В геометрии гиперповерхность является обобщением понятий гиперплоскости , плоской кривой и поверхности . Гиперповерхность — это многообразие или алгебраическое многообразие размерности n -1 , вложенное в объемлющее пространство размерности n , обычно евклидово , аффинное или проективное пространство . [1] Гиперповерхности, как и поверхности в трехмерном пространстве , имеют общее свойство определяться одним неявным уравнением , по крайней мере, локально (около каждой точки), а иногда и глобально.
Гиперповерхность в (евклидовом, аффинном или проективном) пространстве размерности два представляет собой плоскую кривую. В пространстве третьего измерения это поверхность.
Например, уравнение
определяет алгебраическую гиперповерхность размерности n - 1 в евклидовом пространстве размерности n . Эта гиперповерхность также является гладким многообразием и называется гиперсферой или ( n – 1) -сферой .
Гиперповерхность, являющаяся гладким многообразием , называется гладкой гиперповерхностью .
В Rn гладкая гиперповерхность ориентируема . [2] Каждая связная компактная гладкая гиперповерхность является множеством уровня и разделяет R n на две компоненты связности; это связано с теоремой о разделении Джордана – Брауэра . [3]
Алгебраическая гиперповерхность — это алгебраическое многообразие , которое может быть определено одним неявным уравнением вида
где p — многомерный полином . Обычно полином считается неприводимым . В противном случае гиперповерхность является не алгебраическим многообразием, а всего лишь алгебраическим множеством . От авторов или контекста может зависеть, определяет ли приводимый полином гиперповерхность. Чтобы избежать двусмысленности, часто используется термин неприводимая гиперповерхность .
Что касается алгебраических многообразий, коэффициенты определяющего многочлена могут принадлежать любому фиксированному полю k , а точки гиперповерхности являются нулями p в аффинном пространстве , где K — алгебраически замкнутое расширение k .
Гиперповерхность может иметь особенности , которые являются общими нулями, если таковые имеются, определяющего многочлена и его частных производных. В частности, действительная алгебраическая гиперповерхность не обязательно является многообразием.
Гиперповерхности обладают некоторыми специфическими свойствами, которых нет у других алгебраических многообразий.
Одним из основных таких свойств является Nullstellensatz Гильберта , который утверждает, что гиперповерхность содержит заданный алгебраический набор тогда и только тогда, когда определяющий полином гиперповерхности имеет степень, принадлежащую идеалу, порожденному определяющими полиномами алгебраического набора.
Следствием этой теоремы является то, что если два неприводимых многочлена (или, в более общем смысле, два бесквадратных многочлена ) определяют одну и ту же гиперповерхность, то один из них является произведением другого на ненулевую константу.
Гиперповерхности — это в точности подмногообразия размерности n – 1 аффинного пространства размерности n . Это геометрическая интерпретация того факта, что в кольце полиномов над полем высота идеала равна 1 тогда и только тогда, когда идеал является главным идеалом . В случае возможно приводимых гиперповерхностей этот результат можно переформулировать следующим образом: гиперповерхности — это в точности алгебраические множества, все неприводимые компоненты которых имеют размерность n – 1 .
Реальная гиперповерхность — это гиперповерхность, определяемая многочленом с вещественными коэффициентами. В этом случае алгебраически замкнутое поле, над которым определяются точки, вообще говоря, является полем комплексных чисел . Реальные точки реальной гиперповерхности — это точки, принадлежащие множеству вещественных точек реальной гиперповерхности. Это действительная часть гиперповерхности. Часто от контекста зависит, относится ли термин «гиперповерхность» ко всем точкам или только к реальной части.
Если коэффициенты определяющего многочлена принадлежат полю k , которое не является алгебраически замкнутым (обычно поле рациональных чисел , конечное поле или числовое поле ), говорят, что гиперповерхность определена над k , а точки, принадлежащие рациональны над k (в случае поля рациональных чисел слово «над k » обычно опускается).
Например, воображаемая n -сфера , определенная уравнением
является вещественной гиперповерхностью без какой-либо вещественной точки, определенной над рациональными числами. У него нет рациональной точки, но есть много точек, которые рациональны по сравнению с гауссовскими рациональными числами .
Проективная (алгебраическая) гиперповерхность размерности n – 1 в проективном пространстве размерности n над полем k определяется однородным полиномом от n + 1 неопределенного. Как обычно, однородный полином означает, что все мономы P имеют одинаковую степень или, что то же самое, для каждой константы c , где d - степень многочлена . Точки гиперповерхности — это точки проективного пространства, чьи проективные координаты являются нулями P .
Если кто-то выбирает гиперплоскость уравнения в качестве гиперплоскости на бесконечности , дополнение этой гиперплоскости является аффинным пространством , а точки проективной гиперповерхности, принадлежащие этому аффинному пространству, образуют аффинную гиперповерхность уравнения. И наоборот, для данной аффинной гиперповерхности уравнения она определяет проективную гиперповерхность, называемую ее проективным завершением , уравнение которой получается путем гомогенизации p . То есть уравнение проективного пополнения имеет вид
где d — степень P.
Эти два процесса проективного пополнения и ограничения на аффинное подпространство обратны друг другу. Следовательно, аффинная гиперповерхность и ее проективное пополнение обладают по существу одинаковыми свойствами и часто рассматриваются как две точки зрения одной и той же гиперповерхности.
Однако может случиться так, что аффинная гиперповерхность окажется неособой , а ее проективное пополнение имеет особые точки. В этом случае говорят, что аффинная поверхность сингулярна на бесконечности . Например, круговой цилиндр уравнения
в аффинном пространстве размерности три имеет единственную особую точку, находящуюся на бесконечности, в направлении x = 0, y = 0 .