j-Funktion
Die j-Funktion oder absolute Invariante (j-Invariante, Klein-Invariante) spielt eine wichtige Rolle in der Theorie der elliptischen Funktionen und Modulformen, denn man kann zeigen, dass zwei Gitter genau dann ähnlich sind, wenn ihre j-Invarianten übereinstimmen. Sie ist eine grundlegende Modulfunktion in dem Sinne, dass sich alle weiteren Modulfunktionen aus ihr durch rationale Funktionen ergeben.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/37/KleinInvariantJ.jpg/200px-KleinInvariantJ.jpg)
Definition
Für (obere Halbebene) ist
,
dabei ist die Diskriminante;
und
sind die Eisensteinreihen zum Gitter
.
Eigenschaften
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a8/ModularGroup-FundamentalDomain.svg/288px-ModularGroup-FundamentalDomain.svg.png)
Die j-Funktion ist holomorph auf (sie hat nur einen einfachen Pol in der Spitze, also für
)[1], die Bezeichnung absolute Invariante erklärt sich aus dem Transformationsverhalten unter den Substitutionen der Modulgruppe
, es gilt nämlich:
, d. h.,
ist eine Modulfunktion.
Die j-Funktion bildet surjektiv auf
ab. Für Punkte
gilt
dann und nur dann, wenn es eine komplexe Zahl
gibt, die das Gitter
auf das Gitter
überführt, also genau dann, wenn die Quotienten
und
als elliptische Kurven isomorph sind. Sie parametrisiert also eindeutig die Elliptischen Funktionen. Sie liefert eine Bijektion
. Ihr Fundamentalbereich ist durch die Modulfigur gegeben (siehe Abbildung).
Ist ein Element aus einem quadratischen Zahlkörper mit positiven Imaginärteil, so ist
eine ganzalgebraische Zahl.
Jede Modulfunktion ist eine rationale Funktion der j-Funktion.
Fourierentwicklung
Die j-Funktion lässt sich in eine Fourierreihe entwickeln:
mit
Alle Fourierkoeffizienten :
sind natürliche Zahlen. Für ihr Wachstum gilt die asymptotische Formel
,
die 1932 von Petersson und unabhängig davon 1938 von Rademacher bewiesen wurde.
Die Fourierkoeffizienten sind Linearkombinationen der Dimensionen der irreduziblen Darstellungen der Monstergruppe mit kleinen ganzzahligen Koeffizienten. Dies folgt aus einer tiefen mathematischen Beziehung, die von McKay, Conway, Norton vermutet und von Richard Borcherds bewiesen wurde („monstrous moonshine“).
Literatur
- Eberhard Freitag & Rolf Busam: Funktionentheorie 1, 4. Aufl., Springer, Berlin (2006), ISBN 3-540-31764-3
- Max Koecher & Aloys Krieg: Elliptische Funktionen und Modulformen, 2. Aufl., Springer, Berlin (2007) ISBN 978-3-540-49324-2
Weblinks
- Eric W. Weisstein: j-Function. In: MathWorld (englisch).
- Ramanujan and the Modular j-Invariant (PDF; 14 S., 143 kB)
- A. Scherer, The j-function and the Monster, pdf