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仿射代数集

Affine algebraic set · Affine zero locus

域上仿射空间中由一族多项式共同为零所切出的点集。

条目类型
定义

形式陈述

k,仿射 n 维空间作为点集是 Akn=kn。对多项式环 k[x1,,xn] 的子集 S,定义零点集

V(S)={a=(a1,,an)kn:f(a)=0 对每个 fS}.

形如 V(S) 的子集称为仿射代数集。因为 V(S)=V((S)),零点集只依赖 S 生成的理想。反过来,对任意 Xkn,定义消失理想

I(X)={fk[x1,,xn]:f(a)=0 对每个 aX}.

I(X) 总是根理想。代数集构成 Akn 的 Zariski 闭集:任意交由理想之和给出,有限并满足

V(I)V(J)=V(IJ).
直觉

仿射代数集把方程组当作几何对象,而不是只求一张解表。一个理想允许把方程相加、乘以任意多项式,却不改变公共零点;因此真正控制几何的不是某份生成元清单,而是它们生成的理想。再取根会丢掉方程重数,因为域中 f(a)m=0f(a)=0 等价。

映射 IV(I)XI(X) 都反转包含关系。方程越多,解集越小;点越多,同时消失的多项式越少。在代数闭域上,Hilbert 零点定理说明这两个操作在根理想与代数集之间互相恢复,从而把几何问题翻译为环论问题。

例子与边界

Ak2 中,

V(yx2)={(a,a2):ak}

是抛物线;它由参数 a(a,a2) 描述。集合

V(xy)=V(x)V(y)

是两条坐标轴之并,因此可约。尖点

V(y2x3)

t(t2,t3) 参数化,在原点出现奇异性;点集公式看似简单,坐标环却会检测到其非正规性质。

底域是否代数闭会改变理想与点集的对应。实数域上的真理想 (x2+1)R[x] 没有实零点,因此

VR(x2+1)=,

尽管理想不是单位理想。有限域也会把许多不同多项式识别为相同函数:在 Fq 上,xqx 在每个点都为零,所以 V(xqx)=AFq1,但 (xqx)(0)。这些例子说明强零点定理必须假设代数闭域。

“仿射簇”一词有两种常见约定:有的教材专指不可约代数集,有的泛指约化有限型仿射对象。为避免歧义,本条目只使用“仿射代数集”,并把不可约性另行说明。

代数集还依赖底域,而不仅依赖方程的字符。把 k 扩大到扩域 K 后,同一组方程给出

VK(I)Kn,

它可能出现原先没有的点或分支。例如 x2+1R 上无点,在 C 上却给出两个点。所谓“几何点”常指在代数闭包上的点;所谓“k-有理点”则只取坐标属于 k 的点,二者不应混写。

坐标变换也说明定义不依赖方程表面的形状。仿射线性自同构把多项式通过代入拉回,并把零点集双射到另一个代数集;抛物线可以换坐标却不会因此改变其内在坐标环。真正不变量来自理想及其商,而不是某一幅平面图。

推论与应用

代数集 X 的坐标环定义为 k[X]=k[x1,,xn]/I(X)。多项式函数在 X 上相同,当且仅当其差属于 I(X),所以坐标环精确记录 X 上的正则多项式函数。X 不可约当且仅当 I(X) 为素理想,当且仅当 k[X] 为整环;这种三方对应把几何分支转成素理想分解。

多项式映射 F:XY 由坐标多项式给出,并反向诱导 k-代数同态

F:k[Y]k[X],ggF.

因此仿射代数集的几何方向与坐标环同态方向相反。Hilbert 基定理保证 k[x1,,xn] Noether,故任何代数集可由有限多个方程定义,且其闭子集降链最终稳定;这是有限型代数几何能够以有限数据工作的根本原因。

参考资料
  • Robin Hartshorne, Algebraic Geometry, Springer, 1977,Chapter I, §1, affine varieties。
  • David Cox, John Little, and Donal O'Shea, Ideals, Varieties, and Algorithms, 4th ed., Springer, 2015,Chapters 1–4, affine varieties and ideals。
  • Igor Shafarevich, Basic Algebraic Geometry 1, 3rd ed., Springer, 2013,Chapter 1, affine algebraic sets。
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