Связь между алгебраическими многообразиями и полиномиальными идеалами
В математике теорема о нулях Гильберта (по-немецки «теорема о нулях» или, более буквально, «теорема о нулевом локусе») — это теорема, устанавливающая фундаментальную связь между геометрией и алгеброй . Эта связь является основой алгебраической геометрии . Она связывает алгебраические множества с идеалами в кольцах полиномов над алгебраически замкнутыми полями . Эта связь была обнаружена Давидом Гильбертом , который доказал теорему о нулях в своей второй крупной работе по теории инвариантов в 1893 году (после своей основополагающей работы 1890 года, в которой он доказал теорему Гильберта о базисе ).
Формулировка
Пусть будет полем (например, рациональными числами ) и будет алгебраически замкнутым расширением поля (например, комплексными числами ). Рассмотрим кольцо многочленов и пусть будет идеалом в этом кольце. Алгебраическое множество , определяемое этим идеалом, состоит из всех -кортежей в таких, что для всех в .В Nullstellensatz Гильберта утверждается, что если p — некоторый многочлен от , который обращается в нуль на алгебраическом множестве , т.е. для всех в , то существует натуральное число такое, что находится в . [1]
Непосредственным следствием является слабое предложение Nullstellensatz : идеал содержит 1 тогда и только тогда, когда многочлены в I не имеют общих нулей в K n . Слабое предложение Nullstellensatz можно также сформулировать следующим образом: если I — собственный идеал в , то V( I ) не может быть пустым , т. е. существует общий нуль для всех многочленов в идеале в каждом алгебраически замкнутом расширении k . Это причина названия теоремы, полную версию которой можно легко доказать из «слабой» формы с помощью приема Рабиновича . Предположение о рассмотрении общих нулей в алгебраически замкнутом поле здесь существенно; например, элементы собственного идеала ( X 2 + 1) в не имеют общего нуля в
Используя обозначения, общепринятые в алгебраической геометрии, Nullstellensatz можно также сформулировать как
для любого идеала J. Здесь обозначает радикал J , а I( U ) — идеал всех многочленов, которые обращаются в нуль на множестве U .
Таким образом, взяв мы получаем обращающее порядок биективное соответствие между алгебраическими множествами в K n и радикальными идеалами В действительности, в более общем случае, имеется связь Галуа между подмножествами пространства и подмножествами алгебры, где « замыкание Зарисского » и «радикал порожденного идеала» являются операторами замыкания .
В качестве частного примера рассмотрим точку . Тогда . В более общем смысле,
Наоборот, каждый максимальный идеал кольца многочленов (заметим, что оно алгебраически замкнуто) имеет вид для некоторого .
Другой пример: алгебраическое подмножество W в K n неприводимо (в топологии Зарисского) тогда и только тогда, когда является простым идеалом.
Доказательства
Известно много доказательств теоремы. Некоторые из них неконструктивны , как, например, первое. Другие конструктивны, поскольку основаны на алгоритмах выражения 1 или p r в виде линейной комбинации генераторов идеала.
Используя лемму Зарисского
Лемма Зарисского утверждает, что если поле конечно порождено как ассоциативная алгебра над полем k , то оно является конечным расширением поля k ( то есть оно также конечно порождено как векторное пространство ).
Вот набросок доказательства с использованием этой леммы. [2]
Пусть ( k алгебраически замкнутое поле), I идеал в A, а V общие нули I в . Очевидно, . Пусть . Тогда для некоторого простого идеала в A . Пусть и максимальный идеал в . По лемме Зариского, является конечным расширением k ; таким образом, является k , поскольку k алгебраически замкнуто. Пусть будут образами при естественном отображении, проходящем через . Отсюда следует, что и .
Использование результатов
Следующее конструктивное доказательство слабой формы является одним из старейших доказательств (сильная форма является результатом трюка Рабиновича , который также является конструктивным).
Результирующий многочлен двух многочленов, зависящих от переменной x и других переменных, является многочленом от других переменных, который находится в идеале, порожденном двумя многочленами, и обладает следующими свойствами: если один из многочленов является моническим по x , то каждый ноль (от других переменных) результирующего многочлена может быть расширен до общего нуля двух многочленов.
Доказательство следующее.
Если идеал является главным , порожденным непостоянным многочленом p , который зависит от x , выбираются произвольные значения для других переменных. Основная теорема алгебры утверждает, что этот выбор может быть распространен до нуля p .
В случае нескольких полиномов линейная замена переменных позволяет предположить, что является моническим по первой переменной x . Затем вводятся новые переменные и рассматривается полученный результат
Так как R находится в идеале, порожденном , то же самое верно и для коэффициентов в R мономов в Так, если 1 находится в идеале, порожденном этими коэффициентами, то она также находится в идеале, порожденном С другой стороны, если эти коэффициенты имеют общий ноль, этот ноль можно расширить до общего нуля с помощью указанного выше свойства результанта.
Это доказывает слабое предложение Nullstellensatz индукцией по числу переменных.
Использование оснований Грёбнера
Базис Грёбнера — это алгоритмическое понятие, введенное в 1973 году Бруно Бухбергером . В настоящее время оно является фундаментальным в вычислительной геометрии . Базис Грёбнера — это специальный порождающий набор идеала, из которого можно легко извлечь большинство свойств идеала. С Nullstellensatz связаны следующие:
- Идеал содержит 1 тогда и только тогда, когда его приведенный базис Грёбнера (для любого мономиального порядка ) равен 1 .
- Число общих нулей многочленов в базисе Грёбнера тесно связано с числом мономов , которые являются неприводимыми по базису. А именно, число общих нулей бесконечно тогда и только тогда, когда то же самое верно для неприводимых мономов; если оба числа конечны, число неприводимых мономов равно числу нулей (в алгебраически замкнутом поле), подсчитанному с кратностями.
- При лексикографическом порядке монома общие нули можно вычислить, решая итеративно одномерные многочлены (на практике это не используется, поскольку известны лучшие алгоритмы).
- Strong Nullstellensatz: степень p принадлежит идеалу I тогда и только тогда, когда насыщение I посредством p дает базис Грёбнера 1. Таким образом, strong Nullstellensatz вытекает почти сразу из определения насыщения.
Обобщения
Nullstellensatz включается в систематическое развитие теории колец Джекобсона , которые являются такими кольцами, в которых каждый радикальный идеал является пересечением максимальных идеалов. Учитывая лемму Зарисского, доказательство Nullstellensatz равносильно показу того, что если k является полем, то каждая конечно порождённая k -алгебра R (обязательно вида ) является Джекобсоновой. В более общем смысле, имеет место следующая теорема:
- Пусть будет кольцом Джекобсона. Если — конечно порожденная R -алгебра , то — кольцо Джекобсона. Более того, если — максимальный идеал, то — максимальный идеал , а — конечное расширение . [3]
Другие обобщения исходят из рассмотрения Nullstellensatz в терминах теории схем , как утверждения, что для любого поля k и ненулевой конечно порожденной k -алгебры R морфизм допускает сечение étale-locally (эквивалентно, после замены базы вдоль некоторого конечного расширения поля ). В этом ключе, имеет место следующая теорема:
- Любой строго плоский морфизм схем локально конечного представления допускает квазисечение в том смысле, что существует строго плоский и локально квазиконечный морфизм локально конечного представления, такой что базовая замена вдоль допускает сечение . [ 4 ] Более того, если является квазикомпактным (соответственно квазикомпактным и квазиотделенным ), то можно считать , что он аффинный (соответственно аффинный и квазиконечный), а если является гладко сюръективным, то можно считать , что он этальный . [5]
Серж Ланг расширил Nullstellensatz на случай бесконечного числа генераторов:
- Пусть будет бесконечным кардиналом и пусть будет алгебраически замкнутым полем, степень трансцендентности которого над его простым подполем строго больше, чем . Тогда для любого множества мощности кольцо многочленов удовлетворяет Nullstellensatz, т.е. для любого идеала мы имеем, что . [6]
Эффективный Nullstellensatz
Во всех своих вариантах Nullstellensatz Гильберта утверждает, что некоторый многочлен g принадлежит или не принадлежит идеалу, порожденному, скажем, f 1 , ..., f k ; в сильной версии мы имеем g = f r , в слабой форме g = 1. Это означает существование или несуществование многочленов g 1 , ..., g k таких, что g = f 1 g 1 + ... + f k g k . Обычные доказательства Nullstellensatz не являются конструктивными, неэффективными в том смысле, что они не дают никакого способа вычислить g i .
Таким образом, вполне естественно задать вопрос, существует ли эффективный способ вычисления g i (и показателя степени r в сильной форме) или доказать, что их не существует. Чтобы решить эту проблему, достаточно указать верхнюю границу общей степени g i : такая граница сводит задачу к конечной системе линейных уравнений , которую можно решить обычными методами линейной алгебры . Любая такая верхняя граница называется эффективным Nullstellensatz .
Связанная проблема — это проблема идеального членства , которая заключается в проверке принадлежности полинома идеалу. Для этой проблемы также решение предоставляется верхней границей степени g i . Общее решение проблемы идеального членства дает эффективный Nullstellensatz, по крайней мере для слабой формы.
В 1925 году Грета Герман дала верхнюю границу для идеальной проблемы членства, которая дважды экспоненциальна по числу переменных. В 1982 году Майр и Мейер привели пример, где g i имеет степень, которая является по крайней мере дважды экспоненциальной, показав, что каждая общая верхняя граница для идеальной проблемы членства является дважды экспоненциальной по числу переменных.
Поскольку большинство математиков в то время предполагали, что эффективное Nullstellensatz было по крайней мере таким же сложным, как идеальное членство, немногие математики искали границу, лучшую, чем двойная экспоненциальная. Однако в 1987 году В. Дейл Браунауэлл дал верхнюю границу для эффективного Nullstellensatz, которая является просто экспоненциальной по числу переменных. [7] Доказательство Браунауэлла основывалось на аналитических методах, действительных только в характеристике 0, но год спустя Янош Коллар дал чисто алгебраическое доказательство, действительное в любой характеристике, немного лучшей границы.
В случае слабого Nullstellensatz граница Коллара следующая: [8]
- Пусть f 1 , ..., f s будут многочленами от n ≥ 2 переменных, общей степени d 1 ≥ ... ≥ d s . Если существуют многочлены g i такие, что f 1 g 1 + ... + f s g s = 1 , то их можно выбрать так, что
- Эта граница оптимальна, если все степени больше 2.
Если d — максимальная из степеней f i , то эту границу можно упростить до
Улучшение, сделанное М. Сомбра, [9]
Его оценка улучшает оценку Коллара, как только хотя бы две из участвующих степеней окажутся ниже 3.
Проективный Nullstellensatz
Мы можем сформулировать определенное соответствие между однородными идеалами многочленов и алгебраическими подмножествами проективного пространства, называемое проективным Nullstellensatz , которое аналогично аффинному. Для этого введем некоторые обозначения. Пусть однородный идеал,
называется максимальным однородным идеалом (см. также нерелевантный идеал ). Как и в аффинном случае, мы допускаем: для подмножества и однородного идеала I из R ,
Под мы подразумеваем: для любых однородных координат точки S мы имеем . Это подразумевает, что однородные компоненты f также равны нулю на S и, таким образом, это однородный идеал. Эквивалентно, является однородным идеалом, порожденным однородными многочленами f , которые равны нулю на S . Теперь, для любого однородного идеала , по обычному Nullstellensatz, мы имеем:
и поэтому, как и в аффинном случае, имеем: [10]
- Существует взаимно однозначное соответствие, меняющее порядок, между собственными однородными радикальными идеалами R и подмножествами вида Соответствие задается соотношениями и
Аналитический Nullstellensatz (Nullstellensatz Рюккерта)
Утверждение о нулевых числах справедливо также для ростков голоморфных функций в точке комплексного n -пространства. А именно, для каждого открытого подмножества обозначим кольцо голоморфных функций на U ; тогда — пучок на Можно показать, что стебель , скажем, в начале координат является нётеровым локальным кольцом , которое является уникальной областью факторизации .
Если — росток, представленный голоморфной функцией , то пусть — класс эквивалентности множества
где два подмножества считаются эквивалентными, если для некоторой окрестности U из 0. Примечание не зависит от выбора представителя Для каждого идеала обозначим для некоторых образующих I . Он хорошо определен ; т. е. не зависит от выбора образующих.
Для каждого подмножества пусть
Легко видеть, что является идеалом и что если в обсуждаемом выше смысле.
Аналитическое предложение Nullstellensatz затем утверждает: [11] для каждого идеала ,
где левая часть — радикал I.
Смотрите также
Примечания
- ^ Зарисский–Самуэль, Гл. VII, Теорема 14.
- ↑ Атья–Макдональд, Гл. 7.
- ^ Эмертон, Мэтью. "Кольца Якобсона" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-07-25.
- ^ EGA §IV.17.16.2.
- ^ EGA §IV.17.16.3(ii).
- ^ Ланг, Серж (1952). «Нульстеллензац Гильберта в бесконечномерном пространстве». Учеб. Являюсь. Математика. Соц. 3 (3): 407–410. дои : 10.2307/2031893. JSTOR 2031893.
- ^ Браунауэлл, В. Дейл (1987), «Границы для степеней в Nullstellensatz», Ann. of Math. , 126 (3): 577–591, doi :10.2307/1971361, JSTOR 1971361, MR 0916719
- ^ Kollár, János (1988), "Sharp Effective Nullstellensatz" (PDF) , Журнал Американского математического общества , 1 (4): 963–975, doi :10.2307/1990996, JSTOR 1990996, MR 0944576, заархивировано из оригинала (PDF) 2014-03-03 , извлечено 2012-10-14
- ^ Сомбра, Мартин (1999), «Редкий эффективный Nullstellensatz», « Достижения в области прикладной математики» , 22 (2): 271–295, arXiv : alg-geom/9710003 , doi : 10.1006/aama.1998.0633, MR 1659402, S2CID 119726673
- ^ Эта формулировка взята из Milne, Algebraic geometry [1] и отличается от Hartshorne 1977, Ch. I, Exercise 2.4.
- ^ Хайбрехтс, Предложение 1.1.29.
Ссылки
- Альмира, Хосе Мария (2007). «Возвращение к Nullstellensatz» (PDF) . Ренд. Семин. Мат. унив. Политех. Турин . 65 (3): 365–369.
- Атья, М. Ф.; Макдональд , И. Г. (1994). Введение в коммутативную алгебру . Эддисон-Уэсли. ISBN 0-201-40751-5.
- Эйзенбуд, Дэвид (1999). Коммутативная алгебра с видом на алгебраическую геометрию . Graduate Texts in Mathematics. Vol. 150. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-94268-1.
- Хартшорн, Робин (1977), Алгебраическая геометрия , Graduate Texts in Mathematics , т. 52, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-90244-9, МР 0463157
- Гильберт, Дэвид (1893). «Ueber die vollen Invariantensysteme». Математические Аннален . 42 (3): 313–373. дои : 10.1007/BF01444162.
- Хайбрехтс, Дэниел (2005). Сложная геометрия: Введение . Спрингер. ISBN 3-540-21290-6.
- Мукаи, Сигеру (2003). Введение в инварианты и модули . Кембриджские исследования в области высшей математики. Т. 81. Уильям Оксбери (перевод). С. 82. ISBN 0-521-80906-1.
- Зариски, Оскар ; Сэмюэл, Пьер (1960). Коммутативная алгебра. Том II . Берлин. ISBN 978-3-662-27753-9.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)