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曲面をひねると何が残るのか?写像類群とデーンひねり

曲面をそれ自身へ写す同相写像を集め、連続に動かして移り合うものを同じと見なす。できあがる群が写像類群です[1]

曲面そのものではなく、曲面の対称性を調べる群になります。曲面の形は分類定理で決まってしまうので、次に問うのはこちらです。

以下では定義と易しい例から始め、デーンひねりで群を組み立て、ホモロジーへの作用とニールセン・サーストンの分類まで進みます。

定義

を向きづけ可能な曲面とします。向きを保つ自己同相写像の全体を、イソトピーで割ります[1,4]

分母は恒等写像にイソトピックな写像の全体です。連続に動かして恒等写像へ戻せる写像を、無視することにあたります。

境界がある場合は、境界を各点で固定する写像だけに絞ります。

例: 球面と円板

とします。向きを保つ自己同相写像は、どれも恒等写像にイソトピックです[4]

円板でも同じで、群は自明になります。境界を固定する条件を付けても変わりません。

アレクサンダーのトリックと呼ばれる議論が効きます。円板の写像を、中心へ向かって縮めながら恒等写像へつないでいく。

例: 円環

とし、境界を固定します。

内側の円を止めて外側だけを 周ねじる写像が作れます。これは恒等写像へ戻せません。

ねじった回数が整数として残ります[1]。回数を足すことが写像の合成に対応するので、群は

この写像がデーンひねりです。曲面の写像類群を組み立てる部品になります。

デーンひねり

単純閉曲線 をとり、そのまわりの管状近傍 を選びます。 は円環と同相です[2]

の中の座標を とすると、写像は次の形になります。

の外では恒等写像です。境界で連続につながるので、曲面全体の同相写像になります。

曲線 に沿ったデーンひねりといい、 と書きます。 をイソトピーで動かしても、 の類は変わりません。

例: トーラス

を正方形の辺を貼ったものと見て、横の曲線を 、縦の曲線を とします。

に沿ったデーンひねり は、 を動かさず、 をつないだ道へ送ります[2]

次ホモロジーの基底 で行列に直します。

に沿ったひねりは下三角の行列になります。この つが を生成します。

トーラスでは、写像類群がホモロジーへの作用で完全に決まります[1]

行列が つ決まれば写像類が つ決まる。トーラスは、写像類群が具体的に書き下せる数少ない例です。

デーン・リッコリッシュの定理

一般の曲面でも、部品はデーンひねりで足ります[1]

種数 の閉曲面の写像類群は、単純閉曲線に沿ったデーンひねりで生成されます。しかも有限個で足りる。

リッコリッシュは 本のひねりで生成できることを示し、のちに 本まで減らせると分かりました[2]

種数 なら 本です。無限群が 個の元で生成される、と言い直せます。

関係式

生成元が分かっても、関係式が要ります。 つの曲線の交わり方で形が決まります[4]

交わらない 本なら、ひねりは可換です。

ちょうど 点で交わる 本では、組みひも関係が成り立ちます。

さらに 本の曲線がからむランタン関係もあります。これらを合わせると、写像類群の有限表示が得られます。

ホモロジーへの作用

写像類は に作用します。交叉形式を保つので、行き先はシンプレクティック群です[3]

右の写像は全射です。核をトレリ群といい、ホモロジーには何も見えない写像類の集まりになります。

種数 ではトレリ群が自明です。トーラスの写像類群がそのまま になる、という事情でした[3]

種数 以上ではトレリ群が無限群になります。ホモロジーだけでは写像類群を追いきれません。

ニールセン・サーストンの分類

種数 以上の閉曲面では、写像類が つの型に分かれます[5]

周期的。ある が恒等写像になる。
可約。互いに交わらない単純閉曲線の有限個の和を保つ。
擬アノソフ。上の つのどちらでもない。

どの写像類も、この つのちょうど つに入ります。分類が排他的である点が定理の中身です。

擬アノソフの場合、横断する 枚の葉層が保たれます。片方は引き伸ばされ、もう片方は縮められる[5]

例: トーラスでの 3 つの型

の行列で、 型がそのまま見えます。トレースの絶対値で分かれます。

トレースの絶対値が より小さければ有限位数で、周期的です。 度回転にあたる行列がその例。

絶対値がちょうど なら、さきほどのデーンひねりの行列のような形になります。ある曲線を保つので可約です。

絶対値が より大きい行列は擬アノソフです。固有値が に分かれ、片方の向きへ伸び、もう片方へ縮む。

トレースは です。固有値は で、伸び率が黄金比の 乗になります。

タイヒミュラー空間への作用

写像類群は、曲面の複素構造を並べた空間に作用します[1]

タイヒミュラー空間といい、種数 の閉曲面では 次元のユークリッド空間と同相です。

作用の様子が 型に対応します。周期的な元は内部に不動点を持ち、擬アノソフの元は境界に つの不動点を持ちます。

商をとるとモジュライ空間になります。曲面の複素構造の分類そのものが、この商として書かれる。

例: 写像トーラスとの関係

写像類 から 次元多様体が作れます。 の両端を で貼る、写像トーラスです。

分類の型と、できる多様体の幾何が対応します[5]

周期的なら の構造、可約なら中に圧縮不可能なトーラスが現れます。擬アノソフなら双曲構造が入ります。

曲面の写像を分類する問題が、 次元多様体を分類する問題へつながっています。サーストンの幾何化の出発点の つがここにあります。

参考文献

Mapping class group of a surface - Wikipedia(英語)
Dehn twist - Wikipedia(英語)
Torelli group - Wikipedia(英語)
Abbildungsklassengruppe - Wikipedia(ドイツ語)
Nielsen–Thurston classification - Wikipedia(英語)
自己同相写像をイソトピーで割った群が写像類群です。球面と円板では自明、円環ではねじった回数が整数として残り、トーラスでは $SL_2(\mathbb{Z})$ そのものになります。曲線に沿ったデーンひねりが部品になり、種数 $g$ の曲面なら $2g+1$ 本で生成できる。ホモロジーへの作用ではシンプレクティック群に落ち、見えない部分がトレリ群として残ります。周期的・可約・擬アノソフの 3 分類と、写像トーラスの幾何との対応まで。