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サイクルを動かして同一視する - 有理同値と Chow 群

有理同値は、部分多様体を連続的に動かして同じものと見なす規則です。

動かす道具が有理関数です。 の上の有理関数 をとると、その零点と極が差し引き になる形で現れます。

その差を と見なすことにする。これが有理同値の中身です[1]

以下ではサイクル群から始めて Chow 群を作り、射影空間で実際に計算します。交点積とベズーの定理まで進む。

サイクル群

を体 上の代数多様体とします。 次元の既約部分多様体が生成する自由アーベル群を と書きます[1]

元は部分多様体の整数係数の有限和です。 のような形になります。

係数に意味を持たせるので、重複度が数えられます。同じ部分多様体を 2 回数えたい場面が出てくるためです。

の次元を とすると、 は既約成分が生成する群、 は点が生成する群です。

因子と位数

動かす仕掛けを作ります。 次元の既約部分多様体、 でない有理関数とします。

の中の 次元の部分多様体 に沿った の位数を と書き、次のサイクルを作ります[1]

和は有限です。零点も極も、有限個の部分多様体にしか現れません。

が滑らかな曲線なら、 は点 での零点の位数です。極なら負の値になります。

有理同値の定義

が有理同値であるとは、次のように書けることをいいます[1]

ここで各 は、 次元の既約部分多様体 の上の有理関数です。

の形のサイクルが生成する部分群で割る、という操作になります。

1 次元上の多様体を経由する点が要です。 次元のサイクルを動かすのに、 次元の舞台を使います。

動かすという直観

なぜ「動かす」と言えるのかを見ます。

の形をとり、 の座標とします。 から を引いたものになります。

の中を から まで動かすと、サイクルが連続的に移り変わる。その両端の差が です。

家族としてつながっている 2 つは有理同値になります。 でパラメータ付けられた族が、有理同値を生みます。

直線を動かす

の中で直線を動かしてみましょう。

直線をどう動かしても、有理同値類は変わりません。1 次式の比をとれば、両者を結ぶ有理関数が作れるためです。

を 1 次式とすると、 の因子は です。差が の形になっている。

したがって のすべての直線が 1 つの類に入ります。この類を超平面類といい と書きます。

Chow 群

有理同値で割った商を Chow 群といいます[1]

余次元で添字を付けると と書きます。 次元なら です。

は因子類群にあたります[1] 余次元の場合が、古典的に最もよく調べられた場合です。

が滑らかなら、全体に環構造が入ります。交点をとる操作が積になります。

例: 射影空間の Chow 環

いちばんきれいに求まる例です[1]

が超平面の類です。 が余次元 の線形部分空間の類にあたります。

次数 で余次元 の部分多様体は に有理同値です[1]。次数だけが残り、形の情報は消えます。

となるのは、余次元が を超える部分多様体がないためです。

なら です。 が基底で、それぞれ全体・直線・点の類になります。

例: 曲線の上の 0 サイクル

次元を下げて、曲線で見ます。

では、どの 2 点も有理同値です。 をとると になります。

したがって で、次数だけが残ります。

種数が 以上の曲線では事情が変わります。 は因子類群 で、次数 の部分がヤコビ多様体の点になります[1]

次数が等しくても有理同値とは限りません。楕円曲線の上で になるのは、 のときだけです。

だけが特別で、そこでは次数がすべてを決めていました。

動かせるものと動かせないもの

2 つの場合の差を並べます。

射影直線の上

どの 2 点も有理関数で結べる。 になり、次数だけが不変量として残る。

種数 1 以上の曲線の上

次数が同じでも結べない組がある。 には次数のほかにヤコビ多様体の情報が入り、連続的な部分が現れる。

Chow 群は、離散的な部分と連続的な部分をあわせ持ちます。次数だけで済むのは特殊な場合です。

高次元では、この連続的な部分がさらに複雑になります。有限生成にならない例も知られています。

交点積

が滑らかなら、Chow 群に積が入ります[1]

余次元 の部分多様体 が横断的に交わるなら、 は交わりの成分の和です。

横断的でない場合は、まず動かします。有理同値を使って一般の位置へずらしてから交点をとる。

この「動かしてから交わる」という手順が、有理同値を導入した理由の 1 つです。交点が定義できる状況を、いつでも作れるようになります。

例: ベズーの定理

で次数 の曲線を交わらせます。

類はそれぞれ です。積は になります。

は 1 点の類なので、交点数は です。重複度を込めて数えれば、ちょうど 点になります。

なら 点。2 直線は でちょうど 1 点で交わります。

なら 点です。円錐曲線と 3 次曲線の交点数が計算だけで出ました。

押し出しと引き戻し

射に沿った操作も定義されています[1]

固有射 に対して押し出し があります。次元が保たれる形です。

平坦射で相対次元が なら、引き戻し があります。

2 つは有理同値と両立します。だから群のあいだの写像として定義できる。

サイクルのままでは写像が定まらない場面でも、類にしてしまえば定まります。商をとった見返りです。

図として整理する

サイクルから Chow 群までの流れを描いておきます。

左から右へ、情報を捨てながら扱いやすくしています。捨てた見返りが交点積です。

いちばん右まで来ると、位相のコホモロジーに似た道具になります。実際、複素多様体では類写像でコホモロジーへ送れます[1]

練習

の中で、次数 の曲線と次数 の曲線の交点数はいくつですか。重複度を込めて数えます。

  • 7
  • 12
  • 3
  • 4
__RESULT__

で、次数 の曲線の類は です。積は で、 が 1 点の類なので交点数は になります。ベズーの定理そのものです。

次数の積を計算するだけ。形が違っても類は次数で決まります。

よくある誤り

まとめます。

次数が等しければいつでも有理同値だと思う。 でだけ成り立つ。
次元のサイクルを 次元の多様体で動かすと思う。使うのは 次元である。
Chow 群がいつでも有限生成だと思う。連続的な部分が入ることがある。
交点積が横断的でなくても素朴に定義できると思う。まず動かして一般の位置にする。
有理同値と代数的同値を同じものだと思う。有理同値のほうが強い条件である。
サイクルの係数を無視する。重複度を数えるために整数係数を入れている。

動かせるかどうかを 1 次元上の多様体で確かめる。それが判定の出発点です。

参考文献

Chow group, Wikipedia (English).
Birational geometry, Wikipedia (English).
Dimension of an algebraic variety, Wikipedia (English).
Genus–degree formula, Wikipedia (English).
Scheme (mathematics)), Wikipedia (English).
部分多様体を整数係数で足したものがサイクルで、$1$ 次元上の多様体にある有理関数の因子だけ動かせる範囲が有理同値です。$\mathbb{P}^2$ の直線がどれも同じ類に入る理由から始め、$\operatorname{CH}^*(\mathbb{P}^n) = \mathbb{Z}[H]/(H^{n+1})$ を確かめます。曲線では種数が $1$ 以上だと次数が同じでも結べない。交点積を使うとベズーの定理が積の計算だけで出ます。押し出しと引き戻しまで扱う。