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点の組にならないファイバー積|スキームの引き戻しと基底変換

2 つの写像 から、行き先が一致する組を集める。集合ならこれで話が終わります。

スキームでも同じ図式を書けます。ところが、できあがるスキームの点は組ではありません。多いことも少ないこともあり、そのずれ自体が意味を持ちます。

普遍性で定める

構成を先に決めず、満たすべき性質だけを書きます[3]

とは、 への射を持ち、 への 2 通りの合成が一致し、しかも同じ条件を満たすどんな からの射も、ただ 1 つの射でここを経由するもののことです[1][5]

普遍性で決めたので、存在すれば同型を除いて 1 つに定まります。あとは本当に存在するかどうかだけが問題として残る。

アフィンならテンソル積

アフィンスキームの場合は答えがすぐ出ます。環の側でテンソル積をとるだけで済みます[1][4]

環準同型の圏でテンソル積が押し出しになっているので、矢印を逆向きにすると引き戻しに変わります。

一般のスキームは、アフィンな開集合で覆って貼り合わせます[2] をアフィンで覆い、その上に乗る のアフィンを持ってきて、それぞれの積を貼る手順です。

貼り合わせの検証は手間ですが、筋は単純です。ファイバー積はいつでも存在します。

点は組にならない

ここからが集合と違うところです。 上で 2 回テンソルしてみます。

左辺の は 2 点です。集合として引き戻せば 点しかないはずなのに、スキームでは 2 点になります[3]

理由は共役です。 から への 上の同型が恒等写像と複素共役の 2 つあり、その 2 通りが点として分かれます。

一般には次のように書けます[2] の点は、同じ へ落ちる の組に、剰余体のテンソル積の素イデアルを 1 つ添えたものです。

組 1 つに対して点が 0 個のことも、複数のこともある。体の拡大がどう絡み合うかが、そのまま点の個数に出ます。

ファイバーもこの形で書ける

写像の逆像を、スキームとして扱う道具もファイバー積です[3]

での剰余体です。この定義なら、逆像が単なる点集合ではなく、剰余体の上のスキームとして手に入ります。

重複度も落ちません。 から への射で のファイバーをとると、 が出ます。点は 1 つでも、長さは 2 のまま残る。

族としての見方

次の図は、 の点を動かしながら 2 つの族のファイバーを見るものです。ファイバー積のファイバーは、ファイバーどうしの積になります。

真ん中で 2 本の枝がぶつかると、 のファイバーが 1 点につぶれます。積のほうも 点から 点へ落ちる。

つぶれた点では、スキームとしての長さが のまま残っています。見た目の個数が減っても、数え方を変えれば保たれている。

基底変換

を別の底にとりかえる操作を、基底変換といいます。 を与えて、 に置きかえる[3]

S 上のスキーム X

S’ を S の上に用意する

S’ 上のスキーム X ×_S S’

係数体を広げる操作がその典型です。 上の曲線を で引き戻すと、複素数上の曲線が得られます。

基底変換で保たれる性質は多く、平坦・固有・滑らかはいずれも保たれます[3]。この安定性があるので、族を動かしながら性質を追える。

保たれないものもあります。既約性や整性は、体を広げると壊れることがある。 は体ですが、 へ上げると 2 つに割れます。

積との関係

を 1 点にすると、ふつうの積に戻ります[4]。スキームの世界では が終対象なので、絶対的な積は 上のファイバー積です。

上で考えるときは です。

この等式も、点集合としては成り立ちません。 には曲線に対応する点があり、それは の点の組では表せない[3]

位相にいたっては、積位相ですらありません。ザリスキ位相の積は、対角線を閉集合にするだけの細かさを持たないためです。

よくある誤り

ファイバー積の点を、点の組と 1 対 1 で対応させる。剰余体のテンソル積のぶんだけ増減する
と思う。体ではなく、2 つの成分に分かれる環になる
の位相を積位相と思う。ザリスキ位相では細かすぎて一致しない
ファイバーを点集合の逆像と思う。剰余体の上のスキームとして定めると重複度が残る
テンソル積の底を書かずに済ませる。 が変われば結果も変わる
既約性が基底変換で保たれると思う。体を広げると分かれることがある
アフィンでない場合に構成が壊れると思う。貼り合わせでいつでも作れる

参考文献

David Holmes, *Algebraic Geometry* 講義ノート Lecture 2, §1 Fibred products, Universiteit Leiden
The Stacks Project, Tag 01JO: Fibre products of schemes
Fiber product of schemes - Wikipedia
Faserprodukt - Wikipedia(ドイツ語)
Produit fibré - Wikipédia(フランス語)
行き先が一致する組を集める、という集合の操作をスキームで書き直すと、点の個数が合わなくなります。アフィンではテンソル積で作れ、複素数を実数上で 2 回テンソルすると 1 点のはずが 2 点に増える。点が剰余体のテンソル積の素イデアルまで含む理由を追い、写像のファイバーを剰余体上のスキームとして定め、係数体を広げる基底変換で何が保たれ何が壊れるかまで見ます。