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定理Theorem

Hilbert 函数与多项式

Hilbert function · Hilbert polynomial

证明标准分次代数的维数最终呈多项式增长,用扭三次与平面四次曲线读出维数、次数和算术亏格。

形式陈述 ​

齐次多项式空间的维数增长,怎样读出射影维数与次数?设 S=⨁m≥0Sm 是有限生成标准分次 k-代数,S0=k。逐次取向量空间维数,定义其 Hilbert 函数为

HS(m)=dimk⁡Sm.

存在唯一多项式 PS(T)∈Q[T],使 HS(m)=PS(m) 对所有充分大的整数 m 成立,称为Hilbert多项式。

若射影概形 X=ProjS 非空、维数为 r,则 PS 次数为 r,并可写成

PS(m)=er!mr+较低次项,e∈Z>0.

正整数 e 是这个射影嵌入下的次数。仿射锥的Krull维数为 r+1。若 S 有限维,则Hilbert函数最终为零,Proj为空,应单独处理。

标准分次和有限生成都是定理的实际条件。Hilbert函数记录每一层的真实维数;Hilbert多项式只保证最终吻合,不能把它在小次数的值一律当成维数。

直觉

一条关系会消去一些单项式,但也会在更高次数产生它的全部倍数。Hilbert函数计算每一层还剩多少独立坐标,因此同时追踪生成元与关系怎样随次数增长。

最终多项式的次数描述增长的维度,最高项系数描述在指定嵌入下的密度。曲线同构不意味着这个最高项系数相同,因为换一种嵌入就换了“次数1”代表的几何截面。

例子与边界

同一条射影直线,嵌入次数不同 ​

扭三次曲线的齐次坐标环是

T=k[s3,s2t,st2,t3],

把四个三次单项式记为新次数1。其第 m 层恰为 k[s,t]3m:任意 s3m−jtj 可把指数分成 m 组总次数3,所以由这些生成元产生。

因此一组基为 s3m−jtj,0≤j≤3m,得到

HT(m)=3m+1(m≥0).

Hilbert多项式为一次,读出曲线维数1;首项系数3读出嵌入次数3。普通 P1 的坐标环 k[s,t] 则给 m+1。两者对应的曲线同构,但嵌入不同。

平面四次曲线的小次数与最终公式 ​

令 A=k[X,Y,Z],F 为任意非零齐次四次式,S=A/(F)。由于 A 是整环,乘 F 给分次短正合列

0→A(−4)→×FA→S→0.

按次数取维数:

HS(m)=(m+22)−dimk⁡Am−4,

其中负次分量为零。对 m≥4,两项均可写成二项式多项式,得到

PS(m)=(m+22)−(m−22)=4m−2.

所以曲线次数为4。曲线Hilbert多项式通常写为 em+1−pa,这里读出算术亏格 pa=3;它不是仅凭画图数出的洞数。奇异曲线的算术亏格也不必等于其光滑化后的几何亏格。

在 m=0 时,真实值是 HS(0)=1,但 PS(0)=−2;在 m=1 时,真实值为3,多项式给2。负值没有表示“负维空间”,只是提醒我们正在把最终规律外推到适用范围之外。

加权分次可以保留周期振荡 ​

若 S=k[x]、deg⁡x=2,则 HS(m) 在偶数 m 为1,在奇数 m 为0。不存在一个多项式在所有充分大整数上与它相等:若有,因无限多个偶数处值为1,该多项式恒为1,又与奇数处矛盾。

它分别在两个同余类上是常数,这属于准多项式行为。前面的标准分次条件正是排除这种剩余周期的一项关键假设。

推论与应用

有限差分证明最终多项式性 ​

更一般地,对多项式环 A=k[x1,…,xN] 上有限生成分次模 M,证明 dim⁡Mm 最终为多项式。对 N 归纳。N=0 时 M 有限维,足够高分量为零。

取 x=xN,令 K=(0:Mx)、C=M/xM。Hilbert基定理保证 K 仍有限生成;K,C 都被 x 消去,故为前 N−1 个变量上的有限生成分次模。每个次数上有正合列

0→Km−1→Mm−1→xMm→Cm→0.

于是

(1)HM(m)−HM(m−1)=HC(m)−HK(m−1).

右侧由归纳假设最终为多项式。对二项式基有

(m+1j+1)−(mj+1)=(mj),

所以对一个多项式逐次作离散求和,仍得到多项式。式 (1) 由此推出 HM 最终为多项式。取 M=S,用标准分次的多项式环满射即可得到所述存在性;唯一性来自两个多项式在无限多个整数处相等。

为什么增长次数等于维数减一 ​

说明这一点可以使用普通的Noether正规化,不必另假设域无限。以下讨论 S 无限维的情形,记 d=dim⁡S≥1;有限维情形已由最终为零单独处理。选择代数无关 y1,…,yd,使 S 在 B=k[y1,…,yd] 上有限。令

F(m)=dimk⁡⨁j=0mSj.

每个 yi 是有限次多项式,取整数 D≥1,使其最高次数至多 D。那么 B 中总次数至多 ⌊m/D⌋ 的单项式线性无关,且都在上式的过滤空间中,所以 F(m) 至少按 md 增长。

另一方面,选有限个 B-模生成元 a1,…,aq。对每个次数1生成元 xi,把所有 xiaj 写为 aℓ 的 B-线性组合;有限多个系数多项式的 y-次数有共同上界 C。也把1写为这些 aj 的组合,系数次数有界。于是每个长度至多 m 的 xi 单项式,都可写成 y-次数至多 Cm+C0 的系数乘 aj,从而 F(m) 至多按 md 增长。

故 F(m) 的增长阶恰为 md。若非零Hilbert多项式次数为 r,其累计和次数为 r+1,所以 d=r+1。最高项系数乘 r! 为整数,可由 r 次有限差分最终等于这个常数看出;它为正,因为高次数维数非负且增长未消失。

次数是一种带重数的相交计数 ​

设曲线的齐次坐标环为 S,要求所选线性方程 ℓ 在 S 上是非零因子,即 ℓ 不属于 S 的任何关联素理想;几何上要避开仿射锥的这些关联点。整曲线以其整齐次坐标环表示时,超平面不包含曲线是一个常见的充分情形。此时才有短正合列

0→S(−1)→×ℓS→S/(ℓ)→0,

从而截面的Hilbert多项式为 P(m)−P(m−1)。若 P(m)=em+c,差正好为常数 e。下一页的Bézout定理将这个常数与各交点局部商环的长度相连。

仅要求超平面不包含整条可约曲线还不够,因为它可能包含其中一个分量;存在嵌入关联点时,也必须检查这些点带来的零因子。

自检时应能对一般平面 d 次曲线得到

P(m)=dm+3d−d22,pa=(d−1)(d−2)2,

同时保留“这些是最终Hilbert公式”的限定,而不把 P(0) 当作 H(0)。

参考资料
  • The Stacks Project,§10.58,Tag 00JV,Lemma 10.58.5、Proposition 10.58.7、Remark 10.58.8:有限差分、最终多项式与非标准分次。
  • The Stacks Project,Lemma 10.117.1,Tag 00P6:标准分次环的维数与Hilbert多项式次数。本文另给有限模生成元控制累计增长的证明机制。
  • Ravi Vakil,Class 31,§1.1–1.8 及其后算术亏格讨论:Hilbert多项式、嵌入次数和超曲面差分。
关系图谱20 个相邻概念 · 2 类关系

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