В математике алгебраический тор , где одномерный тор обычно обозначается как , , или , является типом коммутативной аффинной алгебраической группы, обычно встречающейся в проективной алгебраической геометрии и торической геометрии . Алгебраические торы более высокой размерности могут быть смоделированы как произведение алгебраических групп . Эти группы были названы по аналогии с теорией торов в теории групп Ли (см. подгруппа Картана ). Например, над комплексными числами алгебраический тор изоморфен групповой схеме , которая является теоретико-схемным аналогом группы Ли . Фактически, любое -действие на комплексном векторном пространстве может быть выведено обратно к -действию из включения как вещественных многообразий.
Торы имеют фундаментальное значение в теории алгебраических групп и групп Ли, а также в изучении геометрических объектов, связанных с ними, таких как симметричные пространства и здания .
В большинстве мест мы предполагаем, что базовое поле является совершенным (например, конечным или характеристикой нуль). Эта гипотеза требуется для гладкой групповой схемы [1] стр. 64 , поскольку для того, чтобы алгебраическая группа была гладкой над характеристикой , отображения должны быть геометрически редуцированы для достаточно больших , то есть образ соответствующего отображения на является гладким для достаточно больших .
В общем случае вместо алгебраических замыканий следует использовать отделимые замыкания.
Если является полем , то мультипликативная группа над является алгебраической группой , такой что для любого расширения поля -точки изоморфны группе . Чтобы определить ее должным образом как алгебраическую группу, можно взять аффинное многообразие, определяемое уравнением в аффинной плоскости над с координатами . Умножение тогда задается ограничением регулярного рационального отображения , определяемого , а обратное является ограничением регулярного рационального отображения .
Пусть — поле с алгебраическим замыканием . Тогда -тор — это алгебраическая группа, определенная над , которая изоморфна конечному произведению копий мультипликативной группы.
Другими словами, если является -группой, то она является тором тогда и только тогда, когда для некоторого . Основная терминология, связанная с тором, следующая.
Изогения между алгебраическими группами является сюръективным морфизмом с конечным ядром; два тора называются изогенными, если существует изогения из первого во второй. Изогении между торами ведут себя особенно хорошо: для любой изогении существует «двойственная» изогения, такая что — отображение мощности. В частности, изогенность является отношением эквивалентности между торами.
Над любым алгебраически замкнутым полем с точностью до изоморфизма существует единственный тор любого заданного ранга. Для ранга алгебраический тор над этим задается групповой схемой [1] стр. 230 .
Над полем действительных чисел имеется ровно (с точностью до изоморфизма) два тора ранга 1:
Любой действительный тор изогенен конечной сумме этих двух; например, действительный тор дважды покрыт (но не изоморфен) . Это дает пример изогенных, неизоморфных торов.
Над конечным полем имеются два тора ранга 1: расщепляемый, мощности , и анизотропный, мощности . Последний может быть реализован как матричная группа
В более общем случае, если — конечное расширение поля степени , то ограничение Вейля с на мультипликативной группы из является -тором ранга и -ранга 1 (обратите внимание, что ограничение скаляров по неотделимому расширению поля даст коммутативную алгебраическую группу, которая не является тором). Ядро его полевой нормы также является тором, который анизотропен и имеет ранг . Любой -тор ранга один либо расщепляется, либо изоморфен ядру нормы квадратичного расширения. [2] Два приведенных выше примера являются частными случаями этого: компактный вещественный тор является ядром полевой нормы , а анизотропный тор над является ядром полевой нормы .
Над сепарабельно замкнутым полем тор T допускает два первичных инварианта. Решетка весов — это группа алгебраических гомоморфизмов T → G m , а решетка ковесов — это группа алгебраических гомоморфизмов G m → T . Обе они являются свободными абелевыми группами, ранг которых равен рангу тора, и у них есть каноническое невырожденное спаривание, заданное формулой , где степень — это число n такое, что композиция равна отображению n-й степени на мультипликативной группе. Функтор, заданный взятием весов, является антиэквивалентностью категорий между торами и свободными абелевыми группами, а функтор ковесов является эквивалентностью. В частности, отображения торов характеризуются линейными преобразованиями весов или ковесов, а группа автоморфизмов тора является общей линейной группой над Z . Квазиобратный функтор весов задается функтором дуализации из свободных абелевых групп в торы, определяемым его функтором точек как:
Эту эквивалентность можно обобщить для распространения между группами мультипликативного типа (выдающийся класс формальных групп ) и произвольными абелевыми группами, и такое обобщение может быть удобным, если требуется работать в хорошо организованной категории, поскольку категория торов не имеет ядер или отфильтрованных копределов.
Когда поле K не является сепарабельно замкнутым, решетки весов и ковесов тора над K определяются как соответствующие решетки над сепарабельным замыканием. Это индуцирует канонические непрерывные действия абсолютной группы Галуа поля K на решетках. Веса и ковесы, которые фиксируются этим действием, являются в точности отображениями, которые определены над K . Функтор взятия весов является антиэквивалентностью между категорией торов над K с алгебраическими гомоморфизмами и категорией конечно порожденных абелевых групп без кручения с действием абсолютной группы Галуа поля K .
При наличии конечного сепарабельного расширения поля L / K и тора T над L мы имеем изоморфизм модулей Галуа
Если T — мультипликативная группа, то это дает ограничению скаляров структуру модуля перестановки. Торы, весовые решетки которых являются модулями перестановки для группы Галуа, называются квазирасщепляемыми, и все квазирасщепляемые торы являются конечными произведениями ограничений скаляров.
Как видно из приведенных выше примеров, торы могут быть представлены как линейные группы. Альтернативное определение для торов:
Тор расщепляется над полем тогда и только тогда, когда он диагонализуем над этим полем.
Если — полупростая алгебраическая группа над полем, то:
Очевидно, что ранг больше или равен -рангу ; группа называется расщепляемой тогда и только тогда, когда имеет место равенство (то есть существует максимальный тор, в котором расщепляется по ). Группа называется анизотропной, если она не содержит расщепляемых торов (то есть ее -ранг равен нулю).
В классической теории полупростых алгебр Ли над комплексным полем подалгебры Картана играют фундаментальную роль в классификации с помощью корневых систем и диаграмм Дынкина . Эта классификация эквивалентна классификации связных алгебраических групп над комплексным полем, а подалгебры Картана соответствуют максимальным торам в них. Фактически классификация переносится на случай произвольного базового поля при предположении, что существует расщепляемый максимальный тор (что автоматически выполняется над алгебраически замкнутым полем). Без предположения о расщепляемости все становится намного сложнее, и должна быть разработана более подробная теория, которая по-прежнему частично основана на изучении присоединенных действий торов.
Если — максимальный тор в полупростой алгебраической группе , то над алгебраическим замыканием он порождает корневую систему в векторном пространстве . С другой стороны, если — максимальный -расщепляемый тор, его действие на -алгебре Ли порождает другую корневую систему . Отображение ограничений индуцирует отображение , а индекс Титса — это способ кодирования свойств этого отображения и действия группы Галуа на . Индекс Титса — это «относительная» версия «абсолютной» диаграммы Дынкина, связанной с ; очевидно, что только конечное число индексов Титса может соответствовать данной диаграмме Дынкина.
Другим инвариантом, связанным с расщепленным тором, является анизотропное ядро : это полупростая алгебраическая группа, полученная как производная подгруппа централизатора в (последняя является только редуктивной группой). Как следует из ее названия, это анизотропная группа, и ее абсолютный тип однозначно определяется .
Первым шагом к классификации является следующая теорема [3]
Это сводит задачу классификации к анизотропным группам и к определению того, какие индексы Титса могут встречаться для данной диаграммы Дынкина. Последняя задача была решена в работе Титса (1966). Первая связана с группами когомологий Галуа . Точнее, каждому индексу Титса соответствует уникальная квазирасщепляемая группа над ; тогда каждая -группа с тем же индексом является внутренней формой этой квазирасщепляемой группы, и они классифицируются когомологиями Галуа с коэффициентами в присоединенной группе.
Если — полупростая группа Ли, то ее действительный ранг равен -рангу, определенному выше (для любой -алгебраической группы, группа действительных точек которой изоморфна ), другими словами, максимальному такому, что существует вложение . Например, действительный ранг равен , а действительный ранг равен .
Если — симметричное пространство, ассоциированное с и — максимальный расщепляемый тор, то существует единственная орбита в , в которой — полностью геодезическое плоское подпространство в . Это на самом деле максимальное плоское подпространство и все максимальные такие получаются как орбиты расщепляемых торов таким образом. Таким образом, существует геометрическое определение действительного ранга как максимальной размерности плоского подпространства в . [4]
Если группа Ли получается как вещественные точки алгебраической группы над рациональным полем , то -ранг также имеет геометрическое значение. Чтобы получить его, нужно ввести арифметическую группу , связанную с , которая грубо является группой целых точек , и факторпространство , которое является римановым орбифолдом и, следовательно, метрическим пространством. Тогда любой асимптотический конус гомеоморфен конечному симплициальному комплексу с симплексами верхней размерности, равными -рангу . В частности, является компактным тогда и только тогда, когда является анизотропным. [5]
Отметим, что это позволяет определить -ранг любой решетки в полупростой группе Ли как размерность ее асимптотического конуса.
Если — полупростая группа над максимальными расщепляемыми торами в , соответствующими квартирам здания Брюа-Титса, ассоциированного с . В частности, размерность равна -рангу .
При наличии базовой схемы S алгебраический тор над S определяется как групповая схема над S , которая локально изоморфна конечному произведению копий мультипликативной групповой схемы G m / S над S . Другими словами, существует точно плоское отображение X → S такое, что любая точка в X имеет квазикомпактную открытую окрестность U , образ которой является открытой аффинной подсхемой S , такой, что замена базы на U дает конечное произведение копий GL 1 , U = G m / U . [ необходимо разъяснение ] Один особенно важный случай — когда S является спектром поля K , что делает тор над S алгебраической группой, расширение которой до некоторого конечного сепарабельного расширения L является конечным произведением копий G m / L . В общем случае кратность этого произведения (т. е. размерность схемы) называется рангом тора и является локально постоянной функцией на S .
Большинство понятий, определенных для торов над полями, переносятся и на эту более общую ситуацию.
Одним из распространенных примеров алгебраического тора является рассмотрение аффинного конуса проективной схемы . Затем, при удалении начала координат, индуцированное отображение проекции дает структуру алгебраического тора над .
Для общей базовой схемы S веса и ковесы определяются как fpqc-пучки свободных абелевых групп на S. Они обеспечивают представления фундаментальных группоидов базы относительно fpqc-топологии. Если тор локально тривиализуем относительно более слабой топологии, такой как этальная топология, то пучки групп спускаются к тем же топологиям, и эти представления факторизуются соответствующими факторгруппоидами. В частности, этальный пучок порождает квазиизотривиальный тор, а если S локально нётеров и нормален (в более общем случае, геометрически неразветвлен ), тор изотривиален. В качестве частичного обратного утверждения теорема Гротендика утверждает, что любой тор конечного типа квазиизотривиален, т. е. расщепляется этальной сюръекцией.
Для данного тора T ранга n над S скрученная форма — это тор над S , для которого существует fpqc-покрытие S, для которого их базовые расширения изоморфны, т. е. это тор того же ранга. Классы изоморфизма скрученных форм расщепляемого тора параметризуются неабелевыми плоскими когомологиями , где группа коэффициентов образует постоянный пучок. В частности, скрученные формы расщепляемого тора T над полем K параметризуются элементами когомологии Галуа, точечного множества с тривиальным действием Галуа на коэффициенты. В одномерном случае коэффициенты образуют группу порядка два, и классы изоморфизма скрученных форм G m находятся в естественной биекции с отделимыми квадратичными расширениями K .
Поскольку взятие весовой решетки является эквивалентностью категорий, короткие точные последовательности торов соответствуют коротким точным последовательностям соответствующих весовых решеток. В частности, расширения торов классифицируются пучками Ext 1. Они естественным образом изоморфны плоским группам когомологий . Над полем расширения параметризуются элементами соответствующей группы когомологий Галуа.
В своей работе о числах Тамагавы Т. Оно ввел тип функториальных инвариантов торов над конечными сепарабельными расширениями выбранного поля k . Такой инвариант представляет собой набор положительных вещественных функций f K на классах изоморфизма торов над K , поскольку K пробегает конечные сепарабельные расширения k , удовлетворяя трем свойствам:
Т. Оно показал, что число Тамагавы тора над числовым полем является таким инвариантом. Более того, он показал, что оно является частным двух когомологических инвариантов, а именно порядка группы (иногда ошибочно называемой группой Пикара T , хотя она не классифицирует торсоры G m над T ) и порядка группы Тейта–Шафаревича .
Понятие инварианта, данное выше, естественным образом обобщается на торы над произвольными базовыми схемами, с функциями, принимающими значения в более общих кольцах. В то время как порядок группы расширения является общим инвариантом, два других инварианта выше, похоже, не имеют интересных аналогов за пределами области полей дробей одномерных областей и их пополнений.