Тропическая геометрия
В математике , когда сложение заменяется минимизацией , тропическая геометрия — это изучение многочленов и их геометрических свойств а умножение заменяется обычным сложением:
Так, например, классический полином стал бы . Такие полиномы и их решения имеют важные приложения в задачах оптимизации, например, в задаче оптимизации времени отправления сети поездов.
Тропическая геометрия — это вариант алгебраической геометрии , в котором полиномиальные графы напоминают кусочно-линейные сетки и в котором числа принадлежат тропическому полукольцу , а не полю. Поскольку классическая и тропическая геометрия тесно связаны между собой, результаты и методы можно конвертировать между ними. Алгебраические многообразия можно сопоставить с тропическим аналогом, и, поскольку этот процесс все еще сохраняет некоторую геометрическую информацию об исходном многообразии, его можно использовать для доказательства и обобщения классических результатов алгебраической геометрии, таких как теорема Брилля – Нётер , с использованием инструментов тропической геометрии. [ 1 ]
История
[ редактировать ]Основные идеи тропического анализа были разработаны независимо друг от друга с использованием одних и тех же обозначений математиками, работающими в различных областях. [ 2 ] Центральные идеи тропической геометрии в различных формах проявились в ряде более ранних работ. Например, Виктор Павлович Маслов представил тропический вариант процесса интеграции. Он также заметил, что преобразование Лежандра и решения уравнения Гамильтона – Якоби являются линейными операциями в тропическом смысле. [ 3 ] Однако лишь с конца 1990-х годов были предприняты усилия по консолидации основных определений теории. Это было мотивировано его применением к перечислительной алгебраической геометрии с идеями Максима Концевича. [ 4 ] и произведения Григория Михалкина [ 5 ] среди других.
Прилагательное тропический было придумано французскими математиками в честь венгерского происхождения бразильского учёного-компьютерщика Имре Симона , писавшего в полевых условиях. Жан-Эрик Пин приписывает чеканку Доминику Перрену . [ 6 ] тогда как сам Симон приписывает это слово Кристиану Шоффруту. [ 7 ]
Алгебра фон
[ редактировать ]Тропическая геометрия основана на тропическом полукольце . Это определяется двумя способами, в зависимости от соглашения о максимальном или минимальном значении.
Минтропическое полукольцо – это полукольцо , с операциями:
Операции и называются тропическим сложением и тропическим умножением соответственно. Элемент идентификации для является и элемент идентификации для равен 0.
Аналогично, максимальное тропическое полукольцо — это полукольцо , с операциями:
Элемент идентификации для является и элемент идентификации для равен 0.
Эти полукольца изоморфны при отрицании и обычно выбирают одно из них и называют его просто тропическим полукольцом . Соглашения различаются между авторами и подполями: некоторые используют минимальное соглашение, некоторые — максимальное .
Операции тропического полукольца моделируют поведение оценок при сложении и умножении в значимом поле .
Некоторые общие поля значений, встречающиеся в тропической геометрии (с минимальным соглашением):
- или с тривиальной оценкой, для всех .
- или его расширения с p-адическим нормированием , для a и b взаимно просты с p .
- Поле серии Лорана (целые степени), или поле (комплексного) ряда Пюизо , при этом оценка возвращает наименьший показатель степени t, встречающийся в ряду.
Тропические полиномы
[ редактировать ]Тропический полином – это функция которая может быть выражена как тропическая сумма конечного числа мономиальных членов . Мономиальный член — это тропическое произведение (и/или частное) константы и переменных из . Таким образом, тропический многочлен F является минимумом конечного набора аффинно-линейных функций, в которых переменные имеют целые коэффициенты, поэтому он является вогнутым , непрерывным и кусочно-линейным . [ 8 ]
Учитывая многочлен f в кольце многочленов Лорана где K — значенное поле, f , тропикализация обозначаемая , — тропический полином, полученный из f путем замены умножения и сложения их тропическими аналогами и каждой константы в K ее оценкой. То есть, если
затем
Множество точек, в которых тропический многочлен F недифференцируем, называется ассоциированной с ним тропической гиперповерхностью и обозначается (по аналогии с исчезающим множеством многочлена). Эквивалентно, — это набор точек, в которых минимум среди членов F достигается как минимум дважды. Когда для полинома Лорана f эта последняя характеристика отражает тот факт, что при любом решении , минимальная оценка членов f должна быть достигнута как минимум дважды, чтобы все они сократились. [ 9 ]
Тропические сорта
[ редактировать ]Определения
[ редактировать ]Для X алгебраическое многообразие в алгебраическом торе , тропическая X разновидность или тропикализация X обозначаемая , , является подмножеством это можно определить несколькими способами. Эквивалентность этих определений называется Основной теоремой тропической геометрии . [ 9 ]
Пересечение тропических гиперповерхностей
[ редактировать ]Позволять — идеал полиномов Лорана, обращающихся в нуль на X в . Определять
Когда X — гиперповерхность, ее исчезающий идеал — главный идеал, порожденный полиномом Лорана f и тропическим многообразием это именно тропическая гиперповерхность .
Каждое тропическое многообразие представляет собой пересечение конечного числа тропических гиперповерхностей. Конечный набор полиномов называется тропическим базисом X , если является пересечением тропических гиперповерхностей . В общем, генераторная установка недостаточно для формирования тропической основы. Пересечение конечного числа тропических гиперповерхностей называется тропическим предмногообразием и, вообще говоря, не является тропическим многообразием. [ 9 ]
Первоначальные идеалы
[ редактировать ]Выбор вектора в определяет отображение из мономиальных членов к отправив термин m в . Для полинома Лорана , определите начальную форму f как сумму членов для f, которого является минимальным. Для идеала , определим свой первоначальный идеал относительно быть
Затем определите
Поскольку мы работаем в лорановском кольце, это то же самое, что набор весовых векторов, для которых не содержит монома.
Когда K имеет тривиальную оценку, именно является первоначальным идеалом относительно мономиального порядка, заданного весовым вектором . Отсюда следует, что является поклонником Грёбнера фаната .
Изображение карты оценки
[ редактировать ]Предположим, что X — многообразие над полем K нормировки v , образ которого плотен в (например, поле серии Пюизо). Действуя по координатам, v определяет отображение алгебраического тора к . Затем определите
где черта сверху указывает на замыкание в евклидовой топологии . Если оценка K не плотна в , то приведенное выше определение можно адаптировать, расширив скаляры до большего поля, которое действительно имеет плотную оценку.
Это определение показывает, что — неархимедова амеба над алгебраически замкнутым неархимедовым полем K . [ 10 ]
Если X — многообразие над , можно рассматривать как ограничивающий объект амебы поскольку основание t карты логарифма стремится к бесконечности. [ 11 ]
Полиэдрический комплекс
[ редактировать ]Следующая характеристика описывает тропические многообразия по существу без ссылки на алгебраические многообразия и тропикизацию. Набор V в является неприводимым тропическим многообразием, если оно является носителем весового многогранного комплекса чистой размерности d, удовлетворяющего условию нулевого натяжения и связного в коразмерности один. Когда d равно единице, условие нулевого напряжения означает, что вокруг каждой вершины взвешенная сумма исходящих направлений ребер равна нулю. Для более высокого измерения суммы берутся вокруг каждой ячейки измерения. после факторизации аффинного диапазона ячейки. [ 8 ] Свойство V связности в коразмерности один означает, что для любых двух точек, лежащих в ячейках размерности d , существует соединяющий их путь, не проходящий ни через какие ячейки размерности меньше . [ 12 ]
Тропические кривые
[ редактировать ]Особенно хорошо развито изучение тропических кривых (тропических разновидностей размерности один) и тесно связано с теорией графов . Например, теория делителей тропических кривых связана с играми со стрельбой чипами на графах, связанных с тропическими кривыми. [ 13 ]
Многие классические теоремы алгебраической геометрии имеют аналоги в тропической геометрии, в том числе:
- Теорема Паппа о шестиугольнике . [ 14 ]
- Теорема Безу .
- Формула степени -рода .
- Теорема Римана–Роха . [ 15 ]
- Групповой закон кубиков . [ 16 ]
Олег Виро использовал тропические кривые для классификации реальных кривых 7-й степени на плоскости с точностью до изотопии . Его метод лоскутного шитья дает процедуру построения реальной кривой данного изотопического класса на основе ее тропической кривой.
Приложения
[ редактировать ]Тропическая линия появилась в Пола Клемперера, схеме аукционов которую использовал Банк Англии во время финансового кризиса 2007 года. [ 17 ] Ёсинори Сиодзава определил субтропическую алгебру как полукольцо max-time или min-time (вместо max-plus и min-plus). Он обнаружил, что теорию рикардианской торговли (международная торговля без торговли ресурсами) можно интерпретировать как субтропическую выпуклую алгебру. [ 18 ] Тропическая геометрия также использовалась для анализа сложности нейронных сетей прямого распространения с активацией ReLU . [ 19 ]
Более того, в рамках тропической геометрии можно сформулировать и решить несколько задач оптимизации, возникающих, например, при планировании работ, анализе местоположения, транспортных сетях, принятии решений и динамических системах с дискретными событиями. [ 20 ] Тропический аналог карты Абеля-Якоби можно применить к кристаллическому дизайну. [ 21 ] веса во взвешенном преобразователе конечного состояния Часто требуется, чтобы представляли собой тропическое полукольцо. Тропическая геометрия может проявлять самоорганизованную критичность . [ 22 ]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Хартнетт, Кевин (5 сентября 2018 г.). «Модели Tinkertoy создают новые геометрические представления» . Журнал Кванта . Проверено 12 декабря 2018 г.
- ^ См. Кунингем-Грин, Раймонд А. (1979). Минимаксная алгебра . Конспект лекций по экономике и математическим наукам. Том. 166. Спрингер. ISBN 978-3-540-09113-4 и ссылки в нем.
- ^ Маслов, Виктор (1987). «О новом принципе суперпозиции для задач оптимизации». Российские математические обзоры . 42 (3): 43–54. Бибкод : 1987РуМаС..42...43М . дои : 10.1070/RM1987v042n03ABEH001439 . S2CID 250889913 .
- ^ Концевич Максим ; Сойбельман, Ян (7 ноября 2000 г.). «Гомологическая зеркальная симметрия и расслоения тора». arXiv : math/0011041 .
- ^ Михалкин, Григорий (2005). «Перечислительная тропическая алгебраическая геометрия в R 2 math / (PDF) . Журнал Американского математического общества . 18 (2): 313–377. arXiv : 0312530 . doi : 10.1090/S0894-0347-05-00477-7 .
- ^ Пин, Жан-Эрик (1998). "Тропические полукольца" (PDF) . В Гунавардене, Дж. (ред.). Идемпотентность . Публикации Института Ньютона. Том. 11. Издательство Кембриджского университета . стр. 50–69. дои : 10.1017/CBO9780511662508.004 . ISBN 9780511662508 .
- ^ Саймон, Имре (1988). «Узнаваемые множества с кратностями в тропическом полукольце». Математические основы информатики 1988 . Конспекты лекций по информатике . Том. 324. Берлин/Гейдельберг: Шпрингер. стр. 107–120. дои : 10.1007/BFb0017135 . ISBN 978-3-540-50110-7 .
- ^ Перейти обратно: а б Шпейер, Дэвид; Штурмфельс, Бернд (2009), «Тропическая математика» (PDF) , Mathematics Magazine , 82 (3): 163–173, doi : 10.1080/0025570X.2009.11953615 , S2CID 15278805
- ^ Перейти обратно: а б с Маклаган, Дайан ; Штурмфельс, Бернд (2015). Введение в тропическую геометрию . Американское математическое общество . ISBN 9780821851982 .
- ^ Михалкин, Григорий (2004). «Амебы алгебраических многообразий и тропическая геометрия». В Дональдсоне, Саймон ; Элиашберг, Яков ; Громов, Михаил (ред.). Разные грани геометрии . Международная математическая серия. Том. 3. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Kluwer Academic/Plenum. стр. 257–300. ISBN 978-0-306-48657-9 . Збл 1072.14013 .
- ^ Кац, Эрик (2017), «Что такое тропическая геометрия?» (PDF) , Уведомления Американского математического общества , 64 (4): 380–382, doi : 10.1090/noti1507
- ^ Картрайт, Дастин; Пейн, Сэм (2012), «Связность тропикализации», Mathematical Research Letters , 19 (5): 1089–1095, arXiv : 1204.6589 , Bibcode : 2012arXiv1204.6589C , doi : 10.4310/MRL.2012.v19.n5.a10 , S2CID 51767353
- ^ Хладки, Ян; Краль, Дэниел; Норина, Сергей (1 сентября 2013 г.). «Ранг дивизоров на тропических кривых». Журнал комбинаторной теории, серия А. 120 (7): 1521–1538. arXiv : 0709.4485 . дои : 10.1016/j.jcta.2013.05.002 . ISSN 0097-3165 . S2CID 3045053 .
- ^ Табера, Луис Фелипе (1 января 2005 г.). «Тропическая конструктивная теорема Паппа». Уведомления о международных математических исследованиях . 2005 (39): 2373–2389. arXiv : math/0409126 . дои : 10.1155/IMRN.2005.2373 . ISSN 1073-7928 . S2CID 14250249 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка ) - ^ Кербер, Майкл; Гатманн, Андреас (1 мая 2008 г.). «Теорема Римана – Роха в тропической геометрии». Математический журнал . 259 (1): 217–230. arXiv : math/0612129 . дои : 10.1007/s00209-007-0222-4 . ISSN 1432-1823 . S2CID 15239772 .
- ^ Чан, Мелоди ; Штурмфельс, Бернд (2013). «Эллиптические кривые в форме сот». В Бругалле, Эрван (ред.). Алгебраические и комбинаторные аспекты тропической геометрии. Материалы семинара CIEM по тропической геометрии, Международный центр математических встреч (CIEM), Кастро-Урдиалес, Испания, 12–16 декабря 2011 г. Современная математика. Том. 589. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество . стр. 87–107. arXiv : 1203.2356 . Бибкод : 2012arXiv1203.2356C . ISBN 978-0-8218-9146-9 . Коллекция 1312.14142 .
- ^ «Как геометрия пришла на помощь во время банковского кризиса» . Факультет экономики Оксфордского университета . Проверено 24 марта 2014 г.
- ^ Сиодзава, Ёсинори (2015). «Теория международной торговли и экзотические алгебры» . Обзор эволюционной и институциональной экономики . 12 (1): 177–212. дои : 10.1007/s40844-015-0012-3 . S2CID 155827635 . Это сборник проекта статьи Ю. Сиодзавы « Субтропическая выпуклая геометрия как рикардианская теория международной торговли ».
- ^ Чжан, Ливэнь; Найцат, Грегори; Лим, Лек-Хенг (2018). «Тропическая геометрия глубоких нейронных сетей» . Материалы 35-й Международной конференции по машинному обучению . 35-я Международная конференция по машинному обучению. стр. 5824–5832.
- ^ Кривулин, Николай (2014). «Задачи тропической оптимизации». У Леона А. Петросяна; Дэвид В.К. Юнг; Иосиф В. Романовский (ред.). Успехи экономики и оптимизации: Сборник научных исследований, посвящённый памяти Л. В. Канторовича . Нью-Йорк: Издательство Nova Science. стр. 195–214. arXiv : 1408.0313 . ISBN 978-1-63117-073-7 .
- ^ Сунада, Т. (2012). Топологическая кристаллография: взгляд на дискретный геометрический анализ . Обзоры и учебные пособия по прикладным математическим наукам. Том. 6. Спрингер Япония. ISBN 9784431541769 .
- ^ Калинин Н.; Гусман-Саенс, А.; Прието, Ю.; Школьников М.; Калинина В.; Луперсио, Э. (15 августа 2018 г.). «Самоорганизованная критичность и возникновение закономерностей через призму тропической геометрии» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (35): Е8135–Е8142. arXiv : 1806.09153 . Бибкод : 2018PNAS..115E8135K . дои : 10.1073/pnas.1805847115 . ISSN 0027-8424 . ПМК 6126730 . ПМИД 30111541 .
Ссылки
[ редактировать ]- Маслов, Виктор (1986). «Новый принцип суперпозиции для задач оптимизации», Семинар по уравнениям в частных производных 1985/6, Математический центр Политехнической школы, Палезо, презентация 24.
- Маслов, Виктор (1987). «Оперативные методы». Москва, Мир, 707 с. (См. главу 8, Линейная теория полумодулей, стр. 652–701).
- Богарт, Тристрам; Дженсен, Андерс; Шпейер, Дэвид; Штурмфельс, Бернд ; Томас, Рекха (2005). «Вычисление тропических разновидностей». Журнал символических вычислений . 42 (1–2): 54–73. arXiv : math/0507563 . Бибкод : 2005math......7563B . дои : 10.1016/j.jsc.2006.02.004 . S2CID 24788157 .
- Отшельник, Манфред; Капранов Михаил; Линд, Дуглас (2006). «Неархимедовы амебы и тропические разновидности». Дж. Рейн Анжью. Математика . 601 : 139–157. arXiv : math/0408311 . Бибкод : 2004math......8311E .
- Гатманн, Андреас (2006). «Тропическая алгебраическая геометрия». arXiv : math/0601322v1 .
- Гросс, Марк (2010). Тропическая геометрия и зеркальная симметрия . Провиденс, Род-Айленд: Опубликовано для Совета конференции математических наук Американским математическим обществом при поддержке Национального научного фонда. ISBN 9780821852323 .
- Итенберг, Илья; Григорий Михалкин; Евгений Шустин (2009). Тропическая алгебраическая геометрия (2-е изд.). Базель: Биркхойзер Базель. ISBN 9783034600484 . Коллекция 1165.14002 .
- Маклаган, Дайан; Штурмфельс, Бернд (2015). Введение в тропическую геометрию . Американское математическое соц. ISBN 9780821851982 .
- Михалкин, Григорий (2006). «Тропическая геометрия и ее приложения». arXiv : math/0601041v2 .
- Михалкин, Григорий (2004). «Перечислительная тропическая алгебраическая геометрия в R2». arXiv : math/0312530v4 .
- Михалкин, Григорий (2004). «Амебы алгебраических многообразий и тропическая геометрия». arXiv : math/0403015v1 .
- Пахтер, Лиор ; Штурмфельс, Бернд (2004). «Тропическая геометрия статистических моделей» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (46): 16132–16137. arXiv : q-bio/0311009 . Бибкод : 2004PNAS..10116132P . дои : 10.1073/pnas.0406010101 . ПМК 528960 . ПМИД 15534224 . Збл 1135.62302 .
- Шпейер, Дэвид Э. (2003). «Тропический Грассманиан». arXiv : math/0304218v3 .
- Шпейер, Дэвид; Штурмфельс, Бернд (2009) [2004]. «Тропическая математика». Журнал «Математика» . 82 (3): 163–173. arXiv : math/0408099 . дои : 10.4169/193009809x468760 . S2CID 119142649 . Збл 1227.14051 .
- Теобальд, Торстен (2003). «Первые шаги в тропической геометрии». arXiv : math/0306366v2 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Амини, Омид; Бейкер, Мэтью; Фабер, Ксандер, ред. (2013). Тропическая и неархимедова геометрия. Семинар Беллэрса по теории чисел, тропической и неархимедовой геометрии, Научно-исследовательский институт Беллэрса, Хоултаун, Барбадос, США, 6–13 мая 2011 г. Современная математика. Том. 605. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество . ISBN 978-1-4704-1021-6 . Збл 1281.14002 .
- Тропическая геометрия и зеркальная симметрия