形式陈述
几条线丛截面何时能充当射影坐标?设 X 是域 k 上的概形 公理库 概形与结构层 Scheme · Structure sheaf · 概形 在主开集上清分母证明结构层的粘合与茎公式,用双数区分拓扑点和局部环,再把两条仿射线粘成射影直线并计算全部全局正则函数。 ,L 是 X 上的可逆层 公理库 局部自由层与代数线丛 Locally free sheaf · Invertible sheaf 用原点理想展示局部自由性的失败,再构造射影直线的负线丛,区分局部标架、全局基和点纤维。 ,选全局截面 s 0 , … , s n 。若评价映射
O X n + 1 ⟶ L , ( a 0 , … , a n ) ⟼ ∑ i a i s i 满射,就称这些截面共同生成 L ,或称其张成的线性系无基点。此时它们确定一个态射
(1) φ : X ⟶ P k n . “没有共同零点”按点纤维解释:对每个概形点 x ,至少一个 s i 在一维 κ ( x ) -空间 L ( x ) 中非零。对于可逆层,这等价于该 s i 在 x 附近可作局部标架,因而等价于上述满射条件。
更不依赖基的说法是:给非零有限维子空间 V ⊆ H 0 ( X , L ) ,若 V ⊗ k O X → L 满射,就得到 X → P ( V ∗ ) 。V 称为一个线性系;若整个截面空间有限维并取 V = H 0 ( X , L ) ,称为完全线性系。
直觉
射影坐标 公理库 射影空间 Projective space 把非零向量按非零标量倍数关系取商所得的直线空间。 允许同时乘一个非零数。线丛换局部标架时,各截面的坐标函数正好同时乘同一个可逆函数,因此它们的比例不变。
但至少要有一个坐标非零,比例才有意义。无基点条件负责让映射处处有定义;要把空间嵌入目标,还必须让这些截面区分不同位置及其局部方向,前一条件不会自动完成后一任务。
例子与边界
两个线性坐标留下一个基点
在 P k 2 上,X , Y 是$\mathcal O(1)$ 的截面 公理库 Proj 上的扭转层 Twisting sheaf · Serre twisting sheaf 从分次位移构造扭转层,逐指数算出P1上的H0和H1,并展示非标准分次下O(1)失效。 。它们给出比值
[ X : Y : Z ] ⇢ [ X : Y ] , 却在 p = [ 0 : 0 : 1 ] 同时为零。在 Z ≠ 0 的图中,令 x = X / Z , y = Y / Z ,此映射为 ( x , y ) ↦ [ x : y ] ,不能在原点直接求值。
这里的基点也不能仅靠补一个值消除。沿 y = 0 的非原点部分,映射恒为 [ 1 : 0 ] ;沿 x = 0 的非原点部分,恒为 [ 0 : 1 ] 。若有在原点附近的态射延拓,它限制到两条坐标轴,必须在原点同时取这两个不同值,矛盾。这就是从一点向一条射影直线投影时的真正缺口。
有些坐标公式的公共因子可以约去,使同一个有理映射延拓;因此“这组选定截面有基点”和“有理映射绝不能延拓”应分别检查。本例用两条轴证明了后一项。
没有基点仍未必嵌入
在 P k 2 上选 O ( 2 ) 的截面 X 2 , Y 2 , Z 2 。每个点至少一个坐标非零,故给出态射
φ ( [ X : Y : Z ] ) = [ X 2 : Y 2 : Z 2 ] . 若 char k ≠ 2 ,不同点 [ 1 : 1 : 0 ] 与 [ 1 : − 1 : 0 ] 同像,所以它不是嵌入。
特征2时,上述两个点不再不同,但也不能因此宣布映射是嵌入。在 Z ≠ 0 的仿射图中,环映射为
k [ u , v ] ⟶ k [ x , y ] , u ↦ x 2 , v ↦ y 2 . 它不满射,因为 x 不在 k [ x 2 , y 2 ] 中。闭嵌入在这张图上应给满环同态,因此仍不是闭嵌入。基点自由、点集单射、保留局部概形结构是不同要求。
推论与应用
逐片构造映射并检查换标架
在开集 U 上取标架 e ,写 s i = f i e 。无基点条件使 U 被 U i = { f i ≠ 0 } 覆盖;这里 f i 不在对应局部环的极大理想中,所以可逆。映到目标标准片 T i ≠ 0 的环坐标为
(2) T j / T i ⟼ f j / f i . 这些函数在 U i 上正则,故确定概形态射 公理库 概形与结构层 Scheme · Structure sheaf · 概形 在主开集上清分母证明结构层的粘合与茎公式,用双数区分拓扑点和局部环,再把两条仿射线粘成射影直线并计算全部全局正则函数。 。若 e ′ = a e ,a 可逆,则 f i ′ = a − 1 f i ,所有比值 f j ′ / f i ′ 等于原比值。因此式 (2) 与标架选择无关。
在 U i ∩ U ℓ 上,目标图的转换也是比值再相除:( T j / T ℓ ) = ( T j / T i ) / ( T ℓ / T i ) 。两份局部映射因此相同,能粘成式 (1)。这同时给出了存在性和唯一性。
为什么拉回O(1)得到原线丛
目标 T i ≠ 0 图中,T i 是 O ( 1 ) 的标架;作模层拉回 公理库 层的直像与逆像 Direct image of a sheaf · Inverse image of a sheaf 沿连续映射构造层的直像与逆像,通过点嵌入区分芽和点值,并计算逆像与模拉回之间的标量变化。 后把它送到 s i 。交上两个标架的比为 T j / T i ,而式 (2) 将它送为 s j / s i ,正是 L 的过渡函数。因此
φ ∗ O P n ( 1 ) ≅ L , 并在此同构下 φ ∗ T i = s i 。线丛不是坐标构造之外的附件,而是保证这些坐标能全局相容的对象。
截面空间的选择改变几何表达
对整数 d ≥ 1 ,在 P 1 上,X d , Y d 给出无基点映射 [ X : Y ] ↦ [ X d : Y d ] ;若使用全部 d + 1 个次数 d 单项式,则得到Veronese嵌入 公理库 Veronese 嵌入 Veronese embedding 由完整单项式线性系构造Veronese闭嵌入,逐图核验扭三次曲线的三条子式方程与超平面截面。 。两者使用同一线丛 O ( d ) ,但挑选的截面空间不同,几何结果也不同。
因此完成一个线性系构造时,应提交三项证据:局部标架下的坐标函数,至少一项可逆的覆盖,以及目标图之间的比值兼容。若还声称嵌入,则须再给局部逆坐标或闭嵌入的环映射检验,不能停在“没有共同零点”。
参考资料
The Stacks Project,§27.13,Tag 01ND ,Lemma 27.13.1 与其后构造:由共同生成可逆层的截面给出射影空间态射。
The Stacks Project,§27.14,Tag 01NJ ,Lemma 27.14.1:从分次截面环到Proj的局部化构造。基点投影与平方映射的失败在本文逐图核验。