Quellcodebibliothek Statistik Leitseite products/sources/formale Sprachen/GAP/pkg/hap/tutorial/   (Algebra von RWTH Aachen Version 4.15.1©)  Datei vom 19.6.2025 mit Größe 47 kB image not shown  

Quelle  tutorialCongruence.xml   Sprache: XML

 
<Chapter><Heading>Congruence Subgroups, Cuspidal Cohomology  and Hecke Operators</Heading>


In this chapter we explain how HAP can be used to make computions 
about modular forms associated to congruence subgroups <M>\Gamma</M> of <M>SL_2(\mathbb Z)</M>. Also, in  Subsection 10.8 onwards, we demonstrate
 cohomology computations for the <E>Picard group</E> <M>SL_2(\mathbb Z[i])</M>,
 some <E>Bianchi groups</E>
 <M>PSL_2({\cal O}_{-d}) </M> where <M>{\cal O}_{d}</M> is the ring of integers of <M>\mathbb Q(\sqrt{-d})</M> for  square free positive integer <M>d</M>, and some other groups of the form
<M>SL_m({\cal O})</M>, 
<M>GL_m({\cal O})</M>,
<M>PSL_m({\cal O})</M>, 
<M>PGL_m({\cal O})</M>,
 for <M>m=2,3,4</M> and certain <M>{\cal O}=\mathbb Z, {\cal O}_{-d}</M>.
 

<Section Label="sec:EichlerShimura"><Heading>Eichler-Shimura isomorphism</Heading>

<P/>We begin by recalling the Eichler-Shimura isomorphism
<Cite Key="eichler"/><Cite Key="shimura"/>
<Display> S_k(\Gamma) \oplus \overline{S_k(\Gamma)} \oplus E_k(\Gamma) \cong_{\sf Hecke} H^1(\Gamma,P_{\mathbb C}(k-2))</Display>
<P/> which relates the cohomology of groups to the theory of modular forms associated to a finite index subgroup <M>\Gamma</M> of <M>SL_2(\mathbb Z)</M>. In subsequent sections we explain how to compute with the right-hand side of the isomorphism. But first,
for completeness,  let us define the terms on the  left-hand side.

<P/> Let <M>N</M> be a positive integer. A subgroup <M>\Gamma</M> of <M>SL_2(\mathbb Z)</M> is said to be a  <E>congruence subgroup</E> of level <M>N </M> if it contains the kernel of the canonical homomorphism  <M>\pi_N\colon SL_2(\mathbb Z) \rightarrow SL_2(\mathbb Z/N\mathbb Z)</M>. 

So any congruence subgroup is of finite index in <M>SL_2(\mathbb Z)</M>, 
but the converse is not true. 

<P/>One congruence subgroup of particular interest is the group
<M>\Gamma_1(N)=\ker(\pi_N)</M>, known as the <E>principal congruence subgroup</E> of level <M>N</M>. Another congruence subgroup of particular interest is the group  <M>\Gamma_0(N)</M> of those matrices that project to upper triangular matrices
in <M>SL_2(\mathbb Z/N\mathbb Z)</M>.  

<P/>A <E>modular form</E> of weight <M>k</M> for a congruence subgroup
<M>\Gamma</M> is a complex valued  function on the upper-half plane,
 <M>f\colon {\frak{h}}=\{z\in \mathbb C : Re(z)>0\} \rightarrow \mathbb C</M>, satisfying:
<List>
<Item> <M>\displaystyle f(\frac{az+b}{cz+d}) = (cz+d)^k f(z)</M> for <M>\left(\begin{array}{ll}a&b\\ c &d \end{array}\right) \in \Gamma</M>,
</Item>
<Item> <M>f</M> is `holomorphic' on the extended upper-half plane
<M>\frak{h}^\ast = \frak{h} \cup \mathbb Q \cup \{\infty\}</M> obtained from the upper-half plane by `adjoining a point at each cusp'.
</Item>
</List>
The collection of all weight <M>k</M> modular forms for <M>\Gamma</M> form a vector space <M>M_k(\Gamma)</M> over <M>\mathbb C</M>.

<P/>A modular form <M>f</M> is said to be a <E>cusp form</E> if <M>f(\infty)=0</M>. The collection of all weight <M>k</M> cusp forms for <M>\Gamma</M> form a vector subspace <M>S_k(\Gamma)</M>. There is a decomposition 
<Display>M_k(\Gamma) \cong S_k(\Gamma) \oplus E_k(\Gamma)</Display>
<P/> involving a summand <M>E_k(\Gamma)</M>  known as the <E>Eisenstein
space</E>. See <Cite Key="stein"/> for further introductory details on modular forms. 
<P/>The Eichler-Shimura isomorphism is more than an isomorphism of vector spaces. It is an isomorphism of Hecke modules: both sides admit  notions of <E>Hecke operators</E>, and the isomorphism preserves these operators. The bar on the left-hand side of the isomorphism denotes complex conjugation, or <E>anti-holomorphic</E> forms. See
<Cite Key="wieser"/> for a full account of the isomorphism.

<P/><P/>
On the right-hand side of the isomorphism, the <M>\mathbb Z\Gamma</M>-module 
<M>P_{\mathbb C}(k-2)\subset \mathbb C[x,y]</M> denotes the space of homogeneous degree 
<M>k-2</M> polynomials with action of <M>\Gamma</M> given by
<Display>\left(\begin{array}{ll}a&b\\ c &d \end{array}\right)\cdot p(x,y) = p(dx-by,-cx+ay)\ .</Display>
In particular <M>P_{\mathbb C}(0)=\mathbb C</M> is the trivial module.
Below we shall compute with the integral analogue <M>P_{\mathbb Z}(k-2) \subset \mathbb Z[x,y]</M>.


<P/><P/>
In the following sections we  explain how to use the right-hand side of the Eichler-Shimura
isomorphism to compute eigenvalues of the Hecke operators restricted to the 
 subspace        
 <M>S_k(\Gamma)</M> of cusp forms.

</Section>

<Section><Heading>Generators for <M>SL_2(\mathbb Z)</M> and the cubic tree</Heading>

<P/> The matrices 
<M>S=\left(\begin{array}{rr}0&-1\\ 1 &0 \end{array}\right)</M>
and <M>T=\left(\begin{array}{rr}1&1\\ 0 &1 \end{array}\right)</M>
generate <M>SL_2(\mathbb Z)</M> and it is not difficult to devise an algorithm for expressing an arbitrary integer matrix <M>A</M>
of determinant <M>1</M> as a word
in <M>S</M>, <M>T</M> and their inverses. The following illustrates such an algorithm.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.1.txt">
</Example>

It is convenient to introduce the matrix <M>U=ST = \left(\begin{array}{rr}0&-1\\ 1 &1 \end{array}\right)</M>. The matrices <M>S</M> and <M>U</M>
also generate <M>SL_2(\mathbb Z)</M>. In fact we have a free presentation
 <M>SL_2(\mathbb Z)= \langle S,U\, |\, S^4=U^6=1, S^2=U^3 \rangle </M>. 

<P/><P/>
The <E>cubic tree</E> <M>\cal T</M> is a tree (<E>i.e.</E> a <M>1</M>-dimensional  contractible regular  
CW-complex) with countably infinitely many edges in which each vertex has degree <M>3</M>.


We can realize  the cubic tree <M>\cal T</M> by taking the
left cosets of <M>{\cal U}=\langle U\rangle</M> in <M>SL_2(\mathbb Z)</M> as vertices, and joining cosets
<M>x\,{\cal U} </M> and <M>y\,{\cal U}</M> by an edge if, and only if, 
<M>x^{-1}y \in {\cal U}\, S\,{\cal U}</M>. Thus the
vertex <M>\cal U </M> is joined to <M>S\,{\cal U} </M>, 
<M>US\,{\cal U}</M> and <M>U^2S\,{\cal U}</M>. The vertices of this tree
are in one-to-one
correspondence with all reduced words in <M>S</M>, <M>U</M>  and <M>U^2</M> 
that, apart from the identity, end in <M>S</M>.

<P/> From our realization of the cubic tree <M>\cal T</M>
we see that <M>SL_2(\mathbb Z)</M> acts on <M>\cal T</M> in such a way that
each vertex is stabilized by a cyclic subgroup conjugate to <M>{\cal U}=\langle U\rangle</M> and each edge is stabilized by a cyclic subgroup conjugate to
<M>{\cal S} =\langle S \rangle</M>.

<P/> In order to store this action of <M>SL_2(\mathbb Z)</M> on
the cubic tree <M>\cal T</M> we just need to record the following finite amount of information.
<P/>
<Alt Only="HTML"><img src="images/fdsl2.png" align="center" width="350" alt="Information for the cubic tree"/>
</Alt>

</Section>

<Section><Heading>One-dimensional fundamental domains and  
generators for congruence subgroups</Heading>

The modular group <M>{\cal M}=PSL_2(\mathbb Z)</M> is isomorphic, as an abstract group, 
to the free product <M>\mathbb Z_2\ast \mathbb Z_3</M>. By the Kurosh subgroup 
theorem, any finite index subgroup <M>M \subset {\cal M}</M> is isomorphic to the free product 
of finitely many copies of <M>\mathbb Z_2</M>s, <M>\mathbb Z_3</M>s and <M>\mathbb Z</M>s. A
subset <M>\underline x \subset M</M> is  an <E>independent</E> 
 set of subgroup generators if <M>M</M> is the free product of the cyclic subgroups <M><x ></M> as <M>x</M> runs over <M>\underline x</M>. Let us say 
that a set of elements in <M>SL_2(\mathbb Z)</M> is <E>projectively 
independent</E> if it maps injectively onto an independent set of subgroup generators <M>\underline x\subset {\cal M}</M>.  
The generating set <M>\{S,U\}</M> for <M>SL_2(\mathbb Z)</M> given in the preceding section is projectively independent. 

<P/> We are interested in constructing a set of generators for a given congruence subgroup <M>\Gamma</M>. If a small generating set for <M>\Gamma</M> is required then we should
 aim
to  construct one which is close to being  projectively independent. 

<P/>
 It is useful to    
invoke the following general result which follows from a perturbation result about free <M>\mathbb ZG</M>-resolutons in <Cite Key="ellisharrisskoldberg" Where="Theorem 2"/> and an old observation of John Milnor that a free <M>\mathbb ZG</M>-resolution can be realized as the cellular chain complex of a CW-complex if it can be so realized in low dimensions.

<P/><B>Theorem.</B> Let <M>X</M> be a contractible CW-complex on which a group
<M>G</M> acts by permuting cells. The cellular chain complex <M>C_\ast X</M> 
is a <M>\mathbb ZG</M>-resolution of <M>\mathbb Z</M> which typically is not free. 
Let <M>[e^n]</M> denote the orbit of the n-cell <M>e^n</M> under the action. Let <M>G^{e^n} \le G</M> denote the stabilizer subgroup of <M>e^n</M>, in which group elements are not required to stabilize <M>e^n</M> point-wise. Let <M>Y_{e^n}</M>
denote a contractible CW-complex on which <M>G^{e^n}</M> acts cellularly and freely. Then there exists a contractible CW-complex <M>W</M>
on which <M>G</M> acts cellularly and freely, and in which the orbits of <M>n</M>-cells are labelled by <M>[e^p]\otimes [f^q]</M> where <M>p+q=n</M> and 
<M>[e^p]</M> ranges over the <M>G</M>-orbits of <M>p</M>-cells  in <M>X</M>, <M>[f^q]</M> ranges over the <M>G^{e^p}</M>-orbits of <M>q</M>-cells in <M>Y_{e^p}</M>.
<P/>

<P/>Let <M>W</M> be as in the theorem. Then the quotient CW-complex <M>B_G=W/G</M> is a classifying space for <M>G</M>. Let <M>T</M> denote a maximal tree in the <M>1</M>-skeleton <M>B^1_G</M>. Basic geometric group theory tells us that  the <M>1</M>-cells in <M>B^1_G\setminus T</M> correspond to
a generating set for <M>G</M>.

<P/>
Suppose  we wish to compute a set of generators for a principal congruence subgroup 
<M>\Gamma=\Gamma_1(N)</M>. In the above theorem take <M>X={\cal T}</M> to be the cubic tree, and note that <M>\Gamma</M> acts freely on <M>\cal T</M> and thus that <M>W={\cal T}</M>. 
To determine the  <M>1</M>-cells of <M>B_{\Gamma}\setminus T</M>
 we need to determine a cellular subspace 
<M>D_\Gamma \subset \cal T</M>   whose images under the action of <M>\Gamma</M>  cover <M>\cal T</M> and are  pairwise either disjoint or identical. The subspace <M>D_\Gamma</M> will not be a CW-complex as it won't be closed, but it can be chosen to be connected,
and hence contractible. We call <M>D_\Gamma</M> a <E>fundamental region</E> for <M>\Gamma</M>. We denote by <M>\mathring D_\Gamma</M> the 
largest CW-subcomplex of <M>D_\Gamma</M>. The vertices of <M>\mathring D_\Gamma</M> are the same as the vertices of <M>D_\Gamma</M>.
Thus <M>\mathring D_\Gamma</M> is a subtree of the cubic tree with <M>|\Gamma|/6</M> vertices. 
 For each vertex <M>v</M> in  the tree
<M>\mathring D_\Gamma</M> define <M>\eta(v)=3 -{\rm degree}(v)</M>. Then the number of  generators for <M> \Gamma </M>  will
 be <M>(1/2)\sum_{v\in \mathring D_\Gamma} \eta(v)</M>. 

 <P/> 
The following commands determine projectively independent 
generators for <M>\Gamma_1(6)</M> and display
<M>\mathring D_{\Gamma_1(6)}</M>. The subgroup <M>\Gamma_1(6)</M> is free on <M>13</M> generators. 

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.2.txt">
</Example>
<P/>
<Alt Only="HTML"><img src="images/pctree6.gif" align="center" width="350" alt="Fundamental region in the cubic tree"/>
</Alt>

<P/>An alternative but very related approach to computing generators  of congruence subgroups of <M>SL_2(\mathbb Z)</M>
 is described in <Cite Key="kulkarni"/>.
<P/>The congruence subgroup <M>\Gamma_0(N)</M> does not act freely on the vertices of <M>\cal T</M>, and so one needs to incorporate
 a generator for the cyclic stabilizer group according to the above theorem. Alternatively, we can replace the cubic tree by a six-fold cover 
<M>{\cal T}' on whose vertex set \Gamma_0(N) acts freely.
This alternative approach will produce a  redundant set of generators.
The following commands  display
<M>\mathring D_{\Gamma_0(39)}</M> for a fundamental region in <M>{\cal T}'. They also use the corresponding generating set for \Gamma_0(39),
involving <M>18</M> generators, to compute the abelianization <M>\Gamma_0(39)^{ab}= \mathbb Z_2 \oplus \mathbb Z_3^2 \oplus \mathbb Z^9</M>. The abelianization
  shows that any generating set has at least <M>11</M> generators.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.3.txt">
</Example>
<P/>
<Alt Only="HTML"><img src="images/g0tree39.gif" align="center" width="350" alt="Fundamental region in the cubic tree"/>
</Alt>

<P/> Note that to compute <M>D_\Gamma</M> one only needs to be able to test whether a given matrix lies in <M>\Gamma</M> or not. 
Given an inclusion <M>\Gamma'\subset \Gamma of congruence subgroups, it is straightforward to use the trees \mathring D_{\Gamma'}</M> and <M>\mathring D_{\Gamma}</M> to compute a system of coset representative for <M>\Gamma'\setminus \Gamma.
</Section>

<Section><Heading>Cohomology of congruence subgroups</Heading>

To compute the cohomology <M>H^n(\Gamma,A)</M> of a congruence subgroup 
<M>\Gamma</M> with coefficients in a <M>\mathbb Z\Gamma</M>-module <M>A</M>
 we need to construct <M>n+1</M> terms of a free
<M>\mathbb Z\Gamma</M>-resolution of <M>\mathbb Z</M>. We can do this by first 
using perturbation techniques (as described in <Cite Key="buiellis"/>) to combine the cubic tree with resolutions for
 the cyclic groups of order <M>4</M> and <M>6</M> in order to produce a free
<M>\mathbb ZG</M>-resolution <M>R_\ast</M> for <M>G=SL_2(\mathbb Z)</M>. This resolution is also a free <M>\mathbb Z\Gamma</M>-resolution with each term of rank
<Display>{\rm rank}_{\mathbb Z\Gamma} R_k = |G:\Gamma|\times {\rm rank}_{\mathbb ZG} R_k\ .</Display>
<P/>For congruence subgroups of lowish index in <M>G</M> this resolution suffices to make computations.

<P/>The following commands compute
<Display>H^1(\Gamma_0(39),\mathbb Z) = \mathbb Z^9\ .</Display>


<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.4.txt">
</Example>

<P/>This  computation establishes that the space <M>M_2(\Gamma_0(39))</M>
of weight <M>2</M> modular forms is of dimension <M>9</M>.


<P/>The following commands show that 
<M>{\rm rank}_{\mathbb Z\Gamma_0(39)} R_1 = 112</M>
but that it is possible to apply `Tietze like' simplifications to R_\ast to obtain a free \mathbb Z\Gamma_0(39)-resolution T_\ast
with <M>{\rm rank}_{\mathbb Z\Gamma_0(39)} T_1 = 11</M>. It is  more efficient to work with <M>T_\ast</M> when making cohomology computations with coefficients in a module <M>A</M> of large rank. 
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.5.txt">
</Example>


<P/>The following commands compute
<Display>H^1(\Gamma_0(39),P_{\mathbb Z}(8)) = \mathbb Z_3 \oplus \mathbb Z_6
\oplus \mathbb Z_{168} \oplus \mathbb Z^{84}\ ,</Display>
<Display>H^1(\Gamma_0(39),P_{\mathbb Z}(9)) = \mathbb Z_2 \oplus \mathbb Z_2 .</Display>


<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.4a.txt">
</Example>

<P/>This computation establishes that the space <M>M_{10}(\Gamma_0(39))</M>
of weight <M>10</M> modular forms is of dimension <M>84</M>, 
and <M>M_{11}(\Gamma_0(39))</M> is of dimension <M>0</M>. 
(There are never any modular forms of odd weight, and so 
<M>M_k(\Gamma)=0</M> for all odd <M>k</M> and any congruence subgroup 
<M>\Gamma</M>.)

<Subsection><Heading>Cohomology with rational coefficients</Heading>
To calculate cohomology <M>H^n(\Gamma,A)</M> with coefficients in a <M>\mathbb Q\Gamma</M>-module <M>A</M>  it suffices to construct a resolution of <M>\mathbb Z</M> by non-free <M>\mathbb Z\Gamma</M>-modules where <M>\Gamma</M> acts  with finite stabilizer groups on each module in the resolution. Computing over <M>\mathbb Q</M> is computationally less expensive than computing over <M>\mathbb Z</M>. The following commands first compute <M>H^1(\Gamma_0(39),\mathbb Q) = 
H_1(\Gamma_0(39),\mathbb Q)= \mathbb Q^9</M>. As a larger example, they then compute 
<M>H^1(\Gamma_0(2^{13}-1),\mathbb Q) =\mathbb Q^{1365}</M> where <M>\Gamma_0(2^{13}-1)</M> has index <M>8192</M> in <M>SL_2(\mathbb Z)</M>.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.4b.txt">
</Example>
</Subsection>
</Section>

<Section><Heading>Cuspidal cohomology</Heading>
To define and compute cuspidal cohomology we  consider the action of 
<M>SL_2(\mathbb Z)</M> on the upper-half plane <M>{\frak h}</M>
given by
<Display>\left(\begin{array}{ll}a&b\\ c &d \end{array}\right) z =
\frac{az +b}{cz+d}\ .</Display>
A standard 'fundamental domain' for this action is the region

<Display>\begin{array}{ll}
 D=&\{z\in {\frak h}\ :\ |z| > 1, |{\rm Re}(z)| < \frac{1}{2}\} \\ 
&
\cup\ \{z\in {\frak h} \ :\ |z| \ge 1, {\rm Re}(z)=-\frac{1}{2}\}\\ 
& \cup\ \{z \in {\frak h}\ :\ |z|=1, -\frac{1}{2} \le {\rm Re}(z) \le 0\}
\end{array}
</Display>
illustrated below.

<P/><Alt Only="HTML"><img src="images/filename-1.png" align="center" width="450" alt="Fundamental domain in the upper-half plane"/>
</Alt>

<P/> The action factors through an action of
<M>PSL_2(\mathbb Z) =SL_2(\mathbb Z)/\langle
\left(\begin{array}{rr}-1&0\\ 0 &-1 \end{array}\right)\rangle</M>.  The images of <M>D</M> under the action of <M>PSL_2(\mathbb Z)</M> 
cover the upper-half plane, and any two images have at most a single point in common. The possible common points are the bottom left-hand corner point which is stabilized by <M>\langle U\rangle</M>, and  the bottom middle point which is stabilized by <M>\langle S\rangle</M>.  

<P/> A congruence subgroup <M>\Gamma</M>  
has a `fundamental domain' D_\Gamma equal to a union of finitely many
copies of <M>D</M>, one copy for each coset in <M>\Gamma\setminus SL_2(\mathbb Z)</M>. 
The
quotient space <M>X=\Gamma\setminus {\frak h}</M> is not compact, and can be 
compactified in several ways. We are interested in the Borel-Serre 
compactification.
This is a space <M>X^{BS}</M> for which there is an inclusion
<M>X\hookrightarrow X^{BS}</M> and this inclusion is a homotopy equivalence. 
One defines the  <E>boundary</E> <M>\partial X^{BS} = X^{BS} - X</M> and uses the inclusion <M>\partial X^{BS} \hookrightarrow X^{BS} \simeq X</M> to define the cuspidal cohomology group, over the ground ring <M>\mathbb C</M>, as
<Display> H_{cusp}^n(\Gamma,P_{\mathbb C}(k-2)) = \ker (\ H^n(X,P_{\mathbb C}(k-2)) \rightarrow
H^n(\partial X^{BS},P_{\mathbb C}(k-2)) \ ).</Display>
Strictly speaking, this is the definition of  <E>interior cohomology</E> 
<M>H_!^n(\Gamma,P_{\mathbb C}(k-2))</M> which in general contains the
 cuspidal cohomology as a subgroup. However, for congruence subgroups of
<M>SL_2(\mathbb Z)</M> there is equality 
<M>H_!^n(\Gamma,P_{\mathbb C}(k-2)) = H_{cusp}^n(\Gamma,P_{\mathbb C}(k-2))</M>.
<P/> 
Working over <M>\mathbb C</M> has the advantage of 
avoiding the technical issue that <M>\Gamma </M> does not necessarily act freely on <M>{\frak h}</M> since there are points with finite
cyclic stabilizer groups in <M>SL_2(\mathbb Z)</M>. But it has the disadvantage of losing  information about torsion in cohomology. So HAP confronts the issue
by working with a contractible CW-complex 
<M>\tilde X^{BS}</M> on which <M>\Gamma</M> acts freely, and <M>\Gamma</M>-equivariant inclusion
<M>\partial \tilde X^{BS} \hookrightarrow \tilde X^{BS}</M>. The definition of cuspidal cohomology that we use, which coincides with the above definition when working over <M>\mathbb C</M>, is
<Display> H_{cusp}^n(\Gamma,A) = \ker (\ H^n({\rm Hom}_{\, \mathbb  Z\Gamma}(C_\ast(\tilde X^{BS}), A)\,   ) \rightarrow
H^n(\ {\rm Hom}_{\, \mathbb  Z\Gamma}(C_\ast(\tilde \partial X^{BS}), A)\, \ ).</Display>
<P/>The following data is recorded and, using perturbation theory, is  combined
 with free resolutions for <M>C_4</M> and <M>C_6</M> to constuct <M>\tilde X^{BS}</M>.
 
<P/><Alt Only="HTML"><img src="images/filename-2.png" align="center" width="450" alt="Borel-Serre compactified fundamental domain in the upper-half plane"/>
</Alt>

<P/>
The following commands calculate
<Display>H^1_{cusp}(\Gamma_0(39),\mathbb Z) = \mathbb Z^6\ .</Display>
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.6.txt">
</Example>
From the Eichler-Shimura isomorphism and the already calculated dimension
of <M>M_2(\Gamma_0(39))\cong \mathbb C^9</M>, we deduce from this cuspidal cohomology that the space 
<M>S_2(\Gamma_0(39))</M> of cuspidal weight <M>2</M> forms is of dimension <M>3</M>,

and the Eisenstein space <M>E_2(\Gamma_0(39))\cong \mathbb C^3</M> is of  dimension <M>3</M>.

<P/>The following commands show that the space <M>S_4(\Gamma_0(39))</M> of cuspidal weight <M>4</M> forms  is of dimension <M>12</M>.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.6a.txt">
</Example>

</Section>

<Section><Heading>Hecke operators on forms of weight 2</Heading>

A congruence subgroup <M>\Gamma \le SL_2(\mathbb Z)</M> and element <M>g\in SL_2(\mathbb Q)</M>  determine the subgroup
<M>\Gamma' = \Gamma \cap g\Gamma g^{-1} and homomorphisms
<Display> \Gamma\ \hookleftarrow\ \Gamma'\ \ \stackrel{\gamma \mapsto g^{-1}\gamma g}{\longrightarrow}\ \ g^{-1}\Gamma' g\ \hookrightarrow \Gamma\ . </Display
These homomorphisms give rise to homomorphisms of cohomology groups
<Display>H^n(\Gamma,\mathbb Z)\ \ \stackrel{tr}{\leftarrow} \ \ H^n(\Gamma',\mathbb Z) \ \ \stackrel{\alpha}{\leftarrow} \ \ H^n(g^{-1}\Gamma' g,\mathbb Z) \ \  \stackrel{\beta}{\leftarrow} H^n(\Gamma, \mathbb Z) </Display>
with <M>\alpha</M>, <M>\beta</M> functorial maps, and <M>tr</M> the transfer map.
We define the composite <M>T_g=tr \circ \alpha \circ \beta\colon H^n(\Gamma, \mathbb Z) \rightarrow H^n(\Gamma, \mathbb Z)</M> to be the <E> Hecke component </E>  determined by <M>g</M>.

<P/>For <M>\Gamma=\Gamma_0(N)</M>,  prime integer <M>p</M> coprime to <M>N</M>, and cohomology degree <M>n=1</M> we define the <E>Hecke operator</E> <M>T_p =T_g</M> 
where <M>g=\left(\begin{array}{cc}1&0\\0&p\end{array}\right)</M>.

 Further details on this description of Hecke operators can be found in
<Cite Key="stein" Where="Appendix by P. Gunnells"/>.

<P/>The following commands compute <M>T_2</M> and <M>T_5</M>

and
 <M>\Gamma=\Gamma_0(39)</M>. The commands also compute the eigenvalues of these two Hecke operators. The final command confirms that <M>T_2</M> and <M>T_5</M> commute. (It is a fact that <M>T_pT_q=T_qT_p</M> for all  <M>p,q</M>.)   

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.7.txt">
</Example>

</Section>


<Section><Heading>Hecke operators on forms of weight <M> \ge 2</M></Heading>
 The above definition of Hecke operator <M>T_p</M> for <M>\Gamma=\Gamma_0(N)</M> extends to a Hecke operator
 <M>T_p\colon H^1(\Gamma,P_{\mathbb Q}(k-2) ) \rightarrow H^1(\Gamma,P_{\mathbb Q}(k-2) )</M> for <M>k\ge 2</M>. 
  We  work over the rationals since that is a setting of much interest.

The following commands compute the matrix of <M>T_2\colon H^1(\Gamma,P_{\mathbb Q}(k-2) ) \rightarrow H^1(\Gamma,P_{\mathbb Q}(k-2) )</M> for <M>\Gamma=SL_2(\mathbb Z)</M> and <M>k=4</M>;
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.7b.txt">
</Example>
</Section>

<Section><Heading>Reconstructing modular forms from cohomology computations</Heading>

<P/>Given a modular form <M>f\colon {\frak h} \rightarrow \mathbb C</M> associated to a congruence subgroup <M>\Gamma</M>, and given a compact
edge <M>e</M>  in the tessellation of <M>{\frak h}</M> (<E>i.e.</E> an edge in the cubic tree <M>\cal T</M>) arising from the above fundamental domain 
for 
<M>SL_2(\mathbb Z)</M>,  we can evaluate
<Display>\int_e f(z)\,dz \ .</Display
In this way we obtain a cochain <M>f_1\colon C_1({\cal T}) \rightarrow \mathbb C</M> in <M>Hom_{\mathbb Z\Gamma}(C_1({\cal T}), \mathbb C)</M>
 representing a cohomology class <M>c(f) \in H^1(\, Hom_{\mathbb Z\Gamma}(C_\ast({\cal T}), \mathbb C)  \,) = H^1(\Gamma,\mathbb C)</M>. The correspondence <M>f\mapsto c(f)</M> underlies the Eichler-Shimura isomorphism.  

 Hecke operators can be used to recover modular forms from cohomology classes.  
 <P/>
  Let <M>\Gamma=\Gamma_0(N)</M>.  The above defined Hecke operators restrict to operators on cuspidal cohomology. On the left-hand side of the Eichler-Shimura isomorphism 
Hecke operators restrict to  operators <M>T_s\colon S_2(\Gamma) \rightarrow S_2(\Gamma)</M> for <M>s\ge 1</M>.


<P/>Consider the function <M>q=q(z)=e^{2\pi i z}</M> which is holomorphic on <M>\mathbb C</M>.
For any modular form <M>f(z) \in M_k(\Gamma)</M> there are numbers <M>a_s</M> such that
<Display>f(z) = \sum_{s=0}^\infty a_sq^s </Display>
for all <M>z\in {\frak h}</M>. The form <M>f</M> is a cusp form if <M>a_0=0</M>.

<P/>  A non-zero
 cusp form <M>f\in S_2(\Gamma)</M> is a cusp <E>eigenform</E> if it is simultaneously an eigenvector for the Hecke operators <M>T_s</M> for all <M>s =1,2,3,\cdots</M> coprime to the level <M>N</M>. A cusp eigenform is said to be <E>normalized</E> if its coefficient <M>a_1=1</M>. It turns out that if <M>f</M> is  normalized  then the coefficient <M>a_s</M> is an eigenvalue for <M>T_s</M> (see for instance <Cite Key="stein"/> for details).
 It can be shown <Cite Key="atkinlehner"/> that <M>S_2(\Gamma_0(N))</M> admits a "basis constructed from eigenforms".

<P/> This all implies that, in principle,
 we can construct an  approximation to an explicit
 basis for the space <M>S_2(\Gamma_0(N))</M> of cusp
 forms by computing eigenvalues for Hecke operators. 

<P/> Suppose that we would like a basis for <M>S_2(\Gamma_0(11))</M>. The following commands first show that <M>H^1_{cusp}(\Gamma_0(11),\mathbb Z)=\mathbb Z\oplus \mathbb Z</M> from which we deduce that <M>S_2(\Gamma_0(11)) =\mathbb C</M> is <M>1</M>-dimensional and thus admits a basis of eigenforms. Then eigenvalues of 
Hecke operators are calculated to establish that the modular form
<Display>f = q -2q^2 -q^3 +2q^4 +q^5 +2q^6 -2q^7 + -2q^9 -2q^{10} + \cdots </Display>
constitutes a basis for <M>S_2(\Gamma_0(11))</M>. 

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.7a.txt">
</Example>

<P/>  For a normalized eigenform <M>f=1 + \sum_{s=2}^\infty a_sq^s</M>
the coefficients <M>a_s</M> with <M>s</M> a composite integer can be expressed in terms of the coefficients <M>a_p</M> for prime <M>p</M>.
If <M>r,s</M> are coprime then <M>T_{rs} =T_rT_s</M>.
If <M>p</M> is a prime that is not a divisor of the level <M>N</M> of <M>\Gamma</M> then
<M>a_{p^m} =a_{p^{m-1}}a_p - p a_{p^{m-2}}.</M>
If the prime <M> p</M> divides <M>N</M> then <M>a_{p^m} = (a_p)^m</M>. It thus suffices to compute the coefficients <M>a_p</M> for prime integers <M>p</M> only.

<P/>
The following commands establish that <M>S_{12}(SL_2(\mathbb Z))</M> has a basis
consisting of one cusp eigenform
<P/><M>q - 24q^2 + 252q^3 - 1472q^4 + 4830q^5 - 6048q^6 - 16744q^7 + 84480q^8 - 113643q^9 </M>
<P/><M>- 115920q^{10} + 534612q^{11} - 370944q^{12} - 577738q^{13} + 401856q^{14} + 1217160q^{15} + 987136q^{16}</M>
<P/><M> - 6905934q^{17} + 2727432q^{18} + 10661420q^{19} + ...</M>

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.7c.txt">
</Example>

</Section>

<Section><Heading>The Picard group</Heading>
Let us now consider the <E>Picard group</E> <M>G=SL_2(\mathbb Z[ i])</M> and 
its action on <E>upper-half space</E>
<Display>{\frak h}^3 =\{(z,t) \in \mathbb C\times \mathbb R\ |\ t > 0\} \ . </Display>
To describe the action we introduce the symbol <M>j</M> satisfying <M>j^2=-1</M>, <M>ij=-ji</M> and write <M>z+tj</M> instead of <M>(z,t)</M>. The action is given by 
<Display>\left(\begin{array}{ll}a&b\\ c &d \end{array}\right)\cdot (z+tj) \ = \ \left(a(z+tj)+b\right)\left(c(z+tj)+d\right)^{-1}\ .</Display>

Alternatively,  and more explicitly, the action is given by 
<Display>\left(\begin{array}{ll}a&b\\ c &d \end{array}\right)\cdot (z+tj) \ = \  
\frac{(az+b)\overline{(cz+d) } + a\overline c t^2}{|cz +d|^2 + |c|^2t^2} \ +\ 
\frac{t}{|cz+d|^2+|c|^2t^2}\, j
      \ .</Display>

<P/>A standard 'fundamental domain' <M>D</M> for this action is the following region (with some of the boundary points removed).
<Display>
 \{z+tj\in {\frak h}^3\ |\ 0 \le |{\rm Re}(z)| \le \frac{1}{2}, 0\le {\rm Im}(z) \le \frac{1}{2}, z\overline z +t^2 \ge 1\}
</Display>

<Alt Only="HTML"><img src="images/picarddomain.png" align="center" width="350" alt="Fundamental domain for the Picard group"/>
</Alt>
<P/>The four bottom vertices of <M>D</M> are 
<M>a = -\frac{1}{2} +\frac{1}{2}i +\frac{\sqrt{2}}{2}j</M>,
<M>b = -\frac{1}{2}  +\frac{\sqrt{3}}{2}j</M>,
<M>c = \frac{1}{2}  +\frac{\sqrt{3}}{2}j</M>,
<M>d = \frac{1}{2} +\frac{1}{2}i +\frac{\sqrt{2}}{2}j</M>.

<P/>The upper-half space <M>{\frak h}^3</M> can be retracted onto a <M>2</M>-dimensional subspace <M>{\cal T} \subset {\frak h}^3</M>. The space <M>{\cal T}</M>
is a contractible
<M>2</M>-dimensional regular CW-complex, and the action of the Picard group <M>G</M> restricts to a cellular action of <M>G</M> on <M>{\cal T}</M>. 

<P/>Using perturbation techniques, the <M>2</M>-complex <M>{\cal T}</M> can be combined with free resolutions for the cell stabilizer groups to contruct a regular CW-complex <M>X</M> on which the Picard group <M>G</M> acts freely. 
The following commands compute the first few terms of the free <M>\mathbb ZG</M>-resolution 
  <M>R_\ast =C_\ast X</M>. 
Then   <M>R_\ast</M> is used to compute 
<Display>H^1(G,\mathbb Z) =0\ ,</Display>
<Display>H^2(G,\mathbb Z) =\mathbb Z_2\oplus \mathbb Z_2\ ,</Display>
<Display>H^3(G,\mathbb Z) =\mathbb Z_6\ ,</Display>
<Display>H^4(G,\mathbb Z) =\mathbb Z_4\oplus \mathbb Z_{24}\ ,</Display>
 and compute a free presentation for <M>G</M> involving four generators and seven relators.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.8.txt">
</Example>

We can also compute the cohomology of <M>G=SL_2(\mathbb Z[i])</M> with 
coefficients in a module such as the module 
<M>P_{\mathbb Z[i]}(k)</M> of degree <M>k</M>
homogeneous polynomials with coefficients in <M>\mathbb Z[i]</M>
and with the action described above. For instance, 
the following commands compute
<Display>H^1(G,P_{\mathbb Z[i]}(24)) = (\mathbb Z_2)^4 \oplus \mathbb Z_4
\oplus \mathbb Z_8 \oplus \mathbb Z_{40} \oplus \mathbb Z_{80}\, ,</Display>
<Display>H^2(G,P_{\mathbb Z[i]}(24)) = (\mathbb Z_2)^{24} \oplus \mathbb Z_{520030}\oplus \mathbb Z_{1040060} \oplus  \mathbb Z^2\, ,</Display>
<Display>H^3(G,P_{\mathbb Z[i]}(24)) = (\mathbb Z_2)^{22} \oplus \mathbb Z_{4}\oplus (\mathbb Z_{12})^2 \, .</Display>

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.9.txt">
</Example>

</Section>

<Section><Heading>Bianchi groups</Heading>
The <E>Bianchi groups</E> are the groups <M>G=PSL_2({\cal O}_{-d})</M> where <M>d</M> is a square free positive integer and <M>{\cal O}_{-d}</M> is the ring of integers
of the imaginary quadratic field <M>\mathbb Q(\sqrt{-d})</M>. More explicitly, 
<Display>{\cal O}_{-d} = \mathbb Z\left[\sqrt{-d}\right]~~~~~~~~ {\rm if~} d \equiv 1,2 {\rm ~mod~} 4\, ,</Display>
<Display>{\cal O}_{-d} = \mathbb Z\left[\frac{1+\sqrt{-d}}{2}\right]~~~~~ {\rm if~} d \equiv 3 {\rm ~mod~} 4\, .</Display>
These groups act on upper-half space <M>{\frak h}^3</M> in the same way as the Picard group.   Upper-half space can be tessellated by a  'fundamental domain'
 for this action. Moreover, as with the Picard group, this tessellation contains a <M>2</M>-dimensional cellular subspace <M>{\cal T}\subset {\frak h}^3</M>
where <M>{\cal T}</M> is a contractible CW-complex on which <M>G</M> acts cellularly. It should be mentioned that the fundamental domain and the contractible <M>2</M>-complex  <M>{\cal T}</M> are not uniquely determined by <M>G</M>.
 Various algorithms exist for computing <M>{\cal T}</M> and its cell stabilizers. One algorithm due to  Swan 
<Cite Key="swan"/> has been implemented by Alexander Rahm 
<Cite Key="rahmthesis"/> and the output for various values of <M>d</M> are stored in HAP. Another approach is to use Voronoi's theory of perfect forms. This approach has been implemented by Sebastian Schoennenbeck and, again, its output for various values of d are
stored in HAP. The following commands  combine data from Schoennenbeck's algorithm with free resolutions for cell stabiliers to compute
 
<Display>H^1(PSL_2({\cal O}_{-6}),P_{{\cal O}_{-6}}(24)) =
(\mathbb Z_2)^4
\oplus \mathbb Z_{12}
\oplus \mathbb Z_{24}
\oplus \mathbb Z_{9240}
\oplus \mathbb Z_{55440}
\oplus \mathbb Z^4\,,
</Display>
<Display>H^2(PSL_2({\cal O}_{-6}),P_{{\cal O}_{-6}}(24)) =
\begin{array}{l}
(\mathbb Z_2)^{26}
\oplus \mathbb (Z_{6})^8
\oplus \mathbb (Z_{12})^{9}
\oplus \mathbb Z_{24}
\oplus (\mathbb Z_{120})^2
\oplus (\mathbb Z_{840})^3\\
\oplus \mathbb Z_{2520}
\oplus (\mathbb Z_{27720})^2
\oplus (\mathbb Z_{24227280})^2
\oplus (\mathbb Z_{411863760})^2\\
\oplus \mathbb Z_{2454438243748928651877425142836664498129840}\\
\oplus \mathbb Z_{14726629462493571911264550857019986988779040}\\
\oplus \mathbb Z^4\end{array}\ ,
</Display>
<Display>H^3(PSL_2({\cal O}_{-6}),P_{{\cal O}_{-6}}(24)) =
(\mathbb Z_2)^{23}
\oplus \mathbb Z_{4}
\oplus (\mathbb Z_{12})^2\ .
</Display>
Note that the action of <M>SL_2({\cal O}_{-d})</M> on <M>P_{{\cal O}_{-d}}(k)</M> induces an action of <M>PSL_2({\cal O}_{-d})</M>
provided <M>k</M> is even.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.10.txt">
</Example>

<P/>We can also consider the coefficient module
<Display> P_{{\cal O}_{-d}}(k,\ell) = P_{{\cal O}_{-d}}(k) \otimes_{{\cal O}_{-d}} \overline{P_{{\cal O}_{-d}}(\ell)}   </Display>
where the bar denotes a twist in the action obtained from complex conjugation. For an action of the projective linear group we must insist that <M>k+\ell</M> is even. The following commands compute
<Display>H^2(PSL_2({\cal O}_{-11}),P_{{\cal O}_{-11}}(5,5)) = 
(\mathbb Z_2)^8 \oplus \mathbb Z_{60} \oplus (\mathbb Z_{660})^3 \oplus \mathbb Z^6\,,      </Display>
a computation which was first made, along with many other cohomology computationsfor Bianchi groups, by Mehmet Haluk Sengun <Cite Key="sengun"/>.
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.10b.txt">
</Example>

<P/>The function <Code>ResolutionPSL2QuadraticIntegers(-d,n)</Code> relies on a limited data base produced by the algorithms implemented by Schoennenbeck and Rahm.  
The function also covers some cases covered by entering a sring
"-d+I" as first variable. These cases  
correspond to projective special groups of module automorphisms of lattices of rank 2 over the integers of the imaginary quadratic number field <M>\mathbb Q(\sqrt{-d})</M> with non-trivial Steinitz-class. In the case of a larger class group there are cases labelled "-d+I2",...,"-d+Ik" and the Ij together with O-d form a system of representatives of elements of the class group modulo squares and Galois action.


 For instance,
the following commands compute 
<Display>H_2(PSL({\cal O}_{-21+I2}),\mathbb Z) = \mathbb Z_2\oplus  \mathbb Z^6\, .</Display>

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.11.txt">
</Example>
</Section>

<Section><Heading>(Co)homology of Bianchi groups and <M>SL_2({\cal O}_{-d})</M></Heading>
The (co)homology of Bianchi groups has been studied in papers such as 
  <Cite Key="Schwermer"/>
<Cite Key="Vogtmann"/> 
 <Cite Key="Berkove00"/>
   <Cite Key="Berkove06"/>
    <Cite Key="Rahm11"/>
     <Cite Key="Rahm13"/>
      <Cite Key="Rahm13a"/>
      <Cite Key="Rahm20"/>.
       Calculations in these papers can often be verified by computer. For instance, the calculation
<Display>H_q(PSL_2({\cal O}_{-15}),\mathbb Z) =
 \left\{\begin{array}{ll}
 \mathbb Z^2 \oplus \mathbb Z_6  & q=1,\\
 \mathbb Z \oplus \mathbb Z_6 & q=2,\\
 \mathbb Z_6 & q\ge 3\\
\end{array}\right. 
</Display>
 obtained in <Cite Key="Rahm11"/> can be verified as follows, once we note that Bianchi groups have virtual cohomological dimension 2 and, if all stabilizer groups are periodic with period dividing m, then the homology has period dividing m in degree <M>\ge 3</M>.

  <Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.22.txt">
</Example>

 All finite subgroups of <M>SL_2({\cal O}_{-d})</M> are periodic. Thus the above example can be adapted from PSL to SL for any square=free <M>d\ge 1</M>. For example, the calculation
<Display>H^q(SL_2({\cal O}_{-2}),\mathbb Z) =
        \left\{\begin{array}{ll}
        \mathbb Z  & q=1,\\
        \mathbb Z_6 & q=2 {\rm \ mod\ } 4,\\
 \mathbb Z_2 \oplus \mathbb Z_{12} & q= 3 {\rm \ mod\ } 4\\
 \mathbb Z_2 \oplus \mathbb Z_{24} & q= 0 {\rm \ mod\ } 4  (q>0)\\
 \mathbb Z_{12}  & q= 1 {\rm \ mod\ } 4  (q > 1)\\
\end{array}\right.
</Display>
 obtained in <Cite Key="Schwermer"/> can be verified as follows.



 <Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.23.txt">
</Example>

  A quotient of a periodic group by a central subgroup of order 2 need not be periodic. For this reason the (co)homology of PSL can be a bit more tricky than SL.
                For example, the calculation
                <Display>H^q(PSL_2({\cal O}_{-13}),\mathbb Z) =
        \left\{\begin{array}{ll}
        \mathbb Z^3 \oplus (\mathbb Z_2)^2  & q=1,\\
        \mathbb Z^2 \oplus \mathbb Z_4 \oplus (\mathbb Z_3)^2 \oplus \mathbb Z_2 & q=2,\\
        (\mathbb Z_2)^q \oplus (\mathbb Z_{3})^2 & q= 3 {\rm \ mod\ } 4\\
        (\mathbb Z_2)^q  & q= 0 {\rm \ mod\ } 4  (q>0)\\
                        (\mathbb Z_2)^q  & q= 1 {\rm \ mod\ } 4  (q>1)\\
        (\mathbb Z_2)^q \oplus (\mathbb Z_{3})^2  & q= 2 {\rm \ mod\ } 4  (q > 2)\\
\end{array}\right.
</Display>
 was obtained in <Cite Key="Rahm11"/>. The following commands verify the calculation in the first 34 degrees, but for a proof valid for all degrees one needs to analyse the computation to spot that there is a certain "periodicity of period 2" in the computations for <M>q\ge 3</M>. This analysis is done in <Cite Key="Rahm11"/>.

  <Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.24.txt">
</Example>

 The Lyndon-Hochschild-Serre spectral sequence  <M>H_p(G/N,H_q(N,A)) \Rightarrow H_{p+q}(G,A)</M> for the groups <M>G=SL_2({\mathcal O}_{-d})</M> and <M>N\cong C_2</M> the central subgroup with <M>G/N\cong PSL_2({\mathcal O}_{-d})</M>, and the trivial module 
 <M>A = \mathbb Z_{\ell}</M>, implies that for primes <M>\ell>2</M> 
   we have a natural isomorphism <M>H_n(PSL_2({\mathcal O}_{-d}),\mathbb Z_{\ell}) \cong H_n(SL_2({\mathcal O}_{-d}),\mathbb Z_{\ell})</M>. It follows that we have an isomorphism of <M>\ell</M>-primary 
  parts <M>H_n(PSL_2({\mathcal O}_{-d}),\mathbb Z)_{(\ell)} \cong H_n(SL_2({\mathcal O}_{-d}),\mathbb Z)_{(\ell)}</M>.
   Since <M>  H_n(SL_2({\mathcal O}_{-d}),\mathbb Z)_{(\ell)}</M> is periodic in degrees <M>  \ge 3</M> we can recover
    the <M>3</M>-primary part of <M>H_n(PSL_2({\mathcal O}_{-13}),\mathbb Z)</M> in all degrees <M>q\ge1</M>
     from the following computation by ignoring all  <M>2</M>-power factors in the output. 

       <Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.25.txt">
</Example>

 The ring <M>{\mathcal O}_{-163}</M> is an example of a
  principal ideal domain that is not a Euclidean domain. It seems that no complete calculation of <M>H_n(PSL_2({\mathcal O}_{-163}),\mathbb Z)</M>
   is yet available in the literature. The following comands compute this homology in the first <M>31</M> degrees. The computation suggests a general formula in higher degrees. All but two of the stabilizer groups for
    the action of
   <M>PSL_2({\mathcal O}_{-163})</M> are periodic. The non-periodic group <M>A_4</M> occurs twice in degree <M>0</M>.



    <Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.26.txt">
</Example>

     </Section>

<Section><Heading>Some other infinite matrix groups</Heading>

Analogous to the functions for Bianchi groups, HAP has functions
<List>
<Item><Code>ResolutionSL2QuadraticIntegers(-d,n)</Code> </Item>
<Item><Code>ResolutionSL2ZInvertedInteger(m,n)</Code></Item>
<Item><Code>ResolutionGL2QuadraticIntegers(-d,n)</Code></Item>
<Item><Code>ResolutionPGL2QuadraticIntegers(-d,n)</Code></Item>
<Item><Code>ResolutionGL3QuadraticIntegers(-d,n)</Code></Item>
<Item><Code>ResolutionPGL3QuadraticIntegers(-d,n)</Code></Item>
</List>
for computing free resolutions for certain values of <M>SL_2({\cal O}_{-d})</M>,
<M>SL_2(\mathbb Z[\frac{1}{m}])</M>,
<M>GL_2({\cal O}_{-d})</M> and <M>PGL_2({\cal O}_{-d})</M>.
Additionally, the function 
<List>
<Item><Code>ResolutionArithmeticGroup("string",n)</Code></Item>
</List>
 can be used to compute resolutions for groups whose data (provided by Sebastian Schoennenbeck, Alexander Rahm and Mathieu Dutour) is stored in the directory <Code>gap/pkg/Hap/lib/Perturbations/Gcomplexes</Code> .


<P/>For instance, the following commands   compute

<Display>H^1(SL_2({\cal O}_{-6}),P_{{\cal O}_{-6}}(24)) =
(\mathbb Z_2)^4
\oplus \mathbb Z_{12}
\oplus \mathbb Z_{24}
\oplus \mathbb Z_{9240}
\oplus \mathbb Z_{55440}
\oplus \mathbb Z^4\,,
</Display>
<Display>H^2(SL_2({\cal O}_{-6}),P_{{\cal O}_{-6}}(24)) =
\begin{array}{l}
(\mathbb Z_2)^{26}
\oplus \mathbb (Z_{6})^7
\oplus \mathbb (Z_{12})^{10}
\oplus \mathbb Z_{24}
\oplus (\mathbb Z_{120})^2
\oplus (\mathbb Z_{840})^3\\
\oplus \mathbb Z_{2520}
\oplus (\mathbb Z_{27720})^2
\oplus (\mathbb Z_{24227280})^2
\oplus (\mathbb Z_{411863760})^2\\
\oplus \mathbb Z_{2454438243748928651877425142836664498129840}\\
\oplus \mathbb Z_{14726629462493571911264550857019986988779040}\\
\oplus \mathbb Z^4\end{array}\ ,
</Display>
<Display>H^3(SL_2({\cal O}_{-6}),P_{{\cal O}_{-6}}(24)) =
(\mathbb Z_2)^{58}
\oplus (\mathbb Z_{4})^4
\oplus (\mathbb Z_{12})\ .
</Display>


<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.10a.txt">
</Example>

<P/>The following commands construct free resolutions up to degree 5 for the groups <M>SL_2(\mathbb Z[\frac{1}{2}])</M>,
<M>GL_2({\cal O}_{-2})</M>, <M>GL_2({\cal O}_{2})</M>, <M>PGL_2({\cal O}_{2})</M>, <M>GL_3({\cal O}_{-2})</M>, <M>PGL_3({\cal O}_{-2})</M>.
The final command constructs a free resolution up to degree 3 for <M>PSL_4(\mathbb Z)</M>.
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.12.txt">
</Example>

</Section>

<Section><Heading>Ideals and finite quotient groups</Heading>

The following commands first construct the number field <M>\mathbb Q(\sqrt{-7})</M>,
its ring of integers <M>{\cal O}_{-7}={\cal O}(\mathbb Q(\sqrt{-7}))</M>, and the principal ideal <M>I=\langle 5 + 2\sqrt{-7}\rangle \triangleleft {\cal O}(\mathbb Q(\sqrt{-7}))</M>
of norm <M>{\cal N}(I)=53</M>. The  ring <M>I</M> is prime since its norm is a prime number. The primality of <M>I</M> is also demonstrated by observing that the quotient ring  <M>R={\cal O}_{-7}/I</M> is  an integral domain and hence 
isomorphic to the unique finite field of order <M>53 </M>, 
<M>R\cong \mathbb Z/53\mathbb Z</M> . (In a ring of quadratic integers <E>prime ideal</E> is the same as <E>maximal ideal</E>). 

<P/>The finite group <M>G=SL_2({\cal O}_{-7}\,/\,I)</M> is then
 constructed and confirmed to be isomorphic to <M>SL_2(\mathbb Z/53\mathbb Z)</M>. The group <M>G</M> is shown to admit a periodic <M>\mathbb ZG</M>-resolution of <M>\mathbb Z</M> of period dividing <M>52</M>. 
<P/>Finally the integral homology
<Display>H_n(G,\mathbb Z) = \left\{\begin{array}{ll}
0 & n\ne 3,7, {\rm~for~} 0\le n \le 8,\\
\mathbb Z_{2808} & n=3,7,
\end{array}\right.</Display
is computed.
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.13.txt">
</Example>

<P/>The following commands show that the rational prime <M>7</M>
is not prime in  <M>{\cal O}_{-5}={\cal O}(\mathbb Q(\sqrt{-5}))</M>. Moreover,
 <M>7</M> totally splits in <M>{\cal O}_{-5}</M> since the final command
shows that only    the rational primes <M>2</M> and  <M>5</M> ramify in 
<M>{\cal O}_{-5}</M>.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.14.txt">
</Example>

<P/> For <M>d < 0</M>  the  rings <M>{\cal O}_d={\cal O}(\mathbb Q(\sqrt{d}))</M> are unique factorization domains for precisely
<Display> d = -1, -2, -3, -7, -11, -19, -43, -67, -163.</Display>
This result was conjectured by Gauss, and   essentially proved by Kurt Heegner,
and then later proved by Harold Stark. 

<P/>The following commands construct the classic  example of a prime ideal <M>I</M> that is not principal. They then illustrate reduction modulo <M>I</M>.
<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.15.txt">
</Example>

</Section>

<Section><Heading>Congruence subgroups for ideals</Heading>

<P/> Given a ring of integers <M>{\cal O}</M> and ideal
<M>I \triangleleft {\cal O}</M> there is a canonical homomorphism
<M>\pi_I\colon SL_2({\cal O}) \rightarrow SL_2({\cal O}/I)</M>. A
subgroup <M>\Gamma \le SL_2({\cal O})</M> is said to be a
<E>congruence subgroup</E> if it contains <M>\ker \pi_I</M>. Thus congruence subgroups are of finite index.  
 Generalizing the definition in <Ref Sect="sec:EichlerShimura"/> above, we define the <E>principal congruence subgroup</E> <M>\Gamma_1(I)=\ker \pi_I</M>, and the congruence subgroup
<M>\Gamma_0(I)</M> consisting of preimages of the upper triangular matrices in
<M>SL_2({\cal O}/I)</M>.

<P/> The following commands construct <M>\Gamma=\Gamma_0(I)</M> for the ideal
<M>I\triangleleft {\cal O}\mathbb Q(\sqrt{-5})</M> generated by <M>12</M>
and <M>36\sqrt{-5}</M>. The group <M>\Gamma</M>
has index <M>385</M> in <M>SL_2({\cal O}\mathbb Q(\sqrt{-5}))</M>.
The final command displays a tree in a Cayley graph for <M>SL_2({\cal O}\mathbb Q(\sqrt{-5}))</M> whose nodes represent a transversal for <M>\Gamma</M>.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.17.txt">
</Example>
<Alt Only="HTML"><img src="images/treesqrt5.gif" align="center" width="350" alt="Information for the cubic tree"/>
</Alt>

<P/>The next commands first construct the congruence subgroup 
<M>\Gamma_0(I)</M> of index <M>144</M> in <M>SL_2({\cal O}\mathbb Q(\sqrt{-2}))</M> for the ideal <M>I</M> in <M>{\cal O}\mathbb Q(\sqrt{-2})</M> generated by
<M>4+5\sqrt{-2}</M>.
 The commands then compute 
<Display>H_1(\Gamma_0(I),\mathbb Z) = \mathbb Z_3 \oplus \mathbb Z_6 \oplus \mathbb Z_{30} \oplus \mathbb Z^8\, ,</Display>
<Display>H_2(\Gamma_0(I), \mathbb Z) = (\mathbb Z_2)^9 \oplus \mathbb Z^7\, ,</Display>
<Display>H_3(\Gamma_0(I), \mathbb Z) = (\mathbb Z_2)^9 \, .</Display>

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.16.txt">
</Example>

</Section>

<Section><Heading>First homology</Heading>
The isomorphism <M>H_1(G,\mathbb Z) \cong G_{ab}</M> allows for the computation of first integral homology using computational methods for finitely presented groups. Such methods underly the following computation of
<Display>H_1( \Gamma_0(I),\mathbb Z) \cong \mathbb Z_2 \oplus  \cdots \oplus
\mathbb Z_{4078793513671}</Display>
where <M>I</M> is the prime ideal in the Gaussian integers generated by  <M>41+56\sqrt{-1}</M>.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.18.txt">
</Example>

<P/>We write <M>G^{ab}_{tors}</M> to denote the maximal finite
summand of the first homology group of <M>G</M> and refer to this as the
<E>torsion subgroup</E>.
 Nicholas Bergeron and Akshay Venkatesh   <Cite Key="bergeron"/> 
have conjectured relationships between 
the  torsion in congruence subgroups <M>\Gamma</M> and the volume of their quotient manifold
<M>{\frak h}^3/\Gamma</M>. For instance, for the Gaussian integers
they conjecture
<Display> \frac{\log |\Gamma_0(I)_{tors}^{ab}|}{{\rm Norm}(I)} \rightarrow \frac{\lambda}{18\pi},\ \lambda =L(2,\chi_{\mathbb Q(\sqrt{-1})}) = 1 -\frac{1}{9} + \frac{1}{25} - \frac{1}{49}  + \cdots</Display>
as the norm of the prime ideal <M>I</M> tends to <M>\infty</M>.
The following approximates <M>\lambda/18\pi = 0.0161957</M> and
<M>\frac{\log |\Gamma_0(I)_{tors}^{ab}|}{{\rm Norm}(I)} = 0.0210325</M>
 for the above example.

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.19.txt">
</Example>



<P/> The link with volume is given by the Humbert volume formula
<Display>   
{\rm Vol} ( {\frak h}^3 / PSL_2( {\cal O}_{d} ) )
 = \frac{|D|^{3/2}}{24} \zeta_{ \mathbb Q( \sqrt{d} ) }(2)/\zeta_{\mathbb Q}(2)                           </Display>
 valid for square-free <M>d<0</M>, where <M>D</M> is the discriminant of <M>\mathbb Q(\sqrt{d})</M>. The volume of a finite index subgroup <M>\Gamma</M>
  is obtained by multiplying the right-hand side by the  index <M>|PSL_2({\cal O}_d)\,:\, \Gamma|</M>.

<P/>
  The following commands produce a graph of 
 <M> \frac{\log |\Gamma_0(I)_{tors}^{ab}|}{{\rm Norm}(I)}</M>  against 
 <M>{\rm Norm}(I)</M> for prime ideals <M>I</M> of norm <M>49 \le {\rm Norm}(I) \le 4357</M> (where one ideal for each norm is taken).

<Example>
<#Include SYSTEM "tutex/11.21.txt">
</Example>

<Alt Only="HTML"><img src="images/primesTorsion.png" align="center" width="1200" alt="graph of torsion versus norm"/>
</Alt>


</Section>
</Chapter>

95%


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.20 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.