Vấn đề Hilbert thứ 21 dự đoán sự tồn tại của một hệ phương trình vi phân với nhóm monodromy cho trước. Bài viết này giới thiệu sơ lược về vấn đề Hilbert thứ 21 và các khái niệm liên quan. Setting của chúng ta trong bài toán này là lấy một đường cong $X$ xạ ảnh, không suy biến, liên thông trên $\mathbb{C}$. Gọi $U$ là một tập mở trong $X$ sao cho phần bù của $U$ là một số hữu hạn các điểm đóng. Ký hiệu $U^{an}$ là đa tạp phức ứng với $U$ trong nguyên lý GAGA. Trước tiên chúng ta xem xét một định nghĩa hợp lý của phương trình vi phân.
Ví dụ $X = \mathbb{P}^1$ và $U \subset \mathbb{P}^1 - \left \{\infty \right \}$, khi đó một hệ phương trình vi phân được mô tả bởi
$$\frac{d}{dz}\mathbf{f} = P(z) \cdot \mathbf{f},$$
trong đó $P$ là một ma trận các hàm hệ số. Hệ này bao gồm lớp các phương trình vi phân tuyến tính cấp $n$
$$f^{(n)}= p_{n-1}f^{(n-1)}+\cdots + p_1f' + p_0f,$$
bằng cách lấy $P$ là ma trận
$$ P(z)= \begin{pmatrix}
0 & 1 & ... & 0 &0 \\
0 & . & 1 & 0 & 0 \\
\vdots & & \ddots & \ddots & \vdots\\
0 & 0 & & 0 & 1\\
p_0 & p_1 & \cdots & p_{n-2} & p_{n-1}
\end{pmatrix}$$
Trong trường hợp đường cong có giống cao hơn, do không có một hệ tọa độ toàn cục nên ta sẽ định nghĩa một hệ phương trình vi phân trên $U$ là một cặp $(M,\nabla)$ trong đó $M$ là một bó nhất quán tự do địa phương $M$ và một liên thông $\nabla: M \to M \otimes \Omega^{1}_{U/\mathbb{C}}$ thỏa mãn luật Leibniz giống như trường hợp trên đa tạp. Khi đó một phương trình vi phân sẽ được định nghĩa là hạt nhân của liên thông $\nabla$. Để giải thích cho định nghĩa này ta xét một ví dụ giải tích
Ví dụ. Ký hiệu $\pi: \mathbb{C}^2 \times \mathbb{C} \to \mathbb{C}$ là phân thớ tầm thường hạng $2$ trên $\mathbb{C}$. Khi đó mọi liên thông trên $\pi$ có dạng
$$\nabla = d+ \begin{pmatrix}
-f_{11}(z)& -f_{12}(z)\\
-f_{21}(z)& -f_{22}(z)
\end{pmatrix}dz$$
trong đó $d$ là đạo hàm ngoài và $f_{ij}$ là các hàm chỉnh hình. Một lát cắt $a \in \Gamma(s)$ có thể xem như một cặp $(a_1(z),a_2(z))$ gồm hai hàm chỉnh hình. Khi đó
$$ \nabla(a) = \nabla \begin{pmatrix}
a_1(z)\\
a_2(z)
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
a_1'(z) -f_{11}(z)a_1(z) - f_{12}(z)a_2(z)\\
a'_2(z) - f_{21}(z)a_1(z) - f_{22}(z)a_2(z)
\end{pmatrix}dz.$$
Do đó ta thấy hạt nhân của $\nabla$ cho ta một hệ phương trình cấp $2$.
Cố định một điểm $z_0 \in U$, khi đó mầm $S$ của các nghiệm chỉnh hình địa phương gần $z_0$ là một không gian vector có chiều là $\mathrm{rank}(M)$ theo định lý giải được địa phương của hệ phương trình vi phân bậc nhất. Cho $\gamma$ là một đường cong đóng tại $z_0$ trong $U^{an}$, khi đó thác triển giải tích dọc theo $\gamma$ cho định nghĩa cho ta một tự đẳng cấu của $S$. Như vậy ta có một tác động $\pi_1(U^{an},z_0)$ lên $S$, ta gọi đây là biểu diễn monodromy của phương trình vi phân $(M,\nabla)$.
Ví dụ. Xét phương trình vi phân
$$ z\frac{df}{dz} = \alpha f, \ \alpha \in \mathbb{C}$$
trên mặt phẳng thủng $\mathbb{C} - \left \{0 \right \}$. Cố định một điểm và chọn một branch cut xuất phát từ điểm này, khi đó nghiệm toàn cục có dạng $z^{\alpha}=\mathrm{exp}(\alpha\log(z))$. Nếu ta xét thác triển giải tích của lớp đồng luân của đường cong $\gamma$ quay ngược chiều kim đồng hồ một góc $2\pi$ thì nghiệm sẽ trở thành $e^{2\pi \mathbf{i} \alpha}z^{\alpha}$. Ta thấy $\pi_1(\mathbb{C} - \left \{0 \right \}) \cong \mathbb{Z}$ với phần tử sinh $[\gamma]$, khi đó biểu diễn monodromy tương ứng là $\gamma \mapsto e^{2\pi \mathbf{i}\alpha} \in \mathbb{C}^{\times} = \mathrm{GL}(1,\mathbb{C})$.
Để có thể phát biểu hoàn toàn bài toán Hilbert, ta cần khái niệm điểm kỳ dị chính quy, nó giống như một điều kiện đầu của bài toán Cauchy để phương trình có nghiệm duy nhất. Ban đầu, khái niệm kỳ dị chính quy đến từ ODE, sau đó Fuchs định nghĩa nó bằng một số đánh giá giải tích nhưng cuối cùng ông chứng minh rằng khái niệm này là thuần túy đại số, ta sẽ dùng cách định nghĩa này ở đây.
Xét một phương trình vi phân thường biến $z \in \mathbb{C}$
$$ f^{(n)} =p_{n-1}f^{(n-1)}+\cdots + p_1f' + p_0f,$$
trong đó $p_i$ là các hàm phân hình, Ta nói $a \in \mathbb{C}$ là một điểm kỳ dị chính quy nếu $p_{n-i}$ có một cực bậc không quá $i$ tại $a$. Trong trường hợp đó phương trình của chúng ta có thể chuyển về dạng
$$D^{(n)}f = b_{n-1}D^{(n-1)}f + ... + b_0 f,$$
trong đó $D = (z-a)\frac{d}{dz}$ là uniformizer tại $a$. Phương trình ban đầu có kỳ dị chính quy tại $a$ khi và chỉ khi $b_i$ đều là hàm chỉnh hình.
Ví dụ. Nếu $p,q$ là hai hàm chỉnh hình, khi đó phương trình $f^{"}(z) =\frac{p(z)}{z}f'(z)+\frac{q(z)}{z^2}f(z)$ tương đương với $D^2f = (p+1)Df + qf$ và do đó nó có điểm kỳ dị chính quy tại $z=0$.
Lưu ý. Một khi biết phương trình có điểm kỳ dị chính quy tại $a$, phương pháp Frobenius có thể được sử dụng để giải ra $n$ nghiệm địa phương dưới dạng chuỗi.
Bài toán Hilbert thứ 21. Cho $X$ là một đường cong không suy biến trên $\mathbb{C}$, $U$ là một tập mở với topo Zariski sao cho phần bù của $U$ là một số hữu hạn các điểm đóng. Hỏi rằng có phải mọi biểu diễn hữu hạn chiều của $\pi_1(U^{an})$ đều là một biểu diễn monodromy của một hệ phương trình vi phân có kỳ dị chính quy mọi nơi không?
Nếu ta bỏ điều kiện điểm kỳ dị chính quy, biểu diễn của ta có thể không đến từ một hệ phương trình duy nhất.
Ví dụ. Với $U = \mathbb{A}^1, U^{an} = \mathbb{C}$ và $\pi_1(U^{an}) = 0 \to \mathbb{C}^{\times}$ là biểu diễn tầm thường. Khi đó với mọi $P \in \mathbb{C}[z]$ thì phương trình
$$\frac{df}{dz} = P(z)f$$
có nghiệm
$$f(z) = \mathrm{exp}\left(\int_0^z f(t)dt \right)$$
là một nghiệm toàn cục, và do đó không có monodromy. Nhưng xem như các phương trình vi phân trên đa tạp đại số $\mathbb{A}^1$, các phương trình này đôi một không đẳng cấu. Hơn nữa nếu ta dùng uniformizer $D=(z-a)\frac{d}{dz}$ thì phương trình trở thành $Df = (z-a)P(z)f$, nếu ta yêu cầu nó có kỳ dị chính quy tại $a$ thì $(z-a)P(z)$ phải có cực bậc dương tại $a$, điều này chỉ xảy ra nếu $P \equiv 0$.
Để kiểm tra một hệ có kỳ dị chính quy không, Katz đã chứng minh nó tương đương với việc tìm các cyclic vector, tức là các vector "biểu hiện" như một nghiệm địa phương của phương trình vi phân. Bài toán tìm cyclic đã được giải quyết gần như trọn vẹn.
Bài viết đã được chỉnh sửa nội dung bởi bangbang1412: 17-12-2021 - 06:42