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特異点があると局所環はこう壊れる|結節点と尖点で比べる

特異点では、局所環の極大イデアルが「太りすぎ」ます。

次元の曲線なのに、極大イデアルを生成するのに 2 つの元が要る。この生成元の個数と次元のずれが、特異性の代数的な正体です。

以下では結節点と尖点という 2 つの特異点について、局所環を実際に書き下します。整閉包を計算し、完備化を比べ、両者がどこで分かれるかを見ていく。

滑らかな点の局所環は正則である

比較の基準を先に決めます。ネーター局所環 が正則であるとは、次が成り立つことでした[1]

右辺は極大イデアルの生成元の最小個数で、埋め込み次元と呼ばれます。中山の補題から、 の基底を持ち上げれば の生成元が得られるためです。

左辺は Krull 次元です。曲線の点なら 、曲面の点なら になります。

滑らかな点では両辺が一致します。曲線の滑らかな点なら 次元の正則局所環、つまり離散付値環になる。

埋め込み次元は次元より小さくならない

ずれる向きは片方だけです。いつでも次の不等号が成り立ちます。

クルルの標高定理から従います。 個の元で生成されるなら、 の高さは 以下になるためです。

したがって特異点では、必ず埋め込み次元のほうが大きくなります。余分な生成元が要る状態、と言い換えられる。

幾何の言葉では、接空間が多様体自身より大きいということです。 次元の曲線の上に 次元の接空間がぶら下がっている。

例: 結節点の局所環

曲線 の原点を調べます。座標環と局所環は次のとおりです。

次元は です。曲線が既約なので 次元の整域で、局所化しても次元は落ちません。

埋め込み次元を計算しましょう。 です。

定義式 の両辺は、どちらも に入っています。 次の項が現れないので、 のあいだに線形な関係は生まれない。

次元 に対して埋め込み次元 。ずれているので、この局所環は正則ではありません。

証明: 極大イデアルは単項にならない

同じことを、単項性の側から確かめておきます。

と書けたとします。 なので と書ける。

なので の形です。代入すると となります。

両辺の 次の項を比べると が出ます。ここで は定数項です。

から なので です。同じ議論を に当てると が出て、 と矛盾します。

したがって は単項ではありません。 次元の局所整域であっても離散付値環にならない、という例になっています。

接空間が本体より大きい

数の上のずれを図にしておきます。

薄く引いた 2 本が、接錐を与える です。接線が 2 本あるので、それらが張る空間は平面の全体になります。

滑らかな点なら接線は 1 本で、接空間も直線 1 本です。曲線と同じ 次元でおさまる。

例: 尖点の局所環

尖点でも同じ計算をします。曲線は 、局所環は です。

定義式の両辺は に入ります。 次、 次だからです。

やはり 次の関係が出ないので、埋め込み次元は になります。次元は なので正則ではありません。

結節点と尖点は、この計算では区別が付かない。どちらも「 次元なのに埋め込み次元が 」でそろっています。

尖点の局所環をパラメータで書き直す

区別を出すには、別の量が要ります。まず尖点の座標環を 変数で書き直しましょう。

とすると をみたします。この対応で次の同型が得られる。

右辺は のうち、 次の項をもたない多項式の全体です。 が基底になります。

だけが抜けている。この 次元ぶんの穴が、尖点の特異性そのものです。

整閉でないことが特異性の現れ

の商体は です。 と書けるためです。

の元ではありませんが、 上整です。 なので、 という monic な関係をみたします。

つまり商体の中に、整だが環に入らない元がある。 は整閉ではありません。

ここが分かれ目です。 次元のネーター局所整域では、整閉であることと離散付値環であることが同値になります[5]

したがって曲線の点については、次の 3 つが同じことになります。滑らか、正則、整閉。特異点とは整閉でない点のことです。

整閉包をとると何が起きるか

整閉でないなら、整閉包をとって直せばよい。この操作を正規化といいます。

尖点の場合、整閉包は です。 は単項イデアル整域なので整閉で、 上有限生成加群になります。

結節点の場合も計算できます。 と置くと となり、次の表示が出ます。

は商体の元で、 をみたすので整です。整閉包はやはり になります。

どちらも整閉包は 、つまり滑らかな直線です。曲線としては同じものへ直る。

原点の上に何点あるか

違いは、原点の上に何点乗るかに出ます。正規化写像で原点へ行く を数えましょう。

が、どちらも原点へ送られます。原点の上には 2 点乗っている。

尖点では事情が違います。 で原点へ行くのは だけなので、上に乗る点は 1 つです。

整閉包の形で分かれる

点の個数は、整閉包の局所的な形に現れます。

結節点

整閉包は原点の上に 2 つの極大イデアルをもつ。局所化して完備化すると、2 つの離散付値環の直積に分かれる。枝が 2 本あることの代数的な言い換えである。

尖点

整閉包は原点の上に極大イデアルを 1 つしかもたない。完備化しても離散付値環 1 つのままで、直積には割れない。枝は 1 本しかない。

正規化が有限射になることは、一般の設定でも保証されています[4]。ネーター性と被約性を仮定すれば、整閉包は元の環の上で有限加群です。

有限であるおかげで、原点の上の点は有限個に収まります。数えられる量になる、という点が大切です。

完備化すると違いが目に見える

局所環そのものは、どちらも整域です。曲線が既約だからで、この段階では違いが出ません。

完備化すると分かれます。結節点の完備局所環を書きましょう。標数が でなければ の中で平方根をもちます。

をみたす がとれるので、定義式が 2 つの因子に分かれます。完備局所環は整域ではなくなる。

尖点では の中でも既約です。完備局所環は整域のままになります。

局所環では見えず、完備化すると見える。枝の本数はそういう量です。

重さを 1 つの数で測る

枝の本数だけでは足りません。両者を同じ土俵で比べるために、整閉包との差を測ります。

を特異点の局所環、 をその整閉包として、次の商の長さを と書きます。

尖点なら です。商は が張る 次元なので

結節点も になります。異なる型でありながら、重さは等しい。

この が、そのまま種数の落ち方になります[3]。次数 の平面曲線なら、算術種数から の総和を引いたものが幾何種数です。

のような高次の尖点では になります。同じ尖点でも重さが違う。

一覧

ここまでの計算をまとめます。

次元どちらも 1
埋め込み次元どちらも 2
整閉包どちらも
原点の上の点結節点は 2 点、尖点は 1 点
完備局所環結節点は非整域、尖点は整域
どちらも 1

上の 2 行では区別が付かず、下の 3 行で分かれます。同じ「特異」でも、どこまで下りるかで見える情報が変わる。

次元が上がると話が変わる

曲線では、特異であることと整閉でないことが一致していました。次元が 以上では一致しません。

正則なら整閉です。しかし逆は成り立たず、整閉でも特異な点があります。

の原点がその例です。この環は整閉ですが、埋め込み次元 に対して次元は なので正則ではありません。

正規化は余次元 の特異点しか消せないためです[2]。曲線ではすべての特異点が余次元 なので、正規化だけで足りていました。

特異点の解消

高い次元では、ブローアップを繰り返す方法が要ります。標数 の体の上では、いつでも解消できることが知られています[2]

広中平祐が 1964 年に証明した定理です。任意の代数多様体 に対して、非特異な と固有な双有理写像 が存在します。

正標数では未解決です。次元が 以上の場合は、いまも一般には分かっていません。 次元まではすべての標数で解決されています。

解消とは、局所環を正則局所環へ直す操作です。曲線での正規化は、その最も簡単な場合にあたります。

練習

次元の局所整域について、正則であることと同値でないものはどれですか。

  • 離散付値環である
  • 整閉である
  • 完備局所環が整域である
  • 極大イデアルが単項である
__RESULT__

結節点の局所環は 次元の局所整域で、完備化すると整域ではなくなりました。ところが尖点の局所環は完備化しても整域のままで、それでも正則ではありません。完備局所環が整域かどうかは、正則性とは別の情報です。ほかの 3 つはいずれも 次元では正則性と同値になります。

尖点が反例になる点が要です。整域性だけでは特異性を測れません。

よくある誤り

まとめとして、つまずきやすい点を並べます。

自己交差していなければ滑らかだと思う。尖点は交差していないのに特異である。
局所環が整域なら滑らかだと思う。既約な曲線の特異点でも局所環は整域になる。
埋め込み次元が次元より小さくなることがあると思う。標高定理から、その向きには決してずれない。
が大きいほど枝が多いと思う。枝の本数と は別の量である。
整閉なら滑らかだと思う。 次元以上では錐のような反例がある。
正規化がいつでも特異点を消すと思う。消せるのは余次元 までである。

区別のこつは、どの量で見ているかを言えるようにすることです。次元・埋め込み次元・整閉包・完備化と、段階を分けて確かめていく。

参考文献

Regular local ring, Wikipedia (English).
Resolution of singularities, Wikipedia (English).
Genus–degree formula, Wikipedia (English).
Section 29.54: Relative normalization, Lemma 29.54.14, The Stacks Project.
Anneau de valuation discrète, Wikipédia (français).
1 次元の曲線なのに、極大イデアルを生成するのに 2 つの元が要る。このずれが特異性の代数的な正体です。結節点と尖点の局所環を書き下し、埋め込み次元がどちらも 2 になることを確かめ、整閉包・原点の上の点の個数・完備化・$\delta$ 不変量まで下りて 2 つを分けます。曲線では滑らか・正則・整閉の 3 つが一致する。次元が上がると錐のように整閉でも特異な点が出てくるので、そこから先はブローアップの仕事になります。