. Springer-Verlag, 1977. [Имеется перевод: Хартсхорн Р. Алгебраическая геометрия. М.: Мир, 1981.]
Hasse H. Number Theory. Springer, 1980. [Имеется перевод: Хассе Г. Лекции по теории чисел. М.: ИЛ, 1953.]
Hecke E. Über die Bestimmung Dirichletscher Reihen durch ihre Funktionalgleichung. Math. Ann. 112 (1936),
Hecke E. Herleitung des Euler-Produktes der Zetafunktion und einiger
Hecke E. Lectures on the Theory of Algebraic Numbers. Springer-Verlag, 1981. [Имеется перевод: Гекке Э. Лекции по теории алгебраических чисел. М.Л.: Гостехиздат, 1940.]
Hecke E. Lectures on Dirichlet Series, Modular Functions and Quadratic Forms. Vandenhoeck and Ruprecht, 1983.
Ireland K., Rosen M. A Classical Introduction to Modern Number Theory. Springer-Verlag, 1982. [Имеется перевод: Айерлэнд К., Роузен М. Классическое введение в современную теорию чисел. М.: Мир, 1987.]
Katz N. An overview of Deligne's proof of the Riemann hypothesis for varieties over finite fields. Amer. Math. Soc. Proc. Symp. Pure Math. 28 (1976),
Katz N. p-adic interpolation of real analytic Eisenstein series. Ann. Math. 104 (1976),
Koblitz N. p-adic numbers, p-adic Analysis, and
Koblitz N. p-adic Analysis: a Short Course on Recent Work. Cambridge Univ. Press, 1980.
Koblitz N. Why study equations over finite fields? Math. Magazine 55 (1982),
Kohnen W. Modular forms of half integral weight
Kohnen W. Beziehungen zwischen Modulformen halbganzen Gewichts und Modulformen ganzen Gewichts. Bonner Math. Scriften, 131 (1981).
Kohnen W. Newforms of half-integral weight. J. Reine und Angew. Math. 333 (1982),
Kohnen W., Zagier D. Values of L-series of modular forms at the center of the critical strip. Invent. Math. 64 (1981),
Lang S. Algebraic Number Theory. Addison-Wesley, 1970.
Lang S. Elliptic Functions. Addison-Wesley, 1973. [Имеется перевод: Ленг С. Эллиптические функции. М. Наука, 1984.]
Lang S. Introduction to Modular Forms. Springer-Verlag, 1976. [Имеется перевод: Ленг С. Введение в теорию модулярных форм. М.: Мир, 1979.]
Lang S. Sur la conjecture de
Lang S. Elliptic Curves Diophantine Analysis. Springer-Verlag, 1978.
Lang S. Units and class groups in number theory and algebraic geometry. Bull. Amer. Math. Soc. 6 (1982),
Lang S. Algebra. Benjamin/Cummings, 1984. [Имеется перевод: Ленг С. Алгебра. М.: Мир, 1968.]
Le Veque W. J. Fundamentals of Number Theory. Addison-Wesley, 1977.
Manin Yu. I. Modular forms and number theory. Proc. Int. Cong. Math. Helsinki (1978),
Marcus D. Number Fields. Springer-Verlag, 1977.
Modular Functions of One Variable IV. Lecture Notes in Math. 476, Springer-Verlag, 1975.
Moreno C. J. The higher reciprocity laws: an example. J. Number Theory 12 (1980),
Mumford D. Algebraic Geometry 1: Complex Projective Varieties. Springer-Verlag, 1976. [Имеется перевод: Мамфорд Д. Алгебраическая геометрия I: Комплексные проективные многообразия. М.: Мир, 1979.]
Niwa S. Modular forms of
Ogg A. Modular Forms and Dirichlet Series.
Rankin R. A. Modular Forms and Functions. Cambridge Univ. Press, 1977.
Schoeneberg B. Elliptic Modular Functions: an Introduction. Springer-Verlag, 1974.
Serre J.-P. Formes modulaires et functions zeta
Serre J.-P. A Course in Arithmetic. Springer-Verlag, 1977. [Имеется перевод:
Serre J.-P., Stark H. M. Modular forms of
Shimura G. Introduction to the Arithmetic Theory of Automorphis Functions. Princeton Univ. Press, 1971. [Имеется перевод: Шимура Г. Введение в арифметическую теорию автоморфных функций. М.: Мир, 1973.]
Shimura G. On modular forms of
Shimura G. Modular forms of
Shintani T. On construction of holomorphic cusp forms of
Siegel C. L. On Advanced Analytic Number Theory. Tata Institute (Bombay), 1961.
Stephens N. M. Congruence properties of congruent numbers. Bull. London Math. Soc. 7 (1975),
Swinnerton-Dyer H. P. F. The conjectures of Birch and
Tate J. The arithmetic of elliptic curves. Invent. Math. 23 (1974),
Tunnell J. A classical Diophantine problem and modular forms of
Vignéras M.-F. Valeur au centre de symmétrie des
van der Waerden B. L. Algebra (2 vols.). Frederick Ungar, 1970. [Имеется перевод: ван дер Варден Б. Л. Алгебра. М.: Наука, 1976.]
Waldspurger J. L. Correspondance de Shimura. J. Math. Pures et Appl. 59 (1980),
Waldspurger J. L. Sur les coefficients de Fourier des formes modulaires de poids
Walker R. J. Algebraic Curves. Springer-Verlag, 1978. [Имеется перевод: Уокер Р. Алгебраические кривые. М.: ИЛ, 1952.]
Washington L. Introduction to Cyclotomic Fields. Springer-Verlag, 1982.
Weil A. Number of solutions of equations in finite fields. Bull. Amer. Math. Soc. 55 (1949),
Weil A. Jacobi sums as «Grössencharaktere». Trans. Amer. Math. Soc. 73 (1952),
Weil A. On a certain type of characters of the idèle-class group of an algebraic number field. Proc. Intern. Symp. on Alg. Num. Theory, TokyoNikko (1955),
Weil A. Über die Bestimmung Dirichletscher Reihen durch Funktionalgleichungen. Math. Ann. 168 (1967),
Weil A. Review of «The mathematical career of Pierre de Fermat» by M. S. Mahoney. Bull. Amer. Math. Soc. 79 (1973),
Weil A. Basic Number Theory, 3rd ed. Springer-Verlag, 1974. [Имеется перевод: Вейль А. Основы теории чисел. М.: Мир, 1972.]
Weil A. Sur les sommes de trois et quatre carrés. L'Enseignement Math. 20 (1974),
Weil A. La cyclotomie jadis et naguère. Sém. Bourbaki No. 452. In: Springer-Verlag Lecture Notes in Math. 431 (1975),
Weil A. Sommes de Jacobi et caractères de Hecke. Gött. Nachr. Nr. 1 (1974), 14 pp. (Collected Papers, Vol. III,
Weil A. Number Theory: an Approach through History from Hammurapi to Legendre. Birkhauser, 1983.
Whittaker E. T., Watson G. N. A Course of Modern Analysis,
Zagier D. Nombres de classes et formes modulaires de
Zagier D. Modular forms associated with real quadratic fields. Invent. Math. 30 (1975),
Zagier D. On the values at negative integers of the zeta function of real quadratic fields. l'Enseignement Math. 22 (1976),
Zagier D. Modular forms whose Fourier coefficients involve zeta-functions of quadratic fields. Springer Lecture Notes in Math. 627 (1977),