在复射影空间上轨道问题是第一个不平凡的轨道研究问题.在这个问题上Bando和Ohnita[1]讨论CPn中的齐性二维球面,给出奠基性的成果,为后人广泛引用,也被平行推广得到很多结论,见文献[2-5].但他们的研究手法偏于用李代数或者微分方程,对群作用的不变多项式为零所能判别的某个一元n次方程的根重数和根分布的结果可决定轨道维数,这一观点没有指出.在复射影空间的SU(2)三维轨道上,也缺乏正面表达的结论.
本文从根分布的角度给出Bando-Ohnita对齐性二维球面分类结果的更加明显的刻画,求出了决定齐性二维球面的SU(2)轨道的李群多项式表示的显式表达式.证明复射影空间中SU(2)轨道的维数取决于一个对应的扩大复平面系数上的一元n次方程的重根和负共轭倒数根对分布.把SU(2)轨道维数归结为黎曼球面上n个点是否重合或成为对径点的问题.这为SU(2)轨道的深入研究提供了新方法.另一方面对SU(2)三维轨道也初步研究了其性质好坏与根分布的关系.
1 SU(2)的复表示在这一节中,我们将采用与文献[3]中相同的一些符号记法.下边先回顾SU(2)不可约表示的一些基本性质.
SU(2)定义为
$SU\left( 2 \right)\left\{ g=\left( \begin{matrix} a & -\overline{b} \\ b & \overline{a} \\ \end{matrix} \right) \right\};a,b\in C,{{\left| a \right|}^{2}}+{{\left| b \right|}^{2}}=1$ |
接着,考虑SU(2)的复表示.令Vn为一个(n+1)维的复向量空间,它由关于变量z0和z1的n次齐次多项式构成.在 Vn定义一种Hermitian内积(,),使得
$u_{k}^{\left( n \right)}=\frac{1}{\sqrt{k!\left( n-k \right)!}}z_{0}^{n-k}z_{1}^{k};0\le k\le n$ |
是Vn的一组酉基.由此,定义实内积为〈,〉=Re(,).SU(2)在Vn的不可约复表示ρn定义为:
${{\rho }_{n}}\left( g \right)p\left( {{z}_{0}},{{z}_{1}} \right):p\left( a{{z}_{0}}+b{{z}_{1}},-\overline{b}{{z}_{0}}+\overline{a}{{z}_{1}} \right)$ | (1) |
其中g∈SU(2),p∈Vn. 因为ρn(g)u(n)k∈Vn,可以记
${{\rho }_{n}}\left( g \right)u_{k}^{\left( n \right)}=\sum\limits_{i=0}^{n}{\lambda _{k}^{i}\left( a,b \right)u_{i}^{\left( n \right)}}$ |
其中
$\begin{align} & \lambda _{k}^{i}\left( a,b \right)=\sqrt{\frac{i!\left( n-i \right)!}{k!\left( n-k \right)!}\mu }, \\ & \mu =\sum\limits_{h+r=n-i}{\left( \begin{matrix} n-i \\ h \\ \end{matrix} \right)\left( \begin{matrix} i \\ r \\ \end{matrix} \right){{a}^{h}}{{\left( \overline{a} \right)}^{k-r}}{{b}^{n-k-h}}{{\left( -\overline{b} \right)}^{r}}.} \\ \end{align}$ | (2) |
我们将Vn等同于(n+1)维复向量空间Cn+1,在这种等同下,每一个线性自同态ρn(g)都可以由矩阵(λik(a,b))来表示,于是有李群同态:
$\begin{align} & {{\rho }_{n}}:SU\left( 2 \right)\to U\left( n+1 \right) \\ & g\mapsto {{\rho }_{n}}\left( g \right)=\left( \lambda _{k}^{i}\left( a,b \right) \right). \\ \end{align}$ | (3) |
为使上一节介绍的李群多项式表示成为一个变元,我们引入扩大复平面S2=C∪∞来紧化复数域,对多项式表示空间也重新约定:用扩大复平面上的一元n次复变量z的多项式全体表示Cn+1,用其上的多项式在非零常复数倍下的等价类[f]来表示CPn,则[f]由该多项式的零点集合完全确定.低于n次的是退化的情形,也可写成n个因子相乘,有些因子退化成0z+1认为根是无穷大.在次数为k时,认为有n-k重根是∞.此外,定义SU(2)在CPn上的作用为
引理2.1 满足a,b是复数,|a|2+|b|2=1的分式线性变换
1) 它们形成一个群.且在分式线性变换的复合作群乘法下同构SU(2)矩阵群.
2)
3) 任意2个扩大复平面的数可以用这个群迁移.
4) 这个群可迁地作用在扩大复平面上,在每一点处的迷向群都是SU(2)的对角子群的共轭群在1)中同构的拉回群.
5) 在这个群作用下,扩大复平面是一个齐性空间.
3 球极投影的对径点与SU(2)作用的迷向群的关系
命题3.1 分式线性变换群
交换立方图的上层是扩大复平面内的变换,下层是单位球,上下层之间的映射是球极映射.
证明 以单位球面2点间的弦长为距离,拉回到扩大复平面可写出一个度量的表达式: 单位球面上两点P和P',对应扩大复平面上z和z'; P和P'的欧氏距离为
写z=x+yiz在球极投影下对应(2x/(1+|z|2),2y/(1+|z|2),(|z|2-1)/(1+|z|2)).由此,-1/z对应-(2x/(1+|z|2),2y/(1+|z|2),(|z|2-1)/(1+|z|2)),是对径点.无穷大∞,对应北极(0,0,1).故复数的负共轭取倒是与球面对径点对应的. 简单的计算可验证图交换.
现在再看多项式表示空间的多项式的根,根在球极投影到单位球面上的相对位置相同(即任意两根对应点的距离相同,则它们之间是可以用引理2.1中的分式线性变换互相迁移的,也就是会在ρ(SU(2))作用下的同一轨道上.同一轨道上,每个点对应球面上的n个点相互距离是一样的(至多差一顺序).轨道的所有几何量可通过n个点相互距离计算出来.
对Bando-Ohnita[1]关于齐性二维球面(严格讲不是忠实的SU(2)轨道,而是SU(2)/S1轨道)的结论,将 Cn+1的多项式表示的基底记为
设Vn为变量z的次数不超过n的多项式构成的(n+1)维的复向量空间,在Vn上定义酉积使得u(n)0,…,u(n)n是其一组酉基,其中
定理3.1 SU(2)在CPn作用下的一个轨道M是浸入CPn的2维轨道当且仅当M=π(ρ(SU(2))u(n)k.该基点在CPn中的轨道在多项式空间Vn内的表示是
证明 由于
Bando-Ohnita的结论中有一种特殊情况,即n=2k对径点重数都是k.此时迷向群有2个分支,一个分支是保持对径点不动,即旋转群S1,另一个分支就是交换对径点.我们如果不用上述二维上的基点,由于取法不受限制,总能取到对应球面上的n个点线性无关的.这n个点的自同构有限.迷向群是有限群.此时基点对应轨道是三维.这也是下面的章节能够讨论三维轨道的原因. 总结以上分析和论证,得到如下的定理.
定理3.2 在没有标明映射的地方存在自然诱导的映射,符号同前,下图交换:
其中,
SU(2)作用的不变量由分式线性变换在黎曼球上的作用可以观察到,是作用前的多项式的根对应的黎曼球上的n个点(算上重点)的相对位置关系.如果n个点有一维的自同构群那么因为SU(2)自身是3个自由度的,得到的轨道将是二维.反之就是三维的轨道.这节更关心的是如何在多项式的系数空间里用曲面把决定三维轨道的那些基点描出来.
引理4.1 关于t的复系数一元二次方程
命题4.1 在CP2情况下,用酉模为1的多项式系数空间S5的复坐标(x,y,z)来描叙SU(2)轨道,则过单位酉模基点(x0,y0,z0)的轨道是三维轨道等价于|y20-2x0z0|≠0,或1. 证明 定理3.1已经证明系数向量属于轨道是二维的基点的充要条件是其轨道过基点(1,0,0),(0,1,0)或(0,0,1).这三者的判别式要么是0要么是1.下面只需证非0,1的点不可能与这3个基点共轨道(引理4.1).此时方程的根在单位球面上对应的两点不是对径点也不重合,其自同构是有限群,故基点处SU(2)作用下的迷向群离散从而为三维轨道.
引理4.2 单位酉模的多项式系数空间S2n+1上有n-k重根为z,另外k重根为-1/z的多项式系数的参数表示为
证明 只证(1,-δ1,δ2,…,(-1)kδk,…,(-1)nδn)的模是
注意到引理中的轨道只涉及一个变元z,分式线性变换可以把它迁移至任意扩大复平面的数,故有如下.
推论4.1 上述n-k,重根为z,另外k重根为-1/z决定的单位酉模参数代表的流形都是齐性流形.自同构群都是ρn(SU(2)),自同构群的作用都可迁移,且每点处的迷向群都是S1的共轭群的表示群.
事实上,由文献[6]中的到射影空间的嵌入的像是Zariski闭集的定理,这个流形可以用有限个代数方程的交表示出来.由于推论中的可迁移性,我们发现了一个非此即彼的论断:即在这些个方程交上的基点对应的就是二维轨道,不在它上面的就是三维轨道.这是命题4.1到CPn的推广.
5 SU(2)三维轨道与重根分布的对应
我们引入一段方程重根的判别理论,根据
命题5.1 采用与上面同样的记号,V(n1,n2,…,nr)的奇异点必是由x1,x2,…,xr中某个xi=xj,1≤i,j≤n的缩并在f的像下给出的点.k重奇异点必是k次缩并后给出的f的像点.
证明 奇异点是Jacobian矩阵(∂(-1)pδp/∂xq)的秩较非奇异点小的点.用母函数的技巧,作矩阵乘积:
若Jacobian矩阵较非奇异点的秩少1,则存在一列不全为零的常数cq,使得
若Jacobian矩阵较非奇异点的秩少2,则在原判别式的参数化中代入x1=xi后,转化为新的Jacobian矩阵,其秩较非奇异点的秩少1.导致新的缩并会出现.重复上述操作,得到k重奇异点是缩并k次得到的判别式簇上的点.□
命题5.2 扩大复平面上的一元n次方程的根中有一对呈负共轭倒数存在的条件可以用关于这个方程的系数的一个方程作等价条件给出,这个方程所代表的超曲面是有奇异性的,其第n-2重的奇异点也就是重数最高的奇异点作为基点时对应的SU(2)轨道是二维的,且除全纯曲线外的二维轨道的基点只有这么多.其他点对应的轨道都是三维的.
证明 由该方程,以及做过z到-1/z的变换的方程作结式所得的关于系数的方程,即是这个方程的根有一对呈负共轭倒数存在的充要条件.按照上述引理,选只有一对呈负共轭倒数且没有其他等根的根分布对应的超曲面上的点,作缩并对应的投影映射,n-2次后才会投影到全是z与-1/z型的根对应的超曲面上的点上.此时这些点作为基点时对应的SU(2)轨道是二维的.没有缩并到这个程度的根在单位球面上对应的点的自同构群有限,故为三维.□
[1] | Bando S, Ohnita Y. Minimal 2-spheres with constant curvature in CPn[J]. J Math Soc Japan , 1987, 39 (3) :477–487. DOI:10.2969/jmsj/03930477 |
[2] | Fei J, Jiao X X, Xiao L, et al. On the classification of homogeneous 2-spheres in complex Grassmannians[J]. Osaka J Math , 2013, 50 :135–152. |
[3] | Li H Z, Wang C P, Wu F E. The classification of homogeneous 2-spheres in CPn[J]. Asian Journal of Mathematics , 2001, 5 (1) :93–108. DOI:10.4310/AJM.2001.v5.n1.a7 |
[4] | Jiao X X, Peng J G. On minimal two-spheres in G(2; 4)[J]. Front Math China , 2010, 5 (2) :297–310. DOI:10.1007/s11464-010-0009-5 |
[5] | Fei J, Jiao X X, Xu X W. On conformal minimal 2-spheres in complex Grassmann manifold G(2; n)[J]. Proc Indian Acad Sci(Math Sci) , 2011, 121 (2) :181–199. DOI:10.1007/s12044-011-0019-6 |
[6] | Shafarevich I R. Basic algebraic geometry[M]. New York: Springer-Verlag, 1990 . |