Суперсингулярная эллиптическая кривая - Supersingular elliptic curve

В алгебраическая геометрия, суперсингулярные эллиптические кривые образуют определенный класс эллиптические кривые через поле характерных п > 0 с необычно большим кольца эндоморфизмов. Эллиптические кривые над такими полями, не являющиеся суперсингулярными, называются обычный и эти два класса эллиптических кривых ведут себя принципиально по-разному во многих аспектах. Хассе (1936) открыл суперсингулярные эллиптические кривые во время работы над гипотезой Римана для эллиптических кривых, заметив, что в положительных характеристических эллиптических кривых могут быть кольца эндоморфизмов необычно большого ранга 4, и Дойринг (1941) разработали свою основную теорию.

Термин «суперсингулярный» не имеет ничего общего с особые точки кривых, и все суперсингулярные эллиптические кривые неособы. Это происходит от фразы "сингулярные значения j-инварианта ", используемого для значений j-инвариантный для которого сложная эллиптическая кривая имеет комплексное умножение. Комплексные эллиптические кривые с комплексным умножением - это те, для которых кольцо эндоморфизмов имеет максимально возможный ранг 2. В положительном характеристика кольцо эндоморфизмов может быть даже больше: оно может быть порядок в кватернионная алгебра размерности 4, и в этом случае эллиптическая кривая суперсингулярна. Простые числа p такие, что любая суперсингулярная эллиптическая кривая в характеристике p может быть определена над простым подполем ${\displaystyle F_{p}}$ скорее, чем ${\displaystyle F_{p^{m}}}$ называются суперсингулярные простые числа.

Определение

Было использовано множество различных, но эквивалентных способов определения суперсингулярных эллиптических кривых. Некоторые из способов их определения приведены ниже. Позволять ${\displaystyle K}$ быть полем с алгебраическое замыкание ${\displaystyle {\overline {K}}}$ и E ан эллиптическая кривая над K.

• В ${\displaystyle {\overline {K}}}$-значные баллы ${\displaystyle E({\overline {K}})}$ иметь структуру абелева группа. Для каждого n у нас есть карта умножения ${\displaystyle [n]:E\to E}$. Его ядро ​​обозначается ${\displaystyle E[n]}$. Теперь предположим, что характеристика K является п > 0. Тогда можно показать, что либо

${\displaystyle E[p^{r}]({\overline {K}})\cong {\begin{cases}0&{\mbox{or}}\\\mathbb {Z} /p^{r}\mathbb {Z} \end{cases}}}$

за р = 1, 2, 3, ... В первом случае E называется суперсингулярный. В противном случае это называется обычный. Другими словами, эллиптическая кривая суперсингулярна тогда и только тогда, когда группа геометрических точек порядка п тривиально.

• Суперсингулярные эллиптические кривые имеют много эндоморфизмов над алгебраическим замыканием ${\displaystyle {\overline {K}}}$ в том смысле, что эллиптическая кривая суперсингулярна тогда и только тогда, когда ее алгебра эндоморфизмов (над ${\displaystyle {\overline {K}}}$) - порядок в алгебре кватернионов. Таким образом, их алгебра эндоморфизмов (над ${\displaystyle {\overline {K}}}$) имеет ранг 4, в то время как группа эндоморфизмов любой другой эллиптической кривой имеет только ранг 1 или 2. Кольцо эндоморфизмов суперсингулярной эллиптической кривой может иметь ранг меньше 4, и может потребоваться конечное расширение базового поля K сделать ранг кольца эндоморфизмов 4. В частности, кольцо эндоморфизмов эллиптической кривой над полем простого порядка никогда не имеет ранга 4, даже если эллиптическая кривая суперсингулярна.
• Позволять грамм быть формальная группа связано сE. С K имеет положительную характеристику, можно определить ее высота ht (грамм), который равен 2 тогда и только тогда, когда E суперсингулярно, а else равно 1.
• У нас есть Морфизм Фробениуса ${\displaystyle F:E\to E}$, которое индуцирует отображение в когомологиях

${\displaystyle F^{*}:H^{1}(E,{\mathcal {O}}_{E})\to H^{1}(E,{\mathcal {O}}_{E})}$.

Эллиптическая кривая E суперсингулярна тогда и только тогда, когда ${\displaystyle F^{*}}$ равно 0.

• У нас есть Оператор Verschiebung ${\displaystyle V:E\to E}$, которое индуцирует отображение на глобальных 1-формах

${\displaystyle V^{*}:H^{0}(E,\Omega _{E}^{1})\to H^{0}(E,\Omega _{E}^{1})}$.

Эллиптическая кривая E суперсингулярна тогда и только тогда, когда ${\displaystyle V^{*}}$ равно 0.

• Эллиптическая кривая суперсингулярна тогда и только тогда, когда ее Инвариант Хассе равно 0.
• Эллиптическая кривая суперсингулярна тогда и только тогда, когда групповая схема точек порядка п подключен.
• Эллиптическая кривая суперсингулярна тогда и только тогда, когда двойственное отображение Фробениуса чисто неотделимо.
• Эллиптическая кривая суперсингулярна тогда и только тогда, когда "умножение на п"карта неразделима, и j-инвариант кривой лежит в квадратичном расширении простого поля K, конечное поле порядка п².
• Предполагать E в Лежандровая форма, определяемый уравнением ${\displaystyle y^{2}=x(x-1)(x-\lambda )}$, и п странно. потом E суперсингулярна тогда и только тогда, когда сумма

${\displaystyle \sum _{i=0}^{n}{n \choose {i}}^{2}\lambda ^{i}}$

исчезает, где ${\displaystyle n=(p-1)/2}$. Используя эту формулу, можно показать, что существует только конечное число суперсингулярных эллиптических кривых над K (с точностью до изоморфизма).

• Предполагать E задается как кубическая кривая на проективной плоскости, заданная однородным кубическим многочленом ж(Икс,у,z). потом E суперсингулярна тогда и только тогда, когда коэффициент при (xyz)^п–1 в ж^п–1 равно нулю.
• Если поле K конечное поле порядка q, то эллиптическая кривая над K суперсингулярна тогда и только тогда, когда след q-степень эндоморфизм Фробениуса конгруэнтен нулю по модулю п.

Когда q=п является простым числом больше 3, это эквивалентно тому, что след Фробениуса равен нулю (по Хассе связана ); это не относится к п= 2 или 3.

Примеры

• Если K является полем характеристики 2, каждая кривая определяется уравнением вида

${\displaystyle y^{2}+a_{3}y=x^{3}+a_{4}x+a_{6}}$

с а₃ ненулевое значение является суперсингулярной эллиптической кривой, и, наоборот, каждая суперсингулярная кривая изоморфна одной из этих форм (см. Вашингтон, 2003 г., стр. 122).

• Над полем из 2 элементов любая суперсингулярная эллиптическая кривая изоморфна ровно одной из суперсингулярных эллиптических кривых

${\displaystyle y^{2}+y=x^{3}+x+1}$

${\displaystyle y^{2}+y=x^{3}+1}$

${\displaystyle y^{2}+y=x^{3}+x}$

с 1, 3 и 5 баллами. Это дает примеры суперсингулярных эллиптических кривых над простым полем с разным числом точек.

• Над алгебраически замкнутым полем характеристики 2 существует (с точностью до изоморфизма) ровно одна суперсингулярная эллиптическая кривая, заданная формулой

${\displaystyle y^{2}+y=x^{3}}$,

с j-инвариантный 0. Его кольцо эндоморфизмов - это кольцо Кватернионы Гурвица, порожденные двумя автоморфизмами ${\displaystyle x\rightarrow x+\omega }$ и ${\displaystyle y\rightarrow y+x+\omega ,x\rightarrow x+1}$ куда ${\displaystyle \omega ^{2}+\omega +1=0}$ является примитивным кубическим корнем из единицы. Его группа автоморфизмов - это группа единиц кватернионов Гурвица, имеющая порядок 24, содержащую нормальную подгруппу порядка 8, изоморфную группе группа кватернионов, и является бинарная тетраэдрическая группа

• Если K является полем характеристики 3, каждая кривая определяется уравнением вида

${\displaystyle y^{2}=x^{3}+a_{4}x+a_{6}}$

с а₄ ненулевое значение является суперсингулярной эллиптической кривой, и, наоборот, каждая суперсингулярная кривая изоморфна одной из этих форм (см. Вашингтон, 2003 г., стр. 122).

• Над полем из трех элементов любая суперсингулярная эллиптическая кривая изоморфна ровно одной из суперсингулярных эллиптических кривых

${\displaystyle y^{2}=x^{3}-x}$

${\displaystyle y^{2}=x^{3}-x+1}$

${\displaystyle y^{2}=x^{3}-x+2}$

${\displaystyle y^{2}=x^{3}+x}$

• Над алгебраически замкнутым полем характеристики 3 существует (с точностью до изоморфизма) ровно одна суперсингулярная эллиптическая кривая, заданная формулой

${\displaystyle y^{2}=x^{3}-x}$,

с j-инвариантный 0. Его кольцо эндоморфизмов - это кольцо кватернионов вида а+Ъ с а и б Целые числа Эйзенштейна. , порожденные двумя автоморфизмами ${\displaystyle x\rightarrow x+1}$ и ${\displaystyle y\rightarrow iy,x\rightarrow -x}$ куда я примитивный корень четвертой степени из единства. Его группа автоморфизмов - это группа единиц этих кватернионов, которая имеет порядок 12 и содержит нормальную подгруппу порядка 3, а фактор - циклическую группу порядка 4.

• За ${\displaystyle \mathbb {F} _{p}}$ при p> 3 эллиптическая кривая, определяемая формулой ${\displaystyle y^{2}=x^{3}+1}$ с j-инвариант 0 суперсингулярен тогда и только тогда, когда ${\displaystyle p\equiv 2{\text{(mod 3)}}}$ и эллиптическая кривая, определяемая формулой ${\displaystyle y^{2}=x^{3}+x}$ с j-инвариант 1728 суперсингулярен тогда и только тогда, когда ${\displaystyle p\equiv 3{\text{(mod 4)}}}$ (см. Washington2003, 4.35).
• Эллиптическая кривая, заданная формулой ${\displaystyle y^{2}=x(x-1)(x+2)}$ неособен ${\displaystyle \mathbb {F} _{p}}$ за ${\displaystyle p\neq 2,3}$. Он суперсингулярен при p = 23 и обычен для всех остальных ${\displaystyle p\leq 73}$ (см. Hartshorne1977, 4.23.6).
• В модульная кривая Икс₀(11) имеет j-инвариантный −2¹²11⁻⁵31³, и изоморфна кривой у² + у = Икс³ − Икс² − 10Икс - 20. Простые числа п для которых она суперсингулярна, те, для которых коэффициент при q^п в η (τ)²η (11τ)² исчезает мод п, и даются списком

2, 19, 29, 199, 569, 809, 1289, 1439, 2539, 3319, 3559, 3919, 5519, 9419, 9539, 9929,... OEIS: A006962

• Если эллиптическая кривая над рациональными числами имеет комплексное умножение, то множество простых чисел, для которых она является суперсингулярной, имеет плотность 1/2. Если в нем нет комплексного умножения, то Серр показал, что множество простых чисел, для которых оно суперсингулярно, имеет нулевую плотность. Лось (1987) показал, что любая эллиптическая кривая, определенная над рациональными числами, суперсингулярна для бесконечного числа простых чисел.

Классификация

Для каждой положительной характеристики существует только конечное число возможных j-инварианты суперсингулярных эллиптических кривых. над алгебраически замкнутым полем. K эллиптическая кривая определяется своим j-инвариантно, поэтому существует только конечное число суперсингулярных эллиптических кривых. Если каждая такая кривая имеет вес 1 / | Aut (E) | то общий вес суперсингулярных кривых равен (п–1) / 24. Эллиптические кривые имеют группы автоморфизмов порядка 2, если их j-инвариантно равно 0 или 1728, поэтому суперсингулярные эллиптические кривые классифицируются следующим образом: существует ровно ⌊п/ 12⌋ суперсингулярные эллиптические кривые с группами автоморфизмов порядка 2. Кроме того, если п≡3 mod 4 имеется суперсингулярная эллиптическая кривая (с j-инвариант 1728), группа автоморфизмов которых циклическая или порядка 4, если п= 3, в этом случае он имеет порядок 12, а если п≡2 mod 3 существует суперсингулярная эллиптическая кривая (с j-инвариантный 0), группа автоморфизмов которого циклическая порядка 6, если только п= 2, в этом случае он имеет порядок 24.

Береза ​​и Куйк (1975) дать таблицу всего j-инварианты суперсингулярных кривых для простых чисел до 307. Для нескольких первых простых чисел суперсингулярные эллиптические кривые имеют следующий вид. Количество суперсингулярных значений j, отличных от 0 или 1728, является целой частью (p − 1) / 12.

основной	суперсингулярные j-инварианты
2	0
3	1728
5	0
7	1728
11	0, 1728
13	5
17	0,8
19	7, 1728
23	0,19, 1728
29	0,2, 25
31	2, 4, 1728
37	8, 3±√15

Смотрите также

• Суперсингулярное простое число

Рекомендации

• Берч, Б. Дж.; Куйк, В., ред. (1975), «Таблица 6», Модульные функции одной переменной. IV, Конспект лекций по математике, 476, Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. 142–144, Дои:10.1007 / BFb0097591, ISBN  978-3-540-07392-5, МИСТЕР  0376533, Zbl  0315.14014
• Дойринг, Макс (1941), "Die Typen der Multiplikatorenringe elliptischer Funktionenkörper", Abh. Математика. Сем. Univ. Гамбург, 14: 197–272, Дои:10.1007 / BF02940746, МИСТЕР  0005125
• Элкис, Ноам Д. (1987), "Существование бесконечного числа суперсингулярных простых чисел для любой эллиптической кривой над Q", Inventiones Mathematicae, 89 (3): 561–567, Дои:10.1007 / BF01388985, ISSN  0020-9910, МИСТЕР  0903384, Zbl  0631.14024
• Робин Хартшорн (1977), Алгебраическая геометрия, Springer. ISBN  1-4419-2807-3
• Hasse (1936), "Zur Theorie der abstrakten elliptischen Funktionenkörper I. Die Struktur der Gruppe der Divisorenklassen endlicher Ordnung. II. Automorphismen und Meromorphismen. Das Additionstheorem. III. Die Struktur des Meromorphismenrings. Die Riemannsche., J. Reine Angew. Математика., 175: 55–62, 69–88, 193–208
• Джозеф Х. Сильверман (2009), Арифметика эллиптических кривых, Springer. ISBN  0-387-09493-8
• Лоуренс С. Вашингтон (2003), Эллиптические кривые, Чепмен и Холл. ISBN  1-58488-365-0