接空間が大きすぎる点〜正則局所環とザリスキ接空間
接空間は、方程式から 1 次の項だけをとり出したものです。
で割るという操作が、 次以上を捨てることにあたります。残った線形方程式の解空間が接空間になる[1]。
滑らかな点では、この解空間が図形と同じ次元におさまります。特異点では大きくなる。
以下では余接空間の作り方から始め、6 つの点で実際に次元を計算します。導分としての読み方と、拡大したときの見え方まで進む。
余接空間
を局所環、 を剰余体とします。
これを余接空間といいます。 の元を の差を無視して見たもので、 上のベクトル空間になります。
が 加群、 がその部分加群で、商には が で作用します。だから 上の空間になる。
接空間はこの双対です。
次元は同じなので、どちらで数えても結果は変わりません。
1 次の項だけが残る
で割ることの意味を、座標で見ましょう。
が原点を通り、 で定義されているとします。局所環の極大イデアルは の像です。
の中では、 の形の項がすべて になります。 を展開したとき、残るのは 次の部分だけです。
したがって接空間は、 という連立 1 次方程式の解空間になります[1]。
係数行列がヤコビ行列です。接空間の次元は からヤコビ行列のランクを引いた値になります。
例: 直線と放物線
いちばん簡単な場合から確かめます。
の原点では 、 です。解空間は で 次元、 も 次元なので一致します。
の原点では 、 です。 次の項 は に落ちて消えます。
やはり接空間は 次元です。放物線が原点で 軸に接している、という事実がそのまま出ています。
次の項が残っていることが要です。 なら方程式が 1 本効き、次元が 落ちます。
例: 尖点と結節点
次の項が消える場合を見ます。
の原点では です。 次の項も 次の項も に落ちるので になります。
方程式が 1 本も効かず、接空間は平面ぜんぶで 次元です。曲線は 次元なので、ずれが あります。
でも同じです。展開すると で、最低次が 次なので 。
接空間はやはり 次元になります。この計算では尖点と結節点を区別できません。
区別には接錐が要ります。 次の部分 が 直線に分かれるか、 のように重なるかで型が決まります[5]。
線形方程式として見る
いまの計算を図にします。

左では赤い直線が接空間で、 次元です。右では薄い四角が接空間で、平面の全体を占めます。
方程式が 1 本効くか効かないか。その差がそのまま次元の差になります。
導分としての接ベクトル
接空間には、微分の側からの読み方もあります[1]。
が導分であるとは、 線形で をみたすことです。
導分の全体は、 の双対と自然に同型になります。 を に制限すれば、 の上で になるためです。
で とすると、 なので です。
つまり接ベクトルとは、方向微分を与える写像のこと。座標を持ち出さずに定義できます。
二重数からの射
もう 1 つの言い換えが、二重数を使う形です[1]。
を係数とすると、 の射が、点と接ベクトルの組に対応します。
環準同型 を と書くと、 から が導分になります。
積を計算すると です。ライプニッツ則がそのまま出てきます。
「厚みをもった点」を図形へ写す操作が、接ベクトルを選ぶことにあたる。幾何の言葉だけで書けています。
例: 導分を書き下す
、 を原点とします。導分は の形です。
、 で、 は自由に選べます。接空間は 次元です。
に制限すると条件が付きます。 なので、 が要る。
したがって の形に限られ、接空間は 次元です。 軸方向だけが許されています。
では が自動的に成り立ちます。条件が付かないので 次元のままです。
拡大すると何が見えるか
接空間が「拡大したときの姿」だという読み方を、動かして確かめます。
左の円は、拡大するほど直線に近づきます。接線 1 本で近似できる、という状況です。
右の尖点は、いくら拡大しても直線になりません。 の側に曲線がないので、片側しか伸びない。
直線で近似できない点では、 次の近似が意味をもちません。接空間が大きくなるのは、この失敗の現れです。
次元との不等号
ネーター局所環では、いつでも次が成り立ちます[1]。
クルルの標高定理から出ます。 が 個で生成されるなら、高さは 以下になるためです[3]。
等号が成り立つとき を正則といいます。接空間が図形と同じ大きさに収まる状態です[2]。
不等号は片側にしか開きません。接空間が小さすぎることはありません。
正則パラメータ系
で正則なとき、 の基底を へ持ち上げた を正則パラメータ系といいます[2]。
中山の補題から、これらが を生成します。基底が生成元へそのまま昇格する形です。
幾何では局所座標にあたります。 次元の点のまわりを 本の関数で書ける、という状況です。
余接空間の側で言えば、 が基底になります。微分形式の基底が、そのまま座標の微分として得られる。
例: 場所によって次元が変わる
同じ図形でも、点によって接空間の次元が変わります。
をとりましょう。原点では 次元でした。
では 、 です。どちらも でないので、方程式が 1 本効きます。
したがって接空間は 次元で、 は滑らかな点です。特異なのは原点だけになります。
錐 の原点では 次元です。 となり、 変数の空間から条件が 1 つも引けません。原点以外では 次元になります。
練習
の原点における接空間の次元はいくつですか。
- 1
- 2
- 3
- 0
最低次の項が 次かどうか。確かめるのはそこだけです。
よくある誤り
まとめます。
次以上を捨てて 次だけを見る。この一行に操作の中身が入っています。










f=x2+y2+z2 は 2 次から始まるので、m/m2 の中で df=0 になります。方程式が 1 本も効かず、接空間は x,y,z が張る 3 次元です。X 自身は 2 次元の錐なので、ずれが 1 あり、原点は特異点になります。