Аффинное разнообразие
В алгебраической геометрии аффинное алгебраическое множество — это множество общих нулей над алгебраически замкнутым полем k некоторого семейства многочленов в кольце полиномов. Аффинное многообразие или аффинное алгебраическое многообразие — это аффинное алгебраическое множество, в котором идеал, порожденный определяющими полиномами, является простым .
В некоторых текстах термин «многообразие» используется для обозначения любого алгебраического множества, а термин «неприводимое многообразие» — это алгебраическое множество, определяющий идеал которого является простым (аффинное многообразие в указанном выше смысле).
В некоторых контекстах (см., например, Nullstellensatz Гильберта ) полезно отличать поле k , в котором рассматриваются коэффициенты, от алгебраически замкнутого поля K (содержащего k ), над которым рассматриваются общие нули (т. е. точки аффинного алгебраического множества лежат в K н ). В этом случае говорят, что многообразие определено над k , а точки многообразия, принадлежащие k, н называются k -рациональными или рациональными над k . В общем случае, когда k — поле действительных чисел , k -рациональная точка называется вещественной точкой . [1] Если поле k не указано, рациональная точка — это точка, рациональная относительно рациональных чисел . Например, Великая теорема Ферма утверждает, что аффинное алгебраическое многообразие (это кривая), определенное x н + и н − 1 = 0 не имеет рациональных точек для любого целого числа n, большего двух.
Введение
[ редактировать ]Аффинное алгебраическое множество — это множество решений в алгебраически замкнутом поле k системы полиномиальных уравнений с коэффициентами из k . Точнее, если являются полиномами с коэффициентами из k , они определяют аффинное алгебраическое множество
Аффинное (алгебраическое) многообразие — это аффинное алгебраическое множество, не являющееся объединением двух собственных аффинных алгебраических подмножеств. Такое аффинное алгебраическое множество часто называют неприводимым .
Если X — аффинное алгебраическое множество, а I — идеал всех многочленов, равных нулю на X , то факторкольцо называется координатное кольцо X . Если X — аффинное многообразие, то I — простое число, поэтому координатное кольцо является областью целостности . Элементы координатного кольца R называются также регулярными функциями или полиномиальными функциями на многообразии. Они образуют кольцо регулярных функций на многообразии или просто кольцо многообразия ; другими словами (см. #Структурный пучок ), это пространство глобальных секций структурного X. пучка
Размерность многообразия — это целое число, связанное с каждым многообразием и даже с каждым алгебраическим множеством, важность которого зависит от большого числа его эквивалентных определений (см. Размерность алгебраического многообразия ).
Примеры
[ редактировать ]- Дополнение к гиперповерхности в аффинном многообразии X (то есть X \ { f = 0 } для некоторого многочлена f ) является аффинным. Его определяющие уравнения получаются путем насыщения f определяющего идеала X . Таким образом, координатное кольцо является локализацией .
- В частности, (аффинная линия с удаленным началом координат) является аффинной.
- С другой стороны, (аффинная плоскость с удаленным началом координат) не является аффинным многообразием; ср. Теорема Хартогса о продолжении .
- Подмногообразия коразмерности один в аффинном пространстве являются в точности гиперповерхностями, то есть многообразиями, определяемыми одним полиномом.
- Нормализация ; неприводимого аффинного многообразия аффинна координатное кольцо нормализации является целым замыканием координатного кольца многообразия. (Аналогично, нормализация проективного многообразия является проективным многообразием.)
Рациональные точки
[ редактировать ]Для аффинного сорта алгебраически замкнутым полем K и подполем k поля K k над - рациональной точкой поля V является точка То есть точка V , координаты которой являются элементами k . Совокупность k -рациональных точек аффинного многообразия V часто обозначается Часто, если базовым полем являются комплексные числа C , точки, которые являются R -рациональными (где R — действительные числа ), называются вещественными точками многообразия, а Q -рациональные точки ( Q — рациональные числа ) часто называют просто рациональными. точки .
Например, (1, 0) — Q -рациональная и R -рациональная точки многообразия как и в V , и все его координаты являются целыми числами. Точка ( √ 2/2 , √ 2/2 ) является вещественной точкой V , которая не является Q -рациональной, и — точка V , не являющаяся R -рациональной. Это многообразие называется окружностью , поскольку множество его R -рациональных точек есть единичная окружность . Он имеет бесконечно много Q -рациональных точек, которые являются точками
где t — рациональное число.
Круг является примером алгебраической кривой второй степени, не имеющей Q -рациональной точки. Это можно вывести из того факта, что по модулю 4 сумма двух квадратов не может быть равна 3 .
Можно доказать, что алгебраическая кривая степени два с Q -рациональной точкой имеет бесконечно много других Q -рациональных точек; каждая такая точка является второй точкой пересечения кривой и прямой с рациональным наклоном, проходящей через рациональную точку.
Сложный сорт не имеет R -рациональных точек, но имеет много комплексных точек.
Если V — аффинное многообразие в C 2 определенные над комплексными числами C , R -рациональные точки V можно нарисовать на листе бумаги или с помощью графического программного обеспечения. На рисунке справа показаны R -рациональные точки
Особые точки и касательное пространство
[ редактировать ]Пусть V — аффинное многообразие, определенное полиномами и точкой V. быть
Матрица Якоби J V ( a ) V a в точке является матрицей частных производных
Точка a является регулярной если ранг J V ( a ) равен коразмерности V , , и сингулярной в противном случае.
Если a регулярно, касательное пространство к V в точке a является подпространством аффинным определяется линейными уравнениями [2]
Если точка особая, некоторые авторы также называют аффинное подпространство, определенное этими уравнениями, касательным пространством, в то время как другие авторы говорят, что в особой точке нет касательного пространства. [3] Более внутреннее определение, в котором не используются координаты, дается касательным пространством Зарисского .
Топология Зариского
[ редактировать ]Аффинные алгебраические множества k н образуют замкнутые множества топологии на k н , называемая топологией Зариского . Это следует из того, что и (фактически счетное пересечение аффинных алгебраических множеств является аффинным алгебраическим множеством).
Топологию Зариского можно также описать с помощью базисных открытых множеств , где множества, открытые по Зарисскому, представляют собой счетные объединения множеств вида для Эти основные открытые множества являются дополнениями в k н из закрытых наборов нулевые локусы одного многочлена. Если k нётерово . (например, если k — поле или область главных идеалов ), то каждый идеал k конечно порожден, поэтому каждое открытое множество является конечным объединением основных открытых множеств
Если V — аффинное подмногообразие в k н топология Зариского на V — это просто топология подпространства, унаследованная от топологии Зарисского на k н .
Соответствие геометрии и алгебры
[ редактировать ]Геометрическая структура аффинного многообразия глубоко связана с алгебраической структурой его координатного кольца. Пусть I и J — идеалы k[V] координатного кольца аффинного многообразия V. — Пусть I(V) — множество всех многочленов из которые исчезают на V , и пусть обозначают радикал идеала I , набор многочленов f, некоторая степень f находится в I. для которых Причина, по которой базовое поле должно быть алгебраически замкнутым, заключается в том, что аффинные многообразия автоматически удовлетворяют nullstellensatz Гильберта : для идеала J в где k — алгебраически замкнутое поле,
Радикальные идеалы (идеалы, являющиеся собственными радикалами) из k[V] соответствуют алгебраическим подмножествам V . Действительно, для радикальных I и J идеалов тогда и только тогда, когда Следовательно, V(I)=V(J) тогда и только тогда, когда I=J . Более того, функция, берущая аффинное алгебраическое множество W и возвращающая I(W) , набор всех функций, которые также обращаются в нуль во всех точках W , является обратной функцией, присваивающей алгебраическое множество радикальному идеалу с помощью nullstellensatz. Следовательно, соответствие между аффинными алгебраическими множествами и радикальными идеалами является биекцией. Координатное кольцо аффинного алгебраического множества редуцировано ( безнильпотентно), поскольку идеал I в кольце R радикален тогда и только тогда, когда факторкольцо R/I редуцировано.
Первичные идеалы координатного кольца соответствуют аффинным подмногообразиям. Аффинное алгебраическое множество V(I) можно записать как объединение двух других алгебраических множеств тогда и только тогда, когда I = JK для собственных идеалов J и K, не равных I (в этом случае ). Это так тогда и только тогда, когда I не простое число. Аффинными подмногообразиями являются именно те, координатное кольцо которых является областью целостности. Это связано с тем, что идеал является простым тогда и только тогда, когда фактор кольца по идеалу является областью целостности.
Максимальные идеалы k[V] соответствуют точкам V . Если I и J — радикальные идеалы, то тогда и только тогда, когда Поскольку максимальные идеалы радикальны, максимальные идеалы соответствуют минимальным алгебраическим множествам (тех, которые не содержат собственных алгебраических подмножеств), которые являются точками в V . Если V — аффинное многообразие с координатным кольцом это соответствие становится явным через карту где обозначает образ в факторалгебре R многочлена Алгебраическое подмножество является точкой тогда и только тогда, когда координатное кольцо подмножества является полем, поскольку фактор кольца по максимальному идеалу является полем.
В следующей таблице суммировано это соответствие для алгебраических подмножеств аффинного многообразия и идеалов соответствующего координатного кольца:
Тип алгебраического набора | Тип идеала | Тип координатного кольца |
---|---|---|
аффинное алгебраическое подмножество | радикальный идеал | уменьшенное кольцо |
аффинное подмногообразие | главный идеал | область целостности |
точка | максимальный идеал | поле |
Продукция аффинных сортов
[ редактировать ]Произведение аффинных многообразий можно определить с помощью изоморфизма A н × А м = А п + м , а затем встраиваем продукт в это новое аффинное пространство. Пусть А н и А м имеют координатные кольца k [ x1 соответственно ,..., и k , [ y1 xn ... ] ] , ,ym так что их произведение A п + м имеет координатное кольцо k [ x 1 ,..., x n , y 1 ,..., y m ] . Пусть V = V ( f 1 ,..., f N ) — алгебраическое подмножество A н , и W = V ( g 1 ,..., g M ) — алгебраическое подмножество A м . Тогда каждый f i является полиномом от k [ x 1 ,..., x n ] , а каждый g j находится от k [ y 1 ,..., y m ] . Произведение N , V и W определяется как алгебраическое множество V × W = V ( f 1 ,..., g , M 1 , ... g ) f в A п + м . Произведение неприводимо, если каждое V , W неприводимо. [4]
Топология Зарисского на A н × А м не является топологическим произведением топологий Зариского в двух пространствах. Действительно, топология произведения порождается произведениями базисных открытых множеств U f = A н - V ( ж ) и Т г знак равно А м - В ( г ). Следовательно, полиномы, которые находятся в k [ x 1 ,..., x n , y 1 ,..., y m ], но не могут быть получены как произведение полинома от k [ x 1 ,..., x n ] с полиномом от k [ y 1 ,..., y m ] определит алгебраические множества, находящиеся в топологии Зарисского на A н × А м , но не в топологии продукта.
Морфизмы аффинных многообразий
[ редактировать ]Морфизм или регулярное отображение аффинных многообразий — это функция между аффинными многообразиями, полиномиальная по каждой координате: точнее, для аффинных многообразий V ⊆ k н и W ⊆ k м , морфизм из V в W — это отображение φ : V → W вида φ ( a 1 , ..., ) an = ( f 1 ( a 1 , ..., ) an , ..., f m ( a 1 , ..., an ) ), где f i ∈ k [ X 1 , ..., X n ] для каждого i = 1, ..., m . Это морфизмы из категории аффинных многообразий.
Существует взаимно однозначное соответствие между морфизмами аффинных многообразий над алгебраически замкнутым полем k и гомоморфизмами координатных колец аффинных многообразий над k, идущими в противоположном направлении. В силу этого, а также наличия взаимно однозначного соответствия между аффинными многообразиями над категории координатных колец аффинных k и их координатными кольцами, категория аффинных многообразий над k двойственна многообразий над k . Категория координатных колец аффинных многообразий над k — это в точности категория конечно порожденных нильпотентно-свободных алгебр над k .
Точнее, для каждого морфизма φ : V → W аффинных многообразий существует гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] между координатными кольцами (идущими в противоположном направлении), и для каждого такого гомоморфизма существует морфизм многообразий, ассоциированных с координатными кольцами. Это можно показать явно: пусть V ⊆ k н и W ⊆ k м — аффинные многообразия с координатными кольцами k [ V ] = k [ X 1 , ..., X n ] / I и k [ W ] = k [ Y 1 , ..., Y m ] / J соответственно. Пусть φ : V → W — морфизм. Действительно, гомоморфизм между кольцами полиномов θ : k [ Y 1 , ..., Y m ] / J → k [ X 1 , ..., X n ] / I факторизуется однозначно через кольцо k [ X 1 , .. ., X n ], а гомоморфизм ψ : k [ Y 1 , ..., Y m ] / J → k [ X 1 , ..., X n ] однозначно определяется образами Y 1 , .. ., Ю м . Следовательно, каждый гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] однозначно соответствует выбору изображения для каждого Y i . Тогда по любому морфизму φ = ( f 1 , ..., f m ) из V в W можно построить гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] который отправляет Y i в где — класс эквивалентности f i в k [ V ].
Аналогично для каждого гомоморфизма координатных колец можно построить морфизм аффинных многообразий в противоположном направлении. Отражая предыдущий абзац, гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] sends Y i to a polynomial в k [ V ] . Это соответствует морфизму многообразий φ : V → W определенному формулой φ ( a 1 , ... , an , ) = ( f 1 ( a 1 , ..., an n ), ..., f m ( a 1 , ..., а н )).
Связка структуры
[ редактировать ]Аффинное многообразие, оснащенное структурным пучком, описанным ниже, представляет собой локально окольцованное пространство .
Для аффинного многообразия X с координатным кольцом A пучок k -алгебр определяется путем разрешения — кольцо регулярных функций на U .
Пусть D ( f ) = { x | ж ( Икс ) ≠ 0 } для каждого f в A . Они образуют основу топологии X и, следовательно, определяется его значениями на открытых множествах D ( f ). (См. также: пучок модулей#Пучок, связанный с модулем .)
Ключевой факт, который опирается на Гильберта nullstellensatz по существу , заключается в следующем:
Требовать - для любого f в A .
Доказательство: [5] Включение ⊃ очевидно. В противоположном случае, пусть g находится в левой части и , что является идеалом. Если x находится в D ( f ), то, поскольку g регулярен вблизи x , существует некоторая открытая аффинная окрестность D ( h ) точки x такая, что ; то есть, ч м g находится в A и, следовательно, x не находится в V ( J ). Другими словами, и, таким образом, из Гильберта nullstellensatz следует, что f находится в радикале J ; то есть, .
Из утверждения, прежде всего, следует, что X является «локально окольцованным» пространством, поскольку
где . Во-вторых, из утверждения следует, что представляет собой пучок; действительно, там говорится, что если функция является регулярной (поточечно) на D ( f ), то она должна находиться в координатном кольце D ( f ); то есть «регулярность» можно объединить.
Следовательно, представляет собой локально окольцованное пространство.
Теорема Серра об аффинности
[ редактировать ]Теорема Серра дает когомологическую характеристику аффинного многообразия; он говорит, что алгебраическое многообразие аффинно тогда и только тогда, когда для любого и любой квазикогерентный пучок F на X . (ср. теорему Картана B. ) Это делает когомологическое исследование аффинного многообразия несуществующим, что резко контрастирует с проективным случаем, в котором группы когомологий линейных расслоений представляют центральный интерес.
Аффинные алгебраические группы
[ редактировать ]Аффинное многообразие G над алгебраически замкнутым полем k называется аффинной алгебраической группой, если оно имеет:
- Умножение µ µ : G × G → G , которое является регулярным морфизмом, который следует аксиоме ассоциативности , то есть такой, что µ ( для ( f , g ), ) = µ ( f , µ ( g , h )) h все точки f , g и h в G ;
- Единичный элемент e такой, что µ ( e , g ) = µ ( g , e ) = g для каждого g в G ;
- Обратный морфизм , регулярная биекция ι : G → G такая, что µ ( ι ( g ), g ) = ( g , ι ( g ) ) = e для каждого g в G. µ
Вместе они определяют групповую структуру сорта. Вышеупомянутые морфизмы часто записываются с использованием обычных групповых обозначений: µ ( f , g ) можно записать f + g , f ⋅ g или fg как ; обратное ι ( g ) можно записать как − g или g −1 . Используя мультипликативную запись, законы ассоциативности, тождества и обратные можно переписать как: f ( gh ) = ( fg ) h , ge = eg = g и gg −1 = г −1 г знак равно е .
Наиболее ярким примером аффинной алгебраической группы является GL n ( k ), общая линейная группа степени n . Это группа линейных преобразований векторного пространства k н ; если базис k н , фиксировано, это эквивалентно группе обратимых матриц размера n × n с элементами в k . Можно показать, что любая аффинная алгебраическая группа изоморфна подгруппе GL n ( k ) . По этой причине аффинные алгебраические группы часто называют линейными алгебраическими группами .
Аффинные алгебраические группы играют важную роль в классификации конечных простых групп , так как группы лиева типа — это все множества F q -рациональных точек аффинной алгебраической группы, где F q — конечное поле.
Обобщения
[ редактировать ]- Если автор требует, чтобы базовое поле аффинного многообразия было алгебраически замкнутым (как это делается в этой статье), то неприводимые аффинные алгебраические множества над неалгебраически замкнутыми полями являются обобщением аффинных многообразий. Это обобщение, в частности, включает в себя аффинные многообразия над действительными числами .
- Аффинное многообразие играет роль локальной карты алгебраических многообразий ; то есть общие алгебраические многообразия, такие как проективные многообразия, получаются склейкой аффинных многообразий. Линейные структуры, присоединенные к многообразиям, также (тривиально) являются аффинными многообразиями; например, касательные пространства, слои алгебраических векторных расслоений .
- Аффинное многообразие — частный случай аффинной схемы — локально-кольцевого пространства, изоморфного спектру коммутативного кольца (с точностью до эквивалентности категорий ). С каждым аффинным многообразием связана аффинная схема: если V(I) — аффинное многообразие в k н с координатным кольцом R = k [ x 1 , ..., x n ] / I , то схемой, соответствующей V(I), является Spec( R ), множество простых идеалов R . Аффинная схема имеет «классические точки», соответствующие точкам многообразия (и, следовательно, максимальным идеалам координатного кольца многообразия), а также точку для каждого замкнутого подмногообразия многообразия (эти точки соответствуют простым, не- максимальные идеалы координатного кольца). Это создает более четкое понятие «общей точки» аффинного многообразия путем присвоения каждому замкнутому подмногообразию открытой точки, плотной в этом подмногообразии. В более общем смысле, аффинная схема является аффинным многообразием, если она приведена , неприводима и имеет конечный тип над алгебраически замкнутым полем k .
Примечания
[ редактировать ]- ^ Рид (1988)
- ^ Милн (2017) , Гл. 5
- ^ Рид (1988) , с. 94.
- ^ Это связано с тем, что над алгебраически замкнутым полем тензорное произведение областей целостности является областью целостности; см. целостный домен#Свойства .
- ^ Мамфорд 1999 , гл. I, § 4. Предложение 1.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]Оригинальная статья была написана как частичный перевод соответствующей французской статьи.
- Хартсхорн, Робин (1977), Алгебраическая геометрия , Тексты для аспирантов по математике , том. 52, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN. 978-0-387-90244-9 , МР 0463157
- Фултон, Уильям (1969). Алгебраические кривые (PDF) . Аддисон-Уэсли. ISBN 0-201-510103 .
- Милн, Джеймс С. (2017). «Алгебраическая геометрия» (PDF) . www.jmilne.org . Проверено 16 июля 2021 г.
- Милн, Джеймс С. Лекции по этальным когомологиям
- Мамфорд, Дэвид (1999). Красная книга разновидностей и схем: включает Мичиганские лекции (1974 г.) о кривых и их якобианах . Конспект лекций по математике. Том. 1358 г. (2-е изд.). Спрингер-Верлаг . дои : 10.1007/b62130 . ISBN 354063293X .
- Рид, Майлз (1988). Бакалавриат по алгебраической геометрии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-35662-8 .