В алгебраической геометрии аффинное алгебраическое множество — это множество общих нулей над алгебраически замкнутым полем k некоторого семейства многочленов в кольце многочленов. Аффинное многообразие или аффинное алгебраическое многообразие — это аффинное алгебраическое множество, такое что идеал, порожденный определяющими многочленами, является простым числом .
В некоторых текстах термин «многообразие» используется для обозначения любого алгебраического множества, а термин «неприводимое многообразие» — для обозначения алгебраического множества, определяющий идеал которого является простым числом (аффинное многообразие в указанном выше смысле).
В некоторых контекстах (см., например, Hilbert's Nullstellensatz ) полезно различать поле k , в котором рассматриваются коэффициенты, от алгебраически замкнутого поля K (содержащего k ), над которым рассматриваются общие нули (то есть точки аффинного алгебраического множества находятся в K n ). В этом случае говорят, что многообразие определено над k , а точки многообразия, принадлежащие k n , называются k -рациональными или рациональными над k . В общем случае, когда k — поле действительных чисел , k -рациональная точка называется действительной точкой . [1] Когда поле k не указано, рациональной точкой называется точка, которая рациональна над рациональными числами . Например, Великая теорема Ферма утверждает, что аффинное алгебраическое многообразие (оно является кривой), определяемое соотношением x n + y n − 1 = 0, не имеет рациональных точек для любого целого числа n, большего двух.
Аффинное алгебраическое множество — это множество решений в алгебраически замкнутом поле k системы полиномиальных уравнений с коэффициентами в k . Точнее, если — полиномы с коэффициентами в k , то они определяют аффинное алгебраическое множество
Аффинное (алгебраическое) многообразие — это аффинное алгебраическое множество, которое не является 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 фактор-кольцо называетсяКоординатное кольцо X. ЕслиX— аффинное многообразие, тоI— простое число, поэтому координатное кольцо являетсяобластью целостности. Элементы координатного кольцаRтакже называютсярегулярными функциямиилиполиномиальными функциямина многообразии. Они образуюткольцо регулярных функций на многообразии или, просто,кольцомногообразия; другими словами (см. #Структурный пучок), это пространство глобальных сечений структурного пучкаX.
Размерность многообразия — это целое число, связанное с каждым многообразием и даже с каждым алгебраическим множеством, важность которого обусловлена большим числом его эквивалентных определений (см. Размерность алгебраического многообразия ).
Для аффинного многообразия над алгебраически замкнутым полем K и подполем k поля K k - рациональная точка V — это точка То есть точка V , координаты которой являются элементами k . Совокупность k -рациональных точек аффинного многообразия V часто обозначается Часто, если базовым полем является комплексное поле C , точки, которые являются R -рациональными (где R — действительные числа ), называются действительными точками многообразия, а Q -рациональные точки ( Q — рациональные числа ) часто называются просто рациональными точками .
Например, (1, 0) является Q -рациональной и R -рациональной точкой многообразия , как оно есть в V , и все ее координаты являются целыми числами. Точка ( √ 2 /2, √ 2 /2) является действительной точкой V , которая не является Q -рациональной, и является точкой V , которая не является R -рациональной. Это многообразие называется окружностью , потому что множество ее R -рациональных точек является единичной окружностью . Оно имеет бесконечно много Q -рациональных точек, которые являются точками
где t — рациональное число.
Окружность является примером алгебраической кривой степени два, 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.
Комплексное многообразие не имеет R -рациональных точек, но имеет много комплексных точек.
Если V — аффинное многообразие в C 2 , определенное 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
Пусть V — аффинное многообразие, определяемое многочленами , и — точка V .
Матрица Якоби J V ( a ) точки V в точке a представляет собой матрицу частных производных
Точка a является регулярной , если ранг J V ( a ) равен коразмерности V , и особой в противном случае.
Если a регулярно, то касательное пространство к V в точке a является аффинным подпространством , определяемым линейными уравнениями [2]
Если точка является особой, то аффинное подпространство, определяемое этими уравнениями, некоторые авторы также называют касательным пространством, в то время как другие авторы говорят, что в особой точке нет касательного пространства. [3] Более внутреннее определение, которое не использует координаты, дается касательным пространством Зариского .
Аффинные алгебраические множества k n образуют замкнутые множества топологии на k n , называемой топологией Зарисского . Это следует из того факта, что и (фактически, счетное пересечение аффинных алгебраических множеств является аффинным алгебраическим множеством).
Топология Зарисского также может быть описана с помощью базовых открытых множеств , где открытые по Зарисскому множества являются счетными объединениями множеств вида для Эти базовые открытые множества являются дополнениями в k n замкнутых множеств нулевых локусов одного многочлена. Если k является нётеровым (например, если k является полем или областью главных идеалов ), то каждый идеал k является конечно-порожденным, поэтому каждое открытое множество является конечным объединением базовых открытых множеств.
Если V — аффинное подмногообразие k n , то топология Зарисского на V — это просто топология подпространства, унаследованная от топологии Зарисского на k n .
Геометрическая структура аффинного многообразия тесно 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 обращаются в нуль на V , и пусть обозначает радикал идеала I , множество многочленов f , для которых некоторая степень f принадлежит I . Причина, по которой базовое поле должно быть алгебраически замкнутым, заключается в том, что аффинные многообразия автоматически удовлетворяют nullstellensatz Гильберта : для идеала J из , где k — алгебраически замкнутое поле,
Радикальные идеалы (идеалы, которые являются своими собственными радикалами) из k[V] соответствуют алгебраическим подмножествам V . Действительно, для радикальных идеалов I и J , 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) , множество всех функций, которые также обращаются в нуль во всех точках W , является обратной функцией функции, сопоставляющей алгебраическое множество радикальному идеалу, с помощью nullstellensatz. Следовательно, соответствие между аффинными алгебраическими множествами и радикальными идеалами является биекцией. Координатное кольцо аффинного алгебраического множества является редуцированным (нильпотентно свободным), как идеал I в кольце R является радикальным тогда и только тогда, когда фактор-кольцо R/I является редуцированным.
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 является первичным. Аффинные подмногообразия — это в точности те, координатное кольцо которых является областью целостности. Это происходит потому, что идеал является первичным тогда и только тогда, когда фактор кольца по идеалу является областью целостности.
Максимальные идеалы k[V] соответствуют точкам V . Если I и J являются радикальными идеалами, то тогда и только тогда, когда Поскольку максимальные идеалы радикальны, максимальные идеалы соответствуют минимальным алгебраическим множествам (тем, которые не содержат собственных алгебраических подмножеств), которые являются точками в V . Если V является аффинным многообразием с координатным кольцом, то это соответствие становится явным с помощью отображения , где обозначает образ в фактор-алгебре R многочлена Алгебраическое подмножество является точкой тогда и только тогда, когда координатное кольцо подмножества является полем, так как фактор кольца по максимальному идеалу является полем.
Следующая таблица суммирует это соответствие для алгебраических подмножеств аффинного многообразия и идеалов соответствующего координатного кольца:
Произведение аффинных многообразий можно определить с помощью изоморфизма A n × A m = A n + m , а затем вложить произведение в это новое аффинное пространство. Пусть A n и A m имеют координатные кольца k [ x 1 ,..., x n ] и k [ y 1 ,..., y m ] соответственно, так что их произведение A n + m имеет координатное кольцо k [ x 1 ,..., x n , y 1 ,..., y m ] . Пусть V = V ( f 1 ,..., f N ) — алгебраическое подмножество A n , а W = V ( g 1 ,..., g M ) — алгебраическое подмножество A m . Тогда каждый f i является многочленом от k [ x 1 ,..., x n ] , а каждый g j принадлежит k [ y 1 ,..., y m ] . Произведение V и W определяется как алгебраическое множество V × W = V ( f 1 ,..., f N , g 1 , ..., g M ) в A n + m . Произведение неприводимо, если каждое V , W неприводимо . [4]
Топология Зарисского на A n × A m не является топологическим произведением топологий Зарисского на двух пространствах. Действительно, топология произведения порождается произведениями базовых открытых множеств U f = A n − V ( f ) и T g = A m − V ( g ). Следовательно, многочлены, которые находятся в k [ x 1 ,..., x n , y 1 ,..., y m ], но не могут быть получены как произведение многочлена из k [ x 1 ,..., x n ] на многочлен из k [ y 1 ,..., y m ], будут определять алгебраические множества, которые находятся в топологии Зарисского на A n × A m , но не в топологии произведения.
Морфизм, или регулярное отображение, аффинных многообразий — это функция между аффинными многообразиями, которая является полиномиальной по каждой координате: точнее, для аффинных многообразий V ⊆ k n и W ⊆ k m 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 в 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. Вследствие этого, а также того факта, что существует взаимно однозначное соответствие между аффинными многообразиями над k и их координатными кольцами, категория аффинных многообразий над k является двойственной к категории координатных колец аффинных многообразий над k . Категория координатных колец аффинных многообразий над k — это в точности категория конечно порожденных, свободных от нильпотентности алгебр над k .
Точнее, для каждого морфизма φ : V → W аффинных многообразий существует гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] между координатными кольцами (идущий в противоположном направлении), и для каждого такого гомоморфизма существует морфизм многообразий, связанных с координатными кольцами. Это можно показать явно: пусть V ⊆ k n и W ⊆ k m — 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 многочленов θ : k [ Y 1 , ..., Y m ] / J → k [ X 1 , ..., X n ] / I однозначно пропускается 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 , ..., Y m . Следовательно, каждый гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] однозначно соответствует выбору образа для каждого Y i . Тогда для любого морфизма 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. Зеркально отражая абзац выше, гомоморфизм φ # : k [ W ] → k [ V ] переводит Y i в многочлен от k [ V ] . Это соответствует морфизму многообразий φ : V → W , определяемому формулой φ ( a 1 , ... , an ) = ( f 1 ( a 1 , ..., an ) , ..., f m ( a 1 , ..., an ) ).
Аффинное многообразие, снабженное структурным пучком, описанным ниже, является локально окольцованным пространством .
Для аффинного многообразия X с координатным кольцом A пучок k -алгебр определяется следующим образом: пусть — кольцо регулярных функций на U .
Пусть D ( f ) = { x | f ( x ) ≠ 0 } для каждого f из A . Они образуют базу для топологии X и, таким образом, определяются ее значениями на открытых множествах D ( f ). (См. также: пучок модулей#Пучок, связанный с модулем .)
Ключевым фактом, который существенным образом опирается на теорему Гильберта о нулях , является следующее:
Утверждение — для любого f из A.
Доказательство: [5] Включение ⊃ очевидно. Для противоположного пусть g находится в левой части и , что является идеалом. Если x принадлежит D ( f ), то, поскольку g является регулярным вблизи x , существует некоторая открытая аффинная окрестность D ( h ) точки x такая, что ; то есть h m g принадлежит A и, таким образом, x не принадлежит V ( J ). Другими словами, и, таким образом, из нулевого предложения Гильберта следует, что f принадлежит радикалу J ; то есть, .
Это утверждение, прежде всего, подразумевает, что X является «локально окольцованным» пространством, поскольку
где . Во-вторых, утверждение подразумевает, что является пучком; действительно, оно говорит, что если функция регулярна (поточечно) на D ( f ), то она должна находиться в координатном кольце D ( f ); то есть «регулярность» может быть склеена.
Следовательно, — локально окольцованное пространство.
Теорема Серра дает когомологическую характеристику аффинного многообразия; она утверждает, что алгебраическое многообразие является аффинным тогда и только тогда, когда для любого и любого квазикогерентного пучка F на X. (ср. теорему Картана B. ) Это делает когомологическое исследование аффинного многообразия несуществующим, в резком контрасте с проективным случаем, в котором группы когомологий линейных расслоений представляют центральный интерес.
Аффинное многообразие G над алгебраически замкнутым полем k называется аффинной алгебраической группой, если оно имеет:
Вместе они определяют групповую структуру на многообразии. Вышеуказанные морфизмы часто записываются с использованием обычных групповых обозначений: μ ( f , g ) можно записать как f + g , f ⋅ g или fg ; обратное ι ( g ) можно записать как − g или g −1 . Используя мультипликативную нотацию, законы ассоциативности, тождественности и обратного можно переписать как: f ( gh ) = ( fg ) h , ge = eg = g и gg −1 = g −1 g = e .
Наиболее ярким примером аффинной алгебраической группы является GL n ( k ), общая линейная группа степени n . Это группа линейных преобразований векторного пространства k n ; если базис k n фиксирован , это эквивалентно группе обратимых матриц 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 , поскольку группы типа Ли представляют собой все множества F q -рациональных точек аффинной алгебраической группы, где F q — конечное поле.
Оригинальная статья была написана как частичный человеческий перевод соответствующей французской статьи.