Abstract
We establish some geometric constraints on compact Coxeter polytopes in hyperbolic spaces and show that these constraints can be a very useful tool for the classification problem of reflective anisotropic Lorentzian lattices and cocompact arithmetic hyperbolic reflection groups.
Similar content being viewed by others
References
I. Agol, Finiteness of arithmetic Kleinian reflection groups, Proc. ICM, Vol. II, Eur. Math. Soc., Zürich, 2006, pp. 951–960.
Agol, I., Belolipetsky, M., Storm, P., Whyte, K.: Finiteness of arithmetic hyperbolic reflection groups. Groups Geom. Dyn. 2(4), 481–498 (2008)
Allcock, D.: Infinitely many hyperbolic Coxeter groups through dimension 19. Geom. Topol. 10, 737–758 (2006)
Allcock, D.: The reflective Lorentzian lattices of rank 3. Mem. Amer. Math. Soc. 220(1033), 1–125 (2012)
Belolipetsky, M.: Arithmetic hyperbolic reflection groups. Bull. Amer. Math. Soc. 53(3), 437–475 (2016)
Belolipetsky, M., Linowitz, B.: On fields of definition of arithmetic Kleinian reflection groups II. Int. Math. Res. Not. IMRN. 2014(9), 2559–2571 (2014)
N. V. Bogachev, Reflective anisotropic hyperbolic lattices of rank 4, arXiv:1610.06148v1 (2016).
Н. В. Богачев, Рефлективные анизотропные гиперболические решетки ранга 4, УМН 72 (2017), вып. 1(433), 193–194. Engl. transl.: N. V. Bogachev, Reflective anisotropic hyperbolic lattices of rank 4, Russian Math. Surveys 72 (2017), no. 1, 179.
N. Bogachev, A. Perepechko, Vinberg’s algorithm, https://doi.org/10.5281/zenodo.1098448, https://github.com/aperep/vinberg-algorithm, 2017.
Н. В. Богачев, А. Ю. Перепечко, Алгоритм Винберга для гиперболических решеток, Матем. заметки 103 (2018), вып. 5, 769–773. Engl. transl.: N. V. Bogachev, A. Yu. Perepechko, Vinberg’s algorithm for hyperbolic lattices, Math. Notes 103 (2018), no. 5, 836–840.
Н. В. Богачев, Классификация (1, 2)-рефлективных анизотропных гиперболических решеток ранга 4, Изв. РАН. Сер. матем. 83 (2019), вып. 1, 3–29. Engl. transl.: N. V. Bogachev, Classification of (1,2)-reflective anisotropic hyperbolic lattices of rank 4, Izv. Math. 83 (2019), no. 1, 1–19.
N. Bogachev, A. Kolpakov, On faces of quasi-arithmetic Coxeter polytopes. Int. Math. Res. Not. IMRN 2021 (2021), no. 4, 3078–3096.
N. Bogachev, A. Kolpakov, PLoF: Polytope’s lower-dimensional faces, SageMath worksheet (2020), available at https://sashakolpakov.wordpress.com/list-of-papers/.
N. Bogachev, SmaRBA: Small ridges, bounds and applications, SageMath worksheet (2020), available at https://github.com/nvbogachev/OuterMostEdge/blob/master/SmaRBA.ipynb.
A. Borel, Harish–Chandra, Arithmetic subgroups of algebraic groups, Ann. of Math. 75 (1962), no. 2, 485–535.
R. Bottinelli, Vinberg’s algorithm over number fields, https://github.com/bottine/VinbergsAlgorithmNF, 2021.
В. О. Бугаенко, Группы автоморфизмов унимодулярных квадратичных форм над кольцом \( \mathbb{Z}\left[\left(\sqrt{5}+1\right)/2\right] \), Вестник Москов. унив., сер. І мат. мех. (1984), no. 5, 6–12. Engl. transl.: V. O. Bugaenko, Groups of automorphisms of unimodular hyperbolic quadratic forms over the ring \( \mathbb{Z}\left[\left(\sqrt{5}+1\right)/2\right] \), Moscow Univ. Math. Bull. 39 (1984), 6–14.
Bugaenko, V.O.: On reflective unimodular hyperbolic quadratic forms. Selecta Math. Soviet. 9(3), 263–271 (1990)
Bugaenko, V.O.: Arithmetic crystallographic groups generated by reflections, and reflective hyperbolic lattices. Adv. Soviet Math. 8, 33–55 (1992)
H. S. M. Coxeter, Discrete groups generated by reflections, Ann. of Math. (2) 35 (1934), no. 3, 588–621.
F. Esselmann, Uber die maximale Dimension von Lorentz-Gittern mit coendlicher Spiegelungsgruppe, J. Number Theory 61 (1996), 103–144.
R. Guglielmetti, AlVin: a C++ implementation of the Vinberg algorithm for diagonal quadratic forms, vers. 1.2 (Sept. 2019), available at https://github.com/rgugliel/AlVin.
R. Guglielmetti, Hyperbolic Isometries in (In-)Finite Dimensions and Discrete Reflection Groups: Theory and Computations, PhD Thesis, Univ. of Fribourg, 2017.
Kolpakov, A.: Deformation of finite-volume hyperbolic Coxeter polyhedra, limiting growth rates and Pisot numbers. Eur. J. Comb. 33(8), 1709–1724 (2012)
Linowitz, B.: Bounds for arithmetic hyperbolic reflection groups in dimension 2. Transform. Groups. 2(3), 743–753 (2018)
Long, D.D., Maclachlan, C., Reid, A.W.: Arithmetic fuchsian groups of genus zero. Pure Appl. Math. Quart. 2(2), 569–599 (2006)
A. Mark, The classification of rank 3 reflective hyperbolic lattices over \( \mathbb{Z}\left[\sqrt{2}\right] \), Mat. Proc. Camb. Phil. Soc. 12 (2016), 1–37.
A. Mark, The Classification of Rank 3 Reflective Hyperbolic Lattices over \( \mathbb{Z}\left[\sqrt{2}\right] \), PhD Thesis, Univ. of Texas at Austin, 2015.
Mostow, G.D., Tamagawa, T.: On the compactness of arithmetically defined homogeneous spaces. Ann. of Math. 76(3), 446–463 (1962)
В. В. Никулин, О фактор-группах групп автоморфизмов гиперболических форм по подгруппам, порожденным 2-отражениями, Докл. СССР 248 (1979), но. 6, 1307–1309. Engl. transl.: V. V. Nikulin, On factor groups of the automorphism groups of hyperbolic forms modulo subgroups generated by 2-reflections, Sov. Math. Dokl. 20 (1979), 1156–1158.
В. В. Никулин, О фактор-группах групп автоморфизмов гиперболических форм по подгрупп, порожденным 2-отражениями. Алгебро-геометрические приложения, Итоги науки и техн., Сер. Совр. пробл. мат. 18 (1981), 3–114. Engl. transl. V. V. Nikulin, Factor groups of groups of automorphisms of hyperbolic forms with respect to subgroups generated by 2-reflections. Algebrogeometric applications, J. Soviet Math. 22 (1983), 1401–1475.
В. В. Никулин, Об арифметических группах, порожденных отражениями в пространствах Лобачевского, Изв. АН СССР, Сер. матем. 44 (1980), но. 3, 637–669. Engl. transl.: V. V. Nikulin, On arithmetic groups generated by reflections in Lobachevskii spaces, Math. USSR-Izv., 16 (1981), no. 3, 573–601.
В. В. Никулин, О классификации арифметических групп, порожденных отражениями в пространствах Лобачевского, Изв. АН СССР, Сер. матем. 45 (1981), но. 1, 113–142. Engl. transl.: V. V. Nikulin, On the classification of arithmetic groups generated by reflections in Lobachevsky spaces, Math. USSR-Izv. 18 (1982), no. 1, 99–123.
В. В. Никулин, Поверхности типа K3 с конечной группой автоморфизмов и группой Пикара ранга три, Тр. МИАН 165 (1984), 119–142. [V. V. Nikulin, K3 surfaces with a finite group of automorphisms and a Picard group of rank three, Proc. Steklov Math. Inst. 165 (1984), 119–142 (Russian)]
V. V. Nikulin, Discrete reflection groups in Lobachevsky spaces and algebraic surfaces, Proc. ICM (Berkeley, Calif., 1986), Vol. 1, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1987, pp. 654–671.
В. В. Никулин, О классификации гиперболических систем корней ранга три, Тр. МИАН 230 (2000), 3–255. Engl. transl.: V. V. Nikulin, On the classification of hyperbolic root systems of rank three, Proc. Steklov Math. Inst. 230 (2000), no. 3, 1–241.
В. В. Никулин, Конечность числа арифметических групп, порожденных отражениями в пространствах Лобачевского, Изв. РАН, Сер. матем. 71 (2007), вып. 1, 55–60. Engl. transl.: V. V. Nikulin, Finiteness of the number of arithmetic groups generated by reflections in Lobachevsky spaces, Izv.: Math. 71 (2007), no. 1, 53–56.
В. В. Никулин, Константа переноса для арифметических гиперболических групп отражений, Изв. РАН, Сер. матем. 75 (2011), вып. 5, 103–138. Engl. transl.: V. V. Nikulin, The transition constant for arithmetic hyperbolic reflection groups, Izv. Math. 75 (2011), no. 5, 971–1005.
Niven, I., Zuckerman, H.S., Montgomery, H.L.: An Introduction to the Theory of Numbers. Wiley, New York (1991)
Scharlau, R.: On the classification of arithmetic reflection groups on hyperbolic 3-space. Preprint, Bielefeld (1989)
Scharlau, R., Walhorn, C.: Integral lattices and hyperbolic reflection groups. Asterisque. 209, 279–291 (1992)
I. Turkalj, Reflective Lorentzian Lattices of Signature (5, 1), Dissertation, 2017, Technische Universität Dortmund.
Turkalj, I.: Reflective Lorentzian lattices of signature (5, 1). J. Algebra. 513, 516–544 (2018)
Б. А. Венков, Об арифметической группе автоморфизмов неопределенной квадратичной формы, Изв.АН СССР, Сер. матем. 1 (1937), вып. 2, 139–170. [B. A. Venkov, On arithmetic group of automorphisms of indefinite quadratic forms, Izv. Math 1 (1937), no. 2, 139–170 (Russian)]
Э. Б. Винберг, Дискретные группы, порожденные отражениями в пространствах Лобачевского, Матем. Сб. 72(114) (1967), вып. 3, 471–488. Engl. transl.: È. B. Vinberg, Discrete groups generated by reflections in Lobachevskii spaces, Math. USSR-Sb. 1 (1967), no. 3, 429–444.
Э. Б. Винберг, О группах единиц некоторых квадратичных форм, Матем. Сб. 87(129) (1972), вып. 1, 18–36. Engl. transl.: È. B. Vinberg, On groups of unit elements of certain quadratic forms, Math. USSR-Sb. 16 (1972), no. 1, 17–35.
Э. Б. Винберг, Об унимодулярных целочисленных квадратичных формах, Функц. анализ и его прил. 6 (1972), no. 2, 24–31. Engl. transl.: È. B. Vinberg, On unimodular integral quadratic forms, Funct. Anal. Appl. 6 (1972), no. 2, 105–111.
_E. B. Vinberg, Some arithmetical discrete groups in Lobachevskii spaces, in: Discrete Subgroups of Lie Groups and Appl. to Moduli (Internat. Colloq., Bombay, 1973), Oxford Univ. Press, Bombay, 1975, pp. 323–348.
Э. Б. Винберг, И. М. Каплинская, О группах \( {\mathcal{O}}_{18,1}\left(\mathbb{Z}\right) \) u \( {\mathcal{O}}_{19,1}\left(\mathbb{Z}\right) \), ДАН 238 (1978), no. 6, 1273–1275. Engl. transl.: È. B. Vinberg, I. M. Kaplinskaja, The groups \( {\mathcal{O}}_{18,1}\left(\mathbb{Z}\right) \) and \( {\mathcal{O}}_{19,1}\left(\mathbb{Z}\right) \), Soviet Math. Dokl. 19 (1978), no. 1, 194–197.
Э. Б. Винберг, Отсутствие кристаллографических групп отражений в пространствах Лобачевского большой размерности, Тр. ММО 47 (1984), 68–102. Engl. transl.: È. B. Vinberg, The nonexistence of crystallographic groups of reflections in Lobachevskii spaces of large dimension, Trans. Mosc. Math. Soc. 1985 (1985), 75–112.
Э. Б. Винберг, Гиперболические группы отражений, УМН 40 (241) (1985), no. 1, 29–66. Engl. transl.: È. B. Vinberg, Hyperbolic reflection groups, Russian Math. Surveys 40 (1985), no. 1, 31–75.
E. B. Vinberg, Classification of 2-reflective hyperbolic lattices of rank 4, preprint 98–113, Univ. Bielefeld (1998).
Э. Б. Винберг, Классификация 2-рефлективных гиперболических решеток ранга 4, Тр. ММО 68 (2007), 44–76. Engl. transl.: È. B. Vinberg, Classification of 2-reflective hyperbolic lattices of rank 4, Trans. Mosc. Math. Soc. 68 (2007), 39–66.
Д. В. Алексеевский, Э. Б. Винберг, А. С. Солодовников, Геометрия пространств постоянной кривизны, Геометрия–2, Итоги науки и техн., Сер. Совр. пробл. матем., Фунд. направл., т. 29, ВИНИТИ, М., 1988, 5–146. Engl. transl.: D. V. Alekseevskii, A. S. Solodovnikov, È. B. Vinberg, Geometry of spaces of constant curvature, in: Geometry–II, Encycl. Math. Sci., Vol. 29, Springer-Verlag, Berlin, 1993, pp. 1–138.
Э. Б. Винберг, О. В. Шварцман, Дискретные группы движений пространств постоянной кривизны, Геометрия–2, Итоги науки и техн., Сер. Совр. пробл. матем., Фунд. направл., т. 29, ВИНИТИ, М., 1988, 147–259. Engl. transl.: O. V. Shvartsman, È. B. Vinberg, Discrete groups of motions of spaces of constant curvature, in: Geometry–II, Encycl. Math. Sci., Vol. 29, Springer-Verlag, Berlin, 1993, pp. 139–248.
C. Walhorn, Arithmetische Spiegelungsgruppen auf dem 4-dimensionalen hyperbolischen Raum, PhD thesis, Univ. Bielefeld, 1993.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Dedicated to the memory of Èrnest Borisovich Vinberg (1937–2020)
Publisher’s Note
Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
This work was supported by the RFBR grant 18-31-00427. A software implementation VinAl [9] used in this paper for testing a reflectivity of candidate-lattices (see Section 7) was supported by the Russian Science Foundation (Project no. 18-71-00153).
Rights and permissions
About this article
Cite this article
BOGACHEV, N. FROM GEOMETRY TO ARITHMETIC OF COMPACT HYPERBOLIC COXETER POLYTOPES. Transformation Groups 28, 77–105 (2023). https://doi.org/10.1007/s00031-022-09747-3
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s00031-022-09747-3