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スキームは環を貼り合わせただけ!定義から代表例まで

スキームは、可換環 1 つから作った空間を貼り合わせたものです。

材料は環、貼り合わせ方は位相空間と同じ。それだけで、方程式の解の集合よりずっと広い対象が扱えるようになります。

以下ではまず環 1 つから空間を作り、点とは何かを決めます。そのあと貼り合わせの定義を書き、代表的な例を 8 つ並べる。

環 1 つから空間を作る

可換環 に対して、素イデアルの全体を と書きます。これが台となる集合です。

イデアル に対して、 を含む素イデアルの全体 を閉集合と定めます。この族が位相の公理をみたすことは、次の 2 つから出ます。

これをザリスキ位相といいます。開基は で、 が消えない場所です。

構造層は局所化で定めます。 とし、点 での茎は になります[5]

大域切断はもとの環に戻ります。 です。

なぜ素イデアルを点と呼ぶのか

古典的な代数幾何では、点は座標の組でした。素イデアルを点と呼ぶ理由を確かめます。

を代数閉体、 とします。ヒルベルトの零点定理から、極大イデアルは の形に限られます。

つまり極大イデアルと の点が 1 対 1 に対応する。古典的な点は、極大イデアルとして全部入っています。

素イデアルのうち極大でないものは、既約な部分多様体に対応します。 なら放物線そのものです。

点が増えたのではなく、部分多様体まで点として数え直したことになります。

例: 直線の上の点を並べる

を具体的に描きましょう。 は代数閉体とします。

素イデアルは です。後者が古典的な点、前者が余分に増えた点になります。

を生成点といいます。閉包が空間の全体になる点です。

閉包が全体になるのは、 を含む素イデアルがすべてだからです。図では 1 か所に置けないので、帯として描いてあります。

閉点は たちで、こちらは閉包が自分自身です。 になります。

定義: スキーム

材料がそろったので定義を書きます。

局所環付き空間 がスキームであるとは、どの点にもアフィンスキームと同型な開近傍があることをいいます[1]

射はそのまま局所環付き空間の射です。茎で局所準同型になることまで込みで要求します[3]

多様体の定義と形がそっくりです。局所的にユークリッド空間、の代わりに局所的にアフィンスキーム、と置き換えただけになっています。

例: アフィン空間と算術の直線

いちばん基本的な例を 2 つ挙げます。

アフィン空間

です。代数閉体の上では、閉点が の点に対応します。生成点や、より低次元の部分多様体に対応する点も入っています。

整数環のスペクトル

の点は と各素数の です。 が閉点、 が生成点になります。 と同じ形をしていて、算術の直線と呼ばれます。

2 つが同じ形をしているところに、数論と幾何をつなぐ発想があります。素数を点として扱う、という読み替えです。

はスキームの圏の終対象です。どんな環にも から準同型がただ 1 つあるので、射がちょうど 1 本しか作れません[4]

例: 射影直線を貼り合わせる

アフィンでない例を作ります。2 枚のアフィン直線を貼り合わせましょう。

とし、 の部分を で同一視します。

貼り合わせてできる空間が射影直線 です。 に入らない点がちょうど 1 つあり、それが無限遠点になります。

上端の 1 点だけが から外れます。そこが無限遠点で、 の座標では にあたる。

下端の 1 点は から外れます。 の座標では の点です。

2 枚で覆えていて、重なりの上では でつながっている。これが貼り合わせの中身です。

はアフィンではありません[5]。大域切断が しかないので、もしアフィンなら 1 点になってしまうためです。

例: 平面から原点を抜く

アフィンでない例をもう 1 つ作ります。 を考えましょう。

という 2 枚のアフィン開集合で覆えます。だからスキームです。

ところが 自身はアフィンではありません[5]。大域切断を計算すると になるためです。

の上の正則関数は の共通部分で、分母をもてません。原点だけを抜いても関数は増えない。

アフィンなら となるはずですが、点の個数が違うので同型になりません。

例: 冪零元をもつスキーム

方程式の解の集合では捉えられない例です。 を考えます。

素イデアルは ただ 1 つです。台は 1 点で、 と同相になります。

構造層は違います。大域切断が 次元、 次元より大きい。

でないのに 乗すると になります。「厚みをもった点」と読まれ、接ベクトルの情報を運ぶ対象になります[2]

古典的な代数幾何では、 の解集合は同じでした。スキームでは 2 つを区別できます。

例: 2 直線と、2 点だけの空間

さらに 2 つ挙げます。

交わる 2 直線

軸と 軸の和です。既約でないので、極小素イデアルが の 2 つあります。原点は両方の成分に乗っていて、そこで局所環が整域でなくなります。

離散付値環のスペクトル

を離散付値環とすると は 2 点です。極大イデアルに対応する閉点と、 に対応する生成点からなります。曲線の 1 点とその近傍を、最小限まで削った形になっています。

どちらも点の個数が有限です。ザリスキ位相はとても粗いので、こういう小さな空間がふつうに出てきます。

開集合が少ないことの帰結

ザリスキ位相の開集合は、閉集合の補集合として作られます。 なら、閉集合は有限集合か全体だけです。

したがって空でない開集合は、有限個の点を抜いたものになります。どの 2 つも必ず交わる。

ハウスドルフではありません。分離公理は別の形で立て直され、分離射という相対的な概念になります。

連結性の判定は逆に楽になります。 が連結でないことと、 でない 2 つの環の直積になることが同値です。

開部分スキームと閉部分スキーム

部分を切り出す方法が 2 通りあります。開いているほうは簡単です。

の開集合 に構造層を制限すると、それだけでスキームになります。 なら です。

閉じているほうにはイデアルが要ります。イデアル をとると が閉部分スキームで、台は です。

台だけでは決まりません。 は台がどちらも同じ直線ですが、閉部分スキームとしては別物です。

閉集合には根基イデアルが対応し、閉部分スキームにはイデアルそのものが対応する。この差が冪零元の情報になります。

例: 被約化

冪零元を捨てる操作もあります。 の冪零元全体は根基 というイデアルをなします。

とすると、 と同相です。素イデアルは冪零元をすべて含むためです。

なら なので、被約化は になります。厚みをもった点が、ふつうの点に戻る。

台が同じで構造層だけが違う 2 つのうち、いちばん細いほうを選ぶ操作にあたります。古典的な代数幾何は、はじめから被約なものだけを見ていました。

点は環ごとに数える

スキームの点には、もう 1 つの数え方があります。行き先ではなく、出発点を変えて数える方法です。

に対して、 値点の集合を次で定めます。

がアフィンなら、この集合は環準同型の全体です[4]。方程式の解と直接つながります。

で試しましょう。 をみたす の元の組の全体になります。

なら単位円、 なら有理点、 なら有限体の解。同じスキームから、係数環ごとに違う解集合が読めます。

方程式を 1 つ書いておけば、どの環で解くかはあとから選べる。これがスキームで解を扱うときの強みです。

例: 算術的な曲面

次元で、算術的な曲面と呼ばれます。

閉点は の形です。 が素数、 上既約な多項式の持ち上げになります。剰余体は有限体です。

高さ の素イデアルは 2 種類あります。 という縦の線と、 上既約な多項式が生成する横の曲線です。

が生成点で、鎖は のように 2 段まで伸びます。だから次元が になる。

素数の方向と変数の方向が、対等な 2 本の軸として並びます。数論の問題を曲面の幾何として扱う土台になっています。

用語が生まれるまで

理論が固まるまでの流れを並べておきます[2]

1956
scheme という語の登場

シュヴァレー・セミナーで scheme という語が初めて使われた。ザリスキの考えを引き継ぐ文脈だった。

EGA
決定的な形

グロタンディークの Éléments de géométrie algébrique によって、理論が現在の形にまとまった。

SGA
その後の展開

続く Séminaire de géométrie algébrique の記録で、理論がさらに広げられた。

セールが層の言葉を代数幾何へ持ち込んだ仕事が、直前の段階にあたります。スペクトルを土台にする案もその流れで出てきました[2]

環の理論をそのまま幾何として扱える。この言い換えが、スキーム論のいちばんの見返りです。

練習

について正しいものはどれですか。

  • 素イデアルが 2 つあるので、点は 2 つである
  • 台は 1 点だが、大域切断は 次元である
  • とスキームとして同型である
  • 既約でないので、成分が 2 つに分かれる
__RESULT__

は冪零なので、 を含む素イデアルしかありません。台は 1 点です。大域切断は が基底になるので 次元あり、 とは同型になりません。台が同じでも構造層が違う、という例です。

台と構造層を分けて考える癖がつくと、この種の問いで迷わなくなります。

よくある誤り

最後に並べます。

点とは閉点のことだと思う。生成点のように閉でない点がある。
スキームがいつでもアフィンだと思う。射影直線も、原点を抜いた平面もアフィンでない。
台が同じならスキームとして同じだと思う。冪零元をもつ例が反例になる。
ザリスキ位相をハウスドルフだと思う。空でない開集合はどの 2 つも交わる。
が共変関手だと思う。環準同型と射の向きは逆になる。
既約でない環を扱えないと思う。 のような例が自然に出てくる。

環から空間を作る手順を 1 度自分で書き下すと、どれも当たり前に見えてきます。

参考文献

Definition 26.9.1: Schemes, The Stacks Project.
Scheme (mathematics)), Wikipedia (English).
Schema (algebraische Geometrie)), Wikipedia (Deutsch).
Lemma 26.6.4, The Stacks Project.
Schéma (géométrie algébrique)), Wikipédia (français).
可換環 1 つから素イデアルの空間を作り、それを貼り合わせたものがスキームです。ザリスキ位相と構造層を組み立て、極大イデアルが古典的な点に、それ以外の素イデアルが部分多様体に対応することを見ます。射影直線を 2 枚のチャートで貼り、原点を抜いた平面がアフィンでない理由を大域切断から示す。冪零元をもつ厚い点、交わる 2 直線、離散付値環の 2 点空間、算術的な曲面まで並べ、係数環ごとに解を数える $R$ 値点の見方も扱います。