Appell–Humbertの定理(Appell–Humbert theorem)とは、複素トーラス $X=V/\Lambda$ 上の正則直線束が、虚部 $E$ が $\Lambda$ 上で整数値をとる Hermite 形式 $H$ と、$\Lambda$ 上の $U(1)$ 値の半指標 $\alpha$ の組 $(H,\alpha)$ で、保型因子 $\alpha(\lambda)e^{\pi H(v,\lambda)+\pi H(\lambda,\lambda)/2}$ を通じてちょうど一通りに表されるという定理である。$E$ は第 1 Chern 類に対応し、$H=0$ の部分は格子のユニタリ指標の群として $\operatorname{Pic}^0(X)$ を与える。平行移動は $\alpha$ を指標倍に変えるだけなので、偏極やテータ関数の理論が格子の上の線形代数に帰着する。
楕円曲線 $\mathbb{C}/\Lambda$ 上の直線束は、次数と、次数 $0$ の部分を表す点(Abel の定理)で分類される。高次元の複素トーラス $X=V/\Lambda$ でこれに当たるのが Appell–Humbert の定理である。$X$ 上の正則直線束は、$V$ 上の Hermite 形式 $H$(その虚部が格子の上で整数値をとるもの)と、格子の上の「半指標」$\alpha$ の組 $(H,\alpha)$ でちょうど一通りに記述され、$\operatorname{Im}H$ が第 1 Chern 類、$\alpha$ が次数 $0$ の部分を担う。こうして複素トーラス上の直線束の問題は格子の上の線形代数に帰着し、偏極・双対トーラス・テータ関数の理論の出発点になる。
この記事では、組 $(H,\alpha)$ から直線束 $L(H,\alpha)$ を作り、この対応が単射な群準同型であることと、指数関数型の保型因子がただ一つの $(H,\alpha)$ の形に標準化されることを証明する。帰結として平行移動の公式と、$\operatorname{Pic}^0(X)$・写像 $\varphi_L$ の記述を導く。
$V$ を $g$ 次元の複素ベクトル空間、$\Lambda\subset V$ を階数 $2g$ の格子(群)、$X:=V/\Lambda$ を複素トーラスとする。$\Lambda$ は $V$ の $\mathbb{R}$ 上の基底を含むので、$\Lambda$ 上の加法的な写像は $V$ 上の $\mathbb{R}$ 線形写像にただ一通りに延びる。
この記事では、Hermite 形式 $H\colon V\times V\to\mathbb{C}$ は第 1 変数について $\mathbb{C}$ 線形、第 2 変数について $\mathbb{C}$ 反線形で、$H(w,v)=\overline{H(v,w)}$ を満たすものとする。$E:=\operatorname{Im}H$ は実数値の交代 $\mathbb{R}$ 双線形形式で、
$$
E(iv,iw)=E(v,w),\qquad H(v,w)=E(iv,w)+iE(v,w)
$$
を満たす。逆に、実数値の交代形式 $E$ が $E(iv,iw)=E(v,w)$ を満たせば、右の式の $H$ は $\operatorname{Im}H=E$ の Hermite 形式である。$H$ が正定値であることは $E(iv,v)>0$($v\ne0$)と同じである。
$H(iv,w)=iH(v,w)$ の虚部をとると $\operatorname{Re}H(v,w)=\operatorname{Im}H(iv,w)=E(iv,w)$ である。$E(iv,iw)=\operatorname{Im}(i\cdot\bar i\,H(v,w))=E(v,w)$。逆に $E$ が条件を満たすとき、$H(v,w):=E(iv,w)+iE(v,w)$ について、$H(iv,w)=-E(v,w)+iE(iv,w)=iH(v,w)$ であり、$\overline{H(v,w)}=E(iv,w)-iE(v,w)=E(iw,v)+iE(w,v)=H(w,v)$($E(iv,w)=E(i\cdot iv,iw)=-E(v,iw)=E(iw,v)$ を使った)である。
正則関数 $e_\lambda\colon V\to\mathbb{C}^\times$ の族 $e=(e_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}$ で
$$
e_{\lambda+\mu}(v)=e_\lambda(v+\mu)\,e_\mu(v)\qquad(\lambda,\mu\in\Lambda,\ v\in V)
$$
を満たすものを保型因子(factor of automorphy)という。このとき $\lambda\cdot(v,t):=(v+\lambda,\,e_\lambda(v)t)$ は $\Lambda$ の $V\times\mathbb{C}$ への作用であり、商 $L_e:=(V\times\mathbb{C})/\Lambda\to X$ は正則直線束になる。2 つの保型因子 $e,e'$ が同値であるとは、正則関数 $h\colon V\to\mathbb{C}^\times$ で $e'_\lambda(v)=h(v+\lambda)\,e_\lambda(v)\,h(v)^{-1}$ となるものがあることをいう。
$e$ と $e'$ が同値なら $(v,t)\mapsto(v,h(v)t)$ が同型 $L_e\cong L_{e'}$ を与える。逆に同型 $L_e\cong L_{e'}$ は射影 $V\to X$ による引き戻し(どちらも $V\times\mathbb{C}$)の間の同型 $(v,t)\mapsto(v,h(v)t)$ を誘導し、それが $\Lambda$ の作用と可換であることが上の関係式である。積 $(e_\lambda e'_\lambda)$ は $L_e\otimes L_{e'}$ に対応する。$L_e$ の正則切断は、整関数 $\vartheta$ で $\vartheta(v+\lambda)=e_\lambda(v)\vartheta(v)$ を満たすものと一対一に対応する(Deb99 V.2.1、p. 53)。
$H$ を $V$ 上の Hermite 形式で $E=\operatorname{Im}H$ が $\Lambda\times\Lambda$ 上で整数値をとるものとする。写像 $\alpha\colon\Lambda\to U(1)=\{z\in\mathbb{C}:|z|=1\}$ が $H$ に関する半指標(semicharacter)であるとは、
$$
\alpha(\lambda+\mu)=\alpha(\lambda)\,\alpha(\mu)\,(-1)^{E(\lambda,\mu)}\qquad(\lambda,\mu\in\Lambda)
$$
が成り立つことをいう。このような組 $(H,\alpha)$ の全体を $\mathcal{P}(\Lambda)$ と書き、$(H,\alpha)\in\mathcal{P}(\Lambda)$ に対して
$$
a^{(H,\alpha)}_\lambda(v):=\alpha(\lambda)\exp\!\Bigl(\pi H(v,\lambda)+\frac{\pi}{2}H(\lambda,\lambda)\Bigr)
$$
とおく。$\mathcal{P}(\Lambda)$ は積 $(H_1,\alpha_1)(H_2,\alpha_2):=(H_1+H_2,\alpha_1\alpha_2)$ で可換群になる。
$H=0$ のとき、半指標は群準同型 $\Lambda\to U(1)$(ユニタリ指標)にほかならない。
$H$ を $V$ 上の Hermite 形式、$\alpha\colon\Lambda\to\mathbb{C}^\times$ を写像とし、$a^{(H,\alpha)}$ を上の式で定める。このとき
$$
\frac{a^{(H,\alpha)}_{\lambda+\mu}(v)}{a^{(H,\alpha)}_\lambda(v+\mu)\,a^{(H,\alpha)}_\mu(v)}=\frac{\alpha(\lambda+\mu)}{\alpha(\lambda)\alpha(\mu)}\,e^{\pi iE(\lambda,\mu)}
$$
である。とくに $(H,\alpha)\in\mathcal{P}(\Lambda)$ なら $a^{(H,\alpha)}$ は保型因子であり、その直線束を $L(H,\alpha)$ と書く。$a^{(H_1,\alpha_1)}a^{(H_2,\alpha_2)}=a^{(H_1+H_2,\alpha_1\alpha_2)}$ なので、$(H,\alpha)\mapsto[L(H,\alpha)]$ は群準同型 $\mathcal{P}(\Lambda)\to\operatorname{Pic}(X)$ である。
$H$ は第 1 変数について線形なので、分母の指数は $\pi H(v,\lambda)+\pi H(\mu,\lambda)+\frac{\pi}{2}H(\lambda,\lambda)+\pi H(v,\mu)+\frac{\pi}{2}H(\mu,\mu)$、分子の指数は $\pi H(v,\lambda)+\pi H(v,\mu)+\frac{\pi}{2}\bigl(H(\lambda,\lambda)+H(\lambda,\mu)+H(\mu,\lambda)+H(\mu,\mu)\bigr)$ である。差は
$$
\frac{\pi}{2}\bigl(H(\lambda,\mu)-H(\mu,\lambda)\bigr)=\frac{\pi}{2}\bigl(H(\lambda,\mu)-\overline{H(\lambda,\mu)}\bigr)=\pi iE(\lambda,\mu)
$$
で、比の式を得る。$(H,\alpha)\in\mathcal{P}(\Lambda)$ なら $E(\lambda,\mu)\in\mathbb{Z}$ なので $e^{\pi iE(\lambda,\mu)}=(-1)^{E(\lambda,\mu)}$ であり、半指標の条件から比は $1$ になる。積の式は指数が足し算になることから明らかである。$\square$
$X=V/\Lambda$ を複素トーラスとする。
この記事で証明するのは、1 の単射性(thm-ah-injective)と、指数関数型の保型因子の標準化(thm-ah-normal-form)と、半指標の存在である。残りの 2 点、すなわち 1 の全射性のうち層コホモロジーを使う部分(第 1 Chern 類の像の決定と、第 1 Chern 類が $0$ の直線束が $L(0,\chi)$ の形であること)と 2 は、この記事では証明しない(Deb99 命題 V.5.9 と定理 V.5.10、p. 62)。有効因子から来る直線束については、有効因子がテータ関数(指数関数型の保型因子をもつ整関数)の零点の因子になることが Deb99 定理 IV.3.1(p. 43)にある。
$(H,\alpha)\in\mathcal{P}(\Lambda)$ について $L(H,\alpha)$ が自明な直線束なら、$H=0$ かつ $\alpha=1$ である。したがって $(H,\alpha)\mapsto[L(H,\alpha)]$ は単射である。
$L(H,\alpha)$ が自明なら、$a^{(H,\alpha)}$ は自明な保型因子 $1$ と同値で、正則関数 $h\colon V\to\mathbb{C}^\times$ により $a^{(H,\alpha)}_\lambda(v)=h(v+\lambda)/h(v)$ と書ける。$V\cong\mathbb{C}^g$ は単連結なので $h=e^f$ となる整関数 $f$ がある。各 $\lambda$ について
$$
f(v+\lambda)-f(v)-\pi H(v,\lambda)\in\log\alpha(\lambda)+\frac{\pi}{2}H(\lambda,\lambda)+2\pi i\mathbb{Z}
$$
であり、左辺は $v$ について連続で値が離散集合に入るので、$v$ によらない定数である。$H(v,\lambda)$ は $v$ について $\mathbb{C}$ 線形だから、座標 $v_1,\dots,v_g$ について 2 階の偏微分 $\partial_j\partial_kf$ は $\Lambda$ 周期的な整関数である。$\Lambda$ 周期的な連続関数はコンパクトな $X$ 上の関数なので有界であり、Liouvilleの定理 により定数である。よって $f(v)=S(v,v)+r(v)+c$($S$ は対称な $\mathbb{C}$ 双線形形式、$r$ は $\mathbb{C}$ 線形形式、$c\in\mathbb{C}$)と書け、
$$
f(v+\lambda)-f(v)=2S(v,\lambda)+S(\lambda,\lambda)+r(\lambda)
$$
である。上の定数性と比べると $2S(v,\lambda)-\pi H(v,\lambda)$ は $v$ について線形かつ定数なので $0$ であり、両辺を第 2 変数について $\mathbb{R}$ 線形に延ばして $2S(v,w)=\pi H(v,w)$($v,w\in V$)を得る。左辺は $w$ について $\mathbb{C}$ 線形、右辺は反線形なので、$w$ を $iw$ に替えると $2iS(v,w)=-i\pi H(v,w)=-2iS(v,w)$ となり、$S=0$、$H=0$ である。
このとき $\alpha(\lambda)=e^{f(v+\lambda)-f(v)}=e^{r(\lambda)}$ である。$|\alpha(\lambda)|=1$ より $\operatorname{Re}r$ は $\Lambda$ 上で $0$ で、$\mathbb{R}$ 線形だから $V$ 上で $0$ である。$r$ は $\mathbb{C}$ 線形なので $\operatorname{Im}r(v)=-\operatorname{Re}r(iv)=0$ でもあり、$r=0$、$\alpha=1$ である。準同型の核が自明なので単射である。$\square$
保型因子 $e$ が指数関数型であるとは、$\mathbb{C}$ 線形形式 $\ell_\lambda\colon V\to\mathbb{C}$ と定数 $c_\lambda\in\mathbb{C}$ により $e_\lambda(v)=\exp\bigl(2\pi i(\ell_\lambda(v)+c_\lambda)\bigr)$ と書けることをいう。$a^{(H,\alpha)}$ は指数関数型であり、2 次以下の多項式 $Q$ による $h=e^{Q}$ で同値を作っても指数関数型は保たれる。
$e_\lambda(v)=\exp\bigl(2\pi i(\ell_\lambda(v)+c_\lambda)\bigr)$ を指数関数型の保型因子とする。
段 1(加法性と整数性). 保型因子の条件から、$\ell_{\lambda+\mu}(v)+c_{\lambda+\mu}-\ell_\lambda(v+\mu)-c_\lambda-\ell_\mu(v)-c_\mu$ はすべての $v$ で整数である。$v$ について連続なので定数であり、$v$ について線形な部分を比べて $\ell_{\lambda+\mu}=\ell_\lambda+\ell_\mu$、定数部分から
$$
c_{\lambda+\mu}\equiv c_\lambda+c_\mu+\ell_\lambda(\mu)\pmod{\mathbb{Z}}
$$
を得る。左辺は $\lambda,\mu$ について対称なので $\ell_\lambda(\mu)\equiv\ell_\mu(\lambda)\pmod{\mathbb{Z}}$、すなわち $E(\lambda,\mu)\in\mathbb{Z}$ である。$w\mapsto\ell_w$ を $V$ 上に $\mathbb{R}$ 線形に延ばし、$B(v,w):=\ell_w(v)$ とおく。$B$ は $v$ について $\mathbb{C}$ 線形、$w$ について $\mathbb{R}$ 線形で、$E(v,w)=B(v,w)-B(w,v)$ である。$E$ は $\mathbb{R}$ 上の基底の上で整数値なので実数値である。
段 2(型 $(1,1)$). $B'(v,w):=\frac12\bigl(B(v,w)-iB(v,iw)\bigr)$、$B''(v,w):=\frac12\bigl(B(v,w)+iB(v,iw)\bigr)$ とおくと、$B=B'+B''$ で、$B'$ は $\mathbb{C}$ 双線形、$B''$ は第 1 変数について線形・第 2 変数について反線形である。$B'(iv,iw)=-B'(v,w)$、$B''(iv,iw)=B''(v,w)$ を代入すると
$$
F(v,w):=E(iv,iw)-E(v,w)=-2\bigl(B'(v,w)-B'(w,v)\bigr)
$$
であり、$F$ は $\mathbb{C}$ 双線形かつ実数値である。$F(iv,w)=iF(v,w)$ の両辺が実数なので $F=0$ である。よって $E(iv,iw)=E(v,w)$ で、$B'$ は対称である。これで 1 が示された。
段 3(反線形部分は $-\tfrac{i}{2}H$). $B'$ が対称なので $E(v,w)=B''(v,w)-B''(w,v)$ である。$K(v,w):=B''(v,w)+\frac{i}{2}H(v,w)$ とおくと、$H(v,w)-H(w,v)=H(v,w)-\overline{H(v,w)}=2iE(v,w)$ より
$$
K(v,w)-K(w,v)=E(v,w)+\frac{i}{2}\cdot2iE(v,w)=0
$$
である。$K$ は第 1 変数について線形、第 2 変数について反線形なので、$iK(v,w)=K(iv,w)=K(w,iv)=-iK(w,v)=-iK(v,w)$ となり $K=0$ である。したがって
$$
\ell_\lambda(v)=B(v,\lambda)=B'(v,\lambda)-\frac{i}{2}H(v,\lambda).
$$
段 4(2 次の項を消す). $h_1(v):=\exp\bigl(-\pi iB'(v,v)\bigr)$ とおくと $h_1(v+\lambda)/h_1(v)=\exp\bigl(2\pi i(-B'(v,\lambda)-\frac12B'(\lambda,\lambda))\bigr)$ なので、$e$ と同値な保型因子
$$
e'_\lambda(v):=\frac{h_1(v+\lambda)}{h_1(v)}e_\lambda(v)=\beta(\lambda)\exp\Bigl(\pi H(v,\lambda)+\frac{\pi}{2}H(\lambda,\lambda)\Bigr),\quad\beta(\lambda):=\exp\Bigl(2\pi i\bigl(c_\lambda-\tfrac12B'(\lambda,\lambda)\bigr)-\frac{\pi}{2}H(\lambda,\lambda)\Bigr)
$$
を得る。$e'$ は保型因子なので、prop-ah-cocycle の比の式($\alpha$ が $U(1)$ に値をとることは使っていない)から $\beta(\lambda+\mu)=\beta(\lambda)\beta(\mu)(-1)^{E(\lambda,\mu)}$ である。
段 5(絶対値を $1$ にする). 段 4 から $\lambda\mapsto\log|\beta(\lambda)|$ は加法的なので、$\mathbb{R}$ 線形形式 $\rho\colon V\to\mathbb{R}$ に延びる。$r(v):=-\rho(v)+i\rho(iv)$ は $\mathbb{C}$ 線形で $\operatorname{Re}r=-\rho$ である。$h_2:=e^{r}$ で $e'$ をさらに同値変形すると、因子は $e^{r(\lambda)}$ 倍になり、$\alpha(\lambda):=\beta(\lambda)e^{r(\lambda)}$ は $|\alpha(\lambda)|=1$ を満たす。$e^{r(\lambda)}$ は乗法的なので $\alpha$ は $H$ に関する半指標であり、$e$ は $h=h_1h_2=\exp(-\pi iB'(v,v)+r(v))$ により $a^{(H,\alpha)}$ と同値である。
一意性. $e$ が $a^{(H,\alpha)}$ とも $a^{(H,\alpha')}$ とも同値なら、$a^{(0,\alpha/\alpha')}=a^{(H,\alpha)}/a^{(H,\alpha')}$ は自明な保型因子と同値であり、thm-ah-injective により $\alpha=\alpha'$ である。$\square$
thm-ah-normal-form の 1 は Deb99 命題 IV.1.3(p. 38)、2 の標準化は同 IV.1.5(p. 39)で演習(演習 IV.3)とされている事実で、上の証明はそれを段に分けて書いたものである。
thm-appell-humbert の 1 の全射性は、Deb99 命題 V.5.9 と、どの $H$ にも半指標があることから従う(同定理 V.5.10 の証明)。
直線束 $L$ の第 1 Chern 類 $E$ は $\Lambda$ 上で整数値をとり $E(iv,iw)=E(v,w)$ を満たすので(Deb99 命題 V.5.9)、$\operatorname{Im}H=E$ の Hermite 形式 $H$ と $H$ に関する半指標 $\alpha$ をとれば、$L\otimes L(H,\alpha)^{-1}$ は thm-appell-humbert の 2 により第 1 Chern 類が $0$ で、同命題によりある $L(0,\chi)$ に同型である。よって $L\cong L(H,\alpha\chi)$ である。
半指標の存在:$E$ が $\Lambda$ 上で整数値をとれば、$\operatorname{Im}H=E$ の $H$ に関する半指標がある。$\Lambda$ の基底 $\lambda_1,\dots,\lambda_{2g}$ をとり、$e_{jk}:=E(\lambda_j,\lambda_k)\in\mathbb{Z}$ とおく。$\lambda\in\Lambda$ は $\lambda=\sum_jn_j\lambda_j$($n_j\in\mathbb{Z}$)とただ一通りに書けるので、$\alpha(\lambda):=(-1)^{\sum_{j< k}n_jn_ke_{jk}}$ は $\{\pm1\}\subset U(1)$ に値をとる写像として定まる。$\mu=\sum_jn'_j\lambda_j$ とすると、$(n_j+n'_j)(n_k+n'_k)-n_jn_k-n'_jn'_k=n_jn'_k+n'_jn_k$ より $\alpha(\lambda+\mu)/(\alpha(\lambda)\alpha(\mu))=(-1)^{\sum_{j< k}(n_jn'_k+n'_jn_k)e_{jk}}$ である。一方 $e_{jj}=0$、$e_{kj}=-e_{jk}$ から $E(\lambda,\mu)=\sum_{j,k}n_jn'_ke_{jk}=\sum_{j< k}(n_jn'_k-n'_jn_k)e_{jk}$ で、$-n'_jn_k\equiv n'_jn_k\pmod 2$ なので $(-1)^{E(\lambda,\mu)}$ は上の比に等しい。よって $\alpha$ は $H$ に関する半指標である。$\square$
$x\in V$ に対し、平行移動 $t_x\colon X\to X$、$v\mapsto v+x$ を考える。$\chi_x(\lambda):=\exp\bigl(2\pi iE(x,\lambda)\bigr)$ は $\Lambda$ のユニタリ指標である。
$(H,\alpha)\in\mathcal{P}(\Lambda)$ と $x\in V$ について $t_x^*L(H,\alpha)\cong L(H,\alpha\chi_x)$ である。
$(v,t)\mapsto(v+x,t)$ は $a^{(H,\alpha)}_\lambda(v+x)$ による作用と $a^{(H,\alpha)}_\lambda(v)$ による作用を入れ替えるので、$t_x^*L(H,\alpha)$ は保型因子 $a^{(H,\alpha)}_\lambda(v+x)=a^{(H,\alpha)}_\lambda(v)\,e^{\pi H(x,\lambda)}$ で与えられる。$h(v):=e^{-\pi H(v,x)}$($v$ について $\mathbb{C}$ 線形な指数)で同値変形すると、因子は $e^{-\pi H(\lambda,x)}$ 倍になり、
$$
e^{\pi H(x,\lambda)-\pi H(\lambda,x)}=e^{\pi(H(x,\lambda)-\overline{H(x,\lambda)})}=e^{2\pi iE(x,\lambda)}=\chi_x(\lambda)
$$
である。よって因子は $a^{(H,\alpha\chi_x)}$ と同値である。$\square$
$\operatorname{Pic}^0(X)$ を $L(0,\chi)$($\chi$ はユニタリ指標)の同型類のなす部分群とする。thm-appell-humbert の 2 により、これは第 1 Chern 類が $0$ の直線束の全体であり、thm-ah-injective により $\chi\mapsto L(0,\chi)$ は同型 $\operatorname{Hom}(\Lambda,U(1))\cong\operatorname{Pic}^0(X)$ を与える。直線束 $L$ に対し $\varphi_L(x):=t_x^*L\otimes L^{-1}$ とおく。
$L=L(H,\alpha)$、$E=\operatorname{Im}H$ とし、$\Lambda(L):=\{x\in V\mid E(x,\lambda)\in\mathbb{Z}\ (\lambda\in\Lambda)\}$ とおく。
要点:cor-ah-translation により $\varphi_L(x)$ は指標 $\chi_x$ の平坦束であり、$E$ が非退化ならどの指標も $\chi_x$ の形に書ける。
1:cor-ah-translation と prop-ah-cocycle の積の式から $\varphi_L(x)\cong L(H,\alpha\chi_x)\otimes L(H,\alpha)^{-1}\cong L(0,\chi_x)$ である。$\chi_{x+y}=\chi_x\chi_y$ で、$x\in\Lambda$ なら $\chi_x=1$ なので、$\varphi_L$ は $X$ 上の群準同型である。thm-ah-injective により $L(0,\chi_x)$ が自明であることは $\chi_x=1$、すなわち $x\in\Lambda(L)$ と同値である。
2:ユニタリ指標 $\chi$ について、$\chi(\lambda_j)=e^{2\pi ia_j}$($a_j\in\mathbb{R}$)となる準同型 $\psi\colon\Lambda\to\mathbb{R}$、$\psi(\lambda_j)=a_j$ をとり $V$ 上に $\mathbb{R}$ 線形に延ばす。$E$ が非退化なら $E(x,\cdot)=\psi$ となる $x\in V$ があり、$\chi=\chi_x$ である。核について、$M:=(E(\lambda_j,\lambda_k))$ は整数行列で、$x=\sum_jx_j\lambda_j$ が $\Lambda(L)$ に入ることは $M^{\mathsf T}(x_j)_j\in\mathbb{Z}^{2g}$ と同値なので、$\Lambda(L)$ の座標は $(M^{\mathsf T})^{-1}\mathbb{Z}^{2g}$ であり、$[\Lambda(L):\Lambda]=|\det M|$ である。交代行列の行列式は Pfaffian の 2 乗なので $\det M\ge0$ である。$\square$
$E$ が正定値の $H$ から来るとき、$\varphi_L$ は複素トーラスの同種写像で、双対アーベル多様体 の記事の $\varphi_L$ に当たる。$\operatorname{Pic}^0(X)$ は $\bar V^*/\{\ell\mid\operatorname{Im}\ell(\Lambda)\subset\mathbb{Z}\}$ という複素トーラス(双対トーラス)の構造をもつ(Deb99 命題 V.5.9、p. 62)。$\varphi_L$ の核の位数が $\det E$ であることと、$\dim H^0(X,L)=\sqrt{\det E}$($H$ が正定値のとき、Deb99 定理 VI.2.2、p. 67)が対応している。
$\tau$ を上半平面の点とし、$\Lambda_\tau:=\mathbb{Z}\tau+\mathbb{Z}\subset\mathbb{C}$、$X=\mathbb{C}/\Lambda_\tau$ とする。整数 $d$ に対し $H_d(v,w):=d\,v\bar w/\operatorname{Im}\tau$ とおくと、$E_d:=\operatorname{Im}H_d$ は $E_d(\tau,1)=\operatorname{Im}(d\tau)/\operatorname{Im}\tau=d$ を満たす。階数 $2$ の格子の上の整数値交代形式は $E_1$ の整数倍であり、実 2 次元の空間の交代形式は $i$ 倍写像(行列式 $1$)で $E(iv,iw)=E(v,w)$ を満たすので、第 1 Chern 類の群は $\{E_d\}\cong\mathbb{Z}$ である。$H_d$ が正定値であることは $d>0$ と同じで、$d$ は直線束の次数に当たる。
$d=1$ のとき $\alpha_0(m+n\tau):=(-1)^{mn}$ は $H_1$ に関する半指標であり、Theta関数 の記事の Jacobi のテータ関数に $e^{\pi v^2/(2\operatorname{Im}\tau)}$ を掛けたものが $L(H_1,\alpha_0)$ の切断になる(テータ因子 の記事の命題「Riemann のテータ関数が定める直線束」の $g=1$ の場合)。$\det E_1=1$ なので、cor-ah-phi により $\varphi_{L(H_1,\alpha_0)}\colon X\to\operatorname{Pic}^0(X)$ は全単射であり、次数 $0$ の直線束は点 $x\in X$ で一通りに表される。
$H=0$ のとき $L(0,\chi)$ は平坦な直線束で、保型因子は定数 $\chi(\lambda)$ である。$\chi\ne1$ なら $L(0,\chi)$ は第 1 Chern 類が $0$ なのに自明でない(thm-ah-injective)。とくに $L(0,\chi)$ には $0$ でない正則切断がない:$\vartheta(v+\lambda)=\chi(\lambda)\vartheta(v)$ を満たす整関数 $\vartheta$ は $|\vartheta|$ が $\Lambda$ 周期的で有界なので定数(Liouvilleの定理)であり、$\chi\ne1$ なら $0$ である。
def-ah-semicharacter と thm-appell-humbert の条件を 1 つずつ外す。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| $\alpha$ が半指標であること | $g=1$、$H=H_1$、$\alpha\equiv1$(ex-ah-elliptic の記号) | $a^{(H,\alpha)}$ が保型因子であること(prop-ah-cocycle の比が $\lambda=\tau,\mu=1$ で $e^{\pi i}=-1$) |
| $E$ が $\Lambda$ 上で整数値であること | $g=1$、$H=\tfrac12H_1$ | 保型因子になる $\alpha\colon\Lambda\to U(1)$ の存在(比が $1$ になるには $e^{-\pi iE(\lambda,\mu)}$ が $\lambda,\mu$ について対称でなければならないが、$E(\tau,1)=\tfrac12$ では $e^{-\pi i/2}\ne e^{\pi i/2}$) |
| $\alpha$ の値の絶対値が $1$ | $g=1$、$H=0$、$\alpha(\lambda)=e^{\lambda}$ | 組の一意性($h(v)=e^{v}$ で $a^{(0,\alpha)}$ は自明な因子と同値になり、$L(0,\alpha)$ は自明なのに $\alpha\ne1$) |
| $E(iv,iw)=E(v,w)$ | $V=\mathbb{C}^2$、$\Lambda=\mathbb{Z}[i]^2$、実基底 $e_1,e_2,ie_1,ie_2$ について $E(e_1,e_2)=1$ でほかの基底の対の値が $0$ の交代形式 | その $E$ を第 1 Chern 類にもつ直線束の存在($E(ie_1,ie_2)=0\ne E(e_1,e_2)$ で、第 1 Chern 類の像はこの条件を満たす形式からなる。thm-ah-normal-form の 1、Deb99 命題 V.5.9) |
3 行目は、半指標の定義で値を $U(1)$ に制限している理由を示す。$\mathbb{C}^\times$ に値をとる「半指標」を許すと、$\mathbb{C}$ 線形形式 $r$ による $e^{r(\lambda)}$ の分だけ組がずれ、thm-ah-normal-form の段 5 の正規化がなくなる。
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