中学理科1633649 views
中学社会670081 views
数学講師2913151 views
中学英語813624 views
雑学1474218 views
ヒストリア294981 views
小学算数1203731 views
高校日本史191026 views
小学理科721729 views
MathPython501700 views
Help
Tools

English

単項式を数えると次元も次数も出てくる|代数幾何のヒルベルト多項式

射影多様体 の斉次座標環を、次数ごとに切って次元を数えます。

この数列は、 が大きいところで必ず 1 つの多項式に乗ります[1]。乗ったあとの多項式から、次元も次数も算術種数も読めてしまう。

数えるだけの操作から、図形の量が 3 つまとめて出てくる。ヒルベルト多項式が便利なのは、この一点のためです。

ヒルベルト関数

は、 次の斉次多項式を の上で見たときに残るものの空間です。 の上で消える多項式のぶんだけ小さくなります。

つまり は、 次の斉次多項式の空間の中で「 の上で消えるもの」がどれだけ余次元を持つかを測っています[1]。

が大きいほど、消える多項式は少なくなる。 は の大きさを ごとに数値化した列になります。

例:射影空間そのもの

なら なので、 次の単項式の個数をそのまま数えます[1]。

、 で確かめます。 の 4 次単項式は 個で、指数の組を三角形に並べると数えやすい。

について なので、はじめから多項式です。射影空間では例外を含めてすべての で一致します。

大きい m では多項式に乗る

一般の では、小さい での値が暴れます。それでも先のほうは必ず多項式になります[1][3]。

有理数係数の多項式 がただ 1 つ存在して、十分大きい で が成り立つ。これをヒルベルト多項式といいます。

ここで は の次元、 は の次数です。次元は多項式の次数として、次数は先頭の係数に を掛けた値として現れます[2][5]。

整数値をとる多項式なので、係数は整数とは限りません。 のように、二項係数の形で書くと見通しがよくなります。

例:点の集まり

が の中の相異なる 点なら、大きい で です[1]。

次の斉次多項式を 個の点で評価する写像を考えると、 が十分大きいところでは全射になります。像は で、次元はちょうど 。

小さい では話が変わります。3 点が同一直線上にあれば 、そうでなければ です。

配置の情報は最初の数項に出て、そのあと消えます。ヒルベルト多項式が拾うのは、点の個数だけです。

小さい m

配置がそのまま出る。同一直線上かどうかで値が変わる

大きい m

配置の情報が消え、点の個数 δ に落ち着く

例:平面曲線

の中の 次曲線 を考えます。 は で割り切れる 次多項式の全体なので、次元は です[1]。

右辺の計算は展開するだけで出ます。 で成り立ち、実際にはもう少し手前から一致します[2]。

次数は なので次元は 、先頭の係数は なので次数は です。曲線の次数が、定義多項式の次数とちゃんと一致しました。

数列が多項式に乗る様子

の平面曲線で数えます。 は と進み、 は です。

はじめの 2 項だけが外れ、 からは完全に重なります。

外れる範囲の広さにも意味があります。どこから一致し始めるかを測る量が正則性で、計算の手間を見積もるときに効いてきます。

算術種数

多項式に を入れた値から、もう 1 つの不変量が出ます[4]。

は の次元です。この を算術種数といいます。

平面 次曲線で計算します。 なので、符号を反転して を引く。

直線と円錐曲線では 、3 次曲線では 、4 次曲線では です。3 次曲線で が出るところが、楕円曲線が種数 である事実に対応します。

1 次(直線)0
2 次(円錐曲線)0
3 次(楕円曲線)1
4 次3
5 次6

なめらかな平面曲線では、この値が位相的な種数、つまり穴の個数と一致します。特異点があると 2 つはずれ、算術種数のほうが大きくなる。

コホモロジーで言い直す

ヒルベルト多項式は、層コホモロジーのオイラー標数としても書けます[6]。

大きい では高次のコホモロジーが消えるので、 の次元だけが残ります。それが最初に数えた にあたります。

と置くと になり、算術種数の定義がオイラー標数の言葉に戻る。数え上げと双対性が、この式でつながります。

埋め込みに依存する

ヒルベルト多項式は だけでは決まりません。斉次座標環が埋め込みで変わるので、多項式も変わります[1]。

を 次のヴェロネーゼ写像で へ入れると、 です。次元は のまま、次数だけが に変わります。

算術種数は で、どの でも のままです。次数は埋め込みで動くのに、種数は動かない。

この違いが、あとで内在的な量と外在的な量を分ける目印になります。

何に使うか

族の中で図形を動かしたとき、ヒルベルト多項式は変わりません。平坦な族に沿って一定に保たれるためです。

図形を平坦に動かす

ヒルベルト多項式は一定

同じ多項式を持つ図形の集まりを 1 つの空間にまとめる

こうしてできる空間がヒルベルトスキームです。「次数 3、種数 1 の曲線をすべて集めた空間」のような対象を、多項式を固定することで切り出せる[6]。

数え上げから始めた不変量が、図形を分類する道具として効いてくる。ヒルベルト多項式が基本的な量とされるのは、この使われ方のためです。

よくある誤り

すべての でヒルベルト関数と多項式が一致すると思う。小さい では外れることがある
ヒルベルト多項式を図形だけの不変量と思う。射影空間への入れ方で変わる
先頭の係数をそのまま次数と読む。次数は先頭の係数に を掛けた値
係数が整数だと思う。有理数係数で、整数値をとることだけが決まっている
算術種数を穴の個数と同一視する。一致するのはなめらかな曲線の場合で、特異点があるとずれる
次数と種数が独立に動くと思う。平面曲線では次数だけで種数が決まる
点の配置がヒルベルト多項式に残ると思う。配置は最初の数項に出て、そのあと消える

参考文献

J. S. Milne, *Algebraic Geometry*, course notes v6.10, Chapter 6 o(Hilbert polynomials)
Hilbert-Polynom - Wikipedia(ドイツ語)
Hilbert series and Hilbert polynomial - Wikipedia
Arithmetic genus - Wikipedia
The Stacks Project, Tag 00P5: ヒルベルト多項式の次数と次元
The Stacks Project, Tag 0DCD: Cohomology and Hilbert polynomials
斉次座標環を次数ごとに切って次元を数えると、大きいところで数列がひとつの多項式に乗ります。その多項式の次数が図形の次元、先頭の係数から次数、0 での値から算術種数が出る。射影空間と平面曲線で実際に数え、4 次曲線の算術種数が 3 になることを確かめ、層コホモロジーのオイラー標数による言い直しまで。