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English

像は開でも閉でもない - Chevalley の定理と構成可能集合

多項式で書ける写像でも、像が開集合になるとはかぎりません。閉集合にもならない。

それでも像は野放図ではありません。開集合と閉集合を有限回組み合わせた形、つまり構成可能集合に必ず収まります[4]。これが Chevalley の定理です。

例:双曲線を影にする

で決まる曲線を、 軸へ落とします。 という写像です。

曲線の上では が必ず成り立ちます。逆に ならば がとれる。

像はちょうど です。開集合ですが閉集合ではありません。曲線自体は閉集合なのに、影が閉じていない。

例:開でも閉でもない像

もう少し性質の悪い例を見ます。平面から平面への写像 をとる。

なら、行き先の 番目の成分は何にでもなります。 を選べばよい。

のときは しか出ません。 に固定されるためです。

開集合に 点だけくっついた形です[4]。開でも閉でもない。

局所閉集合と構成可能集合

こういう形をまとめて扱う言葉を用意します。開集合と閉集合の共通部分を局所閉集合と呼ぶ。

局所閉集合を有限個だけ足し合わせたものが構成可能集合です[3]。ネーター空間ではこの定義でうまくいきます。

は開集合、 は閉集合。有限個という条件が効いています。

構成可能集合の全体は、有限個の 和・共通部分・補集合 で閉じています。

開集合と閉集合から作れる、いちばん小さいブール代数。

さきほどの を見ると、開集合 個と閉集合 個の和になっています。構成可能集合の形にきちんと収まる。

定理の主張

スキームの言葉で書くと次のようになります[1]

が擬コンパクトで局所有限表示なら、局所構成可能な部分集合の像はまた局所構成可能になる。

環の言葉ではもっと素朴です[2] が有限表示のとき、 の構成可能集合の像は で構成可能になります。

ネーター環の上なら、有限表示は有限生成と同じ。多項式環の商として書ける代数なら、いつでも当てはまります[3]

開・閉のままでは閉じない

開集合の像が開とはかぎらず、閉集合の像が閉ともかぎらない

構成可能なら閉じる

構成可能集合の像は構成可能。像をとる操作で外へ出ない

証明の骨格

証明は多項式環 1 段ぶんに帰着します[2] と分けて、 の場合だけ見ればよい。

構成可能集合は の有限和に分けられます。だから 1 つの形だけ扱えば足ります。

ここで係数を見ます。 の先頭係数を とすると、 に分かれる。

の上では が可逆になり、割り算が使えます。 の上では の次数が下がる。

どちらの側でも状況が単純になるので、次数についての帰納法が回ります。有限回で終わる理由がここにある。

量化子を消す操作として読む

論理の言葉に直すと、この定理は量化子の消去になります。

像に入るという条件は「ある が存在して 」という形です。存在量化子が付いている。

構成可能集合であるということは、その条件が量化子なしの等式と不等式で書き直せる、ということ。存在を消して具体的な条件に落とせます。

存在量化子つきの条件から始める

係数で場合分けする

次数を下げる

等式と不等式だけの条件に書き直す

終結式を使った消去理論と、根は同じ問題を扱っています。

像が開や閉になる条件

構成可能というのは、開でも閉でもないかもしれない、という弱い結論です。条件を足せば強くなります。

固有射なら像は閉集合になる。射影空間へ埋め込んだときの射影が代表例です。

平坦かつ局所有限表示の射なら、像は開集合になります。平坦性が像の潰れを防いでいます。

固有射

像は閉集合。無限遠まで含めた形にすると影が閉じる

平坦かつ局所有限表示

像は開集合。ファイバーの次元が急に落ちることがない

さきほどの は、どちらでもありません。 の上でファイバーが 点に潰れています。

ネーター空間での言いかえ

構成可能かどうかは、既約閉集合との交わりで判定できます[3]

任意の既約閉集合 について、 で稠密なら、 の空でない開集合を含む。この条件が構成可能性と同値になります。

稠密なら中身がぎっしり詰まっていて、開集合をつかめる。すかすかに散らばった集合は構成可能になりません。

開集合は構成可能である。
閉集合は構成可能である。
局所閉集合は構成可能である。
構成可能集合の有限和、有限共通部分、補集合は構成可能である。
有限表示の射による構成可能集合の像は構成可能である。
無限個の点の集まりは、一般には構成可能にならない。

平面の写像 の像はどれですか。

  • 平面全体
  • と原点の和
__RESULT__

なら を選んで第 成分を自由に作れます。 では に固定されるので、原点だけが像に入ります。

像は開でも閉でもない。それでも、開と閉から有限回で作れる範囲には必ず収まります。

参考文献

The Stacks project, *Tag 054H*
The Stacks project, *Tag 00FE*
*Extending Chevalley's Theorem: A Topological Characterization of Constructibility*
Constructible set (topology) - Wikipedia)
$xy = 1$ の曲線を $x$ 軸へ落とすと $x \neq 0$ になり、閉集合の像が閉でなくなります。$(x,y) \mapsto (x, xy)$ なら像は開集合に原点 1 点がくっついた形。開でも閉でもない集合が出てきます。それでも像は必ず構成可能集合、つまり局所閉集合の有限和に収まる。$D(f) \cap V(g)$ に分けて先頭係数で場合分けし、次数の帰納法で回す証明の骨格、量化子消去としての読み方、固有射なら閉・平坦なら開になる条件まで。