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English

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。 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。 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。 位の零点、 位の極があります。

無限遠も見ます。 とすると で、 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。

アフィン空間

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。

射影空間

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。

射影直線

で、次数写像が同型を与えます。 に対応する直線束が です。

種数 1 の曲線

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]

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。 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 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

の中で考えます。原点が特異点です。

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
__RESULT__

は集合として を切り出しますが、重複度が になります。 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 は Weil 因子ですが Cartier 因子ではなく、類群の中で位数 の元を定めます。

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。

Weil 因子と Cartier 因子をいつでも同じものだと思う。特異点があると食い違う。
零点の集合だけを記録する。重複度まで込みで数えるのが因子である。
主因子の次数が でないことがあると思う。射影的な曲線ではいつでも になる。
無限遠での位数を忘れる。 では も素因子である。
が自由アーベル群だと思う。二次錐では になる。
線形同値と同型を混同する。線形同値なのは因子で、同型になるのは直線束のほうである。

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。

参考文献

Divisor (algebraic geometry)), Wikipedia (English).
Section 31.14: Effective Cartier divisors, The Stacks Project.
Coherent sheaf, Wikipedia (English).
Chow group, Wikipedia (English).
Regular local ring, Wikipedia (English).
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。素因子に整数を割り当てて深さまで記録したものが Weil 因子で、局所的に 1 本の式で書けるという条件を課したものが Cartier 因子です。$\mathbb{P}^1$ で主因子の次数が 0 になることを無限遠まで込みで計算し、$\operatorname{Cl}(\mathbb{A}^n) = 0$ と $\operatorname{Cl}(\mathbb{P}^n) \cong \mathbb{Z}$ を確かめる。二次錐 $xy = z^2$ では $2D$ だけが主因子になり、2 つの流儀が分かれます。直線束との対応まで扱います。