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定理Theorem

射影平面曲线的 Bézout 定理

Bézout theorem for plane curves · Projective Bézout theorem

以局部商环长度定义交重数,用分次正合复形证明平面Bézout,并计算尖点切线与无穷远的三重交。

形式陈述 ​

两条射影平面曲线为什么总共相交“次数的乘积”次,而肉眼可能只看见一个点?设 k 为满足代数闭性的域,F,G∈k[X,Y,Z] 是非零齐次多项式,次数分别为 a,b>0,并且没有公共不可约因子。令

C=V+(F),D=V+(G)⊆Pk2,

按Proj理解其概形结构。交集只有有限多个点。

在交点 P 附近取仿射坐标,把方程去齐次为 f,g,定义局部交重数

(1)IP(C,D)=ℓOP2,P(OP2,P/(f,g)).

ℓ 是组成长度。此局部商环为 Artin 局部环;因 k 代数闭,其简单因子都是 k,所以长度等于 k-维数。换仿射图只把方程乘局部单位,不改变商的长度。

平面曲线Bézout定理断言

(2)∑P∈C∩DIP(C,D)=ab.

不要求曲线光滑,也不要求交点横截;重数恰是用来记录这些特殊行为的。

直觉

“交于一个点”只说明商环的支撑在哪里,没有说明该点附近还保留多少阶幂零信息。商 k[t]/(t3) 只有一个点,却有三层 1,t,t2;Bézout计入的正是这些层。

射影化还把无穷远处的交点纳入同一计数。只有同时保留全部射影点和局部长度,次数乘积才成为稳定的总数。

例子与边界

尖点与切线在一个点相交三次 ​

取尖点三次曲线

C: Y2Z=X3

及直线 D:Y=0。代入后 X3=0,所以唯一底层交点为 P=[0:0:1]。在 Z≠0 图上取 x=X/Z,y=Y/Z,局部环中的商为

k[x,y](x,y)(y2−x3,y)≅k[x](x)(x3).

它有 k-基 1,x,x2,故 IP(C,D)=3=3⋅1。也可写组成列

0⊂(x2)⊂(x)⊂k[x]/(x3),

每个相邻商都是 k。

尖点本身的最低非零方程次数为2,却不意味着它与每条直线都相交两次。对直线 x=0,局部商是 k[y](y)/(y2),重数为2;对切线 y=0 则为3。交重数依赖两条曲线的相对位置,不只是单条曲线的奇点重数。

无穷远处的三重交 ​

同一曲线与直线 Z=0 只有交点 Q=[0:1:0]。在 Y≠0 图上取 u=X/Y,v=Z/Y,方程为 v=u3,而直线为 v=0。局部商仍为

k[u](u)/(u3),

长度3。Q 在曲线上却是光滑点,因为这张曲线本身是 u↦(u,u3) 的图。三重交不一定来自奇点,也可以来自光滑曲线与切线的高阶接触。

公共分量与非代数闭域 ​

若两方程含同一个直线因子,就沿整条直线相交,式 (1) 的商一般不再有限长,式 (2) 的有限求和不适用。不能把公共分量当作一个“特别重的点”。

若只数实点也会失败。实圆锥曲线 X2+Y2+Z2=0 与 Z=0 没有实交点,但在复数域上有 [1:i:0] 与 [1:−i:0],各重数1,总数仍为2。一般底域下应作代数闭包基变换,或以剩余域次数加权闭点长度。

推论与应用

两条互素方程给出精确的关系复形 ​

令 A=k[X,Y,Z]、Q=A/(F,G)。有分次正合列

(3)0→A(−a−b)→h↦(−Gh,Fh)A(−a)⊕A(−b)→(u,v)↦Fu+GvA→Q→0.

为什么中间没有额外关系?若 Fu+Gv=0,互素性与多项式环的唯一分解保证 F∣v,写 v=Fh,再得 u=−Gh。最左映射单射,因为 A 是整环。这样式 (3) 的每个正合位置都已核验。

按次数取维数,并使用Hilbert多项式,对足够大的 m 得

PQ(m)=(m+22)−(m−a+22)−(m−b+22)+(m−a−b+22)=ab.

所有含 m 的项抵消。这个非零常数也说明交概形维数为0。

常数为什么等于局部长度之和 ​

还需把分次计算与式 (1) 接起来。交概形有限,且 k 无限,可选一条不经过任何交点的直线;改齐次坐标后记为 Z=0。于是整个交概形落在 D+(Z),其坐标环是

B=(QZ)0.

这是有限维 k-代数。

把 Qm 通过 h↦h/Zm 映入 B;这些映射组成乘 Z 的直系统,其余极限正是 B。

由Hilbert 基定理及 Noether 模的子模有限性,Z-幂挠子模 T⊂Q 有限生成,且其对应Proj层为零,因为交概形没有点落在 Z=0。对有限生成分次模,Proj层为零意味着足够高分量为零:有限个标准坐标覆盖上,每个生成元都被某次坐标幂消去,取共同界即可使某个 A+ 的幂消去全部生成元。

因此乘 Z:Qm→Qm+1 在足够高次数单射;而两边维数都等于常数 ab,故最终为同构。这证明 dimk⁡B=ab。

有限维交换代数由各极大理想的足够高次幂及中国剩余定理,分解为局部 Artin 因子的乘积。这些因子就是交点的局部商环;每个简单因子的剩余域为 k,故

dimk⁡B=∑Pdimk⁡BP=∑PIP(C,D).

与前一步结合,完成式 (2) 的证明。总长度因而不是对图形相交点数的猜测,而是分次关系复形与局部组成长度共同给出的整数。

重数指引下一步几何变换 ​

尖点的切线接触把三阶信息压在同一个点。平面爆破会把这个点替换成方向空间,使严格变换可变光滑。但变光滑以后,它仍可能与例外曲线相切;还需继续用局部长度检查,不能把“消除曲线奇点”与“所有交叉均横截”混为一谈。

参考资料
  • Ravi Vakil,Class 31,§1.8:超曲面截面的次数乘法及平面Bézout;本文用两方程的精确分次复形展开证明。
  • J. S. Milne,Elliptic Curves,2006,Ch.I §1,Proposition1.8、Example1.12、Theorem1.18、Example1.20:局部交重数、尖点与切线、射影计数及无穷远三重交。本文定理还允许方程本身带重因子,互素条件与式 (3) 保证证明仍成立。
关系图谱33 个相邻概念 · 2 类关系

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