Единичный круг на плоскости: тип I при при
p
=
q
=
1
{\displaystyle p=q=1}
; тип II при
p
=
2
{\displaystyle p=2}
; тип III при
p
=
1
{\displaystyle p=1}
; тип IV при
p
=
1
{\displaystyle p=1}
Симметри́ческая о́бласть [ комм 1] — ограниченная , или хотя бы изоморфная ограниченной, область в комплексном пространстве , каждой точке которой соответствует обратное самому себе аналитическое отображение области, для которого эта точка единственная неподвижная. Формальное определение симметрической области дано ниже➤ [ 1] [ 2] .
Синонимы: ограниченная симметрическая область [ 1] [ 2] ; классическая область [ 3] .
Это определение обобщается на комплексное многообразие следующим образом[ 4] .
Симметрическая область — комплексное многообразие, изоморфное ограниченной симметрической области комплексного пространства[ 4] .
Всего существует четыре серии неприводимых симметрических областей, которые привязаны к классическим простым группам Ли , а также две особые (исключительные) области комплексных размерностей 16 и 27➤ [ 5] [ 2] .
Все неприводимые области топологически , но не аналитически , эквивалентны комплексному пространству соответствующей размерности[ 6] .
Несимметрических областей в некотором смысле больше, чем симметрических[ 7] .
Формальное определение
Симметри́ческая о́бласть [ комм 1] — ограниченная , или хотя бы изоморфная ограниченной, область в
n
{\displaystyle n}
-мерном комплексном пространств
C
n
{\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}
, каждой точке
z
0
∈
D
{\displaystyle z_{0}\in D}
которого в области
D
{\displaystyle D}
соответствует голоморфный автоморфизм
φ
(
z
)
:
D
→
D
{\displaystyle \varphi (z)\colon \,D\to D}
со следующими двумя свойствами[ 2] [ 1] :
φ
(
z
)
=
z
{\displaystyle \varphi (z)=z}
только при
z
=
z
0
{\displaystyle z=z_{0}}
(единственность неподвижной точки
z
0
{\displaystyle z_{0}}
);
φ
2
(
z
)
=
z
{\displaystyle \varphi ^{2}(z)=z}
при любом
z
∈
D
{\displaystyle z\in D}
(инволютивность автоморфизма
φ
(
z
)
{\displaystyle \varphi (z)}
).
Замечание. Условие единственности неподвижной точки можно заменить на более слабое условие её изолированности [ 5] .
Это определение обобщается на комплексное многообразие следующим образом[ 4] .
Симметри́ческая о́бласть — комплексное многообразие, изоморфное симметрической области комплесного пространства[ 4] .
Краткая историческая справка
В 1935 году французский математик Эли Картан обнаружил все ограниченные однородные области в комплексном пространстве размерности 2 и 3. Как выяснилось, все они симметрические. В 1936 году Эли Картан также доказал, что все симметрические области однородны[ 1] .
Но в четырёхмерном комплексном пространстве Эли Картан не смог описать все ограниченные однородные области . Тем не менее он сумел отыскать все ограниченные симметрические области и поставил следующий вопрос: существуют ли ограниченные однородные несимметрические области ?[ 1]
В 1954 году швейцарский математик Арман Борель и в 1955 году французский математик Жан-Луи Кошуль [англ.] доказали, что любая ограниченная однородная область симметрическая, если в ней транзитивно действует полупростая группа Ли . В 1957 году этот результат был усилен Хано, показавшим, что любая ограниченная область симметрическая, если в ней транзитивно действует унимодулярная группа Ли [ 1] .
В 1959 году советским, израильским и американским математиком И. И. Пятецким-Шапиро был обнаружен первый пример ограниченной однородной несимметрической области. Выяснилось, что несимметрические области существуют для всех размерностей, начиная с четырёх. Кроме того, он построил полную классификацию ограниченных однородных областей[ 8] .
Свойства симметрической области
Симметрическая область однородна [ 1] .
Симметрическая область — это эрмитово симметрическое пространство с отрицательной кривизной в метрике Бергмана [англ.] [ 4] .
Как комплексное многообразие симметрическая область
D
{\displaystyle D}
имеет группу автоморфизмов — подгруппу группы движений комплексного пространства, причём связная компонента
G
(
D
)
{\displaystyle G(D)}
этой группы[ 4] :
Как вещественное многообразие симметрическая область комплексной размерности
n
{\displaystyle n}
диффеоморфна вещественному пространству размерности
2
n
{\displaystyle 2n}
[ 4] .
Таблица неприводимых симметрических областей
Любая симметрическая область однозначно представима как прямое произведение неприводимых симметрических областей, ограниченные представители которых перечислены в таблице ниже со следующими обозначениями[ 4] :
I—VI — тип неприводимой симметрической области
D
{\displaystyle D}
по Э. Картану ;
G
(
D
)
{\displaystyle G(D)}
— связная компонента группы автоморфизмов области
D
{\displaystyle D}
:
H
(
D
)
{\displaystyle H(D)}
— стационарная подгруппа произвольной точки области
D
{\displaystyle D}
:
A
n
{\displaystyle A_{n}}
,
B
n
{\displaystyle B_{n}}
,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
,
D
n
{\displaystyle D_{n}}
— четыре бесконечных семейства простых алгебр Ли ;
E
6
{\displaystyle E_{6}}
,
E
7
{\displaystyle E_{7}}
— особые случаи простых алгебр Ли;
dim
D
{\displaystyle \operatorname {dim} D}
— размерность области
D
{\displaystyle D}
;
p
,
q
{\displaystyle p,\,q}
— натуральные числа ;
M
p
,
q
{\displaystyle M_{p,\,q}}
— пространство комплексных матриц размера
p
×
q
{\displaystyle p\times q}
;
модель
D
{\displaystyle D}
— комплексное многообразие
D
{\displaystyle D}
как область матричного или точечного комплексного пространства.
Неприводимые симметрические области➤ [ 4]
Тип
D
{\displaystyle D}
Тип
G
(
D
)
{\displaystyle G(D)}
Тип
H
(
D
)
{\displaystyle H(D)}
dim
D
{\displaystyle \operatorname {dim} D}
Модель
D
{\displaystyle D}
I
A
p
+
q
−
1
{\displaystyle A_{p+q-1}}
A
p
−
1
+
A
q
−
1
{\displaystyle A_{p-1}+A_{q-1}}
(
p
⩾
q
{\displaystyle p\geqslant q}
)
p
q
{\displaystyle pq}
➤
{
Z
∈
M
p
,
q
:
Z
∗
Z
=
Z
T
Z
¯
¯
<
E
}
{\displaystyle \{\mathbf {Z} \in M_{p,\,q}\colon \,\mathbf {Z} ^{*}\mathbf {Z} ={\overline {\mathbf {Z} ^{T}{\bar {\mathbf {Z} }}}}<\mathbf {E} \}}
➤ . Эквивалентная неограниченная область➤
II
D
p
{\displaystyle D_{p}}
A
p
−
1
{\displaystyle A_{p-1}}
p
(
p
−
1
)
2
{\displaystyle {\frac {p(p-1)}{2}}}
,
p
⩾
2
{\displaystyle p\geqslant 2}
➤
{
Z
∈
M
p
,
p
:
Z
T
=
−
Z
,
{\displaystyle \{\mathbf {Z} \in M_{p,\,p}\colon \,\mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} ,}
Z
∗
Z
=
Z
T
Z
¯
<
E
}
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{*}\mathbf {Z} =\mathbf {Z} ^{T}{\bar {\mathbf {Z} }}<\mathbf {E} \}}
➤ . Эквивалентная неограниченная область➤
III
C
p
{\displaystyle C_{p}}
A
p
−
1
{\displaystyle A_{p-1}}
p
(
p
+
1
)
2
{\displaystyle {\frac {p(p+1)}{2}}}
➤
{
Z
∈
M
p
,
p
:
Z
T
=
Z
,
{\displaystyle \{\mathbf {Z} \in M_{p,\,p}\colon \,\mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} ,}
Z
∗
Z
=
Z
T
Z
¯
<
E
}
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{*}\mathbf {Z} =\mathbf {Z} ^{T}{\bar {\mathbf {Z} }}<\mathbf {E} \}}
➤ . Эквивалентная неограниченная область➤
IV
D
p
2
+
1
{\displaystyle D_{{\frac {p}{2}}+1}}
B
p
+
1
2
{\displaystyle B_{\frac {p+1}{2}}}
D
p
2
−
1
{\displaystyle D_{{\frac {p}{2}}-1}}
B
p
−
1
2
{\displaystyle B_{\frac {p-1}{2}}}
p
{\displaystyle p}
➤ ,
p
≠
2
{\displaystyle p\neq 2}
➤
{
1
2
Z
∈
C
p
:
∑
|
z
i
|
2
<
{\displaystyle \left\{{\vphantom {\frac {1}{2}}}\mathbf {Z} \in \mathbb {C} ^{p}\colon \,\sum |z_{i}|^{2}<{}\right.}
<
1
2
(
1
+
|
∑
z
i
2
|
2
)
<
1
}
{\displaystyle \left.{}<{\frac {1}{2}}\left(1+\left|\sum z_{i}^{2}\right|^{2}\right)<1\right\}}
➤ . Эквивалентная неограниченная область➤
V
E
6
{\displaystyle E_{6}}
D
5
{\displaystyle D_{5}}
16
{\displaystyle 16}
Эквивалентной неограниченной области нет
VI
E
7
{\displaystyle E_{7}}
E
6
{\displaystyle E_{6}}
27
{\displaystyle 27}
Эквивалентная неограниченная область есть
Классификация неприводимых симметрических областей
Предварительные соображения
Основные области односвязны и даже топологически различны как подмножества области
C
¯
{\displaystyle {\bar {\mathbb {C} }}}
: граница замкнутой комплексной плоскости
C
¯
{\displaystyle {\bar {\mathbb {C} }}}
пуста, граница открытой копмлексной плоскости
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
состоит из одной точки, граница единичного круга
U
{\displaystyle U}
состоит из более чем одной точки, то есть бесконечна, поскольку область
U
{\displaystyle U}
связна по определению. Следовательно, области с пустой границей аналитически эквивалентны
C
¯
{\displaystyle {\bar {\mathbb {C} }}}
, а с границей из одной точки аналитически эквивалентны
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
. Одна из основных теорем комплексного анализа — теорема Римана заключается в том, что произвольная односвязная область
D
{\displaystyle D}
, граница которой состоит из более чем одной точки, аналитически эквивалентна единичному кругу
U
{\displaystyle U}
[ 9] [ 10] .
Следовательно, в случае одномерной комплексной плоскости
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
любая ограниченная односвязная область
D
{\displaystyle D}
аналитически эквивалентна открытому единичному кругу
U
{\displaystyle U}
, для которого наиболее общий аналитический автоморфизм — это некоторое дробно-линейное преобразование
z
→
a
z
+
b
b
¯
z
+
a
¯
{\displaystyle z\to {\frac {az+b}{{\bar {b}}z+{\bar {a}}}}}
,
где
a
{\displaystyle a}
и
b
{\displaystyle b}
— комплексные числа, причём
a
a
¯
−
b
b
¯
=
1
{\displaystyle a{\bar {a}}-b{\bar {b}}=1}
. Эти преобразования образуют вещественную трёхмерную (две комплексные переменные и одно условие на них) группу Ли [ 11] .
Но в случае комплексного пространства
C
n
{\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}
,
n
>
1
{\displaystyle n>1}
, неизвестны необходимые и достаточные условия того, чтобы ограниченная область
D
{\displaystyle D}
имела бесконечную (или хотя бы нетривиальную) группу аналитических автоморфизмов. Однако проблема решается при следующем дополнительном предположении: на область
D
{\displaystyle D}
накладывается естественное ограничение однородности , другими словами, группа аналитических автоморфизмов транзитивна на
D
{\displaystyle D}
, то есть содержит преобразования, которые переводят любую точку
D
{\displaystyle D}
в любую другую точку[ 11] .
Для случая
n
=
2
{\displaystyle n=2}
французский математик Э. Картан доказал в 1936 году, что любая ограниченная однородная область аналитически эквивалентна одной из двух следующих областей[ 11] :
B
2
=
{
z
∈
C
2
:
|
z
1
|
2
+
|
z
2
|
2
<
1
}
;
{\displaystyle B^{2}=\{z\in \mathbb {C} ^{2}\colon |z_{1}|^{2}+|z_{2}|^{2}<1\};}
Δ
2
=
{
z
∈
C
2
:
|
z
1
|
<
1
,
|
z
2
|
<
1
}
.
{\displaystyle \Delta ^{2}=\{z\in \mathbb {C} ^{2}\colon |z_{1}|<1,\,|z_{2}|<1\}.}
Диаграммы шара Рейнхарта и Хартогса
Диаграмма Рейнхарта шара в
C
2
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}
Диаграмма Рейнхарта шара в
C
3
{\displaystyle \mathbb {C} ^{3}}
Диаграмма Хартогса шара в
C
2
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}
Диаграммы поликруга Рейнхарта и Хартогса
Диаграмма Рейнхарта бикруга в
C
2
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}
Диаграмма Рейнхарта трикруга в
C
3
{\displaystyle \mathbb {C} ^{3}}
Диаграмма Хартогса бикруга в
C
2
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}
Для случая
n
=
3
{\displaystyle n=3}
Картан предположил, что любая ограниченная однородная область аналитически эквивалентна одной из четырёх следующих областей[ 2] :
1° единичному шару
B
3
=
{
z
∈
C
3
:
|
z
1
|
2
+
|
z
2
|
2
+
|
z
3
|
2
<
1
}
;
{\displaystyle B^{3}=\{z\in \mathbb {C} ^{3}\colon |z_{1}|^{2}+|z_{2}|^{2}+|z_{3}|^{2}<1\};}
2° единичному трикругу
Δ
3
=
{
z
∈
C
3
:
|
z
1
|
<
1
,
|
z
2
|
<
1
,
|
z
3
|
<
1
}
;
{\displaystyle \Delta ^{3}=\{z\in \mathbb {C} ^{3}\colon |z_{1}|<1,\,|z_{2}|<1,\,|z_{3}|<1\};}
3° области
{
z
∈
C
3
:
|
z
1
|
2
<
1
,
|
z
2
|
2
+
|
z
3
|
2
<
1
}
;
{\displaystyle \{z\in \mathbb {C} ^{3}\colon |z_{1}|^{2}<1,\,|z_{2}|^{2}+|z_{3}|^{2}<1\};}
4° области
{
z
∈
C
3
:
Z
Z
¯
<
E
}
,
{\displaystyle \{z\in \mathbb {C} ^{3}\colon \mathbf {Z{\bar {Z}}} <\mathbf {E} \},\,}
Z
=
(
z
1
z
2
z
2
z
3
)
,
{\displaystyle \mathbf {Z} ={\begin{pmatrix}z_{1}&z_{2}\\z_{2}&z_{3}\end{pmatrix}},\,}
Z
¯
=
(
z
1
¯
z
2
¯
z
2
¯
z
3
¯
)
,
{\displaystyle \mathbf {\bar {Z}} ={\begin{pmatrix}{\bar {z_{1}}}&{\bar {z_{2}}}\\{\bar {z_{2}}}&{\bar {z_{3}}}\end{pmatrix}},\,}
E
=
(
1
0
0
1
)
.
{\displaystyle \mathbf {E} ={\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}}.}
Для случаев
n
>
3
{\displaystyle n>3}
Картан установил, что структура ограниченных однородных областей усложнилась, и добавил ещё одно ограничение, автоматически выполняющееся при
n
=
1
,
2
,
3
,
{\displaystyle n=1,\,2,\,3,}
а именно: симметричность области. Ограниченная симметрическая область всегда однородна[ 2] .
Теорема 1 (о симметричности ограниченной области)[ комм 2] . Ограниченная (s¹) область комплексного пространства симметрична тогда и только тогда, когда она однородна (s²) и для каждой её точки её группа аналитических автоморфизмов включает хотя бы одну инволюцию с этой единственной неподвижной точкой (s³)[ 2] .
Картан классифицировал все ограниченные симметрические области. Для этой классификации достаточно двух действий[ 2] :
приводить только одну область как представителя каждого класса эквивалентных относительно биголоморфных отображений областей;
использовать только неприводимые классы областей, то есть тех областей, которые нельзя представить как прямое произведение ограниченных симметрических областей меньшей размерности.
Для случая
n
=
1
{\displaystyle n=1}
вообще имеется только один класс, представитель которого — открытый единичный круг
U
=
{
z
∈
C
:
|
z
|
<
1
}
{\displaystyle U=\{z\in \mathbb {C} \colon |z|<1\}}
[ 2] .
Для случая
n
=
2
{\displaystyle n=2}
имеется только один неприводимый класс, представитель которого — открытый единичный шар
B
2
=
{
z
∈
C
2
:
|
z
1
|
2
+
|
z
2
|
2
<
1
}
{\displaystyle B^{2}=\{z\in \mathbb {C} ^{2}\colon |z_{1}|^{2}+|z_{2}|^{2}<1\}}
[ 2] .
Для случая
n
=
3
{\displaystyle n=3}
имеется только два неприводимых класса, представители которых — области 1° и 4°[ 2] .
Всего существует шесть типов неприводимых областей, причём два из них особые (исключительные), то есть существуют только для одного значения комплексной размерности — для 16 и 27[ 2] [ 5] .
Неприводимые симметрические области типа I
Обозначим через
p
{\displaystyle p}
и
q
{\displaystyle q}
,
p
+
q
=
m
{\displaystyle p+q=m}
, натуральные числа . Будем рассматривать группу комплексных линейных преобразований
m
{\displaystyle m}
комплексных переменных, которые не меняют эрмитову форму
−
|
t
1
|
2
−
⋯
−
|
t
p
|
2
+
|
t
p
+
1
|
2
+
⋯
+
|
t
m
|
2
=
(
t
,
H
t
¯
)
=
t
T
H
t
¯
,
{\displaystyle -|t_{1}|^{2}-\cdots -|t_{p}|^{2}+|t_{p+1}|^{2}+\cdots +|t_{m}|^{2}=(\mathbf {t} ,\,\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} )=\mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} ,}
где
t
=
(
t
1
⋮
t
m
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ={\begin{pmatrix}t_{1}\\\vdots \\t_{m}\end{pmatrix}},\quad }
t
T
=
(
t
1
⋯
t
m
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}={\begin{pmatrix}t_{1}\cdots t_{m}\end{pmatrix}},\quad }
H
=
(
−
E
p
0
0
E
q
)
,
{\displaystyle \mathbf {H} ={\begin{pmatrix}-\mathbf {E} _{p}&0\\0&\mathbf {E} _{q}\end{pmatrix}},}
E
p
{\displaystyle \mathbf {E} _{p}}
,
E
q
{\displaystyle \mathbf {E} _{q}}
— единичные матрицы соответственно размеров
p
{\displaystyle p}
и
q
{\displaystyle q}
[ 12] .
Другими словами, будем рассматривать группу комплексных линейных преобразований с квадратной матрицей
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, то есть группу комплексных линейных преобразований пространства
M
m
{\displaystyle M_{m}}
квадратных комплексных матриц размера
m
×
m
{\displaystyle m\times m}
, отвечающей равенству
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
и зависящей от
m
2
{\displaystyle m^{2}}
вещественных параметров: на
2
m
2
{\displaystyle 2m^{2}}
вещественных чисел матрицы
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
накладываются ограничения
m
2
{\displaystyle m^{2}}
уравнений с этими числами[ 13] .
Введём обозначения для числа строк и столбцов матрицы соответственно следующим образом[ 13] :
G
=
G
(
m
,
m
)
=
(
A
(
p
,
p
)
B
(
p
,
q
)
C
(
q
,
p
)
D
(
q
,
q
)
)
=
(
A
B
C
D
)
{\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {G} ^{(m,\,m)}={\begin{pmatrix}\mathbf {A} ^{(p,\,p)}&\mathbf {B} ^{(p,\,q)}\\\mathbf {C} ^{(q,\,p)}&\mathbf {D} ^{(q,\,q)}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\mathbf {A} &\mathbf {B} \\\mathbf {C} &\mathbf {D} \end{pmatrix}}}
.
В итоге получаем, что
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
тогда и только тогда, когда
A
T
A
¯
−
C
T
C
¯
=
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} -\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {E} _{p},\,\,}
D
T
D
¯
−
B
T
B
¯
=
E
q
,
{\displaystyle \mathbf {D} ^{T}\mathbf {\bar {D}} -\mathbf {B} ^{T}\mathbf {\bar {B}} =\mathbf {E} _{q},\,\,}
A
T
B
¯
=
C
T
D
¯
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {B}} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {D}} }
[ 13] .
Рассмотрим теперь произвольную матрицу из
m
{\displaystyle m}
строк и
q
{\displaystyle q}
столбцов
U
=
(
V
(
p
,
q
)
W
(
q
,
q
)
)
=
(
V
W
)
{\displaystyle \mathbf {U} ={\begin{pmatrix}\mathbf {V} ^{(p,\,q)}\\\mathbf {W} ^{(q,\,q)}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\mathbf {V} \\\mathbf {W} \end{pmatrix}}}
такую, что квадратная матрица размера
q
{\displaystyle q}
U
T
H
U
¯
>
0
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} >0}
, то есть все элементы матрицы больше нуля. Другими словами,
V
(
p
,
q
)
{\displaystyle \mathbf {V} ^{(p,\,q)}}
— произвольная матрица, а
W
(
q
,
q
)
{\displaystyle \mathbf {W} ^{(q,\,q)}}
— произвольная матрица такая, что выполняется неравенство
W
T
W
¯
>
V
T
V
¯
{\displaystyle \mathbf {W} ^{T}\mathbf {\bar {W}} >\mathbf {V} ^{T}\mathbf {\bar {V}} }
[ 13] .
Биекция
U
→
G
U
=
U
1
{\displaystyle \mathbf {U} \to \mathbf {GU} =\mathbf {U} _{1}}
переводит множество матриц
U
{\displaystyle \mathbf {U} }
в себя в силу следующих соотношений[ 13] :
U
1
T
H
U
¯
1
=
U
T
G
T
H
G
¯
U
¯
=
U
T
H
U
¯
>
0
{\displaystyle \mathbf {U} _{1}^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} _{1}=\mathbf {U} ^{T}\mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} \mathbf {\bar {U}} =\mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} >0}
.
Cуществуют обратные матрицы
W
−
1
{\displaystyle \mathbf {W} ^{-1}}
, так как матрицы
W
{\displaystyle \mathbf {W} }
невырождены , поскольку в противном случае имеется ненулевой вектор
z
{\displaystyle \mathbf {z} }
размера
q
{\displaystyle q}
такой, что
W
z
=
0
{\displaystyle \mathbf {Wz} =0}
, что ведёт к противоречию
0
=
z
T
W
T
W
¯
z
¯
>
z
T
V
T
V
¯
z
¯
=
(
V
z
)
T
(
V
z
¯
)
=
z
1
T
z
¯
1
⩾
0
{\displaystyle 0=\mathbf {z} ^{T}\mathbf {W} ^{T}\mathbf {\bar {W}} \mathbf {\bar {z}} >\mathbf {z} ^{T}\mathbf {V} ^{T}\mathbf {\bar {V}} \mathbf {\bar {z}} =(\mathbf {V} \mathbf {z} )^{T}({\overline {\mathbf {V} \mathbf {z} }})=\mathbf {z} _{1}^{T}\mathbf {\bar {z}} _{1}\geqslant 0}
,
где
z
1
=
V
z
{\displaystyle \mathbf {z} _{1}=\mathbf {V} \mathbf {z} }
— некоторый вектор[ 13] .
Предложение 1 (о существовании области
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
). В пространстве
M
p
,
q
{\displaystyle M_{p,\,q}}
комплексных матриц размера
p
×
q
{\displaystyle p\times q}
множество матриц
Z
(
p
,
q
)
=
V
W
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,q)}=\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1}}
образует область
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
[ 13] .
Доказательство. Действительно, выполняется следующая цепочка неравенств[ 13] :
U
T
H
U
¯
>
0
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} >0}
, или
W
T
W
¯
>
V
T
V
¯
{\displaystyle \mathbf {W} ^{T}\mathbf {\bar {W}} >\mathbf {V} ^{T}\mathbf {\bar {V}} }
,
или
(
W
−
1
)
T
W
T
W
¯
W
−
1
¯
>
(
W
−
1
)
T
V
T
V
¯
W
−
1
¯
{\displaystyle (\mathbf {W} ^{-1})^{T}\mathbf {W} ^{T}\mathbf {\bar {W}} {\overline {\mathbf {W} ^{-1}}}>(\mathbf {W} ^{-1})^{T}\mathbf {V} ^{T}\mathbf {\bar {V}} {\overline {\mathbf {W} ^{-1}}}}
,
то есть
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
, или
Z
T
¯
Z
¯
¯
=
Z
∗
Z
<
E
{\displaystyle {\overline {\mathbf {Z} ^{T}}}\mathbf {\bar {\bar {Z}}} =\mathbf {Z} ^{*}\mathbf {Z} <\mathbf {E} }
.
Предложение 2 (о выполнении условия (s¹)➤ ). Множество всех матриц
Z
(
p
,
q
)
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,q)}}
, удовлетворяющих условию
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
, есть ограниченная область в комплексном пространстве размерности
p
q
{\displaystyle pq}
[ 13] .
Доказательство. Для матрицы
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} }
сумма квадратов модулей всех её элементов не превосходит размерности
q
{\displaystyle q}
квадратной матрицы
Z
T
Z
¯
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} }
, поскольку каждый элемент на главной диагонали матрицы
Z
T
Z
¯
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} }
, равный сумме квадратов модулей всех
p
{\displaystyle p}
элементов соответствующей строки матрицы
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} }
, меньше 1[ 13] . □
Предложение 3. Область
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
инвариантна относительно группы следующих дробно-линейных преобразований [ 14] :
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
,
где
A
T
A
¯
−
C
T
C
¯
=
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} -\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {E} _{p},\,\,}
D
T
D
¯
−
B
T
B
¯
=
E
q
,
{\displaystyle \mathbf {D} ^{T}\mathbf {\bar {D}} -\mathbf {B} ^{T}\mathbf {\bar {B}} =\mathbf {E} _{q},\,\,}
A
T
B
¯
=
C
T
D
¯
.
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {B}} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {D}} .}
Доказательство. Рассмотренная выше биекция
G
=
(
A
B
C
D
)
{\displaystyle \mathbf {G} ={\begin{pmatrix}\mathbf {A} &\mathbf {B} \\\mathbf {C} &\mathbf {D} \end{pmatrix}}}
,
U
=
(
V
(
p
,
q
)
W
(
q
,
q
)
)
→
G
U
=
U
1
=
(
V
1
(
p
,
q
)
W
1
(
q
,
q
)
)
{\displaystyle \mathbf {U} ={\begin{pmatrix}\mathbf {V} ^{(p,\,q)}\\\mathbf {W} ^{(q,\,q)}\end{pmatrix}}\to \mathbf {GU} =\mathbf {U} _{1}={\begin{pmatrix}\mathbf {V} _{1}^{(p,\,q)}\\\mathbf {W} _{1}^{(q,\,q)}\end{pmatrix}}}
,
переходит в следующее дробно-линейное преобразование [ 15] :
Z
(
p
,
q
)
=
V
W
−
1
→
Z
1
(
p
,
q
)
=
V
1
W
1
−
1
=
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,q)}=\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1}\to \mathbf {Z} _{1}^{(p,\,q)}=\mathbf {V} _{1}\mathbf {W} _{1}^{-1}=}
=
(
A
V
+
B
W
)
(
C
V
+
D
W
)
−
1
=
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle =(\mathbf {A} \mathbf {V} +\mathbf {B} \mathbf {W} )(\mathbf {C} \mathbf {V} +\mathbf {D} \mathbf {W} )^{-1}=(\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
. □
Предложение 4. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
зависит от
m
2
−
1
{\displaystyle m^{2}-1}
вещественных параметров[ 14] .
Доказательство. При переходе в доказательстве предложения 2 от группы матриц
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
к группе дробно-линейных преобразований не учтён один вещественный параметр, ведь если
η
{\displaystyle \eta }
— комплексное число , по модулю равное 1,
η
=
e
i
φ
{\displaystyle \eta =e^{i\varphi }}
,
φ
∈
R
{\displaystyle \varphi \in \mathbb {R} }
, то два преобразования
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
,
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1},\,\,}
Z
→
(
η
A
Z
+
η
B
)
(
η
C
Z
+
η
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\eta \mathbf {A} \mathbf {Z} +\eta \mathbf {B} )(\eta \mathbf {C} \mathbf {Z} +\eta \mathbf {D} )^{-1}}
совпадают. Другими словами, однопараметрическая подгруппа , образованная матрицами
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
вида
η
E
m
{\displaystyle \eta \mathbf {E} _{m}}
, где
|
η
|
=
1
{\displaystyle |\eta |=1}
, переходит в тождественное отображение , и эта однопараметрическая подгруппа есть полный прообраз этого тождественного преобразования[ 14] . □
Предложение 5 (о выполнении условия (s²)➤ ). Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
транзитивна в области
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
,
то есть эта область однородна [ 14] .
Предложение 6. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
включает преобразование
Z
→
e
i
θ
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} \to e^{i\theta }\mathbf {Z} }
,
получаемое, когда
A
=
e
i
θ
η
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {A} =e^{i\theta }\eta \mathbf {E} _{p},\,\,}
B
=
C
=
0
,
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {C} =0,\,\,}
D
=
η
E
q
,
{\displaystyle \mathbf {D} =\eta \mathbf {E} _{q},}
где
θ
∈
R
{\displaystyle \theta \in \mathbb {R} }
,
|
η
|
=
1
{\displaystyle |\eta |=1}
[ 14] .
Следствие 1 (о выполнении условия (s³)➤ . Эта группа дробно-линейных преобразований включает преобразование
Z
→
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} \to -\mathbf {Z} }
— инволюцию с единственной неподвижной матрицей
Z
=
0
{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {0} }
[ 14] .
В случае
q
=
1
{\displaystyle q=1}
получается следующий единичный шар в
p
{\displaystyle p}
-мерном комплексном пространстве[ 14] :
B
p
=
{
z
∈
C
p
:
|
z
1
|
2
+
|
z
2
|
2
+
⋯
+
|
z
p
|
2
<
1
}
{\displaystyle B^{p}=\{z\in \mathbb {C} ^{p}\colon |z_{1}|^{2}+|z_{2}|^{2}+\cdots +|z_{p}|^{2}<1\}}
.
Предложение 7. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
есть полная группа голоморфных автоморфизмов области
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
[ 14] .
Предложение 8. При перемене местами
p
{\displaystyle p}
и
q
{\displaystyle q}
опять будут те же самые область и группа[ 14] .
Неприводимые симметрические области типа II
В обозначениях описания области типа I пусть
p
=
q
⩾
2
{\displaystyle p=q\geqslant 2}
и введём подгруппу той группы комплексных линейных преобразований
m
{\displaystyle m}
комплексных переменных, которая использовалась при описании области типа I, а именно: пусть линейные преобразования не меняют не только эрмитову форму
−
|
t
1
|
2
−
⋯
−
|
t
p
|
2
+
|
t
p
+
1
|
2
+
⋯
+
|
t
2
p
|
2
=
(
t
,
H
t
¯
)
=
t
T
H
t
¯
,
{\displaystyle -|t_{1}|^{2}-\cdots -|t_{p}|^{2}+|t_{p+1}|^{2}+\cdots +|t_{2p}|^{2}=(\mathbf {t} ,\,\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} )=\mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} ,}
где
t
=
(
t
1
⋮
t
2
p
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ={\begin{pmatrix}t_{1}\\\vdots \\t_{2p}\end{pmatrix}},\quad }
t
T
=
(
t
1
⋯
t
2
p
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}={\begin{pmatrix}t_{1}\cdots t_{2p}\end{pmatrix}},\quad }
H
=
(
−
E
p
0
0
E
p
)
,
{\displaystyle \mathbf {H} ={\begin{pmatrix}-\mathbf {E} _{p}&0\\0&\mathbf {E} _{p}\end{pmatrix}},}
E
p
{\displaystyle \mathbf {E} _{p}}
— единичная матрица размера
p
{\displaystyle p}
,
но линейные преобразования также не меняют следующую квадратичную форму [ 14] :
2
t
1
t
p
+
1
+
2
t
2
t
p
+
2
+
⋯
+
2
t
p
t
2
p
=
(
t
,
K
t
)
=
t
T
K
t
,
{\displaystyle 2t_{1}t_{p+1}+2t_{2}t_{p+2}+\cdots +2t_{p}t_{2p}=(\mathbf {t} ,\,\mathbf {K} \mathbf {t} )=\mathbf {t} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {t} ,}
где
K
=
(
0
E
p
E
p
0
)
{\displaystyle \mathbf {K} ={\begin{pmatrix}0&\mathbf {E} _{p}\\\mathbf {E} _{p}&0\end{pmatrix}}}
.
Другими словами, будем рассматривать группу комплексных линейных преобразований с квадратной матрицей
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, то есть группу комплексных линейных преобразований пространства
M
2
p
{\displaystyle M_{2p}}
квадратных комплексных матриц размера
(
2
p
)
×
(
2
p
)
{\displaystyle (2p)\times (2p)}
, отвечающей следующим двум равенствам[ 14] :
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
G
T
K
G
=
K
{\displaystyle \quad \mathbf {G} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {G} =\mathbf {K} }
.
Предложение 1. Условия
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
G
T
K
G
=
K
{\displaystyle \quad \mathbf {G} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {G} =\mathbf {K} }
,
которые наложены на матрицу
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, эквивалентны уcловиям
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
J
G
¯
=
G
J
{\displaystyle \quad \mathbf {J} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {J} }
,
где матрица
J
{\displaystyle \mathbf {J} }
имеет следующий вид[ 16] :
J
=
K
−
1
H
=
(
0
E
p
E
p
0
)
(
−
E
p
0
0
E
p
)
=
(
0
E
p
−
E
p
0
)
{\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {K} ^{-1}\mathbf {H} ={\begin{pmatrix}0&\mathbf {E} _{p}\\\mathbf {E} _{p}&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}-\mathbf {E} _{p}&0\\0&\mathbf {E} _{p}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&\mathbf {E} _{p}\\-\mathbf {E} _{p}&0\end{pmatrix}}}
.
Доказательство. Из
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
и
G
T
K
G
=
K
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {G} =\mathbf {K} }
следует
G
−
1
J
G
¯
=
G
−
1
K
−
1
H
G
¯
=
(
G
T
K
G
)
−
1
(
G
T
H
G
¯
)
=
K
−
1
H
=
J
{\displaystyle \mathbf {G} ^{-1}\mathbf {J} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} ^{-1}\mathbf {K} ^{-1}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =(\mathbf {G} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {G} )^{-1}(\mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} )=\mathbf {K} ^{-1}\mathbf {H} =\mathbf {J} }
,
а из
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
и
J
G
¯
=
G
J
{\displaystyle \mathbf {J} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {J} }
вытекает следующая цепочка равенств[ 16] :
G
−
1
K
G
=
G
−
1
H
J
−
1
G
=
(
G
T
H
G
¯
)
(
G
−
1
J
G
¯
)
−
1
=
H
J
−
1
=
K
{\displaystyle \mathbf {G} ^{-1}\mathbf {K} \mathbf {G} =\mathbf {G} ^{-1}\mathbf {H} \mathbf {J} ^{-1}\mathbf {G} =(\mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} )(\mathbf {G} ^{-1}\mathbf {J} \mathbf {\bar {G}} )^{-1}=\mathbf {H} \mathbf {J} ^{-1}=\mathbf {K} }
. □
Обозначим
G
=
G
(
p
,
p
)
=
(
A
(
p
,
p
)
B
(
p
,
p
)
C
(
p
,
p
)
D
(
p
,
p
)
)
=
(
A
B
C
D
)
{\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {G} ^{(p,\,p)}={\begin{pmatrix}\mathbf {A} ^{(p,\,p)}&\mathbf {B} ^{(p,\,p)}\\\mathbf {C} ^{(p,\,p)}&\mathbf {D} ^{(p,\,p)}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\mathbf {A} &\mathbf {B} \\\mathbf {C} &\mathbf {D} \end{pmatrix}}}
,
тогда имеем, что условие
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
равносильно равенствам
A
T
A
¯
−
C
T
C
¯
=
E
p
=
D
T
D
¯
−
B
T
B
¯
,
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} -\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {E} _{p}=\mathbf {D} ^{T}\mathbf {\bar {D}} -\mathbf {B} ^{T}\mathbf {\bar {B}} ,\,\,}
A
T
B
¯
=
C
T
D
¯
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {B}} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {D}} }
,
а второе условие
J
G
¯
=
G
J
{\displaystyle \mathbf {J} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {J} }
— следующим равенствам[ 16] :
B
=
−
C
¯
{\displaystyle \mathbf {B} =-\mathbf {\bar {C}} }
,
D
=
A
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} }
.
Отсюда находим, что соотношения
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
J
G
¯
=
G
J
{\displaystyle \quad \mathbf {J} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {J} }
эквивалентны следующим[ 16] :
B
=
−
C
¯
{\displaystyle \mathbf {B} =-\mathbf {\bar {C}} }
,
D
=
A
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} }
,
A
T
A
¯
−
C
T
C
¯
=
E
p
{\displaystyle \,\,\mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} -\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {E} _{p}}
,
A
T
C
=
−
C
T
A
{\displaystyle \,\,\mathbf {A} ^{T}\mathbf {C} =-\mathbf {C} ^{T}\mathbf {A} }
.
Матрица
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
невырождена, так как
A
T
A
¯
=
C
T
C
¯
+
E
p
>
0
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} +\mathbf {E} _{p}>0}
, поэтому окончательно получаем, что предыдущие условия равносильны следующим[ 16] :
B
=
−
C
¯
{\displaystyle \mathbf {B} =-\mathbf {\bar {C}} }
,
D
=
A
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} }
,
E
p
−
(
C
A
−
1
)
T
(
C
A
−
1
¯
)
=
(
A
−
1
)
T
(
A
−
1
¯
)
{\displaystyle \,\,\mathbf {E} _{p}-(\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1})^{T}({\overline {\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1}}})=(\mathbf {A} ^{-1})^{T}({\overline {\mathbf {A} ^{-1}}})}
,
C
A
−
1
=
−
(
C
A
−
1
)
T
{\displaystyle \,\,\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1}=-(\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1})^{T}}
.
Предложение 2. Количество вещественных параметров группы, образованной матрицами
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, равно следующей величине[ 17] :
p
2
+
p
(
p
−
1
)
=
p
(
2
p
−
1
)
{\displaystyle p^{2}+p(p-1)=p(2p-1)}
.
Доказательство. Наиболее общая матрица
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
конструируется следующим алгоритмом[ 16] :
фиксируем произвольную кососимметричную матрицу
T
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {T} ^{(p,\,p)}}
,
T
T
=
−
T
{\displaystyle \mathbf {T} ^{T}=-\mathbf {T} }
, с условием
T
T
T
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {T} ^{T}\mathbf {\bar {T}} <\mathbf {E} _{p}}
;
отыскиваем матрицу
A
0
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {A} _{0}^{(p,\,p)}}
с условием
(
A
0
−
1
)
T
(
A
−
1
¯
)
=
E
p
−
T
T
T
¯
{\displaystyle (\mathbf {A} _{0}^{-1})^{T}({\overline {A^{-1}}})=\mathbf {E} _{p}-\mathbf {T} ^{T}\mathbf {\bar {T}} }
, в итоге произвольная матрица
A
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {A} ^{(p,\,p)}}
с этим условием
(
A
−
1
)
T
(
A
−
1
¯
)
=
E
p
−
T
T
T
¯
{\displaystyle (\mathbf {A} ^{-1})^{T}({\overline {A^{-1}}})=\mathbf {E} _{p}-\mathbf {T} ^{T}\mathbf {\bar {T}} }
записывается как
A
0
O
{\displaystyle \mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
, где
O
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {O} ^{(p,\,p)}}
— унитарная матрица ,
O
−
1
=
O
∗
=
O
¯
T
{\displaystyle \mathbf {O} ^{-1}=\mathbf {O} ^{*}=\mathbf {\bar {O}} ^{T}}
;
наконец, задаём матрицу
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
следующими равенствами:
A
=
A
0
O
{\displaystyle \mathbf {A} =\mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
C
=
T
A
=
T
A
0
O
{\displaystyle \,\,\mathbf {C} =\mathbf {T} \mathbf {A} =\mathbf {T} \mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
D
=
A
¯
=
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} =\mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
,
B
=
−
C
¯
=
−
T
¯
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {B} =-\mathbf {\bar {C}} =-\mathbf {\bar {T}} \mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
.
Последние равенства, определяющие матрицу
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, зависят только от двух произвольных матриц: унитарной
O
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {O} ^{(p,\,p)}}
, имеющей
p
2
2
{\displaystyle {\frac {p^{2}}{2}}}
независимых комплексных элементов, и кососимметричной
T
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {T} ^{(p,\,p)}}
, имеющей
p
2
−
p
2
{\displaystyle {\frac {p^{2}-p}{2}}}
независимых комплексных элементов, откуда и получаем утверждение теоремы[ 17] . □
Рассмотрим теперь произвольную матрицу из
2
p
{\displaystyle 2p}
строк и
p
{\displaystyle p}
столбцов
U
=
(
V
(
p
,
p
)
W
(
p
,
p
)
)
=
(
V
W
)
{\displaystyle \mathbf {U} ={\begin{pmatrix}\mathbf {V} ^{(p,\,p)}\\\mathbf {W} ^{(p,\,p)}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\mathbf {V} \\\mathbf {W} \end{pmatrix}}}
такую, что квадратные матрицы размера
p
{\displaystyle p}
U
T
H
U
¯
>
0
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} >0}
(то есть все элементы матрицы больше нуля) и
U
T
K
U
=
0
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {U} =\mathbf {0} }
. Другими словами,
V
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {V} ^{(p,\,p)}}
— произвольная матрица, а
W
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {W} ^{(p,\,p)}}
— произвольная матрица такая, что выполняются соотношения
W
T
W
¯
>
V
T
V
¯
{\displaystyle \mathbf {W} ^{T}\mathbf {\bar {W}} >\mathbf {V} ^{T}\mathbf {\bar {V}} }
и
V
T
W
=
−
W
T
V
{\displaystyle \mathbf {V} ^{T}\mathbf {W} =-\mathbf {W} ^{T}\mathbf {V} }
[ 17] .
Биекция
U
→
G
U
{\displaystyle \mathbf {U} \to \mathbf {GU} }
переводит множество матриц
U
{\displaystyle \mathbf {U} }
в себя, то есть сохраняет множества
U
T
H
U
¯
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} }
и
U
T
K
U
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {K} \mathbf {U} }
➤ [ 17] .
Предложение 3 (о существовании области
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
,
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
). В пространстве
M
p
,
p
{\displaystyle M_{p,\,p}}
комплексных матриц размера
p
×
p
{\displaystyle p\times p}
множество матриц
Z
(
p
,
p
)
=
V
W
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,p)}=\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1}}
образует область
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
,
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
[ 17] .
Доказательство. Любая матрица
W
{\displaystyle \mathbf {W} }
невырождена и имеет обратную➤ , следовательно, ограничения матриц
V
{\displaystyle \mathbf {V} }
и
W
{\displaystyle \mathbf {W} }
принимают следующий вид➤ [ 17] :
(
V
W
−
1
)
T
(
V
W
−
1
¯
)
<
E
p
{\displaystyle (\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1})^{T}({\overline {\mathbf {V} W^{-1}}})<\mathbf {E} _{p}}
,
(
V
W
−
1
)
T
=
−
V
W
−
1
{\displaystyle \,\,(\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1})^{T}=-\mathbf {V} W^{-1}}
,
то есть
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
, или
Z
T
¯
Z
¯
¯
=
Z
∗
Z
<
E
{\displaystyle {\overline {\mathbf {Z} ^{T}}}\mathbf {\bar {\bar {Z}}} =\mathbf {Z} ^{*}\mathbf {Z} <\mathbf {E} }
, и
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
. □
Предложение 4 (о выполнении условия (s¹)➤ ). Множество всех матриц
Z
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,p)}}
, удовлетворяющих условиям
Z
T
Z
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{p}}
и
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
, есть ограниченная область в комплексном пространстве размерности
p
(
p
−
1
)
2
{\displaystyle {\frac {p(p-1)}{2}}}
,
p
⩾
2
{\displaystyle p\geqslant 2}
[ 17] .
Доказательство. Первое условие
Z
T
Z
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{p}}
говорит об ограниченности области➤ , второе условие
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
делает матрицы
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} }
кососимметричными, поэтому независимы только элементы выше главной диагонали (или ниже) в следующем количестве[ 17] :
p
2
−
p
2
=
p
(
p
−
1
)
2
{\displaystyle {\frac {p^{2}-p}{2}}={\frac {p(p-1)}{2}}}
. □
Предложение 5. Область
Z
T
Z
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{p}}
,
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
инвариантна относительно группы следующих дробно-линейных преобразований ➤ [ 17] :
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
,
где
A
=
A
0
O
{\displaystyle \mathbf {A} =\mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
C
=
T
A
=
T
A
0
O
{\displaystyle \,\,\mathbf {C} =\mathbf {T} \mathbf {A} =\mathbf {T} \mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
D
=
A
¯
=
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} =\mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
,
B
=
−
C
¯
=
−
T
¯
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {B} =-\mathbf {\bar {C}} =-\mathbf {\bar {T}} \mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
.
Предложение 6. Как и в случае симметрических областей типа I➤ группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
зависит меньше чем от
p
(
2
p
−
1
)
{\displaystyle p(2p-1)}
вещественных параметров, которые имеет группа матриц
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, причём разница зависит от
p
{\displaystyle p}
➤ [ 17] .
Доказательство. Например, при значении
p
=
2
{\displaystyle p=2}
разница числа параметров составляет 3, поскольку трёхпараметрическая подгруппа группы матриц
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
с условиями
A
=
D
¯
=
(
a
b
−
b
¯
a
¯
)
{\displaystyle \mathbf {A} =\mathbf {\bar {D}} ={\begin{pmatrix}a&b\\-{\bar {b}}&{\bar {a}}\end{pmatrix}}}
,
B
=
C
=
0
{\displaystyle \,\,\mathbf {B} =\mathbf {C} =\mathbf {0} }
,
a
a
¯
+
b
b
¯
=
1
{\displaystyle \,\,a{\bar {a}}+b{\bar {b}}=1}
переходит в тождественной преобразование[ 17] .
Предложение 7 (о выполнении условия (s²)➤ ). Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
транзитивна в области
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
,
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \,\,\mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
,
то есть эта область однородна [ 17] .
Предложение 8. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
включает преобразование
Z
→
e
i
θ
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} \to e^{i\theta }\mathbf {Z} }
,
получаемое, когда
A
=
e
i
θ
2
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {A} =e^{i{\frac {\theta }{2}}}\mathbf {E} _{p},\,\,}
B
=
C
=
0
,
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {C} =0,\,\,}
D
=
e
−
i
θ
2
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {D} =e^{-i{\frac {\theta }{2}}}\mathbf {E} _{p},}
где
θ
∈
R
{\displaystyle \theta \in \mathbb {R} }
[ 17] .
Следствие 1 (о выполнении условия (s³)➤ . Эта группа дробно-линейных преобразований включает преобразование
Z
→
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} \to -\mathbf {Z} }
— инволюцию с единственной неподвижной матрицей
Z
=
0
{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {0} }
[ 17] .
В итоге получили, что построенная область симметрична[ 17] .
Предложение 9. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
есть полная группа голоморфных автоморфизмов области
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
,
Z
T
=
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=-\mathbf {Z} }
[ 17] .
Неприводимые симметрические области типа III
В обозначениях описания области типа I пусть, в отличие от области типа II, просто
p
=
q
{\displaystyle p=q}
и введём подгруппу той группы комплексных линейных преобразований
m
{\displaystyle m}
комплексных переменных, которая использовалась при описании области типа I, но другую, чем для области типа II, а именно: пусть линейные преобразования не меняют не только эрмитову форму
−
|
t
1
|
2
−
⋯
−
|
t
p
|
2
+
|
t
p
+
1
|
2
+
⋯
+
|
t
2
p
|
2
=
(
t
,
H
t
¯
)
=
t
T
H
t
¯
,
{\displaystyle -|t_{1}|^{2}-\cdots -|t_{p}|^{2}+|t_{p+1}|^{2}+\cdots +|t_{2p}|^{2}=(\mathbf {t} ,\,\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} )=\mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} ,}
где
t
=
(
t
1
⋮
t
2
p
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ={\begin{pmatrix}t_{1}\\\vdots \\t_{2p}\end{pmatrix}},\quad }
t
T
=
(
t
1
⋯
t
2
p
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}={\begin{pmatrix}t_{1}\cdots t_{2p}\end{pmatrix}},\quad }
H
=
(
−
E
p
0
0
E
p
)
,
{\displaystyle \mathbf {H} ={\begin{pmatrix}-\mathbf {E} _{p}&0\\0&\mathbf {E} _{p}\end{pmatrix}},}
E
p
{\displaystyle \mathbf {E} _{p}}
— единичная матрица размера
p
{\displaystyle p}
,
но линейные преобразования также не меняют следующую билинейную форму [ 17] :
(
t
1
u
p
+
1
−
u
1
t
p
+
1
)
+
⋯
+
(
t
p
u
2
p
−
u
p
t
2
p
)
=
(
t
,
J
u
)
=
t
T
J
u
,
{\displaystyle (t_{1}u_{p+1}-u_{1}t_{p+1})+\cdots +(t_{p}u_{2p}-u_{p}t_{2p})=(\mathbf {t} ,\,\mathbf {J} \mathbf {u} )=\mathbf {t} ^{T}\mathbf {J} \mathbf {u} ,}
где
J
=
(
0
E
p
−
E
p
0
)
{\displaystyle \mathbf {J} ={\begin{pmatrix}0&\mathbf {E} _{p}\\-\mathbf {E} _{p}&0\end{pmatrix}}}
.
Другими словами, будем рассматривать группу комплексных линейных преобразований с квадратной матрицей
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, то есть группу комплексных линейных преобразований пространства
M
2
p
{\displaystyle M_{2p}}
квадратных комплексных матриц размера
(
2
p
)
×
(
2
p
)
{\displaystyle (2p)\times (2p)}
, отвечающей следующим двум равенствам[ 18] :
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
G
T
J
G
=
J
{\displaystyle \quad \mathbf {G} ^{T}\mathbf {J} \mathbf {G} =\mathbf {J} }
.
Предложение 1. Условия
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
G
T
J
G
=
J
{\displaystyle \quad \mathbf {G} ^{T}\mathbf {J} \mathbf {G} =\mathbf {J} }
,
которые наложены на матрицу
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, эквивалентны уcловиям
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
K
G
¯
=
G
K
{\displaystyle \quad \mathbf {K} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {K} }
,
где матрица
K
{\displaystyle \mathbf {K} }
имеет следующий вид[ 18] :
K
=
(
0
E
p
E
p
0
)
{\displaystyle \mathbf {K} ={\begin{pmatrix}0&\mathbf {E} _{p}\\\mathbf {E} _{p}&0\end{pmatrix}}}
.
Доказательство. Из того, что
K
=
−
J
−
1
H
{\displaystyle \mathbf {K} =-\mathbf {J} ^{-1}\mathbf {H} }
и
J
=
−
H
K
−
1
{\displaystyle \mathbf {J} =-\mathbf {H} \mathbf {K} ^{-1}}
➤ ,
и следует утверждение предложения➤ [ 18] . □
Обозначим
G
=
G
(
p
,
p
)
=
(
A
(
p
,
p
)
B
(
p
,
p
)
C
(
p
,
p
)
D
(
p
,
p
)
)
=
(
A
B
C
D
)
{\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {G} ^{(p,\,p)}={\begin{pmatrix}\mathbf {A} ^{(p,\,p)}&\mathbf {B} ^{(p,\,p)}\\\mathbf {C} ^{(p,\,p)}&\mathbf {D} ^{(p,\,p)}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\mathbf {A} &\mathbf {B} \\\mathbf {C} &\mathbf {D} \end{pmatrix}}}
,
тогда имеем, что условие
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
равносильно равенствам
A
T
A
¯
−
C
T
C
¯
=
E
p
=
D
T
D
¯
−
B
T
B
¯
,
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} -\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {E} _{p}=\mathbf {D} ^{T}\mathbf {\bar {D}} -\mathbf {B} ^{T}\mathbf {\bar {B}} ,\,\,}
A
T
B
¯
=
C
T
D
¯
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {B}} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {D}} }
,
а второе условие
K
G
¯
=
G
K
{\displaystyle \mathbf {K} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {K} }
— следующим равенствам[ 18] :
B
=
C
¯
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {\bar {C}} }
,
D
=
A
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} }
.
Отсюда находим, что соотношения
G
T
H
G
¯
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {H} }
,
K
G
¯
=
G
K
{\displaystyle \quad \mathbf {K} \mathbf {\bar {G}} =\mathbf {G} \mathbf {K} }
эквивалентны следующим[ 18] :
B
=
C
¯
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {\bar {C}} }
,
D
=
A
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} }
,
A
T
A
¯
−
C
T
C
¯
=
E
p
{\displaystyle \,\,\mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} -\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {E} _{p}}
,
A
T
C
=
C
T
A
{\displaystyle \,\,\mathbf {A} ^{T}\mathbf {C} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {A} }
.
Матрица
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
невырождена, так как
A
T
A
¯
=
C
T
C
¯
+
E
p
>
0
{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {\bar {A}} =\mathbf {C} ^{T}\mathbf {\bar {C}} +\mathbf {E} _{p}>0}
, поэтому окончательно получаем, что предыдущие условия равносильны следующим[ 18] :
B
=
C
¯
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {\bar {C}} }
,
D
=
A
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} }
,
E
p
−
(
C
A
−
1
)
T
(
C
A
−
1
¯
)
=
(
A
−
1
)
T
(
A
−
1
¯
)
{\displaystyle \,\,\mathbf {E} _{p}-(\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1})^{T}({\overline {\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1}}})=(\mathbf {A} ^{-1})^{T}({\overline {\mathbf {A} ^{-1}}})}
,
C
A
−
1
=
(
C
A
−
1
)
T
{\displaystyle \,\,\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1}=(\mathbf {C} \mathbf {A} ^{-1})^{T}}
.
Предложение 2. Количество вещественных параметров группы, образованной матрицами
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, равно следующей величине[ 18] :
p
2
+
p
(
p
+
1
)
=
p
(
2
p
+
1
)
{\displaystyle p^{2}+p(p+1)=p(2p+1)}
.
Доказательство. Наиболее общая матрица
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
конструируется следующим алгоритмом[ 18] :
фиксируем произвольную симметричную матрицу
T
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {T} ^{(p,\,p)}}
,
T
T
=
T
{\displaystyle \mathbf {T} ^{T}=\mathbf {T} }
, с условием
T
T
T
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {T} ^{T}\mathbf {\bar {T}} <\mathbf {E} _{p}}
;
отыскиваем матрицу
A
0
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {A} _{0}^{(p,\,p)}}
с условием
(
A
0
−
1
)
T
(
A
0
−
1
¯
)
=
E
p
−
T
T
T
¯
{\displaystyle (\mathbf {A} _{0}^{-1})^{T}({\overline {A_{0}^{-1}}})=\mathbf {E} _{p}-\mathbf {T} ^{T}\mathbf {\bar {T}} }
, в итоге произвольная матрица
A
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {A} ^{(p,\,p)}}
с этим условием
(
A
−
1
)
T
(
A
−
1
¯
)
=
E
p
−
T
T
T
¯
{\displaystyle (\mathbf {A} ^{-1})^{T}({\overline {A^{-1}}})=\mathbf {E} _{p}-\mathbf {T} ^{T}\mathbf {\bar {T}} }
записывается как
A
0
O
{\displaystyle \mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
, где
O
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {O} ^{(p,\,p)}}
— унитарная матрица ,
O
−
1
=
O
∗
=
O
¯
T
{\displaystyle \mathbf {O} ^{-1}=\mathbf {O} ^{*}=\mathbf {\bar {O}} ^{T}}
;
наконец, задаём матрицу
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
следующими равенствами:
A
=
A
0
O
{\displaystyle \mathbf {A} =\mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
C
=
T
A
=
T
A
0
O
{\displaystyle \,\,\mathbf {C} =\mathbf {T} \mathbf {A} =\mathbf {T} \mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
D
=
A
¯
=
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} =\mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
,
B
=
C
¯
=
T
¯
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {B} =\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {\bar {T}} \mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
.
Последние равенства, определяющие матрицу
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, зависят только от двух произвольных матриц: унитарной
O
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {O} ^{(p,\,p)}}
, имеющей
p
2
2
{\displaystyle {\frac {p^{2}}{2}}}
независимых комплексных элементов, и симметричной
T
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {T} ^{(p,\,p)}}
, имеющей
p
2
−
p
2
+
p
{\displaystyle {\frac {p^{2}-p}{2}}+p}
независимых комплексных элементов, откуда и получаем утверждение теоремы[ 18] . □
Рассмотрим теперь произвольную матрицу из
2
p
{\displaystyle 2p}
строк и
p
{\displaystyle p}
столбцов
U
=
(
V
(
p
,
p
)
W
(
p
,
p
)
)
=
(
V
W
)
{\displaystyle \mathbf {U} ={\begin{pmatrix}\mathbf {V} ^{(p,\,p)}\\\mathbf {W} ^{(p,\,p)}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\mathbf {V} \\\mathbf {W} \end{pmatrix}}}
такую, что квадратные матрицы размера
p
{\displaystyle p}
U
T
H
U
¯
>
0
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} >0}
(то есть все элементы матрицы больше нуля) и
U
T
J
U
=
0
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {J} \mathbf {U} =\mathbf {0} }
. Другими словами,
V
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {V} ^{(p,\,p)}}
— произвольная матрица, а
W
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {W} ^{(p,\,p)}}
— произвольная матрица такая, что выполняются соотношения
W
T
W
¯
>
V
T
V
¯
{\displaystyle \mathbf {W} ^{T}\mathbf {\bar {W}} >\mathbf {V} ^{T}\mathbf {\bar {V}} }
и
V
T
W
=
W
T
V
{\displaystyle \mathbf {V} ^{T}\mathbf {W} =\mathbf {W} ^{T}\mathbf {V} }
[ 18] .
Биекция
U
→
G
U
{\displaystyle \mathbf {U} \to \mathbf {GU} }
переводит множество матриц
U
{\displaystyle \mathbf {U} }
в себя, то есть сохраняет множества
U
T
H
U
¯
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {U}} }
и
U
T
J
U
{\displaystyle \mathbf {U} ^{T}\mathbf {J} \mathbf {U} }
➤ [ 18] .
Предложение 3 (о существовании области
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
,
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
). В пространстве
M
p
,
p
{\displaystyle M_{p,\,p}}
комплексных матриц размера
p
×
p
{\displaystyle p\times p}
множество матриц
Z
(
p
,
p
)
=
V
W
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,p)}=\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1}}
образует область
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
,
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
[ 19] .
Доказательство. Любая матрица
W
{\displaystyle \mathbf {W} }
невырождена и имеет обратную➤ , следовательно, ограничения матриц
V
{\displaystyle \mathbf {V} }
и
W
{\displaystyle \mathbf {W} }
принимают следующий вид➤ [ 19] :
(
V
W
−
1
)
T
(
V
W
−
1
¯
)
<
E
p
{\displaystyle (\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1})^{T}({\overline {\mathbf {V} W^{-1}}})<\mathbf {E} _{p}}
,
(
V
W
−
1
)
T
=
V
W
−
1
{\displaystyle \,\,(\mathbf {V} \mathbf {W} ^{-1})^{T}=\mathbf {V} W^{-1}}
,
то есть
Z
T
Z
¯
<
E
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} }
, или
Z
T
¯
Z
¯
¯
=
Z
∗
Z
<
E
{\displaystyle {\overline {\mathbf {Z} ^{T}}}\mathbf {\bar {\bar {Z}}} =\mathbf {Z} ^{*}\mathbf {Z} <\mathbf {E} }
, и
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
. □
Предложение 4 (о выполнении условия (s¹)➤ ). Множество всех матриц
Z
(
p
,
p
)
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{(p,\,p)}}
, удовлетворяющих условиям
Z
T
Z
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{p}}
и
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
, есть ограниченная область в комплексном пространстве размерности
p
(
p
+
1
)
2
{\displaystyle {\frac {p(p+1)}{2}}}
[ 19] .
Доказательство. Первое условие
Z
T
Z
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{p}}
говорит об ограниченности области➤ , второе условие
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
делает матрицы
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} }
симметричными, поэтому независимы только элементы главной диагонали и элементы выше неё (или ниже) в следующем количестве[ 19] :
p
+
p
2
−
p
2
=
p
(
p
+
1
)
2
{\displaystyle p+{\frac {p^{2}-p}{2}}={\frac {p(p+1)}{2}}}
. □
Предложение 5. Область
Z
T
Z
¯
<
E
p
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{p}}
,
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
инвариантна относительно группы следующих дробно-линейных преобразований ➤ [ 19] :
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
,
где
A
=
A
0
O
{\displaystyle \mathbf {A} =\mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
C
=
T
A
=
T
A
0
O
{\displaystyle \,\,\mathbf {C} =\mathbf {T} \mathbf {A} =\mathbf {T} \mathbf {A} _{0}\mathbf {O} }
,
D
=
A
¯
=
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {D} =\mathbf {\bar {A}} =\mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
,
B
=
C
¯
=
T
¯
A
¯
0
O
¯
{\displaystyle \,\,\mathbf {B} =\mathbf {\bar {C}} =\mathbf {\bar {T}} \mathbf {\bar {A}} _{0}\mathbf {\bar {O}} }
.
Предложение 6. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
зависит от
p
(
2
p
+
1
)
{\displaystyle p(2p+1)}
вещественных параметров, столько же имеет и группа матриц
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
➤ [ 19] .
Доказательство. В тождественное преобразование переходят➤ из матриц
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
только две матрицы:
±
E
2
p
{\displaystyle \pm \mathbf {E} _{2p}}
[ 19] .
Предложение 7 (о выполнении условия (s²)➤ ). Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
транзитивна в области
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
,
Z
T
=
Z
{\displaystyle \,\,\mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
,
то есть эта область однородна [ 19] .
Предложение 8. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
включает преобразование
Z
→
e
i
θ
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} \to e^{i\theta }\mathbf {Z} }
,
получаемое, когда
A
=
e
i
θ
2
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {A} =e^{i{\frac {\theta }{2}}}\mathbf {E} _{p},\,\,}
B
=
C
=
0
,
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {C} =0,\,\,}
D
=
e
−
i
θ
2
E
p
,
{\displaystyle \mathbf {D} =e^{-i{\frac {\theta }{2}}}\mathbf {E} _{p},}
где
θ
∈
R
{\displaystyle \theta \in \mathbb {R} }
[ 19] .
Следствие 1 (о выполнении условия (s³)➤ . Эта группа дробно-линейных преобразований включает преобразование
Z
→
−
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} \to -\mathbf {Z} }
— инволюцию с единственной неподвижной матрицей
Z
=
0
{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {0} }
[ 19] .
Предложение 9. Группа дробно-линейных преобразований
Z
→
(
A
Z
+
B
)
(
C
Z
+
D
)
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to (\mathbf {A} \mathbf {Z} +\mathbf {B} )(\mathbf {C} \mathbf {Z} +\mathbf {D} )^{-1}}
есть полная группа голоморфных автоморфизмов области
Z
T
Z
¯
<
E
q
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}\mathbf {\bar {Z}} <\mathbf {E} _{q}}
,
Z
T
=
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} ^{T}=\mathbf {Z} }
[ 19] .
Неприводимые симметрические области типа IV
Обозначим через
p
{\displaystyle p}
натуральное число . Будем рассматривать группу линейных преобразований с вещественными коэффициентами
p
+
2
{\displaystyle p+2}
комплексных переменных, которые не меняют квадратичную форму
−
t
1
2
−
⋯
−
t
p
2
+
t
p
+
1
2
+
t
p
+
2
2
=
(
t
,
H
t
)
=
t
T
H
t
,
{\displaystyle -t_{1}^{2}-\cdots -t_{p}^{2}+t_{p+1}^{2}+t_{p+2}^{2}=(\mathbf {t} ,\,\mathbf {H} \mathbf {t} )=\mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {t} ,}
где
t
=
(
t
1
⋮
t
p
+
2
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ={\begin{pmatrix}t_{1}\\\vdots \\t_{p+2}\end{pmatrix}},\quad }
t
T
=
(
t
1
⋯
t
p
+
2
)
,
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}={\begin{pmatrix}t_{1}\cdots t_{p+2}\end{pmatrix}},\quad }
H
=
(
−
E
p
0
0
E
2
)
,
{\displaystyle \mathbf {H} ={\begin{pmatrix}-\mathbf {E} _{p}&0\\0&\mathbf {E} _{2}\end{pmatrix}},}
E
p
{\displaystyle \mathbf {E} _{p}}
,
E
2
{\displaystyle \mathbf {E} _{2}}
— единичные матрицы соответственно размеров
p
{\displaystyle p}
и
2
{\displaystyle 2}
[ 19] .
Другими словами, будем рассматривать группу линейных преобразований
Γ
{\displaystyle \Gamma }
с квадратной матрицей
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
, то есть группу линейных преобразований пространства
M
p
+
2
{\displaystyle M_{p+2}}
квадратных комплексных матриц размера
(
p
+
2
)
×
(
p
+
2
)
{\displaystyle (p+2)\times (p+2)}
, отвечающей равенствам
G
=
G
¯
{\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {\bar {G}} }
,
G
T
H
G
=
H
{\displaystyle \,\,\mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {G} =\mathbf {H} }
и зависящей от
(
p
+
1
)
(
p
+
2
)
2
{\displaystyle {\frac {(p+1)(p+2)}{2}}}
вещественных параметров: на
(
p
+
2
)
2
{\displaystyle (p+2)^{2}}
вещественных чисел матрицы
G
{\displaystyle \mathbf {G} }
накладываются ограничения в виде
(
p
+
2
)
(
p
+
3
)
2
{\displaystyle {\frac {(p+2)(p+3)}{2}}}
уравнений в силу симметричности вещественной матрицы
G
T
H
G
{\displaystyle \mathbf {G} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {G} }
[ 19] .
В
(
p
+
2
)
{\displaystyle (p+2)}
-мерном комплексном пространстве рассмотрим взаимно-однозначные отображения
t
→
G
t
{\displaystyle \mathbf {t} \to \mathbf {G} \mathbf {t} }
. Множество точек
M
t
{\displaystyle M_{t}}
этого пространства, которое определяется двумя условиями
t
T
H
t
=
−
t
1
2
−
⋯
−
t
p
2
+
t
p
+
1
2
+
t
p
+
2
2
=
0
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {t} =-t_{1}^{2}-\cdots -t_{p}^{2}+t_{p+1}^{2}+t_{p+2}^{2}=0}
,
t
T
H
t
¯
=
−
|
t
1
|
2
−
⋯
−
|
t
p
|
2
+
|
t
p
+
1
|
2
+
|
t
p
+
2
|
2
>
0
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} =-|t_{1}|^{2}-\cdots -|t_{p}|^{2}+|t_{p+1}|^{2}+|t_{p+2}|^{2}>0}
,
переходит само в себя при этих преобразованиях
t
→
G
t
{\displaystyle \mathbf {t} \to \mathbf {G} \mathbf {t} }
[ 19] .
Предложение 1.
Im
t
p
+
1
t
p
+
2
≠
0
{\displaystyle \operatorname {Im} {\frac {t_{p+1}}{t_{p+2}}}\neq 0}
[ 19] .
Доказательство. Числа
t
p
+
1
{\displaystyle t_{p+1}}
и
t
p
+
2
{\displaystyle t_{p+2}}
обладают двумя свойствами: они оба не равны нулю и не принадлежат никакой прямой, которая проходит через начало координат. В противном случае
|
t
p
+
1
2
+
t
p
+
2
2
|
=
|
t
p
+
1
|
2
+
|
t
p
+
2
|
2
{\displaystyle |t_{p+1}^{2}+t_{p+2}^{2}|=|t_{p+1}|^{2}+|t_{p+2}|^{2}}
,
|
t
1
2
+
⋯
+
t
p
2
|
>
|
t
1
|
2
+
⋯
+
|
t
p
|
2
{\displaystyle |t_{1}^{2}+\cdots +t_{p}^{2}|>|t_{1}|^{2}+\cdots +|t_{p}|^{2}}
,
что противоречит неравенству треугольника [ 20] . □
Предложение 2. Все линейные преобразования группы
Γ
{\displaystyle \Gamma }
, которые сохраняют знак числа
Im
t
p
+
1
t
p
+
2
{\displaystyle \operatorname {Im} {\frac {t_{p+1}}{t_{p+2}}}}
, образуют подгруппу
Γ
s
{\displaystyle \Gamma _{s}}
индекса 2[ 21] .
Доказательство. Точечное множество
M
t
{\displaystyle M_{t}}
есть объединение двух непересекающихся подмножеств, каждое из которых содержит точки только с определенным знаком
Im
t
p
+
1
t
p
+
2
{\displaystyle \operatorname {Im} {\frac {t_{p+1}}{t_{p+2}}}}
. Преобразования группы
Γ
{\displaystyle \Gamma }
либо сохраняют знак
Im
t
p
+
1
t
p
+
2
{\displaystyle \operatorname {Im} {\frac {t_{p+1}}{t_{p+2}}}}
для всех точек
M
t
{\displaystyle M_{t}}
, либо для всех точек изменяют его на противоположный[ 21] . □
Рассмотрим подгруппу
Γ
s
{\displaystyle \Gamma _{s}}
и новое множество точек
M
t
+
{\displaystyle M_{t}^{+}}
, которое задаётся следующими условиями[ 21] :
t
T
H
t
=
−
t
1
2
−
⋯
−
t
p
2
+
t
p
+
1
2
+
t
p
+
2
2
=
0
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {t} =-t_{1}^{2}-\cdots -t_{p}^{2}+t_{p+1}^{2}+t_{p+2}^{2}=0}
,
t
T
H
t
¯
=
−
|
t
1
|
2
−
⋯
−
|
t
p
|
2
+
|
t
p
+
1
|
2
+
|
t
p
+
2
|
2
>
0
{\displaystyle \mathbf {t} ^{T}\mathbf {H} \mathbf {\bar {t}} =-|t_{1}|^{2}-\cdots -|t_{p}|^{2}+|t_{p+1}|^{2}+|t_{p+2}|^{2}>0}
,
Im
t
p
+
1
t
p
+
2
>
0
{\displaystyle \operatorname {Im} {\frac {t_{p+1}}{t_{p+2}}}>0}
.
Предложение 3 (о выполнении условия (s¹)➤ ). Переход к неоднородным координатам переводит множество
M
t
+
{\displaystyle M_{t}^{+}}
в ограниченную область
∑
k
=
1
p
|
z
k
|
2
<
1
2
(
1
+
|
∑
k
=
1
p
z
k
2
|
2
)
<
1
{\displaystyle \sum _{k=1}^{p}|z_{k}|^{2}<{\frac {1}{2}}\left(1+\left|\sum _{k=1}^{p}z_{k}^{2}\right|^{2}\right)<1}
в
p
{\displaystyle p}
-мерном комплексном пространстве[ 21] .
Доказательство. Разделим первое условие определения множества
M
t
+
{\displaystyle M_{t}^{+}}
на
(
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
)
2
{\displaystyle (t_{p+1}+it_{p+2})^{2}}
, получим[ 21] :
(
t
1
2
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
)
2
+
⋯
+
(
t
p
2
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
)
2
=
t
p
+
1
−
i
t
p
+
2
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
{\displaystyle \left({\frac {t_{1}^{2}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}\right)^{2}+\cdots +\left({\frac {t_{p}^{2}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}\right)^{2}={\frac {t_{p+1}-it_{p+2}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}}
.
Разделим второе условие определения множества
M
t
+
{\displaystyle M_{t}^{+}}
на
|
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
{\displaystyle |t_{p+1}+it_{p+2}|^{2}}
, при учёте того, что
|
t
p
+
1
|
2
+
|
t
p
+
2
|
2
|
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
=
|
t
p
+
1
−
i
t
p
+
2
|
2
+
|
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
2
|
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
{\displaystyle {\frac {|t_{p+1}|^{2}+|t_{p+2}|^{2}}{|t_{p+1}+it_{p+2}|^{2}}}={\frac {|t_{p+1}-it_{p+2}|^{2}+|t_{p+1}+it_{p+2}|^{2}}{2|t_{p+1}+it_{p+2}|^{2}}}}
,
получим[ 21] :
|
t
1
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
+
⋯
+
|
t
p
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
<
{\displaystyle \left|{\frac {t_{1}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}\right|^{2}+\cdots +\left|{\frac {t_{p}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}\right|^{2}<}
<
1
2
(
1
+
|
t
p
+
1
−
i
t
p
+
2
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
2
)
{\displaystyle {}<{\frac {1}{2}}\left(1+\left|{\frac {t_{p+1}-it_{p+2}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}\right|^{2}\right)}
.
Третье условие, согласно формуле деления комплексных чисел , равносильно
Im
t
p
+
1
Re
t
p
+
2
−
Re
t
p
+
1
Im
t
p
+
2
>
0
{\displaystyle \operatorname {Im} t_{p+1}\operatorname {Re} t_{p+2}-\operatorname {Re} t_{p+1}\operatorname {Im} t_{p+2}>0}
,
откуда получаем следующее неравенство[ 21] :
|
t
p
+
1
−
i
t
p
+
2
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
|
<
1
{\displaystyle \left|{\frac {t_{p+1}-it_{p+2}}{t_{p+1}+it_{p+2}}}\right|<1}
.
Итак, при
z
k
=
t
k
t
p
+
1
+
i
t
p
+
2
,
{\displaystyle z_{k}={\frac {t_{k}}{t_{p+1}+it_{p+2}}},\quad }
k
=
1
,
…
,
p
,
{\displaystyle k=1,\,\dots ,\,p,}
множество
M
t
+
{\displaystyle M_{t}^{+}}
перейдёт в ограниченную область
|
z
1
|
2
+
…
|
z
p
|
2
<
1
2
(
1
+
|
z
1
2
+
…
z
p
2
|
2
)
<
1
{\displaystyle |z_{1}|^{2}+\dots |z_{p}|^{2}<{\frac {1}{2}}(1+|z_{1}^{2}+\dots z_{p}^{2}|^{2})<1}
,
а группа линейных преобразований — в группу с
(
p
+
1
)
(
p
+
2
)
2
{\displaystyle {\frac {(p+1)(p+2)}{2}}}
вещественными параметрами дробно-линейных преобразований этой области на себя[ 21] . □
Предложение 4 (о выполнении условия (s²)➤ ). Указанная выше группа дробно-линейных преобразований транзитивна в указанной области, то есть эта область однородна [ 6] .
Предложение 5 (о выполнении условия (s³)➤ . Пусть
G
=
H
{\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {H} }
, тогда имеем преобразование
z
→
−
z
{\displaystyle z\to -z}
— инволюцию с единственной неподвижной точкой
z
=
0
{\displaystyle z=0}
[ 6] .
В итоге получили, что построенная область симметрична[ 6] .
Совпадение симметрических областей
Оказывается, что симметрическая область типа IV при
p
=
2
{\displaystyle p=2}
приводима . С другой стороны, все остальные симметрические области четырёх типов неприводимы, но среди них имеются одинаковые области[ 6] :
для типа I перемена местами
p
{\displaystyle p}
и
q
{\displaystyle q}
не меняет области;
единичный круг на плоскости получается:
в типе I при
p
=
q
=
1
{\displaystyle p=q=1}
,
в типе II при
p
=
2
{\displaystyle p=2}
,
в типе III при
p
=
1
{\displaystyle p=1}
,
в типе IV при
p
=
1
{\displaystyle p=1}
;
тип I при
p
=
3
{\displaystyle p=3}
,
q
=
1
{\displaystyle q=1}
совпадает с типом II при
p
=
3
{\displaystyle p=3}
;
тип I при
p
=
q
=
2
{\displaystyle p=q=2}
совпадает с типом IV при
p
=
4
{\displaystyle p=4}
;
тип III при
p
=
2
{\displaystyle p=2}
совпадает с типом IV при
p
=
3
{\displaystyle p=3}
.
В итоге различные неприводимые области получатся, если потребовать[ 6] :
для типа I:
p
⩾
q
{\displaystyle p\geqslant q}
,
для типа II:
p
⩾
4
{\displaystyle p\geqslant 4}
,
для типа III:
p
⩾
2
{\displaystyle p\geqslant 2}
,
для типа IV:
p
⩾
5
{\displaystyle p\geqslant 5}
.
Таким образом, для
n
{\displaystyle n}
-мерного комплексного пространства число
ψ
(
n
)
{\displaystyle \psi (n)}
классов неприводимых симметрических областей равно общему количеству разбиений числа
n
{\displaystyle n}
одним из следующих шести способов[ 6] :
n
=
p
q
{\displaystyle n=pq}
,
p
⩾
q
{\displaystyle \,p\geqslant q}
;
n
=
1
2
p
(
p
−
1
)
{\displaystyle \quad n={\frac {1}{2}}p(p-1)}
,
p
⩾
4
{\displaystyle \,p\geqslant 4}
;
n
=
1
2
p
(
p
+
1
)
{\displaystyle n={\frac {1}{2}}p(p+1)}
,
p
⩾
2
{\displaystyle \,p\geqslant 2}
;
n
=
p
{\displaystyle \quad n=p}
,
p
⩾
5
{\displaystyle \,p\geqslant 5}
;
n
=
16
{\displaystyle n=16}
;
n
=
27
{\displaystyle \quad n=27}
.
Все эти неприводимые области топологически , но не аналитически , эквивалентны комплексному пространству
n
{\displaystyle n}
измерений[ 6] .
Чтобы построить все ограниченные симметрические области
n
{\displaystyle n}
-мерного комплексного пространства, нужно перебрать все прямые произведения неприводимых областей, составляющие
n
{\displaystyle n}
-мерную область. Следовательно, производящая функция для числа
Ψ
(
n
)
{\displaystyle \Psi (n)}
классов всех ограниченных симметрических областей (как приводимых, так и неприводимых)
n
{\displaystyle n}
-мерного комплексного пространства имеет следующий вид[ 6] :
1
∏
n
=
1
∞
(
1
−
x
n
)
ψ
(
n
)
{\displaystyle {\frac {1}{\prod _{n=1}^{\infty }(1-x^{n})^{\psi (n)}}}}
.
Методом Харди и Рамануджана можно показать, что функция
Ψ
(
n
)
{\displaystyle \Psi (n)}
выражается через «o» малое
o
{\displaystyle o}
и дзета-функцию Римана
ζ
{\displaystyle \zeta }
[ 6] :
Ψ
(
n
)
=
exp
(
(
1
+
o
(
1
)
)
ζ
(
3
)
n
ln
n
)
{\displaystyle \Psi (n)=\exp \left((1+o(1)){\sqrt {\zeta (3)n\ln n}}\right)}
.
Неограниченные симметрические области
Тип I. Одна из разновидностей области Зигеля первого рода : множество комплексных квадратных матриц
Z
=
X
+
i
Y
{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {X} +i\mathbf {Y} }
порядка
p
{\displaystyle p}
, где
X
{\displaystyle \mathbf {X} }
— произвольная эрмитова , а
Y
{\displaystyle \mathbf {Y} }
— положительно определённая эрмитова матрица . Эта область симметрическая с инволюцией
Z
→
−
Z
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to -\mathbf {Z} ^{-1}}
в точке
Z
=
i
E
{\displaystyle \mathbf {Z} =i\mathbf {E} }
, она аналитически эквивалентна симметрической области типа I с условием
p
=
q
{\displaystyle p=q}
[ 22] .
Тип II. Одна из разновидностей области Зигеля первого рода : множество комплексных квадратных матриц
Z
=
X
+
i
Y
{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {X} +i\mathbf {Y} }
порядка
2
p
{\displaystyle 2p}
, где
X
J
=
J
X
¯
{\displaystyle \mathbf {X} \mathbf {J} =\mathbf {J} {\bar {\mathbf {X} }}}
,
X
∗
=
X
{\displaystyle \quad \mathbf {X} ^{*}=\mathbf {X} }
,
Y
J
=
J
Y
¯
{\displaystyle \quad \mathbf {Y} \mathbf {J} =\mathbf {J} {\bar {\mathbf {Y} }}}
,
Y
∗
=
Y
{\displaystyle \quad \mathbf {Y} ^{*}=\mathbf {Y} }
,
Y
>
0
{\displaystyle \quad \mathbf {Y} >0}
,
J
=
(
j
0
⋯
0
0
j
⋯
0
⋮
⋮
⋱
⋮
0
0
⋯
j
)
{\displaystyle \mathbf {J} ={\begin{pmatrix}\mathbf {j} &0&\cdots &0\\0&\mathbf {j} &\cdots &0\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\0&0&\cdots &\mathbf {j} \end{pmatrix}}}
,
j
=
(
0
1
−
1
0
)
{\displaystyle \quad \mathbf {j} ={\begin{pmatrix}0&1\\-1&0\end{pmatrix}}}
,
другими словами,
Z
J
=
J
Z
¯
{\displaystyle \mathbf {Z} \mathbf {J} =\mathbf {J} {\bar {\mathbf {Z} }}}
и матрица
1
i
(
Z
−
Z
∗
)
{\displaystyle {\frac {1}{i}}(\mathbf {Z} -\mathbf {Z} ^{*})}
положительно определена. Эта область симметрическая с инволюцией
Z
→
−
Z
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to -\mathbf {Z} ^{-1}}
в точке
Z
=
i
E
{\displaystyle \mathbf {Z} =i\mathbf {E} }
, она аналитически эквивалентна симметрической области типа II с чётным
p
{\displaystyle p}
[ 23] .
Тип III. Одна из разновидностей области Зигеля первого рода : множество симметрических комплексных матриц
Z
=
X
+
i
Y
{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {X} +i\mathbf {Y} }
порядка
p
{\displaystyle p}
, где
X
{\displaystyle \mathbf {X} }
— произвольная вещественная симметрическая матрица, а
Y
{\displaystyle \mathbf {Y} }
— вещественная симметрическая положительно определённая матрица. Эта область симметрическая с инволюцией
Z
→
−
Z
−
1
{\displaystyle \mathbf {Z} \to -\mathbf {Z} ^{-1}}
в точке
Z
=
i
E
{\displaystyle \mathbf {Z} =i\mathbf {E} }
, она аналитически эквивалентна симметрической области типа III . Обычно её называют обобщённой верхней полуплоскостью Зигеля [ 23] .
Тип IV. Одна из разновидностей области Зигеля первого рода : множество всех точек
z
=
x
+
i
y
{\displaystyle z=x+iy}
комплексного пространства
C
n
{\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}
, где
x
{\displaystyle x}
— произвольное, а
y
{\displaystyle y}
лежит на конусе. Эта область симметрическая с инволюцией
z
=
(
z
1
,
z
2
,
z
3
,
…
,
z
n
)
→
(
−
z
2
λ
(
z
)
,
−
z
1
λ
(
z
)
,
z
3
λ
(
z
)
,
…
,
z
n
λ
(
z
)
)
,
{\displaystyle z=(z_{1},\,z_{2},\,z_{3},\,\dots ,\,z_{n})\to \left({\frac {-z_{2}}{\lambda (z)}},\,{\frac {-z_{1}}{\lambda (z)}},\,{\frac {z_{3}}{\lambda (z)}},\,\dots ,\,{\frac {z_{n}}{\lambda (z)}}\right),}
λ
(
z
)
=
z
1
z
2
−
z
3
2
−
⋯
−
z
n
2
{\displaystyle \lambda (z)=z_{1}z_{2}-z_{3}^{2}-\cdots -z_{n}^{2}}
в точке
z
=
(
i
,
i
,
0
,
…
,
0
)
,
{\displaystyle z=(i,\,i,\,0,\,\dots ,\,0),}
она аналитически эквивалентна симметрической области типа IV [ 24] .
Примеры несимметрических однородных ограниченных областей
Несимметрических областей в некотором смысле больше, чем симметрических[ 7] .
Пример 1. Простейшая несимметрическая однородная ограниченная (точнее, аналитически эквивалентная ограниченной) область[ 25] [ 26] — это область Зигеля первого рода в 4-мерном комплексном пространстве
C
4
(
z
1
,
z
2
,
z
3
,
u
)
{\displaystyle \mathbb {C} ^{4}(z_{1},\,z_{2},\,z_{3},\,u)}
, которая задана следующими неравенствами[ 27] [ 26] :
Im
z
1
−
|
u
|
2
>
0
{\displaystyle \operatorname {Im} z_{1}-|u|^{2}>0}
,
(
Im
z
1
−
|
u
|
2
)
Im
z
2
−
(
Im
z
3
)
2
>
0
{\displaystyle \quad (\operatorname {Im} z_{1}-|u|^{2})\operatorname {Im} z_{2}-(\operatorname {Im} z_{3})^{2}>0}
,
а остов этой области задан следующими уравнениями[ 26] :
Im
z
1
−
|
u
|
2
=
Im
z
2
=
Im
z
3
=
0
{\displaystyle \operatorname {Im} z_{1}-|u|^{2}=\operatorname {Im} z_{2}=\operatorname {Im} z_{3}=0}
.
Пример 2. Другая простейшая несимметрическая однородная ограниченная (точнее, аналитически эквивалентная ограниченной) область[ 26] — это область Зигеля первого рода в 5-мерном комплексном пространстве
C
5
(
z
1
,
z
2
,
z
3
,
u
1
,
u
2
)
{\displaystyle \mathbb {C} ^{5}(z_{1},\,z_{2},\,z_{3},\,u_{1},\,u_{2})}
, которая задана следующими неравенствами[ 26] :
Im
z
1
−
|
u
1
|
2
>
0
{\displaystyle \operatorname {Im} z_{1}-|u_{1}|^{2}>0}
,
(
Im
z
1
−
|
u
1
|
2
)
(
Im
z
2
−
|
u
2
|
2
)
−
(
Im
z
3
−
Re
u
1
u
¯
2
)
2
>
0
{\displaystyle (\operatorname {Im} z_{1}-|u_{1}|^{2})(\operatorname {Im} z_{2}-|u_{2}|^{2})-(\operatorname {Im} z_{3}-\operatorname {Re} u_{1}{\bar {u}}_{2})^{2}>0}
,
а остов этой области задан следующими уравнениями[ 26] :
Im
z
1
−
|
u
1
|
2
=
Im
z
2
−
|
u
2
|
2
=
Im
z
3
−
Re
u
1
u
¯
2
=
0
{\displaystyle \operatorname {Im} z_{1}-|u_{1}|^{2}=\operatorname {Im} z_{2}-|u_{2}|^{2}=\operatorname {Im} z_{3}-\operatorname {Re} u_{1}{\bar {u}}_{2}=0}
.
Примечания
Комментарии
↑ 1 2 Имеется перевод на английский язык.
↑ Эта теорема используется для доказательства симметричности областей.
Источники
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , Введение, с. 10.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 45. Об одной работе Э. Картана, с. 119.
↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , Глава II. Геометрия классических областей, с. 39.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Винберг Э. Б. Симметрическая область, 1984 .
↑ 1 2 3 Винберг Э. Б. Однородная ограниченная область, 1982 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 126.
↑ 1 2 Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , § 18. Однородные области Зигеля 2-го рода, с. 158.
↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , Введение, с. 11.
↑ Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. Т. 1, 1976 , 37. Конформные изоморфизмы и автоморфизмы, с. 220.
↑ Домрин А. В., Сергеев А. Г. Лекции по комплексному анализу. Т. 2, 2004 , 17.1. Автоморфизмы основных областей, с. 195.
↑ 1 2 3 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 45. Об одной работе Э. Картана, с. 118.
↑ Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 120—121.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 121.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 122.
↑ Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 121—122.
↑ 1 2 3 4 5 6 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 123.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 124.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 125.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 126.
↑ Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 126—127.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных, 1954 , § 47. Четыре главных типа неприводимых ограниченных симметрических областей, с. 126.
↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , $ 1. Области Зигеля 1-го рода, с. 17.
↑ 1 2 Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , $ 1. Области Зигеля 1-го рода, с. 18.
↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , $ 1. Области Зигеля 1-го рода, с. 19.
↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , § 4. Многообразия Кобаяси, с. 38.
↑ 1 2 3 4 5 6 Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , § 18. Однородные области Зигеля 2-го рода, с. 159.
↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961 , § 4. Многообразия Кобаяси, с. 37.
Литература
Винберг Э. Б . Однородная ограниченная область // Математическая энциклопедия (рус.) / гл. ред. И. М. Виноградов . — М. : «Советская энциклопедия », 1982. — Т. 3 Коо—Од. — Стб. 1172—1173. — 1184 стб., ил. — 150 000 экз.
Винберг Э. Б . Симметрическая область // Математическая энциклопедия (рус.) / гл. ред. И. М. Виноградов . — М. : «Советская энциклопедия », 1984. — Т. 4 Ок—Сло. — Стб. 1142—1143. — 1216 стб., ил. — 148 900 экз.
Домрин А. В. , Сергеев А. Г. Лекции по комплексному анализу (рус.) . Второе полугодие. — М. : МИАН , 2004. — Т. 2. — 289 с., ил. — 200 экз. — ISBN 5-98419-008-7 (ч. II). — ISBN 5-98419-006-0 .
Зигель К. Автоморфные функции нескольких комплексных переменных = Siegel C. L. Analytic functions of several complex variables(1948—1949) (рус.) / пер. с англ. И. И. Пятецкого-Шапиро под ред. И. Р. Шафаревича . — М. : «Издательство иностранной литературы », 1954. — 167,[1] с.
Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций (рус.) . — М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы , 1961. — 191 с. — (Современные проблемы математики). — 5000 экз.
Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ (рус.) . Часть I. Функции одного переменного. — 2-е изд, перераб. и доп. — М. : «Наука» , 1976. — Т. 1. — 320 с., ил. — 20 000 экз.
Дополнительная литература
Jacques Faraut, Soji Kaneyuki, Ádám Korányi [англ.] , Qi-keng Lu, Guy Roos. Analysis and geometry on complex homogeneous domains (англ.) . — New York : Springer Science+Business Media, LLC , 2000. — XII+540 p. — (Progress in mathematicss (Boston , Mass. ); v. 185). — ISBN 1-58488-448-7 . — ISBN 978-1-4612-1366-6 (eBook). — doi :10.1007/978-1-4612-1366-6 .
Sigurdur Helgason [англ.] . Differential geometry, Lie groups, and symmetric spaces (англ.) / H. Bass, A. Borel , S.-T. Yau , editors. — Boston · San Diego · New York · London · Sydney · Tokyo · Toronto : Academic Press , 1978. — XVI+634 p. — (Pure and applied mathematics). — ISBN 0-12-338460-5 .
Soji Kaneyuki. Homogeneous Bounded Domains and Siegel Domains (англ.) / adviser: E. Vesentini [англ.] . — Berlin · Heidelberg · New York : Springer-Verlag , 1971. — V+89 p. — (Scuola Normale Supenore, Plsa). — ISBN 3-540-05702-1 . — ISBN 0-387-05702-1 .
Steven G. Krantz [англ.] . Function Theory of Several Complex Variables (англ.) . — Second edition. 1992 held by the American Mathematical Society . Printed with corrections, 2001. — Providence, Rhode Island : AMS Chelsea Publishing [англ.] , 1951. — XVI+564 p. — ISBN 0-8218-2724-3 (alk. paper).