Spectra of Modular Surfaces I


下篇:Spectra of Modular Surfaces II

几天前,某篇宣称证明了Pólya猜想论文(基本可以确定是一记“乌龙”)在我的朋友圈里引发了一些讨论。一种观点是:与20年来复几何、辛几何方面的新思想(例如Donaldson学派为解决同调镜对称猜想而发展的一系列工作)相比,诸如Pólya猜想一类的几何分析问题已经过时了。
必须承认,Pólya猜想在理论上并没有太多有趣的推论。就方法论而言,它固然是特征值估计技术的试金石,但迄今为止,在Li-Yau方法的基础上并没有本质的进步,何况几何分析学家真正感兴趣的也仅仅是第一特征值,整个higher theory还有待发展。
然而,冒着“越俎代庖”的风险,我还是想为谱几何的整体价值稍作辩护。
Laplace算子的谱理论不仅是几何的一部分,也是无穷维表示论的样本。我手头恰好有一个相对晚近的例子,涉及特征值估计技术在模形式理论中的应用,兼有数论和量子物理两方面的重要性。就精神而言,这是Langlands纲领(数论的,几何的,物理的)一部分,是镜对称的“远亲”。
我第一次了解到这方面的数学,是在阅读了P.Sarnak的Baltimore讲稿之后:
Sarnak  Spectra of Hyperbolic Surfaces

经典Maass形式理论的研究对象包括
(1)上半平面\Bbb H在赋予Poincaré度量后成为常曲率双曲Riemann面,面积测度\displaystyle dA=\frac{dx \wedge dy}{y^2},Laplace算子\Delta=-y^2(\partial_x^2+\partial_y^2)
(2)模群PSL(2,\Bbb Z)通过Möbius变换\displaystyle z\mapsto \frac{az+b}{cz+d}作用于\Bbb H,我们感兴趣的子群包括:
(2.1)N阶主同余子群\Gamma(N)=\{\gamma\in PSL(2,\Bbb Z):\gamma \equiv I \pmod{N}\}.模群本身记为\Gamma(1)
(2.2)同余子群\Gamma:对某个N\Gamma(N) \subset \Gamma. 满足上述条件的最小的N称为\Gamma的阶;
(2.3)N阶Hecke同余子群\Gamma_0(N)=\{\gamma\in PSL(2,\Bbb Z):c\equiv 0 \pmod{N}\}
(3)模曲面X=\Gamma\backslash \Bbb H是有限面积的非紧双曲Riemann面。可以通过加入若干个尖点(cusp)使其紧化。X是满足特定算术性质的椭圆曲线的模空间(moduli space),这是经典模曲线理论的一部分;
(4)Maass形式:满足\Delta f_\lambda=\lambda f_\lambda的光滑函数f_\lambda:X \to \Bbb C
Selberg细致地研究了(\Delta,X)的谱:
Selberg   On the estimation of Fourier coefficients of modular forms
具体地说,有界复函数\displaystyle \mathcal{B}(X) \subset \mathcal{L}(X)=L^2(X,dA)\Delta作用下分裂为2个正交不变子空间:\mathcal{B}(X)=\mathcal{C}(X)\oplus \mathcal{E}(X)
\mathcal{C}(X)由尖点型(cuspidal)函数f构成:f在尖点处的Fourier展开无常数项,或者等价的,在环绕尖点的极限圆(horocycle)上有周期(period)0。
自共轭紧算子\Delta|_{\mathcal{C}(X)}有离散谱0=\lambda_0<\lambda_1\leq\lambda_2\leq \cdots\lambda_i \to \infty
由谱定理,\mathcal{C}(X)\mathcal{L}(X)中的完备化\tilde{\mathcal{C}}(X)拥有一组完备正交基对应\Delta的谱分解。
f \in \mathcal{E}(X)是一类Eisenstein级数\Delta|_{\mathcal{E}(X)}仅在\lambda=0处有点态谱,此外有连续谱[\displaystyle \frac{1}{4},\infty). 因而,对于特征值\lambda>0,相应的特征函数f_{\lambda}将自动成为Maass尖点形式1
\lambda=\nu(1-\nu)f_\lambda有Fourier-Whittaker展开:
\displaystyle f_{\lambda}(z)=\sum_{n \neq 0}a(n)\sqrt{2\pi y}K_{\nu-\frac{1}{2}}(2\pi|n|y)e(nx)Bessel函数\displaystyle K_\nu(y)=\int_0^{+\infty}e^{-y \cosh t}\cosh(\nu t)dt
Iwaniec  Introduction to the Spectral Theory of Automorphic Forms

X的算术性体现在Hecke算子作用于\mathcal{L}(X):对于N阶同余子群\Gamma(n,N)=1,定义
\displaystyle (T_nf)(z)=\frac{1}{\sqrt{n}}\sum_{ad=n}\sum_{b=0}^{d-1}f(\frac{az+b}{d})
(1)T_n正规算子\Gamma=\Gamma(1)\Gamma_0(N)时是自共轭算子;
(2)\displaystyle T_mT_n=T_nT_m=\sum_{d|(m,n)}T_{mn/d^2}T_n\Delta=\Delta T_n
(3)\mathcal{C}(X)T_n的不变子空间;
若尖点形式f_\lambda同时是所有T_n的特征函数,则称其为Maass-Hecke特征形式2,在标准化a(1)=1下,我们有T_nf_\lambda=a(n)f_\lambda,\forall n. 考虑Hecke L-函数
\displaystyle L(s,f_\lambda)=\sum_{n=1}^{\infty}a(n)n^{-s}=\prod_p(1-a(p)p^{-s}+p^{-2s})^{-1}
(Ramanujan-Petersson猜想)|a(p)|\leq 2,或者,|a(n)|\leq\sigma_0(n)\sigma_0因子函数
Deligne对Weil猜想的证明可推出全纯尖点形式的Ramanujan-Petersson猜想。Maass尖点形式的Ramanujan-Petersson猜想迄今为止尚未得到证明。

回到对\Delta的讨论。我们将另辟新章讨论作为算术量子混沌系统的(X,\Delta)及其高能渐进。在低能端,数论学家感兴趣的主要是第一特征值估计:
(Selberg 1/4猜想)\displaystyle \lambda_1(X)\geq \frac{1}{4},即\Delta大于0的离散谱完全落在连续谱\displaystyle [\frac{1}{4},\infty)中。
(Selberg 1/4猜想,几何分析形式)\forall f\in C^\infty_0(X)满足\int_X fdA=0,梯度估计
\displaystyle \int_X |\nabla f|^2 dA \geq \frac{1}{4}\int_X|f|^2dA成立。
不难证明1/4是最优的:N \to \infty时,(\Delta,X(N))的尖点谱在[\displaystyle \frac{1}{4},\infty)中趋于稠密。事实上,对于不可约2维偶Galois表示\rho:\mathrm{Gal}(K/\Bbb Q) \to GL(2,\Bbb C),若相应的Artin L-函数L(s,\rho)是整函数(即满足Artin猜想),则通过Langlands对应原理,它给出X(N)上的Maass尖点形式f_{1/4}N\rho的导子。
对于X(1),通过简单的推理即可得到强得多的下界,例如3\pi^2/2 (Vignéras). 对于一般的X,Selberg证明了\lambda_1(X)\geq 3/16,对这个结果感兴趣的读者不妨参考陶哲轩的博文,在此文中他同时还证明了Selberg 1/4猜想等价于关于Kloosterman和的Linnik猜想。文中将Lax-Phillips散射理论应用于自守波动方程的想法由Faddeev和Pavlov首倡,参见
Lax, Phillips Scattering theory for automorphic functions

从Langlands哲学的角度看,Ramanujan-Petersson猜想和Selberg 1/4猜想是同一个猜想在不同的位(place)上的体现。我们简单地说明这一点。
G(\Bbb Q)=GL(2,\Bbb Q)G(\Bbb A)=GL(2,\Bbb A)Z(\Bbb A)G(\Bbb A)的中心。G(\Bbb A)上有平凡中心特征的尖点形式空间L_0^2(Z(\Bbb A)G(\Bbb Q)\backslash G(\Bbb A))\phi:G(\Bbb A) \to \Bbb C构成的Hilbert空间,\phi满足
(1)模性:\phi(\gamma g z)=\phi(g)\forall \gamma \in G(\Bbb Q),\forall z\in Z(\Bbb A)
(2)平方可积性:\displaystyle \int_{Z(\Bbb A)G(\Bbb Q)\backslash G(\Bbb A)}|\phi(g)|^2dg <\infty
(3)尖点性:\displaystyle \int_{\Bbb Q\backslash \Bbb A}\phi(\begin{pmatrix}1&&x \\ 0&&1\end{pmatrix}g)dx=0\forall g\in G(\Bbb A)
G(\Bbb A)L_0^2(Z(\Bbb A)G(\Bbb Q)\backslash G(\Bbb A))上的作用(\gamma f)(g)=f(g\gamma)给出G(\Bbb A)的酉表示,称为尖点表示(cuspidal representation),它可以分解为不可约可容许表示(admissible representation)的直和3
Maass-Hecke特征形式f可以唯一地提升为\phi_f\in L_0^2(Z(\Bbb A)G(\Bbb Q)\backslash G(\Bbb A)),记相应的不可约表示为\pi_f,我们考虑\pi_f在不同位上的分解\pi_f=\pi_\infty \otimes \prod \pi_p. 对于非Archimedean位p和Archimedean位\infty处的可容许表示,我们分别有Bernstein–Zelevinsky分类Langlands分类作为参考的“地标”:
(Ramanujan-Petersson猜想,表示论形式)\pi_p主级数表示(p,N)=1
Satake  Spherical functions and Ramanujan’s conjecture
(Selberg 1/4猜想,表示论形式)\pi_\infty是主级数表示;
Langlands提出上述2个猜想可以由GL(2)\to GL(m+1)的Langlands函子性猜想推出。这决定性地影响了对Selberg猜想的现代研究。
m=2(Gelbart-Jacquet),m=3(Kim-Shahidi)和m=4(Kim)的函子性已得到证明。最后一个结果给出当前的最佳下界记录: \displaystyle \lambda_1(X)\geq \frac{975}{4096}=0.238\dots


  1. 这个现象体现了某种算术刚性:对于一般的(generic)双曲曲面X,Phillips-Sarnak理论暗示至多有有限个特征值以尖点形式为特征函数。
    Phillips, Sarnak  On cusp forms for cofinite subgroups of PSL(2,\Bbb R) 
  2. 基于大量数值实验,Cartier猜想(\Delta,X(1))的所有正特征值都是单特征值。如果这个猜想成立,那么X(1)的所有Maass尖点形式都是Maass-Hecke特征形式。 
  3. Jacquet和Langlands对GL(2)证明了重数1定理:在上述分解中每个不可约可容许表示有重数1. 一般地,我们希望决定所有使重数1定理成立的可约群。
    Jacquet, Langlands  Automorphic forms on GL(2) 

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