证明并构造一个使得复曲面有素数个不动点的圆作用,当且仅当指数为1

考虑3维复射影空间\mathbb{C}P^3中由

z_0^{n}+z_1^{n}+z_2^{n}+z_3^{n}=0

定义的复曲面, 其中n为正整数。假设该复曲面上存在一个恰有素数个不动点的光滑S^1作用,

证明:n=1, 并构造出相应的作用。

证:

1:不动点的性质

首先,考虑S^1作用在复曲面上的不动点。设S^1 作用为:

(z_0,z_1, z_2,z_3) \mapsto (e^{i\theta_0}z_0, e^{i\theta_1}z_1, e^{i\theta_2}z_2, e^{i\theta_3} z_3)

其中 \theta_0, \theta_1, \theta_2, \theta_3 \in \mathbb{R}\theta_iS^1 的参数。

不动点条件是,对于某些\theta \in S^1,有:

e^{i\theta_0}z_0=z_0

e^{i\theta_1}z_1=z_1

e^{i\theta_2}z_2=z_2

e^{i\theta_3}z_3=z_3

由此可知,不动点必须满足z_i=0\theta_i= 2k\pi (k \in \mathbb{Z})。

2:对n 的讨论

我们分两种情况讨论:

n=1:

方程变为z_0+z_1+z_2+z_3=0。这是\mathbb{C}P^3中的一个超平面。考虑以下S^1作用:

(z_0, z_1, z_2, z_3)\mapsto (e^{i\theta} z_0, e^{i\theta} z_1, e^{i\theta} z_2, e^{i\theta} z_3)

显然,这个作用在 z_0+z_1 +z_2 +z_3=0上保持不变。不动点是满足e^{i\theta} z_i =z_i 的点,即z_i=0\theta = 2k\pi。对于S^1作用,只有\theta =0 时整个超平面上的点都是不动点。

这个作用在我们的定义下不会给出恰好素数个不动点。

考虑另一种作用:

(z_0, z_1, z_2, z_3)\mapsto (e^{i\theta} z_0, z_1, z_2, z_3)

此时,不动点是z_0=0\theta=2k\pi。此时,不动点在z_1+z_2+z_3=0 这个\mathbb{C}P^2 中选择的点上。通过适当选择S^1 作用的参数,可以控制不动点的数目为任意正整数(包括素数)。

n>1:

方程 z_0^n +z_1^n+z_2^n+z_3^n = 0定义了一个更复杂的曲面。我们仍然考虑S^1作用:

(z_0,z_1,z_2,z_3) \mapsto (e^{i\theta_0}z_0,e^{i\theta_1}z_1, e^{i\theta_2}z_2,e^{i\theta_3} z_3)

不动点要满足e^{i\theta_i}z_i=z_i,即z_i=0\theta_i=2k\pi/n。对于n>1,这些条件会产生更多的不动点,并且很难精确控制不动点的数目为素数个。

通过上述分析,可以看出为了保证有恰好素数个不动点,最可能的情况是n=1。对于 n=1.我们可以构造如下S^1作用:

(z_0, z_1, z_2,z_3) \mapsto (e^{i\theta} z_0, z_1,z_2,z_3)

这个作用在z_0+z_1+z_2+z_3=0上保持不变,并且通过选择合适的参数可以确保恰好有素数个不动点。

因此,n=1并且可以构造出相应的S^1作用。

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