Алгебраическая геометрия и аналитическая геометрия - Algebraic geometry and analytic geometry

В математика, алгебраическая геометрия и аналитическая геометрия являются двумя тесно связанными предметами. В то время как алгебраическая геометрия исследования алгебраические многообразия, аналитическая геометрия занимается комплексные многообразия и более общий аналитические пространства определяется локально обращением в нуль аналитические функции из несколько сложных переменных. Глубокая связь между этими предметами имеет многочисленные приложения, в которых алгебраические методы применяются к аналитическим пространствам, а аналитические методы - к алгебраическим многообразиям.

Основное заявление

Позволять Икс быть проективным комплексом алгебраическое многообразие. Потому что Икс сложная разновидность, ее множество сложных точек Икс(C) можно дать структуру компакта сложное аналитическое пространство. Это аналитическое пространство обозначается Икс^ан. Аналогично, если ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ это связка на Икс, то существует соответствующий пучок ${\displaystyle {\mathcal {F}}^{\text{an}}}$ на Икс^ан. Эта ассоциация аналитического объекта с алгебраическим является функтором. Теорема-прототип, относящаяся к Икс и Икс^ан говорит, что для любых двух когерентные пучки ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ и ${\displaystyle {\mathcal {G}}}$ на Икс, естественный гомоморфизм:

${\displaystyle {\text{Hom}}_{{\mathcal {O}}_{X}}({\mathcal {F}},{\mathcal {G}})\rightarrow {\text{Hom}}_{{\mathcal {O}}_{X}^{\text{an}}}({\mathcal {F}}^{\text{an}},{\mathcal {G}}^{\text{an}})}$

является изоморфизмом. Вот ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}}$ это структурный пучок алгебраического многообразия Икс и ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}^{\text{an}}}$ структурный пучок аналитического многообразия Икс^ан. Другими словами, категория когерентных пучков на алгебраическом многообразии Икс эквивалентна категории аналитических когерентных пучков на аналитическом многообразии Икс^ан, а эквивалентность задается на объектах отображением ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ к ${\displaystyle {\mathcal {F}}^{\text{an}}}$. (Обратите внимание, в частности, что ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}^{\text{an}}}$ сам по себе является последовательным, результат, известный как Окская теорема когерентности.)

Еще одно важное утверждение: для любого когерентного пучка ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ на алгебраическом многообразии Икс гомоморфизмы

${\displaystyle \varepsilon _{q}\ :\ H^{q}(X,{\mathcal {F}})\rightarrow H^{q}(X^{an},{\mathcal {F}}^{an})}$

являются изоморфизмами для всех q 'с. Это означает, что q-я группа когомологий на Икс изоморфна группе когомологий на Икс^ан.

Теорема применима гораздо шире, чем указано выше (см. официальное заявление ниже). Это и его доказательство имеют множество последствий, таких как Теорема Чоу, то Принцип Лефшеца и Кодаира теорема об исчезновении.

Задний план

Алгебраические многообразия локально определяются как общие нулевые множества многочленов, а так как многочлены над комплексными числами равны голоморфные функции, алгебраические многообразия над C можно интерпретировать как аналитические пространства. Точно так же регулярные морфизмы между многообразиями интерпретируются как голоморфные отображения между аналитическими пространствами. Как ни странно, часто можно пойти другим путем, интерпретировать аналитические объекты алгебраическим способом.

Например, легко доказать, что аналитические функции из Сфера Римана к себе являются либо рациональными функциями, либо тождественной бесконечной функцией (расширение Теорема Лиувилля ). Если такая функция ж непостоянна, то поскольку множество z где f (z) бесконечно изолирована, а сфера Римана компактна, конечное число z с участием f (z) равняется бесконечности. Рассмотрим Расширение Лорана вообще такие z и вычтите сингулярную часть: у нас останется функция на сфере Римана со значениями в C, которое по теореме Лиувилля постоянно. Таким образом ж является рациональной функцией. Этот факт показывает, что существенной разницы между сложная проективная линия как алгебраическое многообразие или как Сфера Римана.

Важные результаты

Результаты сравнения алгебраической геометрии и аналитической геометрии имеют долгую историю, начиная с девятнадцатого века. Некоторые из наиболее важных достижений перечислены здесь в хронологическом порядке.

Теорема существования Римана

Риманова поверхность теория показывает, что компактный Римановой поверхности достаточно мероморфные функции на нем, сделав его алгебраическая кривая. Под именем Теорема существования Римана был известен более глубокий результат о разветвленных покрытиях компактной римановой поверхности: такой конечный покрытия как топологические пространства классифицируются по перестановочные представления из фундаментальная группа дополнения точки разветвления. Поскольку свойство римановой поверхности локально, такие покрытия довольно легко увидеть как покрытия в комплексно-аналитическом смысле. Тогда можно сделать вывод, что они происходят из покрывающих отображений алгебраических кривых, то есть все такие покрытия происходят из конечные расширения из функциональное поле.

Принцип Лефшеца

В двадцатом веке Принцип Лефшеца, названный в честь Соломон Лефшец, был процитирован в алгебраической геометрии, чтобы оправдать использование топологических методов для алгебраической геометрии над любым алгебраически замкнутое поле K из характеристика 0, обрабатывая K как если бы это было поле комплексного числа. Его элементарная форма утверждает, что истинные утверждения теории полей первого порядка о C верны для любого алгебраически замкнутого поля K характеристики ноль. Точный принцип и его доказательство обусловлены Альфред Тарский и базируются в математическая логика.^[1][2]

Этот принцип позволяет переносить некоторые результаты, полученные аналитическими или топологическими методами для алгебраических многообразий, на C другим алгебраически замкнутым основным полям характеристики 0.

Теорема Чоу

Теорема Чоу, доказано Вэй-Лян Чоу, является примером наиболее полезного из доступных видов сравнения. Он утверждает, что аналитическое подпространство комплексного проективное пространство замкнутое (в обычном топологическом смысле) является алгебраическим подмногообразием. Это можно перефразировать как «любое аналитическое подпространство комплексного проективного пространства, которое замкнуто в сильная топология закрыт в Топология Зарисского. »Это позволяет совершенно свободно использовать комплексно-аналитические методы в классических частях алгебраической геометрии.

ГАГА

Основы многих взаимосвязей между двумя теориями были заложены в начале 1950-х годов в рамках работы по закладке основ алгебраической геометрии, включающей, например, методы из Теория Ходжа. Основной документ, консолидирующий теорию, был Géometrie Algébrique et Géométrie Analytique Серр (1956) от Жан-Пьер Серр, теперь обычно называют ГАГА. Он доказывает общие результаты, связывающие классы алгебраических многообразий, регулярных морфизмов и снопы с классами аналитических пространств, голоморфных отображений и пучков. Все это сводится к сравнению категорий связок.

В наши дни фраза Результат в стиле GAGA используется для любой теоремы сравнения, позволяющей перейти от категории объектов из алгебраической геометрии и их морфизмов к четко определенной подкатегории объектов аналитической геометрии и голоморфных отображений.

Официальное заявление ГАГА

1. Позволять ${\displaystyle (X,{\mathcal {O}}_{X})}$ - схема конечного типа над C. Тогда есть топологическое пространство Икс^ан который как множество состоит из замкнутых точек Икс с непрерывным отображением включения λ_Икс: Икс^ан → Икс. Топология на Икс^ан называется «комплексной топологией» (и сильно отличается от топологии подпространства).
2. Предположим, что φ: Икс → Y является морфизмом схем локально конечного типа над C. Тогда существует непрерывное отображение φ^ан: Икс^ан → Y^ан такое λ_Y ° φ^ан = φ ° λ_Икс.
3. Есть связка ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} }}$ на Икс^ан такой, что ${\displaystyle (X^{\mathrm {an} },{\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} })}$ - окольцованное пространство и λ_Икс: Икс^ан → Икс становится картой окольцованных пространств. Космос ${\displaystyle (X^{\mathrm {an} },{\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} })}$ называется "аналитикой" ${\displaystyle (X,{\mathcal {O}}_{X})}$ и является аналитическим пространством. Для каждого φ: Икс → Y отображение φ^ан определенное выше является отображением аналитических пространств. Кроме того, отображение φ ↦ φ^ан отображает открытые погружения в открытые. Если Икс = Спецификация(C[Икс₁,...,Икс_п]) тогда Икс^ан = C^п и ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} }(U)}$ на каждый полидиск U является подходящим фактором пространства голоморфных функций на U.
4. На каждую пачку ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ на Икс (называемый алгебраическим пучком) существует пучок ${\displaystyle {\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }}$ на Икс^ан (называемый аналитическим пучком) и отображение пучков ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}}$-модули ${\displaystyle \lambda _{X}^{*}:{\mathcal {F}}\rightarrow (\lambda _{X})_{*}{\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }}$. Связка ${\displaystyle {\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }}$ определяется как ${\displaystyle \lambda _{X}^{-1}{\mathcal {F}}\otimes _{\lambda _{X}^{-1}{\mathcal {O}}_{X}}{\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} }}$. Переписка ${\displaystyle {\mathcal {F}}\mapsto {\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }}$ определяет точный функтор из категории пучков над ${\displaystyle (X,{\mathcal {O}}_{X})}$ к категории пучков ${\displaystyle (X^{\mathrm {an} },{\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} })}$.
   Следующие два утверждения составляют основу теоремы Серра GAGA (расширенной Александр Гротендик, Амнон Нееман, и другие.)
5. Если ж: Икс → Y - произвольный морфизм схем конечного типа над C и ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ когерентно, то естественное отображение ${\displaystyle (f_{*}{\mathcal {F}})^{\mathrm {an} }\rightarrow f_{*}^{\mathrm {an} }{\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }}$ инъективно. Если ж собственно, то это отображение является изоморфизмом. Имеются также изоморфизмы всех высших пучков прямых изображений ${\displaystyle (R^{i}f_{*}{\mathcal {F}})^{\mathrm {an} }\cong R^{i}f_{*}^{\mathrm {an} }{\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }}$ в таком случае.
6. Теперь предположим, что Икс^ан хаусдорфово и компактно. Если ${\displaystyle {\mathcal {F}},{\mathcal {G}}}$ два когерентных алгебраических пучка на ${\displaystyle (X,{\mathcal {O}}_{X})}$ и если ${\displaystyle f\colon {\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }\rightarrow {\mathcal {G}}^{\mathrm {an} }}$ это карта пучков ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} }}$-модулей, то существует единственное отображение пучков ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}}$-модули ${\displaystyle \varphi :{\mathcal {F}}\rightarrow {\mathcal {G}}}$ с участием ж = φ^ан. Если ${\displaystyle {\mathcal {R}}}$ является когерентным аналитическим пучком ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}^{\mathrm {an} }}$-модули над Икс^ан то существует когерентный алгебраический пучок ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ из ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}}$-модули и изоморфизм ${\displaystyle {\mathcal {F}}^{\mathrm {an} }\cong {\mathcal {R}}}$.

В несколько меньшей общности теорема GAGA утверждает, что категория когерентных алгебраических пучков на комплексном проективном многообразии Икс и категория когерентных аналитических пучков на соответствующем аналитическом пространстве Икс^ан эквивалентны. Аналитическое пространство Икс^ан получается примерно при оттягивании к Икс сложная структура из C^п через координатные диаграммы. Действительно, формулировка теоремы таким образом ближе по духу к статье Серра, поскольку видно, что полный теоретико-схемный язык, который широко используется в приведенном выше формальном утверждении, еще не был изобретен ко времени публикации GAGA.

Заметки

1. Для обсуждения см. Авраам Зайденберг, Комментарии к принципу Лефшеца, Американский математический ежемесячный журнал, Vol. 65, № 9 (ноябрь 1958 г.), стр. 685–690; Герхард Фрей и Ханс-Георг Рюк, Сильный принцип Лефшеца в алгебраической геометрии, Manuscripta Mathematica, Volume 55, Numbers 3–4, сентябрь 1986 г., стр. 385–401.
2. «Принцип передачи», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]

использованная литература

• Серр, Жан-Пьер (1956), "Géométrie algébrique et géométrie analytique", Annales de l'Institut Fourier, 6: 1–42, Дои:10.5802 / aif.59, ISSN  0373-0956, Г-Н  0082175