Der Modularitätssatz (früher Taniyama-Shimura-Vermutung) ist ein mathematischer Satz über elliptische Kurven und Modulformen. Er wurde 1958 von Yutaka Taniyama und Gorō Shimura vermutet und im Jahr 2001 von Christophe Breuil, Brian Conrad, Fred Diamond und Richard Taylor bewiesen, nachdem bereits Andrew Wiles im Jahr 1995 den wichtigsten (und schwierigsten) Fall der semistabilen Kurven gezeigt hatte. Der Satz und sein Beweis gelten als einer der großen mathematischen Fortschritte des 20. Jahrhunderts. Konsequenzen des Modularitätssatzes sind unter anderem der große Satz von Fermat und die Wohldefiniertheit der Vermutung von Birch und Swinnerton-Dyer, da über den Modularitätssatz eine analytische Fortsetzung der zur elliptischen Kurve gehörigen L-Funktion garantiert wird. Heutzutage wird der Modularitätssatz als ein Spezialfall der sehr viel allgemeineren und wichtigeren Serre-Vermutung über Galois-Darstellungen gesehen. Diese wurde, aufbauend auf der Arbeit von Andrew Wiles, 2006 von Chandrashekhar Khare, Jean-Pierre Wintenberger und Mark Kisin bewiesen.

Einführung Bearbeiten

Algebraische Kurven Bearbeiten

 
Zahlenstrahl (oben), ebene kartesische Koordinaten (unten).

Der Modularitätssatz ist eine Aussage über algebraische Kurven, also „Nullstellengebilde“ einer Polynomgleichung. Eine besonders wichtige Stellung nehmen dabei sog. elliptische Kurven ein.

Anschaulich ist ein Punkt ein Objekt „ohne jede Ausdehnung“. In der Euklidischen Ebene kann ein Punkt   stets durch Angabe kartesischer Koordinaten angegeben werden, man schreibt dann  . Bei   und   handelt es sich um reelle Zahlen, und die Ebene wird dadurch definiert, dass man jede mögliche Kombination von Längen   und   zweier Zahlenstrahle betrachtet. Diese Zahlenstrahle lassen sich als zwei Achsen visualisieren, die die Ebene „aufspannen“ (siehe Bild).

Ein bedeutender Gegenstand der ebenen Geometrie ist das Studium von Figuren in der Ebene. Dazu zählen zum Beispiel Geraden, Kreise, Hyperbeln Parabeln oder auch Ellipsen. All diese Figuren haben gemeinsam, dass sie aus einer Teilmenge aller Punkte der Ebene entstehen. Zum Beispiel ist jeder Punkt auf einem Kreis Teil der Ebene, aber nicht jeder Punkt der Ebene ist Teil des Kreises. Mehr noch: Gerade die explizite Auswahl bestimmter Punkte und deren „Zusammenwirken“ ergibt den Kreis. Entscheidend ist daher die Frage, nach welchen Kriterien man alle Punkte auf einer Figur bestimmen kann. Gleichbedeutend kann gefragt werden, in welcher Gemeinsamkeit sich die Punkte einer Figur von all den anderen Punkten in der Ebene unterscheiden.

Theoretisch lassen sich beliebig willkürliche „Figuren“ durch Auswahl völlig zufälliger Punkte formen - die Möglichkeiten sind unbegrenzt. Dennoch wird, angefangen in der Schulmathematik, gleich zu Beginn der Fokus auf ganz bestimmte Figuren gelegt, angefangen mit der Geraden. Ihre geometrische Natürlichkeit korrespondiert zur Algebra, denn die Gemeinsamkeit der Punkte   auf einer Geraden kann mit den vier Grundrechenarten erklärt werden. Verläuft die Gerade nicht parallel zur „y-Achse“, so existieren stets zwei Zahlen   und  , so dass ihre Punkte sämtlich von der Gestalt   sind. Da die zweite Koordinate traditionell als   geschrieben wird, ist die (äquivalente) Beschreibung   als Gleichung sehr gebräuchlich. Während in der Ebene bei der Wahl eines Punktes völlige Offenheit herrschte, ist die Geradenvorschrift mathematisch diskriminierend, denn durch die (freie) Auswahl der ersten Koordinate   bleibt für die zweite Koordinate lediglich der Wert   übrig, alle anderen „Kandidaten“ scheiden aus und sind nicht Teil der Geraden.

Eine algebraische Kurve ist nun allgemein eine Familie von Punkten in der Ebene, deren Komponenten   und   alle eine gemeinsame algebraische Relation erfüllen. Das bedeutet, dass es eine Gleichung gibt, in der ausschließlich endlich oft addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert wird, die von allen Punkten gleichzeitig erfüllt wird. Wie oben gesehen erfüllen die Punkte   auf (den meisten) Geraden eine algebraische Relation   mit festen Zahlen   und  . Aber auch algebraische Gleichungen höheren Grades sind möglich. Die Normalparabel besteht aus allen Punkten der Form  , und der Kreis mit Radius 1 und dem Ursprung   als Mittelpunkt besteht genau aus allen Punkten  , sodass

 

gilt. Dies kann mit dem Satz des Pythagoras gezeigt werden (siehe Bild). Die Formulierung, dass eine Kurve über den rationalen Zahlen definiert sei, bedeutet ferner, dass alle involvierten Polynome zur Definition der Kurve ausschließlich rationale Zahlen verwenden.

 
Schaubild der elliptischen Kurve  .

Bei einer elliptischen Kurve   über den rationalen Zahlen handelt es sich um eine Kurve, deren Punkte   eine Gleichung der Form

 

erfüllen. Bei   handelt es sich um feste, also kurvenspezifische, rationale Zahlen. Dabei liegt das Augenmerk auf der dritten Potenz  , die eine deutliche Verkomplizierung der Gleichung gegenüber quadratischer Kreisgleichungen mit sich bringt. Aus diesem Grund zählen elliptische Kurven nicht zu den linearen oder quadratischen Kurven, sondern sind kubische Kurven. Explizites Beispiel einer elliptischen Kurve über den rationalen Zahlen ist   (siehe Bild).

Parametrisierung von Kurven Bearbeiten

Algebraische Kurven können in ihrem Ausmaß, etwa bezüglich des Grades der involvierten Polynome, beliebig kompliziert sein. Etwa definiert auch

 

eine algebraische Kurve. In manchen Fällen kann es helfen, mit einer Parametrisierung zu arbeiten. Damit ist eine Abbildung gemeint, die einem „isolierten“ Parameter   stets einen Punkt   auf der Kurve zuordnet, und dabei „alle Punkte“ der Kurve „trifft“. Ohne Mühe ist erkennbar, dass die Abbildungen   bzw.   Geraden bzw. die Normalparabel für reelle   parametrisieren. Mit etwas mehr Aufwand kann gezeigt werden, dass

 

den Einheitskreis parametrisiert, denn es gilt  , also mit den Rechenregeln für Brüche

 
 
Durch   wird der Kreis mit Radius 1 und Mittelpunkt im Ursprung in der Euklidischen Ebene parametrisiert.

All diese Parametrisierungen sind algebraisch, da für ihre Realisierung nur die vier Grundrechenarten gebraucht werden. Für den Einheitskreis existieren jedoch auch andere - etwa nicht-algebraische - Formen der Parametrisierung. Die Wichtigste unter ihnen ist die über Sinus und Kosinus. Dabei übernimmt   die Rolle eines Winkels, und daher ist die Benennung   hier oft üblicher. Zu jedem Punkt auf dem Eiheitskreis kann auf naheliegende Weise ein Winkel   gefunden werden, nämlich über die Bogenlänge des Kreissegments, womit sich der Winkel einfach über den entsprechenden Anteil   des vollen Kreisumfangs definiert. Etwa ist   ein Kreisviertel, und korrespondiert zum Punkt  . Ganz allgemein drückt sich diese Korrespondenz über

 

aus; zur „Bogenlänge“   hat der korrespondierende Punkt also gerade die Koordinaten  . Lässt man auch zu, dass der Kreis „mehrfach umrundet“ werden kann, werden im  -periodischen Muster immer die selben Punkte erzeugt. Damit sind Sinus und Kosinus  -periodische Winkelfunktionen.

Die Frage, ob zu noch komplizierteren Kurven Parametrisirungen existieren, und falls ja, wie diese aussehen könnten, liegt nahe.

Modulformen Bearbeiten

Der Modularitätssatz schlägt eine Brücke zwischen elliptischen Kurven und einer Familie von mathematischen Funktionen, nämlich Modulformen, die für bestimmte komplexe Zahlen definiert sind. Eine Modulform   ordnet einer komplexen Zahl   mit positivem Imaginärteil  , kurz  , wieder eine komplexe Zahl   zu. Die Kollektion aller komplexen Zahlen mit positivem Imaginärteil formen die obere Halbebene der komplexen Zahlenebene, den Definitionsbereich der Modulform. Modulformen unterscheiden sich von anderen komplexwertigen Funktionen durch sehr restriktive Eigenschaften:

  • Sie sind in jedem Punkt komplex differenzierbar. Es gibt zu einer Modulform   also eine Ableitungsfunktion  . Damit sind Modulformen auf ihrem Definitionsbereich, der oberen Halbebene, holomorphe Funktionen.
  • Sie erfüllen eine äußerst starke Form der „Symmetrie“: Einerseits sind sie 1-Periodisch, es gilt also stets  . Andererseits gibt es eine ganze Zahl  , so dass die Identität   erfüllt ist. Also liegt eine Ko-Existenz zweier verschiedener Funktionalgleichungen vor. Für die zweite Identität ist zu beachten, dass mit   und   auch die komplexe Zahl
 
einen positiven Imaginärteil hat, also in   eingesetzt werden darf. Man nennt die Zahl   auch das Gewicht von  .
  • Sie sind beschränkt, wenn man   gegen   laufen lässt. Genau genommen existiert der Grenzwert  .

Zusammengenommen sind diese Bedingungen derart schwierig zu erfüllen, dass zum Beispiel folgendes gilt:

  • Es existieren keine nicht-trivialen Modulformen für: 1. die Gewichte   und 2. für ungerade Gewichte. Mit trivial ist gemeint, dass stets die konstante Nullfunktion   eine Modulform ist, da sie zwar alle Eignschaften mit Leichtigkeit erfüllt, aber als Funktion nicht interessant ist. Beim Gewicht   kommen als triviale Beispiele noch sämtliche anderen konstanten Funktionen hinzu, die offenbar 1-periodisch sind, aber auch   erfüllen, da sie ihren Ausgabewert niemals ändern.
  • Wird das Gewicht fixiert, bilden alle Modulformen von diesem bestimmten Gewicht zusammen einen sog. Vektorraum über den komplexen Zahlen. Damit ist gemeint, dass Summen und skalare Vielfache von Modulformen wieder Modulformen sind. Die interessante Aussage ist, dass die Vektorräume von Modulformen ab geraden Gewichten   stets endlich-dimensional sind. Es existieren also stets endlich viele fest gewählte Modulformen   des Gewichts  , so dass sich jede beliebige Modulform   des selben Gewichts als Kombination   mit irgendwelchen Skalaren   schreiben lässt. Aus mathematischer Sicht sind Modulformen unter den Funktionen auf der oberen Halbenene damit „extrem selten“.

Die Aussage des Modularitätssatzes Bearbeiten

Die komplex-analytische Version Bearbeiten

Es sei

 

eine Kongruenzuntergruppe der Modulgruppe. Dabei heißt   auch Stufe der zugehörigen Modulform. Diese Gruppe operiert auf der oberen Halbebene   durch Möbiustransformation. Der Quotientenraum   ist eine nicht-kompakte Riemannsche Fläche. Durch Hinzunahme gewisser Punkte aus   (den sogenannten Spitzen), kann man   kompaktifizieren und erhält so eine kompakte Riemannsche Fläche   (Modulkurve). Die komplex-analytische Variante des Modularitätssatzes besagt, dass für jede elliptische Kurve   über   (  ein Gitter), mit zugehörigem Wert der j-Funktion  , ein   und eine nicht-konstante holomorphe Abbildung Riemannscher Flächen

 

existiert. Die Zahl   heißt der (modulare) Führer von  . Die Modulkurve parametrisiert die elliptische Kurve.

Eine elliptische Kurve, für die die hier gegebene Aussage wahr ist, heißt modular.

Die komplex-analytische Version des Satzes ist sehr schwach und a priori noch keine zahlentheoretische Aussage. Der eigentliche Modularitätssatz macht Aussagen für über den rationalen Zahlen definierte elliptische Kurven und besagt, dass alle elliptischen Kurven über   modular sind.

L-Reihen-Version Bearbeiten

Folgende Version der Vermutung macht eine Aussage über elliptische Kurven über  .

Sei   eine elliptische Kurve über   mit L-Reihe   (für deren Definition siehe Vermutung von Birch und Swinnerton-Dyer). Dann gibt es ein   (den Führer) und eine Modulform   mit  . Hierbei ist   die Hecke-L-Reihe von   (für die Definition siehe Zusammenhang von Modulformen und Dirichletreihen).

Aus der Theorie der Modulformen folgert man daraus leicht, dass   eine analytische Fortsetzung und eine Funktionalgleichung besitzt. Dies spielt für die Wohldefiniertheit der Vermutung von Birch und Swinnerton-Dyer eine große Rolle.

Algebraisch-geometrische Version Bearbeiten

Aus der Theorie der Riemannschen Flächen folgt, dass die Modulkurve   als ein Schema über   definiert werden kann. Man kann zeigen, dass   sogar ein Schema über   ist. Der Modularitätssatz postuliert nun für jede elliptische Kurve   einen surjektiven Morphismus

 

von algebraischen Kurven über   für ein N.

Darstellungstheoretische Version Bearbeiten

Sei   eine Modulform. Nach tiefen Sätzen von Pierre Deligne, Jean-Pierre Serre und Robert Langlands, kann man   eine zweidimensionale Galoisdarstellung

 

zuordnen (  ist der algebraische Abschluss von   in  ). Hier steht links die absolute Galoisgruppe und rechts die allgemeine lineare Gruppe des zweidimensionalen Vektorraums über dem Körper   der p-adischen Zahlen. Ebenso kann man jeder elliptischen Kurve E über   eine solche Galoisdarstellung   zuordnen.

Der Modularitätssatz besagt in diesem Fall, dass es für jede elliptische Kurve E über   eine Primzahl p gibt und eine Modulform   für ein N, so dass   und   äquivalent sind.

Dies ist die Version, die von Wiles bewiesen wurde.

Skizzierung des Zusammenhangs zwischen der Taniyama-Shimura- und Fermats Vermutung Bearbeiten

Fermats letzter Satz sagt aus, dass es keine positiven ganzzahligen Lösungen der Gleichung   für n größer als 2 gibt. Seit der französische Mathematiker Pierre de Fermat 1637 behauptet hatte, einen Beweis für diese Aussage gefunden zu haben – ohne diesen jedoch anzugeben oder in seinen schriftlichen Aufzeichnungen zu hinterlassen – haben Mathematiker einen Beweis für diese Aussage gesucht. Die Suche nach einem Beweis für Fermats letzten Satz hat die Zahlentheorie für mehr als zwei Jahrhunderte geprägt und wichtige Bausteine, wie die Idealtheorie von Ernst Eduard Kummer, wurden entwickelt, um den Satz zu beweisen.

Der Saarbrücker Mathematiker Gerhard Frey stellte 1986 eine Vermutung über einen Zusammenhang zwischen Fermats letztem Satz und der Taniyama-Shimura-Vermutung auf: Nimmt man an, dass Fermats letzter Satz falsch ist und es tatsächlich Lösungen der Gleichung   gibt, so ist die elliptische Kurve   wahrscheinlich nicht modular. Jean-Pierre Serre bewies das bis auf einen Rest, die Epsilon-Vermutung, die Ken Ribet 1990 bewies und damit zeigte, dass diese sogenannte Frey-Kurve (die zuvor schon Yves Hellegouarch betrachtet hatte) tatsächlich nicht modular ist (er benutzte die sogenannte „Level-lowering“-Methode, wobei „Level“ die Stufe der betrachteten Modulformen bezeichnet).

Mit anderen Worten: Wenn Fermats letzter Satz falsch ist, so auch die Taniyama-Shimura-Vermutung; ist die Taniyama-Shimura-Vermutung hingegen richtig, so muss auch Fermats letzter Satz richtig sein. Dabei genügte es zu zeigen, dass die Taniyama-Shimura-Vermutung für semistabile elliptische Kurven über den rationalen Zahlen gilt. Bei einer semistabilen elliptische Kurve   über den rationalen Zahlen gibt es nur schlechte Reduktionen vom semistabilen Typ. Dabei bedeutet schlechte Reduktion modulo p, dass die über dem endlichen Körper der ganzen Zahlen mod p definierte Kurve   (die Reduktion von   mod p) singulär wird. Ist die Singularität ein Doppelpunkt und keine Spitze, spricht man vom semistabilen Typ. In diesem Fall fallen in der Gleichung für die elliptische Kurve   mit   einem kubischen Polynom mit drei verschiedenen Wurzeln über   bei Reduktion mod p höchstens zwei Nullstellen zusammen. Gute Reduktion heißt, dass alle drei Nullstellen bei Reduktion mod p verschieden sind. Die elliptische Kurve ist semistabil, wenn sie nur gute Reduktionen hat oder die schlechten Reduktionen semistabil sind.

Da die Frey-Kurve semistabil ist, folgt der Beweis von Fermats letztem Satz aus der von Wiles bewiesenen Version des Modularitätssatzes.

Bedeutung für die Mathematik Bearbeiten

Das Taniyama-Shimura-Theorem ist ein Beispiel für die Vereinheitlichung der Mathematik; darunter wird die Etablierung von Zusammenhängen zwischen vormals als völlig verschieden betrachteten Gebieten der Mathematik verstanden, die Mathematiker in die Lage versetzt, Probleme, die in einem Gebiet nicht lösbar sind, in ein äquivalentes Problem eines anderen Gebietes zu übersetzen und dort ggf. zu lösen. In diesem Fall erfolgt die Vereinheitlichung durch die Theorie der Modulformen, die auch schon im Langlands-Programm ihre herausragende Bedeutung für die Zahlentheorie deutlich machten.

Originalarbeiten Bearbeiten

Folgende drei Veröffentlichungen enthalten den Beweis des Modularitätsatzes:

In folgender Veröffentlichung wird Fermats letzter Satz auf den Modularitätssatz zurückgeführt:

Literatur Bearbeiten

  • Gary Cornell, Joseph H. Silverman, Glenn Stevens (Hrsg.): Modular forms and Fermat’s last theorem, Springer, 1997
  • Fred Diamond, Jerry Shurman: A first course in modular forms (= Graduate Texts in Mathematics 228). Corrected 3rd printing. Springer, New York NY 2007, ISBN 978-0-387-23229-4. (Kapitel 9: Galois representations)
  • Gerd Faltings: The proof of Fermat’s last theorem by R. Taylor and A. Wiles, Notices American Mathematical Society, 1995, Nr. 7, PDF

Populärwissenschaftlich:

  • Simon Singh: Fermats letzter Satz. Die abenteuerliche Geschichte eines mathematischen Rätsels (= dtv 33052). 14. Auflage. Deutscher Taschenbuch-Verlag, München 2010, ISBN 978-3-423-33052-7.
  • Simon Singh, Kenneth Ribet: Die Lösung des Fermatschen Rätsels. In Spektrum der Wissenschaft. 1, 98, ISSN 0170-2971, S. 96 ff.


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