Etwas weiter fortgeschrittene Mathematik¶
Algebraische Geometrie¶
Sie können in Sage beliebige algebraische Varietäten definieren, aber manchmal ist die nichttriviale Funktionalität auf Ringe über \(\QQ\) oder endliche Körper beschränkt. Zum Beispiel können wir die Vereinigung zweier affiner, planarer Kurven berechnen, und dann die Kurven als irreduzible Komponenten der Vereinigung zurück erhalten.
sage: x, y = AffineSpace(2, QQ, 'xy').gens()
sage: C2 = Curve(x^2 + y^2 - 1)
sage: C3 = Curve(x^3 + y^3 - 1)
sage: D = C2 + C3
sage: D
Affine Plane Curve over Rational Field defined by
x^5 + x^3*y^2 + x^2*y^3 + y^5 - x^3 - y^3 - x^2 - y^2 + 1
sage: D.irreducible_components()
[
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
x^2 + y^2 - 1,
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
x^3 + y^3 - 1
]
>>> from sage.all import *
>>> x, y = AffineSpace(Integer(2), QQ, 'xy').gens()
>>> C2 = Curve(x**Integer(2) + y**Integer(2) - Integer(1))
>>> C3 = Curve(x**Integer(3) + y**Integer(3) - Integer(1))
>>> D = C2 + C3
>>> D
Affine Plane Curve over Rational Field defined by
x^5 + x^3*y^2 + x^2*y^3 + y^5 - x^3 - y^3 - x^2 - y^2 + 1
>>> D.irreducible_components()
[
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
x^2 + y^2 - 1,
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
x^3 + y^3 - 1
]
Wir können auch alle Punkte im Schnitt der beiden Kurven finden, indem wir diese schneiden und dann die irreduziblen Komponenten berechnen.
sage: V = C2.intersection(C3)
sage: V.irreducible_components()
[
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
y,
x - 1,
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
y - 1,
x,
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
x + y + 2,
2*y^2 + 4*y + 3
]
>>> from sage.all import *
>>> V = C2.intersection(C3)
>>> V.irreducible_components()
[
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
y,
x - 1,
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
y - 1,
x,
Closed subscheme of Affine Space of dimension 2 over Rational Field defined by:
x + y + 2,
2*y^2 + 4*y + 3
]
Also sind zum Beispiel \((1,0)\) und \((0,1)\) auf beiden Kurven (wie man sofort sieht), genauso wie bestimmte (quadratischen) Punkte, deren \(y\) Koordinaten \(2y^2 + 4y + 3=0\) erfüllen.
Sage kann auch das torische Ideal der gedrehten Kubik im dreidimensionalen projektiven Raum berechnen:
sage: R.<a,b,c,d> = PolynomialRing(QQ, 4)
sage: I = ideal(b^2-a*c, c^2-b*d, a*d-b*c)
sage: F = I.groebner_fan(); F
Groebner fan of the ideal:
Ideal (b^2 - a*c, c^2 - b*d, -b*c + a*d) of Multivariate Polynomial Ring
in a, b, c, d over Rational Field
sage: F.reduced_groebner_bases ()
[[-c^2 + b*d, -b*c + a*d, -b^2 + a*c],
[-b*c + a*d, -c^2 + b*d, b^2 - a*c],
[-c^3 + a*d^2, -c^2 + b*d, b*c - a*d, b^2 - a*c],
[-c^2 + b*d, b^2 - a*c, b*c - a*d, c^3 - a*d^2],
[-b*c + a*d, -b^2 + a*c, c^2 - b*d],
[-b^3 + a^2*d, -b^2 + a*c, c^2 - b*d, b*c - a*d],
[-b^2 + a*c, c^2 - b*d, b*c - a*d, b^3 - a^2*d],
[c^2 - b*d, b*c - a*d, b^2 - a*c]]
sage: F.polyhedralfan()
Polyhedral fan in 4 dimensions of dimension 4
>>> from sage.all import *
>>> R = PolynomialRing(QQ, Integer(4), names=('a', 'b', 'c', 'd',)); (a, b, c, d,) = R._first_ngens(4)
>>> I = ideal(b**Integer(2)-a*c, c**Integer(2)-b*d, a*d-b*c)
>>> F = I.groebner_fan(); F
Groebner fan of the ideal:
Ideal (b^2 - a*c, c^2 - b*d, -b*c + a*d) of Multivariate Polynomial Ring
in a, b, c, d over Rational Field
>>> F.reduced_groebner_bases ()
[[-c^2 + b*d, -b*c + a*d, -b^2 + a*c],
[-b*c + a*d, -c^2 + b*d, b^2 - a*c],
[-c^3 + a*d^2, -c^2 + b*d, b*c - a*d, b^2 - a*c],
[-c^2 + b*d, b^2 - a*c, b*c - a*d, c^3 - a*d^2],
[-b*c + a*d, -b^2 + a*c, c^2 - b*d],
[-b^3 + a^2*d, -b^2 + a*c, c^2 - b*d, b*c - a*d],
[-b^2 + a*c, c^2 - b*d, b*c - a*d, b^3 - a^2*d],
[c^2 - b*d, b*c - a*d, b^2 - a*c]]
>>> F.polyhedralfan()
Polyhedral fan in 4 dimensions of dimension 4
Elliptische Kurven¶
Die Funktionalität elliptischer Kurven beinhaltet die meisten von PARIs Funktionen zu elliptischen Kurven, den Zugriff auf die Daten von Cremonas Online-Tabellen (dies benötigt ein optionales Datenbankpaket), die Funktionen von mwrank, d.h. 2-Abstiege mit der Berechnung der vollen Mordell-Weil-Gruppe, der SEA Algorithmus, Berechnung aller Isogenien, viel neuem Code für Kurven über \(\QQ\) und Teile von Denis Simons „algebraic descent“ Software.
Der Befehl EllipticCurve zum Erzeugen von Elliptischen Kurven hat
viele Formen:
EllipticCurve([\(a_1\), \(a_2\), \(a_3\), \(a_4\), \(a_6\)]): Gibt die elliptische Kurve
\[y^2+a_1xy+a_3y=x^3+a_2x^2+a_4x+a_6,\]zurück, wobei die \(a_i\)’s umgewandelt werden zum Typ von \(a_1\). Falls alle \(a_i\) den Typ \(\ZZ\) haben, werden sie zu \(\QQ\) umgewandelt.
EllipticCurve([\(a_4\), \(a_6\)]): Das Gleiche wie oben, jedoch ist \(a_1=a_2=a_3=0\).
EllipticCurve(label): Gibt die elliptische Kurve aus der Datenbank von Cremona mit dem angegebenen (neuen!) Cremona-Label zurück. Das Label ist ein String, wie z.B.
"11a"oder"37b2". Die Buchstaben müssen klein geschrieben sein (um sie von dem alten Label unterscheiden zu können).EllipticCurve(j): Gibt die elliptische Kurve mit \(j\)-Invariante \(j\) zurück.
EllipticCurve(R, [\(a_1\), \(a_2\), \(a_3\), \(a_4\), \(a_6\)]): Erzeugt die elliptische Kurve über dem Ring \(R\) mit vorgegebenen \(a_i\)’s wie oben.
Wir veranschaulichen jede dieser Konstruktionen:
sage: EllipticCurve([0,0,1,-1,0])
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 - x over Rational Field
sage: EllipticCurve([GF(5)(0),0,1,-1,0])
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + 4*x over Finite Field of size 5
sage: EllipticCurve([1,2])
Elliptic Curve defined by y^2 = x^3 + x + 2 over Rational Field
sage: EllipticCurve('37a')
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 - x over Rational Field
sage: EllipticCurve_from_j(1)
Elliptic Curve defined by y^2 + x*y = x^3 + 36*x + 3455 over Rational Field
sage: EllipticCurve(GF(5), [0,0,1,-1,0])
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + 4*x over Finite Field of size 5
>>> from sage.all import *
>>> EllipticCurve([Integer(0),Integer(0),Integer(1),-Integer(1),Integer(0)])
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 - x over Rational Field
>>> EllipticCurve([GF(Integer(5))(Integer(0)),Integer(0),Integer(1),-Integer(1),Integer(0)])
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + 4*x over Finite Field of size 5
>>> EllipticCurve([Integer(1),Integer(2)])
Elliptic Curve defined by y^2 = x^3 + x + 2 over Rational Field
>>> EllipticCurve('37a')
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 - x over Rational Field
>>> EllipticCurve_from_j(Integer(1))
Elliptic Curve defined by y^2 + x*y = x^3 + 36*x + 3455 over Rational Field
>>> EllipticCurve(GF(Integer(5)), [Integer(0),Integer(0),Integer(1),-Integer(1),Integer(0)])
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + 4*x over Finite Field of size 5
Das Paar \((0,0)\) ist ein Punkt auf der elliptischen Kurve
\(E\) definiert durch \(y^2 + y = x^3 - x\). Um diesen Punkt
in Sage zu erzeugen, geben Sie E([0,0]) ein. Sage kann auf einer
solchen elliptischen Kurve Punkte addieren (erinnern Sie sich:
elliptische Kurven haben eine additive Gruppenstruktur, wobei der unendlich
ferne Punkt das Nullelement ist, und drei kollineare Punkte auf
der Kurve sich zu Null addieren):
sage: E = EllipticCurve([0,0,1,-1,0])
sage: E
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 - x over Rational Field
sage: P = E([0,0])
sage: P + P
(1 : 0 : 1)
sage: 10*P
(161/16 : -2065/64 : 1)
sage: 20*P
(683916417/264517696 : -18784454671297/4302115807744 : 1)
sage: E.conductor()
37
>>> from sage.all import *
>>> E = EllipticCurve([Integer(0),Integer(0),Integer(1),-Integer(1),Integer(0)])
>>> E
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 - x over Rational Field
>>> P = E([Integer(0),Integer(0)])
>>> P + P
(1 : 0 : 1)
>>> Integer(10)*P
(161/16 : -2065/64 : 1)
>>> Integer(20)*P
(683916417/264517696 : -18784454671297/4302115807744 : 1)
>>> E.conductor()
37
Die elliptischen Kurven über den komplexen Zahlen sind durch die \(j\)-Invariante parametrisiert. Sage berechnet \(j\)-Invarianten wie folgt:
sage: E = EllipticCurve([0,0,0,-4,2]); E
Elliptic Curve defined by y^2 = x^3 - 4*x + 2 over Rational Field
sage: E.conductor()
2368
sage: E.j_invariant()
110592/37
>>> from sage.all import *
>>> E = EllipticCurve([Integer(0),Integer(0),Integer(0),-Integer(4),Integer(2)]); E
Elliptic Curve defined by y^2 = x^3 - 4*x + 2 over Rational Field
>>> E.conductor()
2368
>>> E.j_invariant()
110592/37
Wenn wir eine Kurve mit der gleichen \(j\)-Invarianten wie \(E\) erstellen, muss diese nicht isomorph zu \(E\) sein. Im folgenden Beispiel sind die Kurven nicht isomorph, da ihre Führer unterschiedlich sind.
sage: F = EllipticCurve_from_j(110592/37)
sage: F.conductor()
37
>>> from sage.all import *
>>> F = EllipticCurve_from_j(Integer(110592)/Integer(37))
>>> F.conductor()
37
Jedoch ergibt der Twist von \(F\) mit 2 eine isomorphe Kurve.
sage: G = F.quadratic_twist(2); G
Elliptic Curve defined by y^2 = x^3 - 4*x + 2 over Rational Field
sage: G.conductor()
2368
sage: G.j_invariant()
110592/37
>>> from sage.all import *
>>> G = F.quadratic_twist(Integer(2)); G
Elliptic Curve defined by y^2 = x^3 - 4*x + 2 over Rational Field
>>> G.conductor()
2368
>>> G.j_invariant()
110592/37
Wir können die Koeffizienten \(a_n\) der zur elliptischen Kurve gehörenden \(L\)-Reihe oder der Modulform \(\sum_{n=0}^\infty a_nq^n\) berechnen. Die Berechnung benutzt die PARI C-Bibliothek:
sage: E = EllipticCurve([0,0,1,-1,0])
sage: E.anlist(30)
[0, 1, -2, -3, 2, -2, 6, -1, 0, 6, 4, -5, -6, -2, 2, 6, -4, 0, -12, 0, -4,
3, 10, 2, 0, -1, 4, -9, -2, 6, -12]
sage: v = E.anlist(10000)
>>> from sage.all import *
>>> E = EllipticCurve([Integer(0),Integer(0),Integer(1),-Integer(1),Integer(0)])
>>> E.anlist(Integer(30))
[0, 1, -2, -3, 2, -2, 6, -1, 0, 6, 4, -5, -6, -2, 2, 6, -4, 0, -12, 0, -4,
3, 10, 2, 0, -1, 4, -9, -2, 6, -12]
>>> v = E.anlist(Integer(10000))
Alle Koeffizienten \(a_n\) bis zu \(n\leq 10^5\) zu berechnen dauert nur eine Sekunde:
sage: %time v = E.anlist(100000)
CPU times: user 0.98 s, sys: 0.06 s, total: 1.04 s
Wall time: 1.06
>>> from sage.all import *
>>> %time v = E.anlist(Integer(100000))
CPU times: user 0.98 s, sys: 0.06 s, total: 1.04 s
Wall time: 1.06
Elliptische Kurven können mit Hilfe ihres Cremona-Labels konstruiert werden. Dies lädt die Kurve zusammen mit Informationen über ihren Rank, mit Tamagawa Zahlen, Regulatoren, usw..
sage: E = EllipticCurve("37b2")
sage: E
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + x^2 - 1873*x - 31833 over Rational
Field
sage: E = EllipticCurve("389a")
sage: E
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + x^2 - 2*x over Rational Field
sage: E.rank()
2
sage: E = EllipticCurve("5077a")
sage: E.rank()
3
>>> from sage.all import *
>>> E = EllipticCurve("37b2")
>>> E
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + x^2 - 1873*x - 31833 over Rational
Field
>>> E = EllipticCurve("389a")
>>> E
Elliptic Curve defined by y^2 + y = x^3 + x^2 - 2*x over Rational Field
>>> E.rank()
2
>>> E = EllipticCurve("5077a")
>>> E.rank()
3
Wir können auch direkt auf die Cremona-Datenbank zugreifen.
sage: db = sage.databases.cremona.CremonaDatabase()
sage: db.curves(37)
{'a1': [[0, 0, 1, -1, 0], 1, 1], 'b1': [[0, 1, 1, -23, -50], 0, 3]}
sage: db.allcurves(37)
{'a1': [[0, 0, 1, -1, 0], 1, 1],
'b1': [[0, 1, 1, -23, -50], 0, 3],
'b2': [[0, 1, 1, -1873, -31833], 0, 1],
'b3': [[0, 1, 1, -3, 1], 0, 3]}
>>> from sage.all import *
>>> db = sage.databases.cremona.CremonaDatabase()
>>> db.curves(Integer(37))
{'a1': [[0, 0, 1, -1, 0], 1, 1], 'b1': [[0, 1, 1, -23, -50], 0, 3]}
>>> db.allcurves(Integer(37))
{'a1': [[0, 0, 1, -1, 0], 1, 1],
'b1': [[0, 1, 1, -23, -50], 0, 3],
'b2': [[0, 1, 1, -1873, -31833], 0, 1],
'b3': [[0, 1, 1, -3, 1], 0, 3]}
Die Objekte, die aus der Datenbank zurückgegeben werden, sind nicht
vom Typ EllipticCurve. Sie sind Elemente einer Datenbank und haben
ein paar Komponenten, und das war’s. Es gibt eine kleine Version von
Cremonas Datenbank, die standardmäßig zu Sage gehört und beschränkte
Information zu elliptischen Kurven mit Führer \(\leq 10000\)
enthält. Es gibt auch eine große optionale Version, welche ausgiebige
Daten zu allen elliptischen Kurven mit Führer bis zu \(120000\)
enthält (Stand Oktober 2005). Es gibt auch ein riesiges (2GB großes)
optionales Datenbank-Paket für Sage, das in der Stein-Watkins
Datenbank hunderte Millionen von elliptischen Kurven enthält.
Dirichlet-Charaktere¶
Ein Dirichlet Charakter ist die Erweiterung eines Homomorphismus \((\ZZ/N\ZZ)^* \to R^*\), für einen Ring \(R\), zu der Abbildung \(\ZZ \to R\), welche erhalten wird, wenn man diese ganzen Zahlen \(x\) mit \(\gcd(N,x)>1\) nach \(0\) schickt.
sage: G = DirichletGroup(12)
sage: G.list()
[Dirichlet character modulo 12 of conductor 1 mapping 7 |--> 1, 5 |--> 1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 4 mapping 7 |--> -1, 5 |--> 1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 3 mapping 7 |--> 1, 5 |--> -1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 12 mapping 7 |--> -1, 5 |--> -1]
sage: G.gens()
(Dirichlet character modulo 12 of conductor 4 mapping 7 |--> -1, 5 |--> 1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 3 mapping 7 |--> 1, 5 |--> -1)
sage: len(G)
4
>>> from sage.all import *
>>> G = DirichletGroup(Integer(12))
>>> G.list()
[Dirichlet character modulo 12 of conductor 1 mapping 7 |--> 1, 5 |--> 1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 4 mapping 7 |--> -1, 5 |--> 1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 3 mapping 7 |--> 1, 5 |--> -1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 12 mapping 7 |--> -1, 5 |--> -1]
>>> G.gens()
(Dirichlet character modulo 12 of conductor 4 mapping 7 |--> -1, 5 |--> 1,
Dirichlet character modulo 12 of conductor 3 mapping 7 |--> 1, 5 |--> -1)
>>> len(G)
4
Nachdem wir dies Gruppe erzeugt haben, erstellen wir als nächstes ein Element und rechnen damit.
sage: G = DirichletGroup(21)
sage: chi = G.1; chi
Dirichlet character modulo 21 of conductor 7 mapping 8 |--> 1, 10 |--> zeta6
sage: chi.values()
[0, 1, zeta6 - 1, 0, -zeta6, -zeta6 + 1, 0, 0, 1, 0, zeta6, -zeta6, 0, -1,
0, 0, zeta6 - 1, zeta6, 0, -zeta6 + 1, -1]
sage: chi.conductor()
7
sage: chi.modulus()
21
sage: chi.order()
6
sage: chi(19)
-zeta6 + 1
sage: chi(40)
-zeta6 + 1
>>> from sage.all import *
>>> G = DirichletGroup(Integer(21))
>>> chi = G.gen(1); chi
Dirichlet character modulo 21 of conductor 7 mapping 8 |--> 1, 10 |--> zeta6
>>> chi.values()
[0, 1, zeta6 - 1, 0, -zeta6, -zeta6 + 1, 0, 0, 1, 0, zeta6, -zeta6, 0, -1,
0, 0, zeta6 - 1, zeta6, 0, -zeta6 + 1, -1]
>>> chi.conductor()
7
>>> chi.modulus()
21
>>> chi.order()
6
>>> chi(Integer(19))
-zeta6 + 1
>>> chi(Integer(40))
-zeta6 + 1
Es ist auch möglich die Operation der Galoisgruppe \(\text{Gal}(\QQ(\zeta_N)/\QQ)\) auf diesen Charakteren zu berechnen, sowie die Zerlegung in direkte Produkte, die der Faktorisierung des Moduls entsprechen.
sage: chi.galois_orbit()
[Dirichlet character modulo 21 of conductor 7 mapping 8 |--> 1, 10 |--> -zeta6 + 1,
Dirichlet character modulo 21 of conductor 7 mapping 8 |--> 1, 10 |--> zeta6]
sage: go = G.galois_orbits()
sage: [len(orbit) for orbit in go]
[1, 2, 2, 1, 1, 2, 2, 1]
sage: G.decomposition()
[
Group of Dirichlet characters modulo 3 with values in Cyclotomic Field of order 6 and degree 2,
Group of Dirichlet characters modulo 7 with values in Cyclotomic Field of order 6 and degree 2
]
>>> from sage.all import *
>>> chi.galois_orbit()
[Dirichlet character modulo 21 of conductor 7 mapping 8 |--> 1, 10 |--> -zeta6 + 1,
Dirichlet character modulo 21 of conductor 7 mapping 8 |--> 1, 10 |--> zeta6]
>>> go = G.galois_orbits()
>>> [len(orbit) for orbit in go]
[1, 2, 2, 1, 1, 2, 2, 1]
>>> G.decomposition()
[
Group of Dirichlet characters modulo 3 with values in Cyclotomic Field of order 6 and degree 2,
Group of Dirichlet characters modulo 7 with values in Cyclotomic Field of order 6 and degree 2
]
Als nächstes konstruieren wir die Gruppe der Dirichlet-Charaktere mod 20, jedoch mit Werten in \(\QQ(i)\):
sage: K.<i> = NumberField(x^2+1)
sage: G = DirichletGroup(20,K)
sage: G
Group of Dirichlet characters modulo 20 with values in Number Field in i with defining polynomial x^2 + 1
>>> from sage.all import *
>>> K = NumberField(x**Integer(2)+Integer(1), names=('i',)); (i,) = K._first_ngens(1)
>>> G = DirichletGroup(Integer(20),K)
>>> G
Group of Dirichlet characters modulo 20 with values in Number Field in i with defining polynomial x^2 + 1
Nun berechnen wir mehrere Invarianten von G:
sage: G.gens()
(Dirichlet character modulo 20 of conductor 4 mapping 11 |--> -1, 17 |--> 1,
Dirichlet character modulo 20 of conductor 5 mapping 11 |--> 1, 17 |--> i)
sage: G.unit_gens()
(11, 17)
sage: G.zeta()
i
sage: G.zeta_order()
4
>>> from sage.all import *
>>> G.gens()
(Dirichlet character modulo 20 of conductor 4 mapping 11 |--> -1, 17 |--> 1,
Dirichlet character modulo 20 of conductor 5 mapping 11 |--> 1, 17 |--> i)
>>> G.unit_gens()
(11, 17)
>>> G.zeta()
i
>>> G.zeta_order()
4
In diesem Beispiel erzeugen wir einen Dirichlet-Charakter mit Werten
in einem Zahlenfeld. Wir geben die Wahl der Einheitswurzel im dritten
Argument von DirichletGroup an.
sage: x = polygen(QQ, 'x')
sage: K = NumberField(x^4 + 1, 'a'); a = K.0
sage: b = K.gen(); a == b
True
sage: K
Number Field in a with defining polynomial x^4 + 1
sage: G = DirichletGroup(5, K, a); G
Group of Dirichlet characters modulo 5 with values in the group of order 8 generated by a in Number Field in a with defining polynomial x^4 + 1
sage: chi = G.0; chi
Dirichlet character modulo 5 of conductor 5 mapping 2 |--> a^2
sage: [(chi^i)(2) for i in range(4)]
[1, a^2, -1, -a^2]
>>> from sage.all import *
>>> x = polygen(QQ, 'x')
>>> K = NumberField(x**Integer(4) + Integer(1), 'a'); a = K.gen(0)
>>> b = K.gen(); a == b
True
>>> K
Number Field in a with defining polynomial x^4 + 1
>>> G = DirichletGroup(Integer(5), K, a); G
Group of Dirichlet characters modulo 5 with values in the group of order 8 generated by a in Number Field in a with defining polynomial x^4 + 1
>>> chi = G.gen(0); chi
Dirichlet character modulo 5 of conductor 5 mapping 2 |--> a^2
>>> [(chi**i)(Integer(2)) for i in range(Integer(4))]
[1, a^2, -1, -a^2]
Hier teilt NumberField(x^4 + 1, 'a') Sage mit, dass es das Symbol „a“
beim Ausgeben dessen was K ist (ein Zahlenfeld mit definierendem Polynom
\(x^4 + 1\)) benutzen soll. Der Name „a“ ist zu diesem Zeitpunkt
nicht deklariert. Sobald a = K.0 (oder äquivalent a = K.gen())
evaluiert wurde, repräsentiert das Symbol „a“ eine Wurzel des
erzeugenden Polynoms \(x^4+1\).
Modulformen¶
Sage kann einige Berechnungen im Zusammenhang mit Modulformen durchführen, einschließlich Dimensionsberechnungen, das Berechnen von Räumen von Symbolen von Modulformen, Hecke-Operatoren, und Dekompositionen.
Es stehen mehrere Funktionen für das Berechnen von Dimensionen von Räumen von Modulformen zur Verfügung. Zum Beispiel,
sage: from sage.modular.dims import dimension_cusp_forms
sage: dimension_cusp_forms(Gamma0(11),2)
1
sage: dimension_cusp_forms(Gamma0(1),12)
1
sage: dimension_cusp_forms(Gamma1(389),2)
6112
>>> from sage.all import *
>>> from sage.modular.dims import dimension_cusp_forms
>>> dimension_cusp_forms(Gamma0(Integer(11)),Integer(2))
1
>>> dimension_cusp_forms(Gamma0(Integer(1)),Integer(12))
1
>>> dimension_cusp_forms(Gamma1(Integer(389)),Integer(2))
6112
Als nächstes illustrieren wir die Berechnung von Hecke-Operatoren auf einem Raum von Modulformen von Level \(1\) und Gewicht \(12\).
sage: M = ModularSymbols(1,12)
sage: M.basis()
([X^8*Y^2,(0,0)], [X^9*Y,(0,0)], [X^10,(0,0)])
sage: t2 = M.T(2)
sage: t2
Hecke operator T_2 on Modular Symbols space of dimension 3 for Gamma_0(1)
of weight 12 with sign 0 over Rational Field
sage: t2.matrix()
[ -24 0 0]
[ 0 -24 0]
[4860 0 2049]
sage: f = t2.charpoly('x'); f
x^3 - 2001*x^2 - 97776*x - 1180224
sage: factor(f)
(x - 2049) * (x + 24)^2
sage: M.T(11).charpoly('x').factor()
(x - 285311670612) * (x - 534612)^2
>>> from sage.all import *
>>> M = ModularSymbols(Integer(1),Integer(12))
>>> M.basis()
([X^8*Y^2,(0,0)], [X^9*Y,(0,0)], [X^10,(0,0)])
>>> t2 = M.T(Integer(2))
>>> t2
Hecke operator T_2 on Modular Symbols space of dimension 3 for Gamma_0(1)
of weight 12 with sign 0 over Rational Field
>>> t2.matrix()
[ -24 0 0]
[ 0 -24 0]
[4860 0 2049]
>>> f = t2.charpoly('x'); f
x^3 - 2001*x^2 - 97776*x - 1180224
>>> factor(f)
(x - 2049) * (x + 24)^2
>>> M.T(Integer(11)).charpoly('x').factor()
(x - 285311670612) * (x - 534612)^2
Wir können auch Räume für \(\Gamma_0(N)\) und \(\Gamma_1(N)\) erzeugen.
sage: ModularSymbols(11,2)
Modular Symbols space of dimension 3 for Gamma_0(11) of weight 2 with sign
0 over Rational Field
sage: ModularSymbols(Gamma1(11),2)
Modular Symbols space of dimension 11 for Gamma_1(11) of weight 2 with
sign 0 over Rational Field
>>> from sage.all import *
>>> ModularSymbols(Integer(11),Integer(2))
Modular Symbols space of dimension 3 for Gamma_0(11) of weight 2 with sign
0 over Rational Field
>>> ModularSymbols(Gamma1(Integer(11)),Integer(2))
Modular Symbols space of dimension 11 for Gamma_1(11) of weight 2 with
sign 0 over Rational Field
Nun berechnen wir ein paar charakteristische Polynome und \(q\)-Entwicklungen.
sage: M = ModularSymbols(Gamma1(11),2)
sage: M.T(2).charpoly('x')
x^11 - 8*x^10 + 20*x^9 + 10*x^8 - 145*x^7 + 229*x^6 + 58*x^5 - 360*x^4
+ 70*x^3 - 515*x^2 + 1804*x - 1452
sage: M.T(2).charpoly('x').factor()
(x - 3) * (x + 2)^2 * (x^4 - 7*x^3 + 19*x^2 - 23*x + 11)
* (x^4 - 2*x^3 + 4*x^2 + 2*x + 11)
sage: S = M.cuspidal_submodule()
sage: S.T(2).matrix()
[-2 0]
[ 0 -2]
sage: S.q_expansion_basis(10)
[
q - 2*q^2 - q^3 + 2*q^4 + q^5 + 2*q^6 - 2*q^7 - 2*q^9 + O(q^10)
]
>>> from sage.all import *
>>> M = ModularSymbols(Gamma1(Integer(11)),Integer(2))
>>> M.T(Integer(2)).charpoly('x')
x^11 - 8*x^10 + 20*x^9 + 10*x^8 - 145*x^7 + 229*x^6 + 58*x^5 - 360*x^4
+ 70*x^3 - 515*x^2 + 1804*x - 1452
>>> M.T(Integer(2)).charpoly('x').factor()
(x - 3) * (x + 2)^2 * (x^4 - 7*x^3 + 19*x^2 - 23*x + 11)
* (x^4 - 2*x^3 + 4*x^2 + 2*x + 11)
>>> S = M.cuspidal_submodule()
>>> S.T(Integer(2)).matrix()
[-2 0]
[ 0 -2]
>>> S.q_expansion_basis(Integer(10))
[
q - 2*q^2 - q^3 + 2*q^4 + q^5 + 2*q^6 - 2*q^7 - 2*q^9 + O(q^10)
]
Wir können sogar Räume von Modulsymbolen mit Charakteren berechnen.
sage: G = DirichletGroup(13)
sage: e = G.0^2
sage: M = ModularSymbols(e,2); M
Modular Symbols space of dimension 4 and level 13, weight 2, character
[zeta6], sign 0, over Cyclotomic Field of order 6 and degree 2
sage: M.T(2).charpoly('x').factor()
(x - zeta6 - 2) * (x - 2*zeta6 - 1) * (x + zeta6 + 1)^2
sage: S = M.cuspidal_submodule(); S
Modular Symbols subspace of dimension 2 of Modular Symbols space of
dimension 4 and level 13, weight 2, character [zeta6], sign 0, over
Cyclotomic Field of order 6 and degree 2
sage: S.T(2).charpoly('x').factor()
(x + zeta6 + 1)^2
sage: S.q_expansion_basis(10)
[
q + (-zeta6 - 1)*q^2 + (2*zeta6 - 2)*q^3 + zeta6*q^4 + (-2*zeta6 + 1)*q^5
+ (-2*zeta6 + 4)*q^6 + (2*zeta6 - 1)*q^8 - zeta6*q^9 + O(q^10)
]
>>> from sage.all import *
>>> G = DirichletGroup(Integer(13))
>>> e = G.gen(0)**Integer(2)
>>> M = ModularSymbols(e,Integer(2)); M
Modular Symbols space of dimension 4 and level 13, weight 2, character
[zeta6], sign 0, over Cyclotomic Field of order 6 and degree 2
>>> M.T(Integer(2)).charpoly('x').factor()
(x - zeta6 - 2) * (x - 2*zeta6 - 1) * (x + zeta6 + 1)^2
>>> S = M.cuspidal_submodule(); S
Modular Symbols subspace of dimension 2 of Modular Symbols space of
dimension 4 and level 13, weight 2, character [zeta6], sign 0, over
Cyclotomic Field of order 6 and degree 2
>>> S.T(Integer(2)).charpoly('x').factor()
(x + zeta6 + 1)^2
>>> S.q_expansion_basis(Integer(10))
[
q + (-zeta6 - 1)*q^2 + (2*zeta6 - 2)*q^3 + zeta6*q^4 + (-2*zeta6 + 1)*q^5
+ (-2*zeta6 + 4)*q^6 + (2*zeta6 - 1)*q^8 - zeta6*q^9 + O(q^10)
]
Hier ist ein weiteres Beispiel davon wie Sage mit den Operationen von Hecke-Operatoren auf dem Raum von Modulformen rechnen kann.
sage: T = ModularForms(Gamma0(11),2)
sage: T
Modular Forms space of dimension 2 for Congruence Subgroup Gamma0(11) of
weight 2 over Rational Field
sage: T.degree()
2
sage: T.level()
11
sage: T.group()
Congruence Subgroup Gamma0(11)
sage: T.dimension()
2
sage: T.cuspidal_subspace()
Cuspidal subspace of dimension 1 of Modular Forms space of dimension 2 for
Congruence Subgroup Gamma0(11) of weight 2 over Rational Field
sage: T.eisenstein_subspace()
Eisenstein subspace of dimension 1 of Modular Forms space of dimension 2
for Congruence Subgroup Gamma0(11) of weight 2 over Rational Field
sage: M = ModularSymbols(11); M
Modular Symbols space of dimension 3 for Gamma_0(11) of weight 2 with sign
0 over Rational Field
sage: M.weight()
2
sage: M.basis()
((1,0), (1,8), (1,9))
sage: M.sign()
0
>>> from sage.all import *
>>> T = ModularForms(Gamma0(Integer(11)),Integer(2))
>>> T
Modular Forms space of dimension 2 for Congruence Subgroup Gamma0(11) of
weight 2 over Rational Field
>>> T.degree()
2
>>> T.level()
11
>>> T.group()
Congruence Subgroup Gamma0(11)
>>> T.dimension()
2
>>> T.cuspidal_subspace()
Cuspidal subspace of dimension 1 of Modular Forms space of dimension 2 for
Congruence Subgroup Gamma0(11) of weight 2 over Rational Field
>>> T.eisenstein_subspace()
Eisenstein subspace of dimension 1 of Modular Forms space of dimension 2
for Congruence Subgroup Gamma0(11) of weight 2 over Rational Field
>>> M = ModularSymbols(Integer(11)); M
Modular Symbols space of dimension 3 for Gamma_0(11) of weight 2 with sign
0 over Rational Field
>>> M.weight()
2
>>> M.basis()
((1,0), (1,8), (1,9))
>>> M.sign()
0
Sei \(T_p\) die Bezeichnung der gewöhnlichen Hecke-Operatoren (\(p\) prim). Wie operieren die Hecke-Operatoren \(T_2\), \(T_3\), \(T_5\) auf dem Raum der Modulsymbole?
sage: M.T(2).matrix()
[ 3 0 -1]
[ 0 -2 0]
[ 0 0 -2]
sage: M.T(3).matrix()
[ 4 0 -1]
[ 0 -1 0]
[ 0 0 -1]
sage: M.T(5).matrix()
[ 6 0 -1]
[ 0 1 0]
[ 0 0 1]
>>> from sage.all import *
>>> M.T(Integer(2)).matrix()
[ 3 0 -1]
[ 0 -2 0]
[ 0 0 -2]
>>> M.T(Integer(3)).matrix()
[ 4 0 -1]
[ 0 -1 0]
[ 0 0 -1]
>>> M.T(Integer(5)).matrix()
[ 6 0 -1]
[ 0 1 0]
[ 0 0 1]