零点と極を数え上げる(Weil 因子と Cartier 因子)
因子は、零点と極がどこに何重にあるかを 1 つの式に書き留めたものです。
集合として「ここで消える」と言うだけでは、重複度が落ちます。 と の零点は同じ場所ですが、深さが違う。
その深さまで込みで記録するために、部分多様体に整数を割り当てます。以下では 2 通りの流儀を並べ、食い違う場面まで見ます。
素因子と Weil 因子
を整な局所ネータースキームとします。余次元 の整閉部分スキームを素因子といいます[1]。
曲線なら点、曲面なら曲線、 次元なら 次元の部分多様体が素因子です。
Weil 因子は、素因子の整数係数の形式和です。
となる の族は局所有限とします[1]。係数がすべて非負のとき有効因子といいます。
全体は素因子を基底とする自由アーベル群になり、 と書きます。
位数を測る
深さを与えるのが位数です。素因子 に対応する局所環 をとります。
は余次元 なので、この局所環は 次元です。 が でないとき、次で定めます[1]。
が正規なら は離散付値環になり、この長さは付値そのものです。付値の言葉で読めます。
有理関数へは商で伸ばします。 に対して とすればよい。
零点なら正、極なら負の値になります。1 つの整数で両方を言い表しています。
主因子
有理関数から因子を作ります[1]。
和は有限です。零点も極も、有限個の素因子にしか現れません。
が成り立ちます。位数が積で足し算になるためです。
したがって主因子の全体は部分群をなします。この部分群で割ったものが因子類群です。
同じ類に入る 2 つを線形同値といいます。関数で動かして重ねられる、という関係です。
例: 射影直線の主因子
で計算します。素因子は閉点です。
をとりましょう。 で 位の零点、 で 位の極があります。
無限遠も見ます。 とすると で、 に 位の極があります。
係数の和は です。主因子の次数はいつでも になります。
逆に次数 の因子はすべて主因子です。したがって で、次数だけが残ります。
因子を絵にする
零点と極の並びを描いておきます。

上向きが零点、下向きが極です。棒の高さが位数にあたります。
主因子なら、上向きと下向きの合計が釣り合います。曲線がコンパクトであることの現れです。
例: 因子類群を 2 つ計算する
代表的な結果を並べます。
は一意分解整域です。余次元 の部分多様体はどれも 本の式で書けるので、すべての因子が主因子になります。したがって です。
余次元 の部分多様体は、斉次多項式 1 本の零点として書けます[1]。次数が不変量として残り、 になります。生成元は超平面の類 です。
で、次数写像が同型を与えます。 に対応する直線束が です。
次数が等しくても線形同値とは限りません。次数 の部分がヤコビ多様体の点に対応し、連続的な自由度が残ります。
一意分解整域かどうかが効いています。 本の式で書けるなら主因子になり、類群がつぶれます。
Cartier 因子
もう 1 つの流儀は、局所的な式のデータとして定義します[1]。
を でない有理関数の層、 を可逆な正則関数の層とします。Cartier 因子は次の大域切断です。
具体的には、開被覆 と有理関数 の組で、重なりの上で が可逆な正則関数になるものです。
の選び方には可逆関数倍の自由があります。商層をとることで、その自由を吸収しています。
「局所的には 1 本の式で書ける」という条件が、定義に組み込まれた形です。
局所の式を貼り合わせる
貼り合わせのようすを動かします。
零点と極をどこへ動かしても、次数は のままです。 ではこれらがすべて線形同値になります。
が、その 2 点を結ぶ有理関数です。 と を動かすと、因子が連続的に移り変わります。
Cartier から Weil へ
2 つの流儀は写像で結ばれます[1]。
Cartier 因子 に対して、各素因子 で を読みます。 と交わる をどれか 1 つ選べばよく、貼り合わせ条件から結果は選び方によりません。
が可逆なので位数が 、だから重なりの上で値が一致するためです。
こうして Weil 因子が得られます。逆向きは、いつでも作れるとは限りません。
Weil 因子 が Cartier であることと、層 が可逆であることが同値です[1]。
一致する条件
局所環が一意分解整域なら、2 つは一致します[1]。
このとき余次元 の部分多様体は局所的に 本の式で書けます。局所的に主因子なので Cartier です。
正則局所環は一意分解整域でした[5]。したがって滑らかな多様体では、Weil 因子と Cartier 因子が完全に一致します。
特異点があると崩れます。次の例が典型です。
例: 二次錐で食い違う
を の中で考えます。原点が特異点です。
を で定まる直線とします。 の上で余次元 なので Weil 因子です。
は原点の近くで主因子になりません[1]。 は集合として を切り出しますが、重複度が になるためです。
は主因子ですが は主因子ではない。したがって は位数 の元になります。
は Weil 因子でありながら Cartier 因子ではありません。原点で 本の式に書けないためです。
直線束との対応
Cartier 因子のいちばんの効きどころが、直線束との対応です[1]。
に対して、 の上で が生成する の部分層をとり、貼り合わせます。できた層 は可逆層、つまり階数 の局所自由層です[3]。
線形同値な Cartier 因子は、同型な直線束を与えます。逆に、整なネータースキームの上ではどの直線束もある Cartier 因子から来ます[1]。
したがって Cartier 因子の類群がピカール群と同型になります。
なら で、 に対応するのが です[3]。
因子の問題が層の問題に翻訳され、コホモロジーが使えるようになります。
有効因子という見方
係数が非負の因子には、別の定義もあります[2]。
有効 Cartier 因子とは、イデアル層が可逆になる閉部分スキームのことです。局所的に 本の非零因子で切り出される、という条件になります。
この定義なら、整でないスキームや被約でないスキームでも扱えます。位数を使わずに済むためです。
一般の Cartier 因子は、有効なもの 2 つの差として書けます。分子と分母に分けた形です。
次数とサイクル
曲線の場合、因子の次数が基本的な不変量になります。
と定めると、主因子の次数は です。だから次数は類の上で決まります。
因子類群は、余次元 の Chow 群にほかなりません[4]。 が成り立ちます。
サイクルの理論から見ると、因子は余次元 の場合にあたります。いちばん扱いやすい場合として、古くから調べられてきました。
練習
二次錐 の上で、 が定める直線 について正しいものはどれですか。
- は主因子である
- は主因子だが は主因子でない
- は Weil 因子でも Cartier 因子でもない
- は Cartier 因子だが Weil 因子でない
滑らかな点だけを見ているうちは、この差に出会いません。特異点で初めて 2 つが分かれます。
よくある誤り
まとめます。
局所的に 1 本の式で書けるか。Cartier かどうかは、この問いだけで決まります。










x は集合として D を切り出しますが、重複度が 2 で div(x)=2D になります。D 自身を切り出す 1 本の式は原点の近くにありません。したがって D は Weil 因子ですが Cartier 因子ではなく、類群の中で位数 2 の元を定めます。