घन सतह

गणित में, एक घन सतह 3-आयामी अंतरिक्ष में एक सतह है जिसे डिग्री 3 के एक बहुपद समीकरण द्वारा परिभाषित किया गया है। घन सतहें बीजगणितीय ज्यामिति में मौलिक उदाहरण हैं। थ्योरी को affine अंतरिक्ष  के बजाय  प्रक्षेपण स्थान  में काम करके सरल किया जाता है, और इसलिए क्यूबिक सतहों को आमतौर पर प्रोजेक्टिव 3-स्पेस में माना जाता है $$\mathbf{P}^3$$. वास्तविक संख्याओं के बजाय जटिल संख्याओं पर सतहों पर ध्यान केंद्रित करने से सिद्धांत भी अधिक समान हो जाता है; ध्यान दें कि एक जटिल सतह का वास्तविक आयाम 4 होता है। एक सरल उदाहरण फर्मेट क्यूबिक सतह है
 * $$x^3+y^3+z^3+w^3=0$$

में $$\mathbf{P}^3$$. क्यूबिक सतहों के कई गुण आमतौर पर डेल पेज़ो सतहों के लिए अधिक होते हैं।

घन सतहों की तर्कसंगतता
एक बीजगणितीय रूप से बंद क्षेत्र पर चिकनी स्कीम क्यूबिक सतहों एक्स की एक केंद्रीय विशेषता यह है कि वे सभी तर्कसंगत विविधताएं हैं, जैसा कि 1866 में अल्फ्रेड क्लेब्सच द्वारा दिखाया गया था। यही है, प्रोजेक्टिव प्लेन के बीच तर्कसंगत कार्यों द्वारा परिभाषित एक-से-एक पत्राचार है $$\mathbf{P}^2$$ माइनस एक लो-डायमेंशनल सब्मिट और X माइनस एक लो-डायमेंशनल सब्मिट। अधिक आम तौर पर, बीजगणितीय रूप से बंद क्षेत्र पर प्रत्येक इर्रिडिएबल क्यूबिक सतह (संभवतः एकवचन) तर्कसंगत है जब तक कि यह क्यूबिक वक्र पर प्रक्षेपी शंकु न हो। इस संबंध में, क्यूबिक सतहें कम से कम 4 इंच की चिकनी सतहों की तुलना में बहुत सरल होती हैं $$\mathbf{P}^3$$, जो कभी तर्कसंगत नहीं होते। अभिलाक्षणिक (बीजगणित) शून्य में, कम से कम 4 इंच की डिग्री की चिकनी सतहें $$\mathbf{P}^3$$ अनियंत्रित किस्म भी नहीं हैं। अधिक दृढ़ता से, क्लेब्स ने दिखाया कि प्रत्येक चिकनी घन सतह $$\mathbf{P}^3$$ एक बीजगणितीय रूप से बंद क्षेत्र के ऊपर उड़ाते हुए | ब्लो-अप के लिए आइसोमोर्फिक है $$\mathbf{P}^2$$ 6 बिंदुओं पर। नतीजतन, जटिल संख्याओं पर हर चिकनी घन सतह जुड़ी हुई राशि के लिए अलग-अलग होती है $$\mathbf{CP}^2\# 6(-\mathbf{CP}^2)$$, जहां माइनस साइन उन्मुखता  में बदलाव को दर्शाता है। इसके विपरीत, का झटका $$\mathbf{P}^2$$ 6 बिंदुओं पर एक घन सतह के लिए आइसोमोर्फिक है यदि और केवल यदि बिंदु सामान्य स्थिति में हैं, जिसका अर्थ है कि तीन बिंदु एक रेखा पर नहीं हैं और सभी 6 एक शंकु पर स्थित नहीं हैं। जटिल कई गुना (या एक बीजगणितीय विविधता) के रूप में, सतह उन 6 बिंदुओं की व्यवस्था पर निर्भर करती है।

एक घन सतह पर 27 रेखाएँ
क्यूबिक सतहों के लिए तर्कसंगतता के अधिकांश प्रमाण सतह पर एक रेखा खोजने से शुरू होते हैं। (प्रक्षेपी ज्यामिति के संदर्भ में, एक रेखा में $$\mathbf{P}^3$$ के लिए आइसोमॉर्फिक है $$\mathbf{P}^1$$अधिक सटीक रूप से, आर्थर केली और जॉर्ज सामन ने 1849 में दिखाया कि बीजगणितीय रूप से बंद क्षेत्र पर प्रत्येक चिकनी घन सतह में ठीक 27 रेखाएँ होती हैं। यह क्यूबिक्स की एक विशिष्ट विशेषता है: एक चिकनी चतुष्कोणीय (डिग्री 2) सतह रेखाओं के एक सतत परिवार द्वारा कवर की जाती है, जबकि डिग्री की अधिकांश सतहें कम से कम 4 इंच की होती हैं। $$\mathbf{P}^3$$ कोई रेखा नहीं है। 27 पंक्तियों को खोजने के लिए एक अन्य उपयोगी तकनीक में शुबर्ट कैलकुलस शामिल है, जो लाइनों के ग्रासमानियन  के प्रतिच्छेदन सिद्धांत का उपयोग करके लाइनों की संख्या की गणना करता है। $$\mathbf{P}^3$$.

चूंकि चिकनी जटिल घन सतह के गुणांक भिन्न होते हैं, 27 रेखाएं लगातार चलती हैं। नतीजतन, चिकनी घन सतहों के परिवार में एक बंद लूप 27 लाइनों का क्रमपरिवर्तन निर्धारित करता है। इस प्रकार उत्पन्न होने वाली 27 रेखाओं के क्रमचय के समूह (गणित) को घनीय सतहों के परिवार का मोनोड्रोमी समूह कहा जाता है। 19वीं शताब्दी की एक उल्लेखनीय खोज यह थी कि मोनोड्रोमी समूह न तो तुच्छ है और न ही संपूर्ण सममित समूह $$S_{27}$$; यह एक E6 (गणित) #Weyl समूह है, जो लाइनों के सेट पर सकर्मक रूप से कार्य करता है। इस समूह को धीरे-धीरे मान्यता दी गई (एली कार्टन (1896), आर्थर कोबल (1915-17), और पैट्रिक डु वैल (1936) द्वारा) प्रकार के वेइल समूह के रूप में $$E_6$$, E6 (गणित) से संबंधित 6-आयामी वास्तविक सदिश स्थान पर प्रतिबिंबों द्वारा उत्पन्न एक समूह|झूठे समूह $$E_6$$आयाम 78 का।

आदेश 51840 के समान समूह को कॉम्बिनेटरियल शब्दों में वर्णित किया जा सकता है, 27 पंक्तियों के ग्राफ (असतत गणित) के ऑटोमोर्फिज़्म समूह के रूप में, प्रत्येक पंक्ति के लिए एक शीर्ष और जब भी दो रेखाएँ मिलती हैं, एक किनारे के साथ। इस ग्राफ का विश्लेषण 19वीं शताब्दी में श्लाफली डबल सिक्स कॉन्फ़िगरेशन जैसे सबग्राफ का उपयोग करके किया गया था। पूरक ग्राफ (एक किनारे के साथ जब भी दो रेखाएँ अलग होती हैं) को श्लाफली ग्राफ के रूप में जाना जाता है। क्यूबिक सतहों के बारे में कई समस्याओं को कॉम्बिनेटरिक्स के उपयोग से हल किया जा सकता है $$E_6$$ मूल प्रक्रिया। उदाहरण के लिए, 27 पंक्तियों को वजन (प्रतिनिधित्व सिद्धांत) के साथ पहचाना जा सकता है # झूठ समूह के मौलिक प्रतिनिधित्व के अर्ध-सरल झूठ बीजगणित के प्रतिनिधित्व सिद्धांत में वजन $$E_6$$. एक घन सतह पर होने वाली विलक्षणता के संभावित सेट को उप-प्रणालियों के संदर्भ में वर्णित किया जा सकता है $$E_6$$ मूल प्रक्रिया। इस संबंध के लिए एक व्याख्या यह है कि $$E_6$$ जाली एंटीकैनोनिकल वर्ग के ऑर्थोगोनल पूरक के रूप में उत्पन्न होती है $$-K_X$$ पिकार्ड समूह में $$\operatorname{Pic}(X)\cong \mathbf{Z}^7$$, इसके प्रतिच्छेदन रूप के साथ (सतह पर घटता के प्रतिच्छेदन सिद्धांत से आ रहा है)। एक चिकनी जटिल घन सतह के लिए, पिकार्ड जाली को सह-समरूपता समूह के साथ भी पहचाना जा सकता है $$H^2(X,\mathbf{Z})$$.

Ekardt बिंदु वह बिंदु है जहां 27 में से 3 रेखाएँ मिलती हैं। अधिकांश क्यूबिक सतहों में कोई एकार्ट पॉइंट नहीं होता है, लेकिन ऐसे बिंदु सभी चिकनी क्यूबिक सतहों के परिवार के codimension  -1 सबसेट पर होते हैं। एक्स पर एक घन सतह और के विस्फोट के बीच एक पहचान को देखते हुए $$\mathbf{P}^2$$ सामान्य स्थिति में 6 बिंदुओं पर, X पर 27 पंक्तियों को इस प्रकार देखा जा सकता है: ब्लो अप द्वारा बनाए गए 6 असाधारण वक्र, 6 बिंदुओं के जोड़े के माध्यम से 15 पंक्तियों के द्विवार्षिक परिवर्तन $$\mathbf{P}^2$$, और 6 शंकुओं के द्विभाजित रूपांतरण जिनमें 6 बिंदुओं में से एक को छोड़कर सभी शामिल हैं। एक दी गई घन सतह को विस्फोट के रूप में देखा जा सकता है $$\mathbf{P}^2$$ एक से अधिक तरीकों से (वास्तव में, 72 अलग-अलग तरीकों से), और इसलिए ब्लो-अप के रूप में एक विवरण सभी 27 पंक्तियों के बीच समरूपता को प्रकट नहीं करता है।

घन सतहों और के बीच संबंध $$E_6$$ रूट सिस्टम सभी डेल पेज़ो सतहों और रूट सिस्टम के बीच संबंध का सामान्यीकरण करता है। यह गणित में कई ADE वर्गीकरणों में से एक है। इन उपमाओं का अनुसरण करते हुए, वेरा सर्गनोवा और एलेक्सी स्कोरोबोगाटोव ने घन सतहों और लाइ समूह के बीच एक सीधा ज्यामितीय संबंध दिया। $$E_6$$. भौतिकी में, 27 पंक्तियों को छह-आयामी टोरस्र्स  (6 मोमेंटा; 15 ब्रानेस; 6  Fivebrane ्स) और समूह ई पर एम-सिद्धांत के 27 संभावित आरोपों के साथ पहचाना जा सकता है।6 तब स्वाभाविक रूप से यू-द्वैत समूह के रूप में कार्य करता है। डेल पेज़ो सतहों और टोरी पर एम-सिद्धांत के बीच के इस मानचित्र को रहस्यमय द्वंद्व के रूप में जाना जाता है।

विशेष घनीय सतहें
चिकनी जटिल घन सतह में $$\mathbf{P}^3$$ सबसे बड़े ऑटोमोर्फिज्म समूह के साथ फ़र्मेट क्यूबिक सतह है, जिसे परिभाषित किया गया है
 * $$x^3+y^3+z^3+w^3=0.$$

इसका ऑटोमोर्फिज्म समूह एक विस्तार है $$3^3:S_4$$, क्रम 648 का। अगली सबसे सममित चिकनी घनीय सतह क्लेब्स्च सतह है, जो में परिभाषित किया जा सकता है $$\mathbf{P}^4$$ दो समीकरणों द्वारा
 * $$x_0+x_1+x_2+x_3+x_4=x_0^3+x_1^3+x_2^3+x_3^3+x_4^3=0.$$

इसका ऑटोमोर्फिज्म समूह सममित समूह है $$S_5$$, आदेश 120। निर्देशांक के एक जटिल रैखिक परिवर्तन के बाद, क्लेब्सच सतह को समीकरण द्वारा भी परिभाषित किया जा सकता है
 * $$x^2y+y^2z+z^2w+w^2x=0$$

में $$\mathbf{P}^3$$.

एकवचन जटिल घन सतहों के बीच, केली की नोडल घन सतह अद्वितीय सतह है जिसमें नोड की अधिकतम संख्या (बीजगणितीय ज्यामिति) है, 4:
 * $$wxy+xyz+yzw+zwx=0.$$

इसका ऑटोमोर्फिज्म समूह है $$S_4$$, आदेश 24।

रियल क्यूबिक सरफेस
जटिल मामले के विपरीत, वास्तविक संख्याओं पर चिकनी घन सतहों का स्थान क्लासिकल टोपोलॉजिकल स्पेस (आर के टोपोलॉजी पर आधारित) में जुड़ा हुआ स्थान नहीं है। इसके जुड़े घटक (दूसरे शब्दों में, समस्थानिक तक चिकनी वास्तविक घन सतहों का वर्गीकरण) लुडविग श्लाफली (1863), फेलिक्स क्लेन (1865), और हिरोनिमस जॉर्ज ज़्यूथेन | एच द्वारा निर्धारित किया गया था। जी ज़्यूथेन (1875)। अर्थात्, चिकनी वास्तविक घन सतहों X के 5 समस्थानिक वर्ग हैं $$\mathbf{P}^3$$, तर्कसंगत बिंदु के स्थान की टोपोलॉजी द्वारा प्रतिष्ठित $$X(\mathbf{R})$$. वास्तविक बिंदुओं का स्थान या तो भिन्न है $$W_7, W_5, W_3, W_1$$, या का असंयुक्त संघ $$W_1$$ और 2-गोला, जहां $$W_r$$ वास्तविक वास्तविक प्रक्षेपी विमान r प्रतियों के जुड़े योग को दर्शाता है $$\mathbf{RP}^2$$. तदनुसार, X में निहित वास्तविक रेखाओं की संख्या 27, 15, 7, 3 या 3 है।

एक चिकनी वास्तविक घन सतह 'आर' पर तर्कसंगत है अगर और केवल अगर इसके वास्तविक बिंदुओं का स्थान जुड़ा हुआ है, इसलिए पिछले पांच मामलों में से पहले चार में। X पर वास्तविक रेखाओं की औसत संख्या है $$6 \sqrt{2}-3$$ जब एक्स के लिए परिभाषित बहुपद बॉम्बिएरी_नॉर्म द्वारा प्रेरित गॉसियन पहनावा से यादृच्छिक रूप से नमूना लिया जाता है।

घन सतहों का मापांक स्थान
दो चिकनी घन सतहें बीजगणितीय किस्मों के रूप में आइसोमोर्फिक हैं यदि और केवल अगर वे कुछ रैखिक ऑटोमोर्फिज्म के समतुल्य हैं $$\mathbf{P}^3$$. ज्यामितीय अपरिवर्तनीय सिद्धांत चिकनी घन सतहों के प्रत्येक आइसोमोर्फिज्म वर्ग के लिए एक बिंदु के साथ घन सतहों का एक मापांक स्थान देता है। इस मोडुली स्पेस का आयाम 4 है। अधिक सटीक रूप से, यह सैल्मन और क्लेबश (1860) द्वारा भारित भारित प्रक्षेप्य स्थान(12345) का एक खुला उपसमुच्चय है। विशेष रूप से, यह एक तर्कसंगत 4 गुना है।

वक्रों का शंकु
एक बीजगणितीय रूप से बंद क्षेत्र पर एक घन सतह एक्स पर लाइनों को एक्स के एम्बेडिंग के संदर्भ के बिना आंतरिक रूप से वर्णित किया जा सकता है $$\mathbf{P}^3$$: वे बिल्कुल (−1)-X पर वक्र हैं, जिसका अर्थ है कि वक्र समरूपी हैं $$\mathbf{P}^1$$ जिसका स्व-चौराहा -1 है। इसके अलावा, एक्स (या समतुल्य रूप से विभाजक वर्ग समूह) के पिकार्ड जाली में लाइनों के वर्ग वास्तव में पिक (एक्स) के तत्व यू हैं जैसे कि $$u^2=-1$$ और $$-K_X\cdot u=1$$. (यह उपयोग करता है कि सुसंगत शीफ का प्रतिबंध # वेक्टर बंडलों के उदाहरण O(1) पर $$\mathbf{P}^3$$ X के लिए एंटीकैनोनिकल लाइन बंडल है $$-K_X$$, संयोजन सूत्र द्वारा।)

किसी भी प्रक्षेपी किस्म X के लिए, वक्रों के शंकु का अर्थ उत्तल शंकु है जो X में सभी वक्रों द्वारा फैला हुआ है (वास्तविक सदिश स्थान में) $$N_1(X)$$ 1-चक्र सापेक्ष संख्यात्मक तुल्यता, या एकवचन होमोलॉजी में $$H_2(X,\mathbf{R})$$ यदि आधार क्षेत्र सम्मिश्र संख्या है)। एक घनीय सतह के लिए, वक्रों के शंकु को 27 रेखाओं द्वारा फैलाया जाता है। विशेष रूप से, यह एक परिमेय बहुफलकीय शंकु है $$N_1(X)\cong \mathbf{R}^7$$ एक बड़े समरूपता समूह के साथ, वेइल समूह $$E_6$$. किसी भी डेल पेज़ो सतह के लिए घटता के शंकु का एक समान विवरण है।

एक क्षेत्र पर घन सतहें
फ़ील्ड k पर एक चिकनी घन सतह X जो बीजगणितीय रूप से बंद नहीं है, k पर तर्कसंगत होने की आवश्यकता नहीं है। एक चरम मामले के रूप में, परिमेय संख्या 'Q' (या p-adic संख्या) पर चिकनी घन सतहें होती हैं $$\mathbf{Q}_p$$) बिना परिमेय बिंदु के, जिस स्थिति में X निश्चित रूप से परिमेय नहीं है। यदि एक्स (के) गैर-खाली है, तो बेंजामिन सीक्रेट और जेनोस कोल्लार द्वारा एक्स कम से कम अपरिमेय है। के अनंत के लिए, एकता का अर्थ है कि के-तर्कसंगत बिंदुओं का सेट एक्स में ज़रिस्की घना है।

K का निरपेक्ष गैलोज़ समूह बीजगणितीय बंद होने पर X की 27 पंक्तियों की अनुमति देता है $$\overline{k}$$ k का (Weyl समूह के कुछ उपसमूह के माध्यम से $$E_6$$). यदि इस क्रिया की कुछ कक्षा में अलग-अलग रेखाएँ होती हैं, तो X एक बंद बिंदु पर k के ऊपर एक सरल डेल पेज़ो सतह का ब्लो-अप है। अन्यथा, X का पिकार्ड नंबर 1 है। (X का पिकार्ड समूह ज्यामितीय पिकार्ड समूह का एक उपसमूह है $$\operatorname{Pic}(X_{\overline{k}})\cong \mathbf{Z}^7$$।) बाद के मामले में, सेग्रे ने दिखाया कि एक्स कभी भी तर्कसंगत नहीं है। अधिक दृढ़ता से, यूरी मैनिन ने एक द्विपक्षीय कठोरता बयान साबित कर दिया: पिकार्ड नंबर 1 के साथ दो चिकनी क्यूबिक सतहें एक पूर्ण क्षेत्र के ऊपर द्विवार्षिक  हैं यदि और केवल अगर वे आइसोमोर्फिक हैं। उदाहरण के लिए, ये परिणाम Q के ऊपर कई घन सतह देते हैं जो अपरिमेय हैं लेकिन तर्कसंगत नहीं हैं।

एकवचन घन सतहें
चिकनाई घन सतहों के विपरीत जिसमें 27 रेखाएँ होती हैं, विलक्षणता (गणित) घन सतहों में कम रेखाएँ होती हैं। इसके अलावा, उन्हें विलक्षणता के प्रकार से वर्गीकृत किया जा सकता है जो उनके सामान्य रूप में उत्पन्न होती है। इन विलक्षणताओं को डायनकिन आरेख का उपयोग करके वर्गीकृत किया गया है।

वर्गीकरण
एक सामान्य विलक्षण घन सतह $$X$$ में $$\textbf{P}_{\mathbb{C}}^3$$ स्थानीय निर्देशांक के साथ $$[x_0:x_1:x_2:x_3]$$ यदि इसके द्वारा दिया जाता है तो सामान्य रूप में कहा जाता है $$F= x_3 f_2(x_0,x_1,x_2) -f_3(x_0,x_1,x_2) = 0$$. विलक्षणता के प्रकार पर निर्भर करता है $$X$$ सम्‍मिलित है, यह प्रक्षेपी सतह में समरूपता है $$\textbf{P}^3$$ द्वारा दिए गए $$F= x_3 f_2(x_0,x_1,x_2) -f_3(x_0,x_1,x_2) = 0$$ कहाँ $$f_2, f_3$$ नीचे दी गई तालिका के अनुसार हैं। इसका अर्थ है कि हम सभी एकवचन घनीय सतहों का वर्गीकरण प्राप्त कर सकते हैं। निम्न तालिका के पैरामीटर इस प्रकार हैं: $$a,b,c$$ के तीन भिन्न तत्व हैं $$\mathbb{C} \setminus\{0,1\}$$, पैरामीटर $$d,e$$ में हैं $$\mathbb{C} \setminus \{0,-1\}$$ और $$u$$ का एक तत्व है $$\mathbb{C}\setminus \{ 0\}$$. ध्यान दें कि विलक्षणता के साथ दो अलग-अलग एकवचन घन सतहें हैं $$D_4$$. सामान्य रूप में, जब भी एक घन सतह $$X$$ कम से कम एक शामिल है $$A_1$$ विलक्षणता, यह एक होगा $$A_1$$ विलक्षणता पर $$[0:0:0:1]$$.

एकवचन घनीय सतहों पर रेखाएँ
एकवचन घनीय सतहों के वर्गीकरण के अनुसार, निम्न तालिका प्रत्येक सतह में प्रक्षेपी रेखाओं की संख्या दर्शाती है।

बिना किसी पैरामीटर के एकवचन घन सतहों के automorphism समूह
एक सामान्य विलक्षण घन सतह का एक ऑटोमोर्फिज्म $$X$$ प्रोजेक्टिव स्पेस के ऑटोमोर्फिज्म का प्रतिबंध (गणित) है $$\textbf{P}^3$$ को $$X$$. इस तरह के ऑटोमोर्फिज्म एकवचन बिंदुओं को संरक्षित करते हैं। इसके अलावा, वे विभिन्न प्रकार की विलक्षणताओं की अनुमति नहीं देते हैं। यदि सतह में एक ही प्रकार की दो विलक्षणताएँ होती हैं, तो ऑटोमोर्फिज़्म उन्हें अनुमति दे सकता है। क्यूबिक सतह पर ऑटोमोर्फिज्म का संग्रह एक समूह (गणित) बनाता है, जिसे ऑटोमोर्फिज्म समूह कहा जाता है। निम्न तालिका बिना किसी पैरामीटर के एकवचन घन सतहों के सभी ऑटोमोर्फिज़्म समूहों को दिखाती है।

यह भी देखें

 * बीजगणितीय सतह
 * एनरिक्स-कोडैरा वर्गीकरण
 * फैनो किस्म
 * शुबर्ट कैलकुलस

बाहरी संबंध

 * Lines on a Cubic Surface by Ryan Hoban (The Experimental Geometry Lab at the University of Maryland), based on work by William Goldman, The Wolfram Demonstrations Project.
 * The Cubic Surfaces DVD (54 animations of cubic surfaces, downloadable separately or as a DVD)
 * The Cubic Surfaces DVD (54 animations of cubic surfaces, downloadable separately or as a DVD)