L-Funktion einer elliptischen Kurve
# L-Funktion einer elliptischen Kurve

In der Mathematik ist die L-Funktion einer elliptischen Kurve oder Hasse-Weil-Zeta-Funktion ein wichtiges Werkzeug der Zahlentheorie.

## Definition

Sei $E$ eine elliptische Kurve über $\mathbb {Q}$. Für eine Primzahl $p$ definieren wir den lokalen Faktor $L_{p}(T)$ der L-Reihe in $p$ wie folgt.

Wenn $E$ modulo $p$ gute Reduktion hat, sei $N_{p}$ die Anzahl der Punkte in $E(F_{p})$ und $a_{p}=p+1-N_{p}$. Wir definieren dann

    $L_{p}(T)=1-a_{p}T+pT^{2}$.

Weiter definieren wir

    $L_{p}(T)=1-T$, wenn $E$ modulo $p$ spaltende semistabile Reduktion hat,
    $L_{p}(T)=1+T$, wenn $E$ modulo $p$ nicht-spaltende semistabile Reduktion hat,
    $L_{p}(T)=1$, wenn $E$ modulo $p$ instabile Reduktion hat.

Die L-Reihe der elliptischen Kurve wird dann als Produkt über die lokalen Faktoren definiert:

    $L(E,s)=\Pi _{p\ Primzahl}{\frac {1}{L_{p}(p^{-s})}}$.

Aus der von Hasse bewiesenen Ungleichung $\vert a_{p}\vert \leq 2{\sqrt {p}}$ folgt Konvergenz und Analytizität von $L(E,s)$ für $Re(s)>{\frac {3}{2}}$.

## Beispiele

* $y^{2}+y=x^{3}-x^{2}-10x-20$

Die Gleichung beschreibt ein minimales Modell mit Diskriminante $-11^{5}$. Die einzige Primzahl schlechter Reduktion ist $p=11$, dort ist die Reduktion spaltend semistabil. Also ist

    $L(E,s)={\frac {1}{1-11^{-s}}}\Pi _{p\not =11\ Primzahl}{\frac {1}{1-a_{p}p^{-s}+p^{1-2s}}}=$
    $=1-{\frac {2}{2^{s}}}-{\frac {1}{3^{s}}}+{\frac {2}{4^{s}}}+{\frac {1}{5^{s}}}+{\frac {2}{6^{s}}}-{\frac {2}{7^{s}}}-{\frac {2}{9^{s}}}-{\frac {2}{10^{s}}}+{\frac {1}{11^{s}}}+\ldots$.
* $y^{2}=x^{3}-11x^{2}+385$

Die Kurve hat instabile Reduktion in $2$ und $11$, spaltende semistabile Reduktion in $5$ und nicht-spaltende semistabile Reduktion in $7$ und $461$. Damit ist

    $L(E,s)=((1-5^{-s})(1+7^{-s})(1+461^{-s}))^{-1}\Pi _{p\not =2,5,7,11,461\ Primzahl}{\frac {1}{1-a_{p}p^{-s}+p^{1-2s}}}=$
    $=1-{\frac {2}{3^{s}}}+{\frac {1}{5^{s}}}-{\frac {1}{7^{s}}}+{\frac {1}{9^{s}}}+{\frac {2}{13^{s}}}-{\frac {2}{15^{s}}}-{\frac {5}{17^{s}}}+{\frac {2}{21^{s}}}+\ldots$.

## Dirichlet-Entwicklung

Die L-Reihe einer elliptischen Kurve hat eine Entwicklung als Dirichlet-Reihe:

    $L(E,s)=\sum _{n\geq 1}{\frac {a_{n}}{n^{s}}}$,

wobei die Fourier-Koeffizienten $a_{n}$ wie folgt berechnet werden:

* $a_{1}=1$.
* Für eine Primzahl $p$ ist
   * $a_{p}=p+1-N_{p}$, wenn $E$ gute Reduktion in $p$ hat
   * $a_{p}=1$, wenn $E$ spaltende semistabile Reduktion in $p$ hat
   * $a_{p}=-1$, wenn $E$ nicht-spaltende semistabile Reduktion in $p$ hat
   * $a_{p}=0$, wenn $E$ instabile Reduktion in $p$ hat.
* Für eine Primzahlpotenz $p^{r}$ ist im Falle guter Reduktion modulo $p$ der Fourier-Koeffizient rekursiv definiert durch $a_{p}\cdot a_{p^{r}}=a_{p^{r+1}}+p\cdot a_{p^{r-1}}$, während im Falle schlechter Reduktion $a_{p^{r}}=(a_{p})^{r}$ gilt.
* Für teilerfremde Zahlen $m,n$ gilt $a_{mn}=a_{m}a_{n}$.

## Funktionalgleichung

Die L-Reihe einer elliptischen Kurve hat eine analytische Fortsetzung auf die gesamte komplexe Zahlenebene und erfüllt mit

    $\Lambda (E,s):=N^{s/2}(2\pi )^{-s}\Gamma (s)L(E,s)$

für den Führer $N$ und die Gamma-Funktion $\Gamma (s)$ eine Funktionalgleichung

    $\Lambda (E,s)=sign(E,\mathbb {Q} )\Lambda (E,2-s)$

mit $sign(E,\mathbb {Q} )\in \left\{1,-1\right\}$. Diese von Hasse und Weil aufgestellte Vermutung folgt aus dem Modularitätssatz. Aus der Vermutung von Birch und Swinnerton-Dyer würde $sign(E,\mathbb {Q} )=(-1)^{rang(E/\mathbb {Q} )}$ folgen.

