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$\text{SL}_2(\mathbb Z)$ actúa en el plano superior$\mathbb H$. ¿Qué tipo de puntos tiene el estabilizador no trivial? ¿Y cuántas órbitas hay?

$\text{SL}_2(\mathbb Z)$ actúa sobre la parte superior del avión $\mathbb H= \{z \in \mathbb{C} | \Im(z) > 0 \}$ a través de la transformación de Möbius. $$ \text{ Para } \gamma =\begin{bmatrix} a &b \\c&d \end{bmatrix} \\text{SL}_2(\mathbb Z), \ \gamma z =\begin{bmatrix} a &b \\c&d \end{bmatrix}\cdot z = \frac{az +b}{cz+d} $$

Estabilizador de $z$ medios $\{\gamma \in \text{SL}_2(\Bbb Z), \gamma z=z\}$.

Quiero saber qué tipo de puntos de no-trivial, el estabilizador y el número de órbitas.

Mi esfuerzo: Para $z \in \Bbb H$, supongamos $z = x + i y$.

$\text{For } \gamma =\begin{bmatrix} a &b \\c&d \end{bmatrix}, \gamma z =\frac{az+b}{cz+d}=z\iff az+b=cz^2+dz$

$$\iff ax+ayi+b = cx^2-cy^2+2cxyi + dx +dyi$$ $$\iff ay=2cxy+dy\ \&\ ax+b=cx^2-cy^2+dx$$ $$\iff a=2cx+d \ \&\ ax+b=cx^2-cy^2+dx$$ $$\implies b=-c(x^2+y^2),\ \gamma =\begin{bmatrix} 2cx+d &-c(x^2+y^2) \\c&d \end{bmatrix}.$$

$$\gamma \in \text{SL}_2(\Bbb Z),\ (2cx+d)\times d-(-c(x^2+y^2))\times c=1 $$ $$\implies (cx+d)^2+(cy)^2=1.$$

Entonces, ¿cómo proceder? Gracias de antemano.

No he aprendido de forma modular, sin embargo, y no sé si estos ayudan a:

Buena descripción de las órbitas de la mitad superior del plano bajo $SL_2 (Z)$

La órbita de la unidad compleja $i$ bajo moebius tranformation en $SL_2(\mathbb{Z})$

Editar:

GTM$105$, Serge Lang, SL$_2(\mathbb R)$ podría ayudar.

Comentario:

Es un ejercicio de una sección acerca de la acción del grupo sobre el conjunto, y antes de esta sección del libro presenta la definición y propiedades básicas de grupo, por lo que este problema es un poco más difícil de lo que pensaba.

5voto

Console Puntos 608

El grupo $\mathrm{PSL}_2(\mathbf{Z})$ es un producto libre de $C_2\ast C_3$, y de ahí su no trivial de torsión de elementos de orden 2 o 3, y tiene 1 clase conjugacy de subgrupo cíclico de orden 2 (un representante de la es $z\mapsto -1/z$ con punto fijo $i$), 1 clase conjugacy de subgrupo cíclico de orden 3 (un representante generados por $z\mapsto -1/(1+z)$, la fijación de $j$, la única raíz de $1+z+z^2$ en la mitad superior del plano). Los elementos de orden infinito no tienen ningún punto fijo en $\mathbf{H}$.

Así que los puntos con los que no son triviales estabilizador son aquellos en los que la órbita de $i$ y de la órbita de $j$. Ellos no están en la misma órbita ya que de lo contrario el estabilizador debe contener un elemento de orden 6.

4voto

Zvi Puntos 180

En algún momento usted ha $b=-c(x^2+y^2)$ e $a=2cx+d$. Si $c=0$, a continuación, $b=0$, en cuyo caso el elemento $\begin{pmatrix} a&b\\c&d\end{pmatrix}$ de la proyectiva especial lineales grupo $\operatorname{PSL}_2(\Bbb Z)$ de este formulario es el elemento de identidad (recordando que $\operatorname{PSL}_2(\Bbb Z)=\operatorname{SL}_2(\Bbb{Z})/\{\pm I\}$), por lo que no nos interesa en este caso. Así, $c$ se supone que ser distinto de cero, y sin pérdida de generalidad supone que ser positivo.

Que es, $x=\frac{a-d}{2c}$, por lo que $$-\frac{b}{c}=x^2+y^2=\frac{(a-d)^2}{4c^2}+y^2.$$ Desde $y>0$, tenemos $$y=\frac{\sqrt{4-(a+d)^2}}{2c},$$ which means $d=-$ or $d=-\pm1$.

En el caso de $d=-a$, debemos tener $x=\frac{a}{c}$ e $y=\frac{1}{c}$. Para un punto dado, $z=x+yi$ de esta forma que se fija por un no-trivial $\gamma\in\operatorname{PSL}_2(\Bbb{Z})$, podemos asumir que $$\gamma=\begin{pmatrix}a&b\\c&-a\end{pmatrix}\wedge bc=-(a^2+1).\tag{1}$$ That is, $\gamma^2$ is the identity of $\operatorname{PSL}_2(\Bbb{Z})$. The points in $\Bbb H$ with a stabilizer of order $2$ are of the form $z=x+yi$, donde $$x=\frac{a}{c}\wedge y=\frac{1}{2c}$$ para algunos entero $a$ y para algunos entero $c>0$, de tal manera que $a^2+1$ es divisible por $c$ (de modo que no existe $b\in \Bbb Z$ tal que $bc=-(a^2+1)$). El número de órbitas para un determinado $a$ es $\sigma_0(a^2+1)$, donde $\sigma_0$ es el divisor función de conteo.

Para el caso de $d=-a+1$, podemos ver que $x=\frac{2a-1}{2c}$ e $y=\frac{\sqrt{3}}{2c}$. A continuación, $z=x+yi$ es fijo por $$\gamma=\begin{pmatrix}a&b\\c&-a+1\end{pmatrix}\wedge bc=-(a^2-a+1).\tag{2}$$ Tenga en cuenta que $\gamma^3$ es la identidad de $\operatorname{PSL}_2(\Bbb{Z})$. Por lo tanto, para un determinado $a$, son correspondientes a$\sigma_0(a^2-a+1)$ puntos $z\in \Bbb H$.

Para el caso de $d=-a-1$, podemos ver que $x=\frac{2a+1}{2c}$ e $y=\frac{\sqrt{3}}{2c}$. A continuación, $z=x+yi$ es fijo por $$\gamma=\begin{pmatrix}a&b\\c&-a-1\end{pmatrix}\wedge bc=-(a^2+a+1).\tag{3}$$ Tenga en cuenta que $\gamma^3$ es la identidad de $\operatorname{PSL}_2(\Bbb{Z})$. Por lo tanto, para un determinado $a$, son correspondientes a$\sigma_0(a^2+a+1)$ puntos $z\in \Bbb H$. (Puede verse que en este caso es idéntica a la del caso anterior a través de la transformación de $a\mapsto a-1$.)

Por ejemplo, $x=\frac{3}{5}$ e $y=\frac{1}{5}$ se ajustan a la ley (con $a=3$, $b=-2$, $c=5$, e $d=-a=-3$) para un punto con estabilizador de orden $2$, $$\gamma=\begin{pmatrix}3&-2\\5&-3\end{pmatrix}.$$ Para el mismo $a=3$, hay tres puntos más con stablizers de orden $2$, es decir, con $c=1$, $c=2$, e $c=10$. Es decir, para $a=3$, tenemos un total de cuatro puntos con los no-trivial estabilizadores $\gamma$ orden $2$: $z=3+i$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-10\\1&-3\end{pmatrix}$, $z=\frac{3}{2}+\frac{i}{2}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-5\\2&-3\end{pmatrix}$, $z=\frac{3}{5}+\frac{i}{5}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-2\\5&-3\end{pmatrix}$, e $z=\frac{3}{10}+\frac{i}{10}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-1\\10&-3\end{pmatrix}$.

Para el mismo $a=3$, también hay cuatro puntos con los estabilizadores de la orden de $3$. Es decir, para $a=3$, tenemos cuatro puntos con los no-trivial estabilizadores $\gamma$ orden $3$: $z=\frac52+\frac{\sqrt{3}i}{2}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-7\\1&-2\end{pmatrix}$, $z=\frac{5}{14}+\frac{\sqrt{13}i}{14}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-1\\7&-2\end{pmatrix}$, $z=\frac{7}{2}+\frac{\sqrt{3}i}{2}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-13\\1&-4\end{pmatrix}$, e $z=\frac{7}{26}+\frac{\sqrt{3}i}{26}$ con $\gamma=\begin{pmatrix}3&-1\\13&-4\end{pmatrix}$.

En conclusión, hay tres tipos de puntos de $z\in\Bbb H$---los con trivial estabilizadores, aquellos con los estabilizadores de la orden de $2$, y aquellos con los estabilizadores de la orden de $3$. El stablizers en la no-trivial de los casos son generados por $\gamma$ dada en (1) y (2).

3voto

Zvi Puntos 180

Me acabo de dar cuenta que los puntos con los estabilizadores de la orden de $2$ están en la misma órbita, y los puntos con los estabilizadores de la orden de $3$ están en la misma órbita. Hay por lo tanto dos órbitas no triviales estabilizadores. La respuesta anterior es demasiado largo y el navegador se está convirtiendo lenta, así que tengo que agregar otra respuesta.

En el caso de los estabilizadores de la orden de $2$, cabe recordar que la $c\mid a^2+1$. Utilizando el conocimiento acerca de los enteros de Gauss (en particular, la única factorización de la propiedad), $c$ puede ser escrito como $$r^2+s^2=(r+si)(r-si)$$ for some $r,s\en\Bbb{Z}$ such that $r-si$ divides $+i$. That is, $$\frac{a+i}{r-si}=p+qi$$ for some $p,q\in\Bbb{Z}$. Then observe that $$\begin{pmatrix}q&p\\s&r\end{pmatrix}\cdot i=\frac{p+qi}{r+si}=\frac{(p+qi)(r-si)}{r^2+s^2}=\frac{a+i}{r^2+s^2}=\frac{a}{c}+\frac{i}{c}.$$ Por lo tanto, $\frac{a}{c}+\frac{i}{c}$ está en la órbita de $i$.

En el caso de los estabilizadores de la orden de $3$, podemos asumir WLOG que estamos en el caso de $d=-a+1$, donde $c\mid a^2-a+1$. Deje $\omega$ denotar $-\frac12+\frac{\sqrt{3}i}{2}$. Utilizando el conocimiento acerca de Eisenstein enteros (en particular, la única factorización de la propiedad), $c$ puede ser escrito como $$r^2-rs+s^2=(r+s\omega)(r+s\overline{\omega})$$ for some $r,s\en \Bbb Z$ such that $r+s\overline{\omega}$ divides $+\omega$. That is, $$\frac{a+\omega}{r+s\overline{\omega}}=p+q\omega$$ for some $p,q\in \Bbb Z$. Finalmente, se observa que la $$\begin{pmatrix}q&p\\s&r\end{pmatrix}\cdot\omega=\frac{p+q\omega}{r+s\omega}=\frac{(p+q\omega)(r+s\overline{\omega})}{r^2-rs+s^2}=\frac{a+\omega}{c}=\frac{2a-1}{2c}+\frac{\sqrt{3}i}{2c}.$$ Por lo tanto, $\frac{2a-1}{2c}+\frac{\sqrt{3}i}{2c}$ está en la órbita de $\omega$.

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