Un toro puede dibujarse como una rosquilla, pero ese dibujo no especifica cómo hacer análisis complejo sobre él. Construiremos toros pegando un paralelogramo y veremos qué cambios alteran solo sus coordenadas y cuáles cambian la estructura compleja. Esa diferencia es la razón de estudiar espacios de módulos.
Si necesitas repasar:
1. Una superficie de Riemann es real de dimensión dos y compleja de dimensión uno
Las cartas toman valores en abiertos de C y los cambios de carta son holomorfos invertibles.
Las transiciones preservan la orientación; la superficie es orientable. Una función se dice holomorfa si lo es al escribirla en esas cartas.
En una superficie compacta conexa, toda función holomorfa global con valores en C es constante por el principio del máximo. Para tener funciones globales no constantes se permiten polos: son funciones meromorfas. Una uno-forma holomorfa es otro objeto; su coeficiente puede cambiar con la carta y no es una función global ordinaria.
La coordenada z en la esfera tiene un polo
Usar z en CP¹ y w=1/z cerca del infinito.
Reescribir
La función z se expresa como 1/w.
Localizar el problema
En w=0, que representa el infinito, hay un polo de orden uno.
Clasificar
z es meromorfa en la esfera, no holomorfa con valores finitos en toda ella.
No contradice que una función holomorfa global en una superficie compacta sea constante.
Como mapa a CP¹ sí es holomorfa: el espacio de llegada también admite el infinito.
Una forma puede descender aunque la coordenada no descienda
En C/(Z+iZ), considerar dz.
Traslación
Si z′=z+λ, entonces dz′=dz.Pegar
Las expresiones dz coinciden en las cartas del cociente.
Distinguir
La función z cambia en λ, así que no define una función compleja global en el toro.
dz es una uno-forma holomorfa global no nula.
No se deduce que z sea global por el hecho de que su diferencial lo sea.
2. El género cuenta topología y también diferenciales
El entero g es el género. Un teorema identifica g con la dimensión compleja de los diferenciales holomorfos, . El fibrado canónico
reúne las uno-formas holomorfas y tiene grado 2g−2.
Riemann–Roch para una línea holomorfa L dice . Por dualidad de Serre, el segundo término es h¹(L). Los grados y las dimensiones no son el mismo número: el término restante puede cambiar la cuenta.
Calcular tres datos de una curva de género dos
g=2.
Euler
χ=2−2·2=−2.Canónico
deg K=2·2−2=2.Diferenciales
h⁰(K)=g=2: hay dos diferenciales holomorfos independientes.
El grado dos y la dimensión dos coinciden aquí, pero por resultados distintos.
En género tres son deg K=4 y h⁰(K)=3; ya no coinciden.
Aplicar Riemann–Roch con un grado suficientemente grande
g=2 y deg L=5.
Línea dual
deg(K⊗L⁻¹)=2−5=−3.Anular el término
Una línea de grado negativo no tiene sección holomorfa no nula: h⁰(K⊗L⁻¹)=0.
Contar
h⁰(L)=5+1−2=4.
El grado cinco produce cuatro secciones independientes en este caso.
La anulación se justificó con el grado negativo; no se descarta el término dual sin comprobarlo.
3. La cubierta universal tiene tres modelos, pero no fija todos los módulos
Uniformización afirma que una superficie de Riemann simplemente conexa es biholomorfa a CP¹, C o el disco unidad. Para superficies compactas, el género cero usa CP¹; el uno usa C y el género al menos dos usa el disco. Este es un teorema global, no una clasificación obtenida mirando solo una carta.
En género cero hay una única superficie compacta hasta biholomorfismo: CP¹. En género al menos dos, la métrica del disco de curvatura −1 desciende y es la única de esa curvatura en la clase conforme. Los grupos que pegan puntos pueden variar: tener la misma cubierta universal no identifica todas las estructuras complejas.
Clasificar el modelo de cubierta, sin afirmar más
Tres superficies compactas de géneros cero, uno y cuatro.
Género cero
La cubierta es la esfera y la superficie es CP¹.
Género uno
La cubierta es C; falta especificar una red.
Género cuatro
La cubierta es el disco; falta especificar el grupo de identificaciones.
El modelo universal deja parámetros de pegado en los dos últimos casos.
El disco no se vuelve compacto: lo compacto es el cociente apropiado.
Calcular el área hiperbólica cuando g≥2
Curvatura constante K=−1 y género dos.
Euler
χ=−2.Gauss–Bonnet
∫K dA=2πχ=−4π.Área
Como K=−1, −Área=−4π y Área=4π.
Toda métrica hiperbólica cerrada de género dos tiene área 4π, aunque cambien sus módulos.
La igualdad de áreas tampoco implica que dos superficies sean biholomorfas.
4. Construir un toro exige una red de dos direcciones reales
El mapa real (u, v)↦u+vτ tiene determinante Im τ, por lo que es invertible. La imagen de Z² es discreta: un compacto tiene preimagen compacta y solo contiene finitos puntos enteros. Esa es una red de rango dos en C.
Las traslaciones son holomorfas, así que C/Λ hereda cartas complejas. Un paralelogramo fundamental cubre el cociente y demuestra su compacidad. Identificar sus lados opuestos da topológicamente un toro. Un τ real no genera una red bidimensional: los dos generadores quedan en una recta.
Comprobar una red oblicua
τ=1/2+i.
Columnas reales
Los generadores son (1,0) y (1/2,1).
Determinante
1·1−0·(1/2)=1≠0.Cociente
Los lados del paralelogramo se pegan por traslaciones; el resultado es un toro complejo compacto.
No hace falta que el paralelogramo sea un cuadrado.
Im τ=1 garantiza la independencia real.
Comparar dos fallos cuando τ es real
Primero τ=3/2; después τ=√2.
Racional
Z+(3/2)Z=(1/2)Z es discreto, pero solo en una recta: no es una red de rango dos en C.
Irracional
Z+√2Z no es discreto en la recta: se pueden aproximar enteros con múltiplos de √2.
Separar
Ambos fallan como red plana; el motivo incluye rango real uno y, en el segundo, además falta de discreción.
Discreto no basta si falta la dimensión real requerida.
No se afirma que todo τ real produzca un grupo discreto.
5. Cambiar una base puede cambiar τ sin cambiar el toro
Una red tiene muchas bases. Cambiar la base orientada por una matriz entera de determinante uno y reescalar por un complejo no nulo produce . Los toros relacionados son biholomorfos; la clasificación de toros complejos da también el recíproco.
La identidad mantiene el semiplano superior. En particular, τ y τ+1 generan la misma red; τ y −1/τ generan redes homotéticas. El parámetro τ contiene una elección de base que debemos olvidar al pasar a módulos.
Dos etiquetas de la misma red
τ=i y τ′=1+i.
Generadores nuevos
1 e 1+i están en Z+iZ.
Recuperar los viejos
i=(1+i)−1 está en la red nueva.Igualdad
Las dos inclusiones prueban que las redes son la misma.
No hay una nueva estructura compleja por cambiar esa base.
La matriz modular correspondiente a τ↦τ+1 tiene determinante uno.
Dos toros topológicamente iguales que no son biholomorfos
Comparar τ=i y τ′=2i.
Suponer equivalencia
Existiría una matriz modular con Im τ′=1/|ci+d|².Usar la parte imaginaria
2=1/(c²+d²), así que c²+d²=1/2.Descartar
c y d son enteros; su suma de cuadrados no puede ser 1/2.
Son toros reales del mismo género, pero sus estructuras complejas no son equivalentes.
El argumento usa la clasificación modular, no simplemente que los paralelogramos se dibujen con formas distintas.
6. Una marca retiene la información que módulos olvida
Módulos clasifica superficies complejas compactas de género g hasta biholomorfismo. Todas tienen el mismo tipo topológico orientado, pero pueden corresponder a puntos diferentes de
. Cambiar de cartas dentro del mismo atlas compatible no crea un punto nuevo.
En Teichmüller se fija una superficie topológica S y una marca f: S→X. Dos pares equivalen si un biholomorfismo respeta la marca salvo isotopía. El grupo de clases de aplicaciones cambia la marca. Al olvidar esa elección se obtiene =
/Mod_g, con las precauciones sobre automorfismos que veremos.
Lo que recuerda el semiplano en género uno
Un toro marcado con base orientada de ciclos.
Períodos
Normalizar el primer período a uno deja el segundo τ en el semiplano superior.
Cambiar marca
Una matriz de SL₂(Z) cambia los ciclos de referencia y transforma τ.
Olvidar
El cociente identifica esos parámetros al clasificar el toro sin la base elegida.
El semiplano distingue marcas que el espacio de módulos identifica.
El parámetro es complejo: equivale localmente a dos parámetros reales.
Volver a escribir una carta no es deformar la superficie
En un abierto, usar w=2z en lugar de z.
Compatibilidad
El cambio es holomorfo e invertible.
Atlas
Las dos cartas son compatibles y describen la misma estructura compleja.
Módulos
La identidad de la superficie es un biholomorfismo entre las dos descripciones.
Cambiar la notación local no cambia el punto de módulos.
Una deformación cambia la estructura hasta equivalencia, no solo la fórmula de una coordenada.
7. Justificar 3g−3 antes de usar la fórmula
Para g≥2, las deformaciones infinitesimales se describen por H¹(X, ). El grado del fibrado tangente es 2−2g<0, así que h⁰(
)=0.
La teoría de deformaciones justifica que el espacio local tiene esa dimensión; en curvas H²()=0 y no aparece la obstrucción de ese grado. Teichmüller es una variedad compleja de dimensión 3g−3. Otra cuenta usa 3g−3 costuras hiperbólicas, con una longitud y un giro real cada una: 6g−6 parámetros reales.
Leer las dos dimensiones en género dos
g=2.
Compleja
3g−3=6−3=3.Real
Cada parámetro complejo aporta dos reales: 2·3=6.
Costuras
Hay tres costuras; sus tres longitudes y tres giros aportan esos seis reales.
Dimensión compleja tres y real seis describen el mismo número de grados de libertad.
La característica χ=−2 es otro invariante y no es una dimensión.
Repetir la justificación en género cuatro
deg T=2−8=−6.
Sin secciones
h⁰(T)=0 por grado negativo.Riemann–Roch
h⁰(T)−h¹(T)=−6+1−4=−9.Resolver
−h¹(T)=−9, de donde h¹(T)=9=3·4−3.
La cuenta depende de dos hechos: grado del tangente y anulación de h⁰.
La integración de direcciones infinitesimales requiere el resultado de deformaciones, no solo esta resta.
8. Los automorfismos explican excepciones y cocientes locales
En género al menos dos los automorfismos son finitos, aunque pueden ser no triviales. El espacio local de módulos puede ser un cociente de un espacio de deformaciones por ese grupo. Módulos tiene estructura de orbifold y el espacio grueso puede tener singularidades de cociente. Enumerar clases no produce automáticamente una familia universal.
La esfera tiene cero parámetros complejos y automorfismos de Möbius de dimensión tres. El toro tiene un parámetro; sin origen marcado tiene traslaciones continuas. Para curvas elípticas se marca un origen y se usa M₁,₁, pero quedan automorfismos finitos como z↦−z.
Un automorfismo que sobrevive al marcar el origen
Toro cuadrado C/(Z+iZ).
Aplicar
z↦−z preserva la red y fija cero.
Invertir
Su cuadrado es la identidad; es un biholomorfismo.
Distinguir
No es la identidad en general, aunque ambos fijen el origen.
Marcar un origen elimina traslaciones arbitrarias, pero no todos los automorfismos.
Por ejemplo la clase de 1/4 se lleva a la de −1/4, que es distinta.
Tres puntos eliminan los cambios de Möbius de la esfera
Puntos ordenados distintos llevados a 0,1,∞.
Existencia
Una transformación fraccionaria lleva cualquier terna distinta a esa terna.
Unicidad
Una transformación de Möbius que fija 0,1 e ∞ debe ser la identidad.
Parámetros
La esfera con tres marcas ordenadas tiene un único punto de módulos.
Las marcas pueden eliminar automorfismos y cambiar el problema de clasificación.
Se exige que los puntos sean distintos y se conserve su orden.
9. Añadir marcas y permitir nodos amplía el espacio
Con n marcas ordenadas distintas, en el rango estable 2g−2+n>0 la dimensión compleja es 3g−3+n. En una esfera, tres marcas se normalizan a 0,1,∞; una cuarta deja un parámetro λ que evita esos valores. No se permite que dos marcas coincidan en el problema de curvas suaves marcadas.
Los espacios de curvas suaves no son compactos en general. La compactificación de Deligne–Mumford añade curvas estables con nodos y automorfismos finitos. Cerca de un nodo, zw=0 tiene dos ramas; zw=t las suaviza cuando t≠0. El límite nodal no es una superficie de Riemann suave en el cruce.
Normalizar cuatro marcas sin perder el parámetro restante
En CP¹, marcas ordenadas 2,4,6,8.
Elegir el cambio
F(z)=−(z−2)/(z−6).Primera terna
F(2)=0, F(4)=1 y F(6)=∞.Cuarta marca
F(8)=−6/2=−3; ese es el parámetro en la normalización elegida.
Queda un parámetro complejo para cuatro marcas, acorde con 3·0−3+4=1.
−3 no coincide con 0,1 ni ∞; las cuatro marcas siguen siendo distintas.
Ver el punto que deja de ser suave en una degeneración
Familia zw=t.
Para t≠0
No pueden anularse z y w a la vez; el gradiente (w, z) nunca es cero sobre la curva.
Para t=0
Aparecen las ramas z=0 y w=0.En el origen
El gradiente es (0,0); hay un nodo y no una carta suave de superficie compleja.
Añadir límites requiere ampliar el tipo de objetos admitidos.
El ejemplo es local; la estabilidad global exige además automorfismos finitos.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Género dos
Calcula característica de Euler y dimensión de módulos para g=2.
Identificar el rango
g=2 está en el caso g≥2.Euler
χ=2−2g=2−4.Primer resultado
χ=−2.Dimensión
dim compleja=3g−3=6−3.
Segundo resultado
La dimensión compleja es tres; la real es seis.
Separar significados
χ cuenta una propiedad topológica; la dimensión de módulos cuenta parámetros de estructuras complejas.
χ=−2 y dimensión 3.
Los dos números miden propiedades distintas.
EJEMPLO RESUELTO 2
Una elección de toro
Explica por qué τ=i define una red en C.
Escribir los generadores
τ=i da Λ=Z+iZ.Separar partes reales
Uno es (1,0) e i es (0,1).
Independencia
Su determinante real es uno, no cero.
Discreción
La red son puntos de coordenadas enteras; no se acumulan en un compacto.
Compacidad del cociente
El cuadrado fundamental cerrado cubre C/Λ al pegar lados opuestos.
Interpretar
Se obtiene el toro complejo de red cuadrada, con Im i=1>0.
Se obtiene el toro de red cuadrada.
Im i=1>0 garantiza independencia.
Los símbolos que hemos usado
- X
- Superficie de Riemann conexa: variedad compleja de dimensión uno.
- g y χ(X)
- Género de una superficie compacta orientable y su característica de Euler, χ=2−2g.
- K_X
- Fibrado canónico de diferenciales holomorfos; para X compacta tiene grado 2g−2.
- Λ y τ
- Red Λ=Z+τZ en C, con Imτ>0 para que 1,τ sean independientes sobre R.
- H
- Semiplano superior {τ∈C:Imτ>0}.
- T_g
- Espacio de Teichmüller de estructuras complejas con una identificación topológica marcada, módulo isotopía.
- Mod_g
- Grupo de clases de difeomorfismos que preservan orientación de una superficie de género g, módulo isotopía.
- M_g
- Espacio de módulos que identifica superficies compactas biholomorfas de género g.
- T_X
- Fibrado tangente holomorfo de X, dual de K_X.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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