LINEAR SYSTEMS ON IRREDUCIBLE HOLOMORPHIC SYMPLECTIC MANIFOLDS

In this thesis we study some complete linear systems associated to divisors of Hilbert schemes of 2 points on complex projective K3 surfaces with Picard group of rank 1, together with the rational maps induced. We call these varieties Hilbert squares of generic K3 surfaces, and they are examples of irreducible holomorphic symplectic (IHS) manifold. In the first part of the thesis, using lattice theory, Nakajima operators and the model of Lehn–Sorger, we give a basis for the subvector space of the singular cohomology ring with rational coefficients generated by rational Hodge classes of type (2, 2) on the Hilbert square of any projective K3 surface. We then exploit a theorem by Qin and Wang together with a result by Ellingsrud, Göttsche and Lehn to obtain a basis of the lattice of integral Hodge classes of type (2, 2) on the Hilbert square of any projective K3 surface. In the second part of the thesis we study the following problem: if X is the Hilbert square of a generic K3 surface admitting an ample divisor D with q(D)=2, where q is the Beauville–Bogomolov–Fujiki form, describe geometrically the rational map induced by the complete linear system |D|. The main result of the thesis shows that such an X, except on the case of the Hilbert square of a generic quartic surface of P^3, is a double EPW sextic, i.e., the double cover of an EPW sextic, a normal hypersurface of P^5, ramified over its singular locus. Moreover, the rational map induced by |D| is a morphism and coincides exactly with this double covering. The main tools to obtain this result are the description of integral Hodge classes of type (2, 2) of the first part of the thesis and the existence of an anti-symplectic involution on such varieties due to a theorem by Boissière, Cattaneo, Nieper-Wißkirchen and Sarti.

In questa tesi studiamo alcuni sistemi lineari completi associati a divisori di schemi di Hilbert di 2 punti su una superficie K3 proiettiva complessa con gruppo di Picard di rango 1, e le mappe razionali indotte. Queste varietà sono chiamate quadrati di Hilbert su superfici K3 generiche, e sono esempi di varietà irriducibili olomorfe simplettiche (varietà IHS). Nella prima parte della tesi, usando la teoria dei reticoli, gli operatori di Nakajima e il modello di Lehn–Sorger, diamo una base per il sottospazio vettoriale dell’anello di coomologia singolare a coefficienti razionali generato dalle classi di Hodge razionali di tipo (2, 2) sul quadrato di Hilbert di una qualsiasi superficie K3 proiettiva. In seguito sfruttiamo un teorema di Qin e Wang insieme a un risultato di Ellingsrud, Göttsche e Lehn per ottenere una base del reticolo delle classi di Hodge integrali di tipo (2, 2) sul quadrato di Hilbert di una qualsiasi superficie K3 proiettiva. Nella seconda parte della tesi studiamo il problema seguente: se X è il quadrato di Hilbert di una superficie K3 generica che ammette un divisore ampio D con q(D) = 2, dove q è la forma quadratica di Beauville-Bogomolov-Fujiki, descrivere geometricamente la mappa razionale indotta dal sistema lineare completo |D|. Il risultato principale della tesi mostra che tale X, tranne nel caso del quadrato di Hilbert di una superficie quartica generica di P^3, è una doppia EPW sestica, cioè il ricoprimento doppio di una EPW sestica, una ipersuperficie normale di P^5, ramificato nel suo luogo singolare. Inoltre la mappa razionale indotta da |D| coincide proprio con tale ricoprimento doppio. Gli strumenti principali per ottenere questo risultato sono la descrizione del reticolo delle classi integrali di Hodge di tipo (2, 2) della prima parte della tesi e l’esistenza di un’involuzione anti-simplettica su tali varietà per un teorema di Boissière, Cattaneo, Nieper-Wißkirchen e Sarti.