数理解析研究所講究録
第 1540 巻 2007 年 67-78

67

トーラス多様体上の変換群について
黒木 慎太郎 (Shintar\^o Kuroki)
大阪市立大学数学研究所
Osaka City university Advanced Mathematical Institute

ABSTRACT. 本論説では、 どの

次元トーラス多様体 $(M, T)$ が推移的 (余次元 ) または
余次元 1 の軌道を持つ作用 $(M, G)$ に拡張するかを調べる。 ここで は 次元のトーラス
を極大トーラスとして含むコンパクトリー群とする,$0$$2\mathfrak{n}$

$G$

$T$

$\mathfrak{n}$1. トーリックトポロジーの現在の主役 (トーラス多様体)
今回の研究の中心的な題材であるトーラス多様体とは新興の分野であるトーリックトポロ
ジーで現在最も盛んに研究されている多様体のクラスである。本研究の内容に入る前にトーリックトポロジーとはどんな分野なのか ? トーラス多様体とは何なのか ? どんな研究がなされているのか ? を簡単に述べておきたいと思う。

11.

一リックトポロジー. トーリックトポロジーとは、 トーラス の作用を持つ多様体 $M$の軌道空間 $M/T$ に良い構造が入る場合に、代数的、組み合わせ論的、微分幾何的にまたはホモトピー論的な側面からその性質を研究しようと言う分野である。 もちろん昔から続くトーラス作用の深い研究を動機として生まれた呼び名である。特に代数幾何で発見され、 発展したトーリック多様体の研究 (トーリック幾何) がトーリックトポロジーと呼ぶにいたった直接の動機を与えている。 ここで、 トーリック多様体とは、 $M$ が複素 $n$ 次元正規代数多様体
で代数的なトーラスの作川をもち、 その作川が稠密な軌道を持つとき (つまり (CTのへの自然な作用が $M$ へ拡張しているとき) のことを言う。
の極大コンパクト群が なので、 への制限作用によりトーラス作用を持つ多様体だと思える ( を位相的なトーラスだと思っている)
トーリック多様体の代数幾何的な構造を全て忘れること (位相的に一般化すること) で Hattori-Masuda が定義したトーラス多様体 [Hat-Ma03] の定義を与えることができる。 まず始めはトーラス多様体の定義から入ろう。
$\vdash$$T$$(\mathbb{C}^{*})^{\mathfrak{n}}$$(\mathbb{C}^{*})^{\mathfrak{n}}$$(\mathbb{C}^{*})^{\mathfrak{n}}$

$T$

$T$

$T$

。

12. トーラス多様体.
る $n$ 次元のトーラス$T$次元の向きつけられたコンパクト連結多様体 $M$ とその上に作川すとの組を $(M, T)$ と書く。 $(M, T)$ が次の三つの条件を満たす時にトー$2\mathfrak{n}$ラス多様体と言う。
(1) の作用は効果的かつ滑らかである。
(2) 作用による不動点集合
が空ではない (自動的に$T$$M^{T}$$T$$M^{T}$

は有限集合になる)。

(3) $M$ が omnioriented.
ここで $T$ の作用を持つ多様体 $M$ が $omnio’\cdot iented$ であることを定義しておく。 まず $M$ の特性

部分多様体$M_{i}$とは次の三つの条件を満たす部分多様体のことである。

この研究は大阪市立大学数学研突所 (科欧 AMI) と財団法人風樹会の援助の下に行われている。 また、 この

論説は 2006 年 11 月の数理解析研究所研究集会「特異点論とオーミニマルカテゴリー」で行った講演に基づくものである.

68.

$\bullet$

dim $M_{i}=2n-2$ .
つまり$M_{i}=(M^{C})^{o}$ ,$\bullet M_{i}\cap M^{T}\neq\emptyset$

$T$

の部分群

$C(\simeq S^{J})$による不動点集合の連結成分。

.

に対する向きが指定されている時 $M$ l は omniorに対する向きと全ての特性部分多様体
iented と呼ばれる。 今回の研究では omnioriented の条件は本質的ではないので条件 (1),(2)を満たすものをトーラス多様体と呼ぶことにする。 いくつか例を挙げる。
$M$$M_{i}$

Example.

$T$の元$(t_{l}, \cdots t_{\mathfrak{n}})$の斉次座標を複素射影空間:] 。これで定義された作用で: . .. :$[z_{0}$$\mathbb{C}P(\mathfrak{n})$$z\}$:. . . :$z_{n}]$の後ろのコの成分に掛ける [zo :多様体になる。
となり、 最も簡単な多面体の構造を持っていまた、 その軌道空間 $M/T$ は $n$ 次元単体
る。 よって $(\mathbb{C}P(n), T)$ はトーリックトポロジーにおいて最も基本となる例になっている。

$n$$t_{1}z\uparrow$$(\mathbb{C}P(n)_{\backslash }T)$

$t_{v\iota}z_{\mathfrak{n}}$はトーラス$\Delta^{\mathfrak{n}}$に対して、 をへの標準的な掛け算
Example. $2n$ 次元の球面$(S^{2n},T)$はトーラス多様体。 $n\geq 2$ ならばこれは上への作川を定義するとと思って の$T$$S^{2\mathfrak{n}}\subset \mathbb{C}^{7t}\oplus \mathbb{R}(\simeq \mathbb{R}^{2r\iota}" J)$$T$$\mathbb{C}^{\mathfrak{n}}$$S^{2\mathfrak{n}}$トーリック多様体でない例になっている。
その軌道空間の l-skelton は 2 点を結ぶ $2n$ 本の辺からなることがわかる。 つまり $M/T$ は多面体にはならないことがわかる。

13. 研究の動機と結果. トーラス多様体の歴史について簡単に振り返ってみよう。 1999 年、
M. Masuda は論文 [Ma99] の中で unitary toric と う多様体のクラスを研究した。 その中$|:i$で多重扇と呼ばれる、 トーリック多様体に対する扇のような、組み合わせ的な概念が導入された。 多重扇とは各コーンの重なりを許したような扇の事である。 よってー般の扇を含むものとなっている。 トーラス多様体は [Hat-Ma03] で多重扇が研究された際に unitary toric を更に一般化する形で定義された物である。多重扇の理論が [Hat-Ma03] では展開されている。
また軌道空問の組み合わせてきな構造から同変コホモロジー環を記述した研究 [Ma-Pa06] もある。
[Ma-Pa06] の研究はまったく位相幾何的な動機によるものであるが、 [Hat-Ma03] の多重扇の研究のようにトーラス多様体の研究は代数幾何を動機として位相幾何的な方向へ一般化
することが可能な場合がある。今回の研究は次の代数幾何の研究を動機とする。
Demazure は 1970 年にトーリック多様体 $M$ に関する Aut(M) の構造に関して研究を行ったは Aut(M) の中に含まれている。 Demazure[De70]。もちろん $M$ に元々作用していた$(\mathbb{C}^{*})^{n}$の研究を次のような問題として見直してみよう。

Problem 1. トーリック多様体 $M$ 上の {$\mathbb{C}^{*})^{\mathfrak{n}}$の作用はどんな群$G$の作用に拡張するか ?

Demazure の研究は代数幾何的に最も広い $G(=Aut(Mll$ の構造を研究しているといえる。
の極大コ
トーラス多様体についてこの問題はどうなるであろう力\sim 代数的なトーラス$(\mathbb{C}^{*})^{\mathfrak{n}}$が位相的なトーラスに当たる物であるといえるので、 次
ンパクト部分群のように言い換えることができる。
$T^{\mathfrak{n}}=S^{1}\cross\cdots\cross S^{1}$

Problem 2. トーラス多様体 $(M, T)$ の位相幾何的に最も広い

$G$

$T$

作用はどんな群$G$の作川へ拡張するか ?

は同相写像全体 Homeo (M) であるがその構造をいきなり考えるのは難しいので、今回は研究しやすいように制限をつけた次の問題を考えてみる。

69

Problem 3. コンパクト連結りー鮮 は を極大可換部分群 (極大トーラス) として含み変換群 $(M, G)$ は推移的または余次元一の主軌道をもつものとする。 作用を へ制限した変
$G$

$T$

$T$

$G$

換群 $(M, T)$ がトーラス多様体になるような変換群 $(M, G)$ を分類せよ。

Problem 3 を解くことが目標になる。今後$G$はを極大トーラスとして含むコンパクト連$T$

結リー群と仮定する。 次の二つの結果を得た。

Theorem A. トーラス多様体 $(M, T)$ が推移的な作用 $(M, G)$ へ拡張すると仮定する。 その時、 $M$ は次の多様体と微分同相になる。

垣 ba
ここで

$\mathbb{C}P(1_{h})$は$21_{h}$$=1 \mathbb{C}P(1_{h})\cross\prod_{i=\iota}^{b}S^{2m_{1}}$次元の複素射影空間で、.

は $2m_{i}$ 次元の球面。 また、$S^{2m_{\mathfrak{i}}}$

$G$

は次の群と

局所同型になる (リー環が同型になる)。
$\prod_{h=J}^{a}SU(1_{h}+1)\cross\prod_{i=1}^{b}$

$G$

SO

$(2\mathfrak{m}_{\mathfrak{i}}+1)$.

は局所同型を通して $M$ に推移的に作用している ( $\sum_{h=1}^{o}1_{h}+\sum_{i--\uparrow}^{b}m_{i}=n=\dim T$ になる)。

Theorem B. トーラス多様体 $(M, T)$ が余次元一の軌道をもつ $(M, G)$ へ拡張しと仮定する。 その時、 $M$ は次のいずれかの多様体と微分同相になる。

$H^{1}(M;\mathbb{Z}_{2})=$$0$(1) $M_{\rho^{--}}^{s_{-}}\prod_{i-- t}^{b}S^{2\iota \mathfrak{n}s}\cross\{\cross\Pi_{h=\iota}^{\alpha}Stu\downarrow\uparrow)xU\mathfrak{l}t_{h}\}|(!_{\grave{7}}R)\}$ ,,(2)$M_{0}^{S}=\prod_{i=1}^{b}S^{2m}\cross\prod_{b=1}^{\alpha}\mathbb{C}P(1_{h})\cross S(\mathbb{R}^{2k_{1}}-\vee\wedge.

(3)$M_{p.k_{t}.k_{\sim^{l}}}^{P}=\prod_{i=t}^{b}S^{2m_{\mathfrak{i}}}\cross\{(\prod_{b=1}^{\alpha-\dagger}su(1_{h}+1))\cross\Pi_{h--,Stu\{\uparrow|\cross Ut\iota_{1\iota}|,|}^{\alpha-\cdot\iota\cdot P(\mathbb{C}_{p}^{k_{\mathfrak{l}}}}-’\backslash \vee\neg \mathbb{C}^{k_{2}})\}$(4)$M_{1)_{\backslash 1-}}^{s_{k,k\backslash }}.=\prod_{i=1}^{b-1}S^{2m_{i}}\cross t-- x_{\Pi_{h--I}^{a}S(u(11xt1^{(}1_{t\iota}||}S(\mathbb{C}_{p}^{k_{I}’}\oplus \mathbb{R}^{2k_{2}+1})$(5)$M_{0.k_{t}.k_{l}}^{S}\simeq\prod_{\mathfrak{i}=t}^{b-1}S^{2\pi\iota_{t}}\cross\prod_{h=\uparrow}^{\mathfrak{a}}\mathbb{C}P(1_{h})\cross S(\mathbb{R}^{2k_{I}}\oplus \mathbb{R}^{2k_{2}+\uparrow}))$\mathbb{R})$,

また対応する$G$},は次のようになる。

(1) $G=\prod_{i-i}^{b}SO(2m_{i}+t)\cross\prod_{h=1}^{a}SU(1_{h}+1)\cross U(k_{1})$ ,(2)
SO $(2 m_{i}+1)\cross\prod_{h=1}^{\alpha}SU(1_{h}+\rceil)\cross SO(2k_{1})$ ,(3) $G=\prod_{i=1}^{b}SO(2m_{i}+1)\cross\prod_{h=i}^{a-1}SU(1_{h}+1)\cross S(U(k_{I})\cross U(k_{2}))$ ,(4) $G—\prod_{i-1}^{b-\dagger}- SO(2m_{i}+1)\cross\prod_{h=1}^{a}SU(1_{h}+1)\cross U(k_{1})\cross SO(2k_{2}+1)$ ,(5) $G=\prod_{i_{-\dagger}^{--}}^{b-1}SO(2\mathfrak{n}_{h}+1)\cross\prod_{h=1}^{\mathfrak{a}}su(1_{h}+1)\cross SO(2k_{1})\cross SO(2k_{2}+1)$ .
$G=\prod_{\dot{t}-}^{b}-1$

ここで,$\mathbb{C}_{(}^{k_{I}}$は$k_{1}$

次元の複素ベクトル空間で次の$\prod_{b=t}^{\mathfrak{a}}S(U(1)\cross u(1_{h}))$れる作用を持つ。
$p$:$((\begin{array}{ll}t_{I} 00 A_{1}\end{array})$$\cdots’(\begin{array}{ll}t_{Q} 00 A_{\alpha}\end{array}))-$}$\iota_{\iota}^{\tau\uparrow\cdots t_{\alpha}^{r_{Q}}}\in S^{1}$

自動的に次の系がトーリック多様体について成立する。

.

表現

$P$

から誘導さ

70

Corollary. Theoremの仮定の下で $(M, T)$ がトーリック多様体であるとする。 その時$(M, G)$ は、 次のようになる。
$B$,$M_{p,k_{1\prime}k_{A}}$

$B$

$=$

$( \prod_{h=1}^{\mathfrak{a}}su(1_{b}+1))\cross\Pi_{k=t}^{\alpha}s(u(1I^{x}ut\iota_{b}\{)P(\mathbb{C}_{p^{1}}^{k}\backslash 1\propto\tau_{l}\mathbb{C}^{k_{2}})$,$G\simeq\prod_{t--}^{a}SU(1_{h}+1)\cross S(U(k_{I})\cross SU(k_{2})))$

ここで $\sum_{h=\uparrow}^{\alpha}1_{t\iota}+k\uparrow+k_{2}-1=n=\dim$ T.

上の系に出てくる多様体は complexity one extended Bott tower と呼ばれている物で上のバンドル) の一般化になっている。実際、 ki $-k_{2}-- a=$Hirzebruch 曲面 ($1=1_{1}$ の場合が Hirzebruch 曲面になる。
$\mathbb{C}P(1)$$\mathbb{C}P(1)$1.4. この論文の構成と証明のアウトライン. Theorem $A,$の証明のアウトラインを述べると同時にこの論説構成も述べる。次の 2 章では古典的なリー群論の結果 [戸田-三村] と変換群論の結果 [Br721, [川久保 871 を紹介し、 TheoremA の証明をする。証明は単連結単純りー
群の分類の糺果とその極大階数部分群の分類の結果から得ることができる。 Theorem の証
明は 3 章での場合の概略を述べるにとどめる。 分類は内出の方法 [Uc771 に沿って行う。 まず準備として変換群論からの結果を準備する。 そして特異軌道の候補を分類し、 そのスライス表現を全て数え上げる。 スライス表現が全てわかったと言うことは特異軌道の管状
$B$

$B$

$\tau\iota=2$

近傍が全てわかったと言うことに等しい。次に二つの管状近傍を張り合わせて多様体を構成する。 それが欲しい多様体になる。 最後にどの多様体が同じかを考察して分類は完成する。

1.5.

一リックトポロジーの今後の主役の候補. 話は少し脇にそれるが、 次の章に入る前にトーリックトポロジーの今後の主役の候補に当たる物を述べておきたいと思う、 トーラス多様体は代数幾何で発展したトーリック多様体の直接の一般化であり、 トーリックトポロジー$\vdash$はトーリック幾何を動機として起こった分野であることは述べた。 その一方でトーリックト
ポロジーとは、 トーラス の作用を持つ多様体 $M$ でその軌道空間 $M/T$ に良い構造が入る
物を様々な側面から研究しようとする分野であることも述べた。つまり、 トーリックトポロ
ジーが対象とする空間はトーラス多様体だけではない。 トーラス多様体はトーリックトポロ
ジーの中で研究され得る対象の -つのクラスである。 では次に研究されるべきなトーリック
トポロジーのクラスとはいったいなんであろうか ?
$M/T$ の構造が良い多様体のクラスとして次の性質を満たすトーラス作用を持つ多様体 $W^{2m}$$T$とそのトーラス$T^{n}$の組 $(W^{2m}, T^{n})$ がある$(m\leq t\iota)$。

) は軌道空間 $W/T$ の中で(1) 次-H-\llcorner 軌道の集合 (不動点集合(2) 1 次元軌道の集合は $W/T$ の中で 1 次元軌道になる。
$W^{T}$$0$lBott tower とはいうように$\mathbb{C}P1\mathfrak{l}$$\Gamma|P(1)$上の$\mathbb{C}P(1)$バンドルの$\mathbb{C}P(\dagger)$

バンドルを取り吏にその$0$次元になる。

$\mathbb{C}P(1)$バントルを取り... と) がいくつも重なって塔になったような構造をもつ多様体の事である。 extended $B()tt$ tower とはその塔の各階にあるが一般の複素射影空間に変わった多様体を言う 2complexity one extended Botttower とは、 複素射影空間の直積 の複素射影空間バンドルつまり extended Bott tower の最後の階だけがね
じられているような多様体の事である,.
$\mathbb{C}P(l|$

$b$

71

上のような性質を満たす $(W^{2m}, T^{n})$ のことを GKM 多様体と言う $([Gu^{}Ho- Za06])$ 。これ
らの仮定の下、 軌道空間のなかで $0,1$ 次元の集合はグラフの構造を持つことがわかる。すぐは GKM 多様体である。 多様体の次元が最大になにわかるようにトーラス多様体$(M^{2\mathfrak{n}}, T^{\mathfrak{n}})$る GKM 多様体がトーラス多様体であるともいえる。

現在盛んになりつつある GKM 多様体のクラスで、 トーラス多様体の次に重要と思われるクラスがある。ハイパートーリックと呼ばれるトーリック多様体をハイパーケーラーで類似したクラスである [Har-Ho05]。これは多様体の次元とトーラスの次元の関係として $(W^{4n}, T^{n+1})$
ならばトーラス多様体ではない。 しかし超平面なる関係にあるものである。 つまり配置と言う面白い組み合わせ論的な対象と対応している (一方のトーラス多様体は多面体$\tau\iota\geq 2$のクラスに入る GKM 多様体はハイパー
実はや複素二次超曲面
トーリックだけではない、 後に述べるように四元数射影空間も入ってくる。 そのような対象を含むということは、 変換群論的な課題が残った R. Scott のトーリックの四元数化 [Sc951 を彼とはまったく違う形で定式化できる可能性があるというこなるクラスの定式化 (トーラス多様体の四元数化) も今後の一つの問題とだ。
もしくは角付き多様体である)$(W^{\text{\’{e}} \mathfrak{n}}, T^{\mathfrak{n}+1})$。

$\mathbb{H}P(n)$$Q_{2\mathfrak{n}}$$(W^{4\mathfrak{n}}, T^{n+1})$である。

次の章から $(M, G)$ が推移的な場合と、余次元の軌道を持つ場合とに分けて分類していこう。 $(M, G)$ の同値関係はその効果的な作用への誘導作用が同変同型の場合にする (essential

isormophism).
2. 推移的な場合$(M, T)$ の $T$ を極大トーラスとして持つコンパクトリー群 $G$ への作用の拡張 $(M, G)$ が推移的な作用になると仮定する。 この場合は次の結果からリー群論の範疇に入る問題になる。
リー群論に関しては [戸田 三村] を参照のこと。

Theorem 2.1 ([Gu-Ho-Za06]). $M$ に(1) $(M, T)$ が GKM 多様体 ( は(2) $X(M)=\sum_{\dot{t}}$ rank $H^{i}(M)\neq 0$ .
$T$

(3)

$/H$ で $H$ は $G$

$G$

$G$

が推移的に{乍川すると仮定すると、 次は同値、)の極大トーラスとする)。

の閉連結部分群で$T$を含む (このような $H$ を最大階数部分群と言う)。

トーラス多様体は GKM 多様体になっていたのでこの定理を満たしている。 よって推移的な場合は次の問題を解けばよい。

Problem . コンパクト連結リー群とその最大階数部分群 $H$ の組 $(G, H)$ を分類せよ: 但の極大トーラス に対して $(G,/H, T)$ がトーラス多様体になるものとする (つまりし、
$n=\dim T=\frac{\dagger}{2}\dim C.’!H^{-}--\frac{1}{2}$ ( $\dim$ G–dim H) を満たすとする)。
$G$

$T$

$G$

リー群論の結果を使ってこの問題を解こう。 まず次の古典的な補題を準備しておく

Lemma 2.2.

$t\rangle$

をコンパクトリー群とすると、 有限被覆を取って $G=G_{1}\cross\cdots\cross G_{k}\cross T’$ の形にすることができる。 また $H\subset G$ が最大階数部分群なら臼 $=H_{1}\cross\cdots\cross H_{k}\cross T’$ とできは単連結単純リー群で Ht はその最大階数部分群、 $T’$ はトーラス。
る。 ここで$G$$G_{\mathfrak{i}}$72

今 ‘ $(M, G)$ を essential isomorphism の下で分類したいので、最初の作用 $lM,$ $G$ ) の時点
で $G$ をこの補題の様に仮定しておけば $(G/H, T)$ は $(G_{t}/H_{t}\cross \cdot. . xG_{k}/H_{k}, T_{t}\cross\cdots\cross T_{k})$ の形にしても良いことがわかる。 ここで玉は補題が成立している。

$G_{i}$と$H_{i}$に含まれる極大トーラスである。次のLemma 2.3. もしも $(G/H, T)$ がトーラス多様体なら、それぞれのはトーラス多様体 (つまり 2 dim $T_{i}=\dim G_{t}/H_{i}$ ) になる。

$(G_{i}/H_{\dot{t}}, T_{i})$( $i=1$ ,$\cdot$.. , k)Proof. $(M, T)=(G/H, T)$ がトーラス多様体なので、 次の等式を得る。
2 dim

(2.1)

$T=2\mathfrak{n}=\dim(G/H)=\sum_{\mathfrak{i}=t}^{k}$$p=$ $(P\iota , p_{k})\in M^{T}=M_{1}^{T,}\cross$$\cdot$$xM_{k}^{T_{k}}$dim$( G_{i}/H_{i})=2\sum_{i=1}^{k}$dim .
$T_{i}$

上の tangenfial representafion は次の分解を与える。
$T_{p}(M)=T_{Pt}(M_{1})\oplus\cdots\oplus T_{p_{k}}(M_{k})$.

更にそれぞれのファクター $T_{Pt}(M_{i})$ は玉の tangential representation によって次のように分解する。
$T_{P:}(M_{i})=V(\alpha_{1})\oplus\cdot$$(M, T)$ がトーラス多様体なのでウェイト,$\alpha_{1},$..

$\cdots,$$\neg’\overline{\sim};\backslash ;V(\alpha_{1})$$\alpha_{1}\in t_{\mathfrak{i}}^{*}$

は線形独立になる。

もしも 2dim $T_{;}>\dim G_{1}/H$ なるファクターが存在するとしたら、等式 21 と鳩ノ巣原理から 2dim $T_{i}<\dim G_{i}/H_{i}$ なるファクターが存在することになる。しかし、これはゆえに、 任意の $i=1,$ $\cdots,$ $k$ に対して dim Gi$\alpha_{t},$$t_{i}^{*}$

が線形が独成立りで立あつる。ことに反する。
が成り立つ。

$\cdots,$$\alpha_{1}\in$$fH_{i}\square ---$

$2\dim T_{1}$

この補題によって、 TheoremA を示すためには、 トーラス多様体になるような単純
リー群 Gi とその極大階数部分群の組を分類すればよいことがわかる。つまり dim $G_{i}/H_{i}=$$G_{\mathfrak{i}}/H_{i}$$H_{i}$

dim$G_{\mathfrak{i}}-\dim H_{\mathfrak{i}}=2$

rank Gt なる組を見つければよいことになる。

を単純コンパクトリー群、 $S’$ を閉最大階数部分群とする。 その時次の分類結果がある([戸田-三村] 第五章)。
$S$

73

ここで $A_{t}\approx SU(14- 1),$ $B_{t}\approx SO(21+\rceil),$ $C_{t}\approx Sp(1),$ $D_{1}\approx SO(21)$ は古典り一鮮である。
$E_{7},$$E_{8}$, F4, G2 は例外リー群である。 それぞれの$S$$E_{6}$,の次元は以下のようになる。

dim $A_{t}=1^{2}+21$ , dim $B_{1}=\dim C_{\iota}=(21+\rceil)1$, dim $D_{t}=1(21-\rceil)$
dim $E_{6}=78$ , dim $E_{7}=133$ , dim $E_{8}=248$ , dim $F_{4}=52$ , dim $G_{2}=14$ .
よって dim $S/S’=\dim$ S–dim $S’$ が次のようになる。

dim $A_{\iota}/(A_{\dot{\tau}-\cdot 1}\cross A_{1-i}\cross T^{I})=-2i^{2}+2li+2i(1\leq l<1)$ ,dim $B_{\iota}/(B_{1-\dagger}\cross T^{1})=41-2$ ,) $=-21-4i^{2}+6i-2+4li(1<i<1)$ , dim $B_{t}/D_{1}=21$ ,dim
dim $C_{1}/(C_{\dot{\iota}-- t}\cross C_{1-i+1})=-4i^{2}+8i-4+4li-41(1\leq i<1))$, dim $D\iota/(D_{t-\rceil}\cross T^{\rceil})=41-4$,
dim–1,
dim $D_{\mathfrak{l}}/(D_{i-1}\cross D_{t-i+1})=8i-4i^{2}+41i-4arrow- 41$ , dim
dim $E_{6}/(D_{5}\cross T^{I})=32$ , dim $E_{6}/(A_{1}\cross A_{5})=40$ , dim $E_{6}/(A_{2}\cross A_{2}\cross A_{2})=54$ ,dim $E_{7}/(D_{6}\cross A_{1})=64$ , dim $E_{7}/A_{7}=70$ , dim $E_{7}/(A_{2}\cross A_{5})=90$ ,, dim $E_{8}/D_{8}=158$ , dim $E_{8}/A_{8}=168$ ,
dim
—112,
dim $E_{S}/(A_{4}\cross A_{4})=200$ , dim $E_{8}/(E_{6}\cross A_{2})=162$ , dim
dim $F_{4}/B_{4}=16$ ,dim $F_{4}/(C_{3}\cross A_{t})=28$ , dim
dim $G_{2}/A_{2}=6$ , dim $G_{2}/(A_{\rceil}\cross A_{1})=8$ .
$B_{t}/\mathfrak{l}B_{i-\mathfrak{l}}\cross D_{t-i+1}$$C_{1}/(A_{t}\rceil\cross T^{\iota})=1^{2}+1$$D_{t}/(A_{1-1}\cross T^{\rceil})-1^{2}$$E_{7}/(E_{6}\cross T^{\rceil})=54$$E_{8}/(E_{7}\cross A_{\dagger} )$$F_{4}/(A_{2}\cross A_{2})=36_{\backslash }$-ヒのどれが $21$ ( $=2$ rank S) を満たすかを調べれば次を得る。
$A_{t}/\{A_{1-1}\cross T^{1})_{--}\simeq su(1+1)/S(u(1)\cross u(\rceil)I^{\simeq}\mathbb{C}P(1)$$B_{t}/D_{1}--\simeq$

SO $(21-\vdash\rceil)/SO(21)\cong S^{2\iota}$$B_{1}/T^{t}\underline{\sim}- SO(3|/SO(2)\cong S^{2}\cong Sp(1)/T^{1}\cong C_{1}/T^{1}$$D_{3}/(A_{2}\cross T^{t})\cong Spin(6)/U(3)\cong SU(4)/S(U[3)\cross u(\rceil))=\sim A_{4}/(A_{3}\cross T^{1})\cong \mathbb{C}P^{3}$

が最大階数だが、 極大な部分群でないなら ’ は極大な最大階数部分群 $S’$ のいず
れかの部分群になる ( にある $(S,$ $S’)$ のリストの中の)。 よって dim $S/S^{(1}>\dim S/S’$ になるので、 そのようなが含まれないことが次元の関係からわかる。 よって次の補題を得る。
もしも$S^{n}$$S^{1}$$-\}_{arrow}\sim$$S^{:}$

Lemma 2.4. $(G_{i}/H_{i}, T)$ を, dim $G_{i}/H_{i^{-}}-2$ dim $T=21$ なる対とする。 更にか CP(L) が成立する。
が単純連結コンパクトリー群であるとすると、$G_{i}\supset H_{i}\supset T$$G_{\iota}$$G_{\mathfrak{i}}/H_{i-}^{\underline{\vee}}- S^{21},$$\mathbb{R}P(21)$以上の議論から Theorem A が成り立つ。

21. 補足. トーラス多様体$(M^{2n}, T^{\mathfrak{n}})$の拡張が推移的になる場合の分類を完成させたので、今度はトーラス多様体でない場合 $(W^{2m}, T^{n})$ についても同様の問題を考えてみよう。 1.5 章
に関してこの問で述べたトーリックトポロジーの次の主役の候補となるクラス
題を考えてみる。 問題設定は次のようになる。
$(w^{4\mathfrak{n}_{4}}T^{n+\uparrow})$

74

Problem . $(w^{4n}, T^{n+t})$ を GKM 多様体とする。 $(W, G)$ への拡張が推移的になる場合を分類せよ。 つまり、 Theorem 22 からコンパクトリー群とその極大連結部分群の組 $(G, H)$ で、
dim $G/H=4\dim T+\rceil$ なる物を分類せよ。
この問題も先の方法で簡単に解けそうに思えるが–っ注意すべき部分がある。 Lemma 2.3に当たる物がないのだ。 次の例がその反例を与える。

Example.
$\bullet$$T^{1}$をを$W^{8}=S^{-}\cross S^{6}$$S^{2}$

上の $T^{3}=T^{I}\cross T^{2}$ 作用を次のように定義する。

へ標準的に、と見て、 $T^{2}\subset SU(3)\subset G_{2}$ を通して作用させる。
すると $(W^{8}, T^{3})$ は今考えているクラスに入るがそれぞれの成分はなるクラスには入らない。
$\bullet$$T^{2}$$S^{6}$

へ $S^{6}=G_{2}/SU(3)$$(W^{4\mathfrak{n}}, T^{\mathfrak{n}+^{\iota}1})$

よってこの場合を分類するには少し注意が必要であるが、 もしも
トリー群の分類の結果より簡単に知ることができる。

Proposition 2.5.

$G$が単純ならばコンパク

がコンパクト単純リー群 の推移的な作用 $(W, G)$ へ拡張するとするとそれは次のいずれかになる 2。
(1) $(\mathbb{H}P(n), Sp(n11)),$は四元数射影空閥 $Sp$ $(n+1)/Sp(n)\cross Sp(\rceil)$ .
),(2) (は複素二次超曲面 SO $(2n+2)/SO(2n)\cross SO(2)$ .
, SO(3)は複素グラスマン多様体 $su(n+2)/S(U(\mathfrak{n})\cross U(2|)$ .
$(W^{4n}, T^{\mathfrak{n}+1})$$G$$\mathbb{H}P(n)$$Q_{2n}$$(2\mathfrak{n}+2)$$(\mathbb{C}G_{\mathfrak{n},2}, S\mathfrak{U}[n+2)),$$Q_{2n}$$\mathbb{C}G_{n,2}$

3. 余次元一の軌道を持つ場合$(M, T)$ の $T$ を極大トーラスとして持つコンパクトリー群 $G$ への作用の拡張

が余次元一の軌道を持つ作川になると仮定する。 推移的な場含はほぼリー群論だけで解けたが、この場合は変換群論を使う必要がある。

31. 変換群論からの準備 まず始めに、次の構造定理を用いるために$(M_{\backslash }G)$$H^{1}(M;\mathbb{Z}\underline{)})---\cdot 0$

なる仮定を入れよう。

Theorem 3.1 ( $Uchida[Uc77]$ Lemma 1.2.1).

をコンパクトな連結リー群、 $M$ を閉連結多様体で $H^{t}(M|\mathbb{Z}_{2})=0$ を満たすとする。 が滑らかに $M$ に作用し、 余次 J-L 一の軌道 $G(x)$を持つとする。 その時 $G(x)\cong G/K$ は主軌道となり、 $(M, G)$ はちょうど二つの特異軌道$G(x\uparrow)\cong- G/K_{1}$と $G(x_{2})-\sim-G/K_{2}$ を持つ。 更に、 閉不変な $G(x_{s})$ の管状近傍
が存在し、
$G$

$G$

$X_{s}$$M=X_{1}\cup X_{2}$and$X_{1}\cap X_{-}=\partial X_{1}=\delta X_{2}$を満たす。

最初に入れた仮定からこの定理のような構造が我々の場合には入る。 更に 1 つの管状近傍の様子が次の可微分スライス定理からわかる $[Br72]$

Theorem 3.2 (可微分スライス定理).

。

をコンパクトリー群、 $M$ を滑らかな 多様体とする。
その時任意の $x_{i}\in M$ の軌道に対して、 閉不変管状近傍が存在し 多様体としてとなる。 ここで Dx、は閉円盤で、 表現: $K_{\dot{t}}arrow O(D_{x},)$ を通して Kiが作用している。
$G$$G$$G(x_{i})\cong G/K_{i}$$X_{i}\cong G\cross K_{\mathfrak{i}}D_{x_{i}}$$X_{i}$$\sigma_{i}$-, 非コンパクトな多様体であるので、 ここにはハイパートーリックは出てこない,

$G$

75

この表現

のことをスライス表現と呼ぶ。 特異軌道の余次元を $m_{i}(i=1,2)$ と置こう。
とと書ける。 但しは上にスライス表現: $K_{i}arrow 0(m_{i})$ を通して作用する。
更に余次元がーである仮定よりがわかる。つまり Kt がに推移的に作用していることがわかる。球面上への推移的な作用はよくわかっていて次のよ
うな結果が知られている ([Mo-Sa431, [Bo50], [Po591)。
$\sigma_{i}$

その時 $G/K_{t}$ と $G/K_{2}$ の管状近傍は$X_{\rceil}\cong G\cross\kappa_{1}D^{\mathfrak{m}_{\rceil}}$$X_{2}\cong G\cross K_{2}D^{m_{2}}$$K_{i}$$D^{m_{\mathfrak{i}}}$$\sigma_{i}$$K_{i}/K\cong S^{m_{i}-1}\subset D^{m_{i}}$Theorem 3.3.

$S^{m_{\mathfrak{i}}-t}\subset D^{m_{i}}$をコンパクトリー群としホモトピー球面に効果的かつ推移的に作用しているとする。 をイソトロピー部分群とするとき、が存在しの単純正規部分群$G_{\ddagger}/(G_{1}\cap H)=\Sigma^{m}$ が成立する。
$G$$\Sigma^{\tau n}$$H$

Theorem3.4.

$G$$G_{1}$

を満たすとすると、 [Bo50], [Mo-Sa43]の中の単純部分群でから次を得る。
(1) もしも $m$ が偶数ならば $G_{1}=SO(m+1)$ か例外リー群 G2 $(m=6)$ となる。
(2) もしも $m=21-1$ で 1 が奇数なら $G_{1}=SO(m+1)$ か SU (火になる。
(3) もしも $m=21-1$ で 1 が偶数なら $G_{1}=SO(\mathfrak{n}\iota+1)$ , Su(l), $Sp$ $(1/2),$ $Spin(9)(m=15$ ,$G_{1}$

を$G$$G_{t}/H_{1}\cong\Sigma^{m}$$1=8)$ か SPin(7)$(m=7,1=4)$ になる。

への–\rightarrow 意な埋め込みがある。
それぞれの場合で $H_{t}=G_{1}\cap SO(rn)$ なる
の SO
ゆえに
は
と微分同相になる。 次の定理も成立している。
$(\uparrow \mathfrak{n}+1)$$G_{\mathfrak{s}}$$\Sigma^{m}$$s\uparrow \mathfrak{n}$Theorem 3.5.

$G_{1}(\subset G)$ を
Theorem 3.4 にある単純部分群とする。その時 Gl $\subset G\subset N(G_{t})^{o}\subset$
SO(m+l)、但し $N(G_{1})^{O}$ はの $SO(m+1)$ における正規化群の単位成分で、 次が成立する。
$G_{t}$(1) $G_{1}=SO(\tau n+1),$ $G_{2}(m=6)$ , Spin(7) ( $m=7,1=4$ {Spin(9) $(\mathfrak{m}=I5,1=8)q$ )場合、 $N(G_{1}1^{o}---- G_{1}$ つまり $G_{1}=G$ が成り立つ。
.
(1) の時、 $N(G_{1}I^{o}=u(1)$ . ゆえに $G=G_{1}$ か $u(1)$ .
(2)
(3)
の時、
但し , は ’-Id, $-1$ ) で生成された部分群。 ゆえに は Gt,か.
$h^{\backslash }$$G_{1}--\cdot$su$N(G_{\rceil})^{o}=Sp(\frac{1}{2})\cross_{\ 7_{2}} S^{3}$$G_{1}=Sp(\underline{\frac{\iota}{)}})$$G$$Sp(\frac{1}{2})\cross p_{\lrcorner 2}S^{1}$$\mathbb{Z}_{\wedge}$、$\backslash$$Sp(\frac{\iota}{2})\cross\tau_{-}L’ S^{3}$

上の結果は [Hs-Hs65] にも載っている。特に次の補題を得ることができる。

Lemma3.6. $O(21)$ の連結部分群$H$

が $S^{2t-1}$ に推移的に作用していて rank HH $=1$ だとすると、$0(21)$ のなかで}-1 $\simeq u(1)$ か SO(21).

Theorem 3.2 から Lemma 3.6 は $G/K_{t}$ と $G/K_{2}$ の局所的な構造に関する結果である。 その一方で Theorem 3.1 と次の補題は $(M, G)$ の大域的な構造に関係する物である。
はを
Lemma 3.7 ([Uc77] Lemma 5.3.1).
同変微分同相写像、 但し:の境界。 その時もしも以下のいずれかを満たしていれば $M(f)$ は $M(f’)$ と同変微分同相にな$f,$ $f’$る (但し$M(\dagger)--\wedge X_{1}U_{\dot{f}}X_{2}$)$\partial X_{t}arrow 8\cross z$$G$$\delta X_{\dot{t}}$$X_{i}$。

(1) が と G-diffeotopic.
の(2) $f^{-1}f’$ が同変微分同相写像へ拡張する。
(3) $f’f^{-1}$ が X2 \vdash -の 同変微分同相写像へ拡張する。
$f$

$\{’$

$\cross\iota 1_{arrow}-$

$G$

$G$

以上を古典的な変換群論からの準備とし、 次の章から本格的な分類に取り組んでいこう。

76

3.2. 特異軌道の分類. この章では特異軌道の候補となりうる多様体を全て分類しよう。 まず
始めは次の補題から入る。

Lemma 3.8.

Proof.

$T$

作用の不動点集$G$の点の軌道は必ず特異軌道になる。

とする。 の イソトロピー群を Gp と書くと、と一致する。従って $G/G_{p}$ は偶数次元になる。

$P\in M^{T}$は rank$\bigwedge_{\overline{t}1}M^{T}$

$G$

$P$

$T\subset$

Gp を得る。故に rank Gp
口

証明抜きに次の命題を用意する。

Proposition 3.9. $M’$ は$P\in M^{T}$

不変なトーラス多様体 $(M, T)$ の部分多様体。 もしも $M’$ が不動点に関してトーラス多様体になる。

$T$を持つなら $(M’, T/T^{||})$ はある$T^{t\mathfrak{l}}\subseteq T$

よって次の系を得る。

Corollary 3.10. 少なくとも一つの $(M, G)$ の特異軌道はトーラス多様体になる。
あるを得る。

$T^{\mathfrak{n}}\subset T$に対して $(G/K_{I}, T/T^{1|})$ を$\vdash-$ラス多様体と仮定しておこう。 この時次の分解$G-G_{1}’\cross G_{1}||\supset K_{\mathfrak{j}}=K_{1}’\cross G_{I}^{I1}\supset T’\cross T\}|\simeq$

乙

ここで $T’$ を G\’i の極大トーラス部分群とする。 $k_{1}=rankG_{t}||=\dim T$“, $P\in M^{T}$ と置くと、dim $N_{p}(G/K_{1})=2k_{1}$ がわかる。 よって、

dim $G/K_{1}=2n-2k_{1}=2n-2$ rank

$G_{t}^{\prime t}$が成り立つ。 トーラス多様体 $(G_{\rceil}’/K_{t}’ ’ T’)=(G/K_{1}, T)$ が推移的な作用 $(G_{I}’/K_{1}’ , G_{t}’)$ へ拡張するので、 以上の議論と、 Theorem A から、$G_{1}’/K_{1}’\cong\prod_{-\dot{\iota},.- 1}^{Q}\mathbb{C}P(1_{t}1\cross\prod_{)^{1}}^{b}S^{2\mathfrak{n}\iota_{i}}$$( G_{1}’, K_{1}’)\approx(\prod_{i=1}^{\alpha}su$を得る。但し($1_{i}$

十$I$,) $\cross\prod_{j--}^{b}SO(2m_{i}+1),$$\prod_{i-- 1}^{\alpha}S$$\sum_{\mathfrak{i}=1}^{a}\cdot 1_{i}+\sum_{-,|1}^{b}m_{\dot{|}}=n-k_{I}=n-rmkG_{t}^{tt}$( $u(1)\cross u($ 火 )$)$$\cross\prod_{)--\iota}^{b}SO(2_{W}))$.

従って $G/K_{1}$ を完全に分類できた。次は $G/K_{2}$ についてだが、 ここでは簡単のために $G/K_{2}$であると仮定する。 すると、 次の三通りの可能性が生じる。
(1) $(G, K_{1}, K_{2})=(SU(2)\cross T^{t} , T^{1}\cross T^{l}, T^{1}\cross T^{1})(k_{\rceil}=\rceil=k_{2})-$.
(2) $(G, K_{t}, K_{2})=(SU(2)\cross T^{1} , SU(2)\cross T^{1},$) $(k_{t}=0, k_{-}\gamma---1)$(3) $(G, K_{\rceil} , K_{2})=(U(2), U(2),$ $U(2))(k_{1}=0=k_{Z})$もトーラス多様体で$\gamma\iota=2$$T^{1}\cross T^{I}$。

。

がトーラス多様体でない場合も次の $G/K$ } に関するスライス表現からわかる主イソト
ロビー群 と K2 が偶数次元の球面へ推移的に作用することから $G/K_{2}$ の候補を得ることが$G/’K_{-}$

$K$

できる-,

次はスライス表現を計算して管状近傍を分類してみよう。

77

33. 管状近傍の分類. Gpのスライス表現を次で表す。

$=K_{1}$$\sigma_{1}$: $K_{t}=K_{1}’\cross G_{1}^{||}arrow 0(2k_{1})$ .

の像は $SO(2k_{1})$ に入ることに注意しておく (か 1 になる。
$\sigma_{\rceil}$$k_{1}=0$なら自明な表現のみになるので、$\sigma_{\dagger}$:$T^{t}\cross T^{1}arrow T^{I}$$K_{\rceil}$とするとスライス表現は次のように書ける。

$k_{\rceil}=1$

$s.t$

.

の連結性から)。また $n=2$ なので、 $k_{\rceil}=0$$\sigma_{1}(t_{t},t_{2})=t_{1}^{\alpha}t_{2}$(なぜなら可換群から可換群への表現であり効果的に作用するので)。
ここで$a\in \mathbb{Z}$.

$T^{n}\subset G_{1}^{1\mathfrak{l}}$が $P\in G/K_{\rceil}$ の法方向に従って管状近傍は特異軌道を分類したそれぞれの場合において次のようになり、二つめス
ライス表現から$K$の形も以下のようになることがわかる。

$D^{2}, G\cross\kappa_{2}D^{2})(k1=1=k_{2})$(1)、$G\cross\kappa_{z^{D^{2})}}(k_{I}=0, k_{2}=1)$(2) ((3) $(D^{4}, D^{4})(k_{\rceil}=0=k_{2})$ $K–\{e\}$ .
$(G\cross\kappa$。

$K_{i}$$D^{4}\subset \mathbb{C}^{2},$。

は$\sigma_{i}$を通して$D^{2}$

へ作用し、$K=\mathbb{Z}_{a}xT^{1}\subset SU(2)$$K=\mathbb{Z}_{\alpha}\cross T^{1}$

.

.

。

次はこれらの管状近傍を境界に沿って張り合わせてみよう。
3.4. 張り合わせ写像とできる多様体. 張り合わせ写像は管状近傍の境界 $G/K$ からそれ自身への同変写像になるので $N(K;G),/’K$ からとってくることができる。 また作った多様体がいつ同型になるかは Lemma 3.7 からわかる,

簡単にそれぞれの場合 $N(K;G)/K$ は連結になるので、 Lemma37(1) によってどんな張り合わせでも多様体は同相になることがわかる。 よって次の命題を得る。

Proposition 3.11. $(M, G)$ をトーラス多様体 $(M^{4}, T^{2})$ が余次元一の軌道を持つように拡張した変換僻だとすると、 多様体 $M$ は以 |‘のようになる。
(1)$G\cross K_{1}S^{2}$

但し

(2)
(3)

また群

$\mathbb{C}P(2)$$S^{4}$$G$.

$K_{\rceil}arrow^{\sigma_{1}}T^{t}$

を通して$S^{2}\subset \mathbb{C}(\overline{|})\mathbb{R}$に作川、 特にこれは $Hirzebrtlcl\iota$ 曲面になる。

.

.
とその作用はそれぞれ(1) $G=su(2)\cross T^{1}$ が の部分に作用.
(2) $G=U(2)$ が標準的に作川.
(3) $G=U(2)$ がのに作)4J.
$G$$S^{4}\subset \mathbb{C}^{2}\oplus \mathbb{R}$$\mathbb{C}^{Z}$となる。

以上の議論を \tilde 般の場合に当てはめてやれば TheoremB を得ることができる (’最後にこの研究を進める上で有益な助言を下さった大阪市立大学の枡田幹也先生に感謝し
ます。

78

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$tj$

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33-43.
OSAKA CITY UNIVERSITY ADVANCED MATHEMATtCA L. INSTITUTE (OCAMI), $SUMIYOSI- K\cup$ , OSAKA
558-8585, JAPANE-mail addres : kuroki@s $ci$ . osaka-cu. ac. )$s$$P$