j-invariant

Le j-invariant, parfois appelé fonction j, est une fonction introduite par Felix Klein pour l'étude des courbes elliptiques, qui a depuis trouvé des applications au-delà de la seule géométrie algébrique, par exemple dans l'étude des fonctions modulaires, de la théorie des corps de classes et du monstrous moonshine.

Motivation : birapport et j-invariant

On travaille dans le plan complexe projectif (en) $\mathbb {C} P^{1}$. Soient quatre points distincts $a,b,c,d$, leur birapport est :

$(a,b,c,d)={\frac {a-c}{a-d}}\cdot {\frac {b-d}{b-c}}$

Cette quantité est invariante par homographies du plan, mais dépend de l'ordre des quatre nombres considérés.

Par exemple, le birapport de $(m,1,0,\infty )$ peut valoir, selon l'ordre considéré :

$m,1/m,1-m,1-1/m,1/(1-m),m/(m-1)$

Si on cherche à symétriser cette expression, on obtient une quantité qui reste un invariant des transformations projectives, mais ne dépend plus de l'ordre des nombres :

$j(m)={\frac {4}{27}}{\frac {(1-m+m^{2})^{3}}{m^{2}(1-m)^{2}}}$

que l'on appelle le j-invariant. Cette invariance est un premier indice du lien entre le j-invariant et le groupe modulaire.

j-invariant de courbes elliptiques

Soit X une courbe elliptique non singulière sur $\mathbb {C} P^{1}$, de forme de Weierstrass :

$X:y^{2}=x^{3}+q_{2}x+q_{3}$

ayant pour discriminant $\Delta =-4q_{2}^{3}-27q_{3}^{2}\neq 0$.

Le j-invariant associé est

$j=1728{\frac {-4q_{2}^{3}}{\Delta }}$

Le j-invariant est une application surjective, qui donne une bijection entre les classes d'isomorphismes des courbes elliptiques sur le plan complexe et les nombres complexes.

La notion de j-invariant se généralise aux courbes trigonales.

Références

• (en) John Horton Conway et Simon Norton, « Monstrous moonshine », Bulletin of the London Mathematical Society, vol. 11, n^o 3,‎ 1979, p. 308–339 (DOI 10.1112/blms/11.3.308, MR 0554399)
• (it) Felix Klein, « Sull' equazioni dell' Icosaedro nella risoluzione delle equazioni del quinto grado [per funzioni ellittiche]. », Reale Istituto Lombardo, Rendiconto, Ser, vol. 10, n^o 2,‎ 1877
• (de) Felix Klein, « Über die Transformation der elliptischen Funktionen und die Auflösung der Gleichungen fünften Grades », Math. Ann., vol. 14,‎ 1878-1879, p. 111-172
• (en) Andrew Ogg, « Modular Functions », dans The Santa Cruz Conference on Finite Groups 1979, Amer. Math. Soc., 1980, p. 521-532
• (en) Tito Piezas III et Eric Weisstein. j-Function, MathWorld