Enriques曲面(Enriques surface)とは、標数 $2$ でない代数閉体上の滑らかな射影曲面 $X$ で、$h^1(\mathcal{O}_X)=h^0(\omega_X)=0$ かつ $\omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$ をみたすものである。標準因子は数値的に $0$ だが位数 $2$ の捩れ元で、$\chi(\mathcal{O}_X)=1$、小平次元は $0$ である。標準束が定める不分岐 2 重被覆は K3 曲面であり、複素数体上では逆に固定点のない対合をもつ K3 曲面の商が Enriques 曲面になる。複素数体上では $b_2=10$、Picard 群は $H^2(X,\mathbb{Z})$ に同型で、楕円ファイブレーションは重複度 $2$ の重複ファイバーをちょうど 2 本もつ。
前提知識: 代数曲面, K3曲面, 標準因子, エタール射, 曲面の交点形式とRiemann–Rochの定理
Enriques 曲面(Enriques surface)とは、不正則数 $q=h^1(\mathcal{O})$ と幾何種数 $p_g=h^0(\omega)$ がともに $0$ で、標準因子 $K$ が $0$ に線形同値でないが $2K$ は $0$ に線形同値になる曲面である。$q=p_g=0$ は射影平面と同じだが、$2$ 種数 $P_2=h^0(\omega^{\otimes2})$ が $1$ なので有理曲面ではない($n$ 種数は双有理不変量で、$\mathbb{P}^2$ では $0$。Har77 II 演習 8.8、この記事では証明しない)。標準因子は数値的には $0$ だが線形同値類としては位数 $2$ の捩れ元で、この捩れが曲面のあらゆる性質に現れる。
Enriques 曲面は K3曲面 と表裏の関係にある。標準因子が定める 2 重被覆は不分岐で、その被覆は K3 曲面になる。逆に、複素数体上では、固定点のない対合をもつ K3 曲面をその対合で割ると Enriques 曲面ができる。Enriques と小平邦彦(Kunihiko Kodaira)による曲面の分類(Enriques–小平の分類)では、小平次元 $0$ の極小曲面の類の 1 つである(ほかの類は K3 曲面、双楕円曲面、2 次元複素トーラス、小平曲面)(BHPV04 VI 章 Table 10、p. 244)。
この記事では、Enriques 曲面の数値的な不変量と曲線の性質を導き、K3 曲面との対応を両方向とも証明する。そのうえで、$\mathbb{P}^5$ の 3 つの対角的な 2 次超曲面の交わりから具体的な Enriques 曲面を作る。最後に、複素数体上の Betti 数・Hodge 数・Picard 群と、楕円ファイブレーションについて述べる。
以下、$k$ は代数閉体、曲面は $k$ 上の滑らかで連結な射影曲面とする。曲面 $X$ について $q(X):=h^1(X,\mathcal{O}_X)$、$p_g(X):=h^0(X,\omega_X)$ とおき、$K_X$ を標準因子とする。
$k$ の標数を $2$ でないとする。曲面 $X$ が Enriques 曲面であるとは、
$$
q(X)=0,\qquad p_g(X)=0,\qquad \omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X
$$
をみたすことをいう。
$p_g=0$ から $\omega_X\not\cong\mathcal{O}_X$ である($h^0(\mathcal{O}_X)=1$)。逆に「$q=0$、$\omega_X\not\cong\mathcal{O}_X$、$\omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$」から $p_g=0$ が従う。実際、$\omega_X$ が $0$ でない切断 $s$ をもてば $s^{\otimes 2}$ は $\omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$ の $0$ でない切断、すなわち $0$ にならない定数なので、$s$ はどこでも $0$ にならず $\omega_X\cong\mathcal{O}_X$ となる。したがって 2 つの定義は同値である。
複素数体上では、同じ条件($K_X\ne\mathcal{O}_X$、$K_X^{\otimes2}=\mathcal{O}_X$、$q=0$)をコンパクト複素曲面に課したものを Enriques 曲面と呼ぶこともあるが、そのような曲面は自動的に射影的である(BHPV04 V.23、p. 239)。
標数 $2$ では、標準因子が $0$ に線形同値になるものも含めて Enriques 曲面の定義を改める必要があり、K3 曲面による不分岐 2 重被覆の議論もそのままでは成り立たない(下の反例の表の 2 行目)。この記事では標数 $2$ を扱わない(標数 $2$ の例は 重複ファイバー の例「正標数の wild な重複ファイバー」にある)。
$X$ を Enriques 曲面とする。
1.$2K_X\sim0$ なので、任意の曲線 $D$ について $2(K_X\cdot D)=(2K_X)\cdot D=0$ である。
2.$\chi(\mathcal{O}_X)=1-q+p_g=1$ である($h^2(\mathcal{O}_X)=h^0(\omega_X)=p_g$ は Serre 双対性)。曲面の Riemann–Roch の定理(曲面の交点形式とRiemann–Rochの定理 の定理「曲面の Riemann–Roch の定理」)と 1 により $\chi(\mathcal{O}_X(D))=1+\frac12D\cdot(D-K_X)=1+\frac12D^2$ で、左辺が整数なので $D^2$ は偶数である。
3.$n$ が偶数なら $\omega_X^{\otimes n}\cong\mathcal{O}_X$ で $P_n=1$、奇数なら $\omega_X^{\otimes n}\cong\omega_X$ で $P_n=p_g=0$ である。
4.随伴公式(曲面の交点形式とRiemann–Rochの定理 の系「随伴公式」)と 1 により $C^2=C\cdot(C+K_X)=2p_a(C)-2\ge-2$ であり、等号は $p_a(C)=0$、すなわち $C\cong\mathbb{P}^1$ のときに限る(同記事の命題「算術種数と正規化の種数」)。$(-1)$ 曲線は $C^2=-1$ の射影直線なので存在しない。$\square$
3 から、Enriques 曲面の小平次元は $0$ である(BHPV04 I.7.2 の特徴づけ:$P_n$ がすべて $0$ か $1$ で、すべてが $0$ ではない)。4 から Enriques 曲面は極小曲面である。2 の偶数性は、Néron–Severi 群に入る交点形式が偶であることを意味する。
まず、位数 $2$ の可逆層から不分岐 2 重被覆を作る。
$k$ の標数を $2$ でないとし、$X$ を曲面、$L$ を可逆層、$\varphi\colon L\otimes L\xrightarrow{\ \sim\ }\mathcal{O}_X$ を同型とする。$\mathcal{O}_X$ 代数 $\mathcal{A}:=\mathcal{O}_X\oplus L$ に積
$$
(a,l)\cdot(a',l'):=\bigl(aa'+\varphi(l\otimes l'),\ al'+a'l\bigr)
$$
を入れ、$Y:=\mathbf{Spec}_X\mathcal{A}$、$\pi\colon Y\to X$ を構造射とする。このとき次が成り立つ。
1.$x\in X$ の近傍 $U$ で $L|_U=\mathcal{O}_Ue$ と自由な生成元をとると、$u:=\varphi(e\otimes e)$ は $U$ 上の単元で、$\mathcal{A}|_U\cong\mathcal{O}_U[t]/(t^2-u)$($t\leftrightarrow e$)である。これは階数 $2$ の自由加群なので $\pi$ は次数 $2$ の有限平坦射である。相対微分は $\Omega_{Y/X}|_{\pi^{-1}U}=\mathcal{O}\,dt/(2t\,dt)$ で、$2$ と $t$($t^2=u$ が単元)が可逆なので $\Omega_{Y/X}=0$ である。よって $\pi$ は平坦かつ不分岐、すなわちエタールである(Har77 III 演習 10.3)。$X$ が滑らかで $\pi$ がエタールなので $Y$ は滑らかであり、$\pi$ は有限なので $Y$ は射影的である。
$\pi_*\mathcal{O}_Y=\mathcal{A}=\mathcal{O}_X\oplus L$ は定義である。掛け算 $L\otimes_{\mathcal{O}_X}\mathcal{A}\to\mathcal{A}$ は局所的に $e\cdot\mathcal{A}=t\cdot\mathcal{A}$ への写像で、$t$ が単元なので同型であり、これが $\pi^*L\cong\mathcal{O}_Y$ を与える。最後に、相対微分の完全列 $\pi^*\Omega_X\to\Omega_Y\to\Omega_{Y/X}\to0$(Har77 II.8.11)で $\Omega_{Y/X}=0$ なので $\pi^*\Omega_X\to\Omega_Y$ は階数 $2$ の局所自由層の間の全射、したがって同型であり、最高次の外積をとって $\omega_Y\cong\pi^*\omega_X$ を得る。
2.$\pi$ はアフィン射なので $H^0(Y,\mathcal{O}_Y)=H^0(X,\mathcal{O}_X)\oplus H^0(X,L)$ である。$L$ が $0$ でない切断 $s$ をもてば、$\varphi(s\otimes s)$ は $\mathcal{O}_X$ の $0$ でない切断、すなわち $0$ でない定数なので $s$ はどこでも $0$ にならず、$L\cong\mathcal{O}_X$ となる。よって $L\not\cong\mathcal{O}_X$ なら $H^0(X,L)=0$ で、$h^0(\mathcal{O}_Y)=1$ である。$Y$ が 2 つ以上の連結成分をもてば各成分の定数関数が 1 次独立な大域切断を与えるので、$Y$ は連結である。
3.閉点 $x$ の上のファイバーは $\operatorname{Spec}k[t]/(t^2-u(x))$ で、$u(x)\ne0$、標数が $2$ でないので 2 点 $t=\pm\sqrt{u(x)}$ からなる。$\iota$ は $t\mapsto-t$ でこの 2 点を入れ替えるので、固定点はない。$\square$
1.$\omega_X\not\cong\mathcal{O}_X$ なので lem-enr-double-cover の 2 により $Y$ は滑らかで連結な射影曲面で、$\omega_Y\cong\pi^*\omega_X=\pi^*L\cong\mathcal{O}_Y$ である。$\pi$ はアフィンなので $H^i(Y,\mathcal{O}_Y)=H^i(X,\mathcal{O}_X)\oplus H^i(X,\omega_X)$ で、Serre 双対性により $\chi(\omega_X)=\chi(\mathcal{O}_X)$ だから
$$
\chi(\mathcal{O}_Y)=2\chi(\mathcal{O}_X)=2
$$
である(prop-enr-basic の 2)。$h^0(\mathcal{O}_Y)=1$、Serre 双対性で $h^2(\mathcal{O}_Y)=h^0(\omega_Y)=h^0(\mathcal{O}_Y)=1$ なので、$2=1-h^1(\mathcal{O}_Y)+1$ から $h^1(\mathcal{O}_Y)=0$ である。したがって $Y$ は $\omega_Y\cong\mathcal{O}_Y$、$H^1(Y,\mathcal{O}_Y)=0$ をみたし、K3 曲面である(K3曲面 の定義「K3曲面」)。$\iota$ が固定点をもたないことは補題の 3 である。$\mathcal{A}$ の $\iota$ 不変部分は $\mathcal{O}_X$ なので、$X=\mathbf{Spec}_X\mathcal{A}^{\iota}$ は $Y$ の $\iota$ による商である。
2.$\iota$ が生成する位数 $2$ の群は $Y$ に自由に双正則に作用するので、$X$ はコンパクト連結な複素曲面で、$\pi\colon Y\to X$ は 2 重の被覆写像、とくに局所双正則である。よって $\omega_Y\cong\pi^*\omega_X$ である。$\pi_*\mathcal{O}_Y$ を $\iota$ の固有値 $\pm1$ で分けて $\pi_*\mathcal{O}_Y=\mathcal{O}_X\oplus L$($L$ は反不変な関数の層)と書く。$x\in X$ の十分小さな近傍 $U$ では $\pi^{-1}(U)=U_1\sqcup U_2$ で $\iota$ が $U_1,U_2$ を入れ替えるので、$L|_U$ は $U_1$ 上 $1$、$U_2$ 上 $-1$ の関数 $\epsilon$ で生成される階数 $1$ の自由加群であり、$\epsilon^2=1$ から積 $L\otimes L\to\mathcal{O}_X$ は同型で、$\epsilon$ が単元なので $\pi^*L\cong\mathcal{O}_Y$ である。
$L^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$ なので $2c_1(L)=0$ で、有理係数では $c_1(L)=0$ である。コンパクト複素曲面の直線束の Riemann–Roch の公式 $\chi(L)=\frac12c_1(L)\bigl(c_1(L)+c_1(X)\bigr)+\chi(\mathcal{O}_X)$(BHPV04 I.5.5 と (6)、p. 26)から $\chi(L)=\chi(\mathcal{O}_X)$ である。$\pi$ は有限なので $H^i(Y,\mathcal{O}_Y)=H^i(X,\mathcal{O}_X)\oplus H^i(X,L)$ で、
$$
2=\chi(\mathcal{O}_Y)=\chi(\mathcal{O}_X)+\chi(L)=2\chi(\mathcal{O}_X)
$$
から $\chi(\mathcal{O}_X)=1$ である($\chi(\mathcal{O}_Y)=1-0+1$)。$H^1(X,\mathcal{O}_X)$ は $H^1(Y,\mathcal{O}_Y)=0$ の直和因子なので $q(X)=0$、よって $p_g(X)=\chi(\mathcal{O}_X)-1+q(X)=0$ である。
同様に $\pi_*\omega_Y=\pi_*\pi^*\omega_X=\omega_X\oplus(\omega_X\otimes L)$ なので
$$
1=h^0(\omega_Y)=h^0(\omega_X)+h^0(\omega_X\otimes L)=h^0(\omega_X\otimes L)
$$
である。$\omega_X\otimes L$ の $0$ でない切断 $s$ をとる。$\pi^*s$ は $\pi^*(\omega_X\otimes L)\cong\omega_Y\otimes\pi^*L\cong\mathcal{O}_Y$ の $0$ でない切断、すなわちコンパクト連結な $Y$ 上の $0$ でない定数で、どこでも $0$ にならない。$\pi$ は全射なので $s$ もどこでも $0$ にならず、$\omega_X\otimes L\cong\mathcal{O}_X$、すなわち $\omega_X\cong L^{-1}\cong L$ である。したがって $\omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$、$\omega_X\not\cong\mathcal{O}_X$($p_g=0$)、$q=0$ で、$X$ は Enriques 曲面である(射影的であることは BHPV04 V.23、p. 239)。$\square$
1 の対合 $\iota$ は 2 の逆を与えるので、複素数体上の Enriques 曲面は、固定点のない対合をもつ K3 曲面の商とちょうど対応する。Enriques 曲面の基本群が位数 $2$ で、その普遍被覆がこの K3 曲面であることも知られている(BHPV04 VIII.15.1 (ii)、p. 339。K3 曲面が単連結であることを使う。この記事では証明しない)。
$t_0,\dots,t_5$ を相異なる複素数とし、$\mathbb{P}^5$ の斉次座標を $z_0,\dots,z_5$ として
$$
Y:=\Bigl\{\ \sum_{j=0}^5z_j^2=0,\quad \sum_{j=0}^5t_jz_j^2=0,\quad \sum_{j=0}^5t_j^2z_j^2=0\ \Bigr\}\subset\mathbb{P}^5
$$
とおく。$\iota(z_0:z_1:z_2:z_3:z_4:z_5):=(z_0:z_1:z_2:-z_3:-z_4:-z_5)$ とする。このとき $Y$ は滑らかな曲面で、$\iota$ は $Y$ の固定点のない対合であり、$Y/\iota$ は Enriques 曲面である。
$c_{ij}:=t_j^{\,i}$($i=0,1,2$、$j=0,\dots,5$)とおくと、$Y$ は $Q_i:=\sum_jc_{ij}z_j^2$($i=0,1,2$)の共通零点である。$3\times6$ 行列 $(c_{ij})$ のどの 3 列も Vandermonde 行列をなし、$t_j$ が相異なるのでその行列式は $0$ でない。とくにどの 2 列も 1 次独立である。
滑らかさ.$Y$ の点 $z$ で $z_j\ne0$ となる $j$ の集合を $T$ とする。$|T|\le2$ なら $\sum_{j\in T}c_{ij}z_j^2=0$($i=0,1,2$)は、1 次独立な列 $(c_{ij})_i$($j\in T$)の自明でない 1 次関係になって矛盾するので、$|T|\ge3$ である。Jacobi 行列 $(\partial Q_i/\partial z_j)=(2c_{ij}z_j)$ の列のうち $j\in T$ の列は $(c_{ij})_i$ の $0$ でない定数倍で、そのうち 3 つが 1 次独立なので、Jacobi 行列の階数は $3$ である。よって $Y$ は各点で滑らかな $2$ 次元の部分多様体であり、3 つの超曲面の交わりとして完全交叉である(Har77 II 演習 8.4 (a))。
K3 曲面であること.$\mathbb{P}^5$ の滑らかな完全交叉で次数が $2,2,2$ のものは、$\omega_Y\cong\mathcal{O}_Y(2+2+2-6)=\mathcal{O}_Y$(Har77 II 演習 8.4 (e))、$H^1(Y,\mathcal{O}_Y)=0$ かつ連結(同 III 演習 5.5、p. 231)をみたすので K3 曲面である(この 2 つの演習の主張はこの記事では証明しない)。
固定点がないこと.$\iota(z)=z$ となる点は、$(z_0,z_1,z_2,-z_3,-z_4,-z_5)=\lambda(z_0,\dots,z_5)$ をみたす。$\lambda^2=1$ なので $\lambda=1$ なら $z_3=z_4=z_5=0$、$\lambda=-1$ なら $z_0=z_1=z_2=0$ である。前者の点が $Y$ に乗れば $\sum_{j=0}^2c_{ij}z_j^2=0$($i=0,1,2$)で、行列 $(c_{ij})_{0\le i,j\le2}$ は正則なので $z_0^2=z_1^2=z_2^2=0$ となり矛盾する。後者も同様である。$\iota$ は $Q_i$ を保つので $Y$ の正則な対合で、固定点をもたない。
thm-enr-k3 の 2 により $Y/\iota$ は Enriques 曲面である。$\square$
$X$ を複素数体上の Enriques 曲面とする。
1.Noetherの公式 $12\chi(\mathcal{O}_X)=K_X^2+e(X)$ に prop-enr-basic の $\chi=1$、$K_X^2=0$ を入れて $e(X)=12$ である。$X$ は射影的なので Kähler で、Hodge分解 により $b_1=h^{1,0}+h^{0,1}=2q=0$、Poincaré 双対で $b_3=b_1=0$、$b_0=b_4=1$ なので $b_2=e-2=10$ である。
2.$h^{0,1}=q=0$、$h^{0,2}=p_g=0$、Hodge 対称で $h^{1,0}=h^{2,0}=0$、$h^{1,1}=b_2-h^{2,0}-h^{0,2}=10$ である。
3.指数層の完全列 $0\to\mathbb{Z}\to\mathcal{O}_X\to\mathcal{O}_X^*\to0$ のコホモロジー列
$$
H^1(X,\mathcal{O}_X)\to\operatorname{Pic}(X)\xrightarrow{c_1}H^2(X,\mathbb{Z})\to H^2(X,\mathcal{O}_X)
$$
で両端が $0$($q=p_g=0$)なので $c_1$ は同型である。$H^2(X,\mathbb{Z})$ の階数は $b_2=10$ なので $\rho=10$ である。$\operatorname{Pic}^0(X)$ は $H^1(X,\mathcal{O}_X)/H^1(X,\mathbb{Z})=0$ なので、$\operatorname{Pic}(X)$ は Néron–Severi 群 $\operatorname{Pic}(X)/\operatorname{Pic}^0(X)$ に等しい。
4.$\omega_X\not\cong\mathcal{O}_X$、$\omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$ なので $K_X$ の類は位数 $2$ である。数値的に $0$ であることは prop-enr-basic の 1 である。$\operatorname{Pic}^0(X)=0$ なので、代数的同値は線形同値と一致し、$K_X\not\sim0$ から $K_X$ は $0$ に代数的同値でない。$\square$
さらに $H^2(X,\mathbb{Z})\cong\mathbb{Z}^{10}\oplus\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}$ であり、捩れ部分は $c_1(K_X)$ で生成される(BHPV04 VIII.15.1・15.2、pp. 339–340。この記事では証明しない)。捩れを除いた $H^2(X,\mathbb{Z})/(\text{捩れ})$ に交点形式を入れた格子は、双曲平面 $U$ と負の $E_8$ 格子の直和 $U\oplus E_8(-1)$ に同型である(同 VIII.15.1 (iii))。Néron–Severi 群は捩れ $\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}$ をもち、数値的同値の群 $\mathbb{Z}^{10}$ とは一致しない(Néron–Severi群)。
Hodge 菱形は次のとおりである。
$$
\begin{array}{ccccc}
&&1&&\\
&0&&0&\\
0&&10&&0\\
&0&&0&\\
&&1&&
\end{array}
$$
複素数体上では、すべての Enriques 曲面は楕円ファイブレーション $X\to\mathbb{P}^1$ をもつ(BHPV04 VIII.17.7、p. 345。この記事では証明しない)。そのような楕円ファイブレーションはちょうど 2 本の重複度 $2$ の重複ファイバー $2F_1$、$2F_2$ をもち、$K_X\sim F_1-F_2$ である(重複ファイバー の命題「Enriques 曲面の楕円ファイブレーションの重複ファイバー」)。とくに位数 $2$ の捩れ元 $K_X$ は、2 本の「半分のファイバー」の差として目に見える形で現れる。楕円曲面 の言葉では、$\chi(\mathcal{O}_X)=1$、底の種数 $0$、重複度 $2$ の重複ファイバー 2 本から $\delta(f)=1-2+\frac12+\frac12=0$ で、小平次元 $0$ と合っている。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| lem-enr-double-cover の「$L\not\cong\mathcal{O}_X$」 | $L=\mathcal{O}_X$、$\varphi$ は積 | $\mathcal{A}=\mathcal{O}_X[t]/(t^2-1)\cong\mathcal{O}_X\times\mathcal{O}_X$ で、$Y=X\sqcup X$ は連結でない |
| lem-enr-double-cover の「標数が $2$ でない」 | 標数 $2$ で $L=\mathcal{O}_X$、$\varphi$ は積 | $t^2-1=(t-1)^2$ なので $Y$ は被約でなく、$\Omega_{Y/X}=\mathcal{O}_Y\,dt\ne0$ で $\pi$ はエタールでない |
| def-enr の「$\omega_X^{\otimes2}\cong\mathcal{O}_X$」 | $X=\mathbb{P}^2$($q=p_g=0$) | $\operatorname{Pic}(\mathbb{P}^2)\cong\mathbb{Z}$ は捩れをもたないので、lem-enr-double-cover で連結な不分岐 2 重被覆を作る $L$ がなく、$P_2=0$、小平次元は $-\infty$ |
1 行目:$t\mapsto(1,-1)$ の成分ごとの値で $\mathcal{O}_X[t]/(t^2-1)\cong\mathcal{O}_X\times\mathcal{O}_X$(標数が $2$ でないので $(t-1)$ と $(t+1)$ は互いに素)。
2 行目:標数 $2$ では $t^2-1=(t-1)^2$ で、$t-1$ は $\mathcal{A}$ の $0$ でない冪零元である。$d(t^2-1)=2t\,dt=0$ なので $\Omega_{Y/X}=\mathcal{A}\,dt$ は $0$ でない。
3 行目:$\operatorname{Pic}(\mathbb{P}^2)\cong\mathbb{Z}$(次数)なので $L^{\otimes2}\cong\mathcal{O}$ なら $L\cong\mathcal{O}$ で、1 行目の場合しかない。$\omega_{\mathbb{P}^2}^{\otimes 2}=\mathcal{O}(-6)$ は大域切断をもたない。
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