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定义Definition

Proj 构造

Proj construction · Projective spectrum

以零次局部化构造Proj,完整计算射影二次曲线的两张仿射图,并区分射影曲线与仿射锥。

形式陈述 ​

怎样把带次数的环变成只保留齐次比例的概形?设 S=⨁d≥0Sd 为非负分次交换环,记正次理想 S+=⨁d>0Sd。定义

ProjS={p⊂S:p 为齐次素理想且 S+⊈p}.

对齐次理想 I,闭集为 V+(I)={p:I⊆p}。对正次数齐次元素 f,标准开集为

D+(f)={p:f∉p}.

这些开集覆盖Proj,并满足 D+(f)∩D+(g)=D+(fg)。

Proj的结构层由

(1)D+(f)≅Spec(Sf)0,O(D+(f))=(Sf)0

确定。这些仿射片相容地粘合成概形。关键是只取局部化的零次部分;一般不是 SpecSf。

点 p 的局部环为 S(p),由分子分母同次数、分母齐次且不在 p 中的分式组成。分母不消失的条件来自素理想,分子分母同次数则来自射影比例。

直觉

仿射锥中的点还记着向量的长度或尺度,齐次比例只记方向。零次分式把分子和分母的缩放次数抵消,因而成为射影片上的函数。

锥顶没有非零方向,不能用任何正次数齐次元素作分母。排除包含 S+ 的齐次素理想,使剩下每个点至少落在一张可用的比例坐标片中。

这是一种理解标准分次域代数的图景,不是Proj在一般环上的定义。一般Proj还包含泛点及各种剩余域的点,不能把它简单当作所有非零 k-向量除以 k×。

例子与边界

用两张仿射线读出一条射影二次曲线 ​

取

S=k[x,y,z]/(xz−y2),deg⁡x=deg⁡y=deg⁡z=1.

若一个齐次素理想同时含 x,z,由 y2=xz 也含 y,便含整个 S+,不在Proj中。因此 D+(x) 与 D+(z) 已覆盖全部 ProjS。

在 D+(x) 上取零次坐标

u=y/x,v=z/x.

原关系除以 x2 得 v=u2,所以

(Sx)0=k[u,v]/(v−u2)≅k[u].

在 D+(z) 上取 w=y/z,h=x/z,则 h=w2,得到另一张 Speck[w]。

两片相交时 x,z 都可逆,故 y2=xz 也使 y 可逆,并有

uw=y2xz=1.

因此重叠规则是 w=u−1。这正是两条仿射线按倒数粘成射影直线的规则。所以这条射影二次曲线同构于 Pk1,具体映射为

[s:t]⟼[s2:st:t2].

在 s≠0 的图中 u=t/s;在 t≠0 的图中 w=s/t。这些图上公式直接给出逆映射,不需要开平方,故在特征2也有效。

仿射锥与Proj不是同一个空间 ​

SpecS 含锥顶极大理想 (x,y,z);Proj不含它。更重要的是,两种构造在 x 可逆的区域也不同:

Sx≅k[x,x−1,u],(Sx)0≅k[u].

前者仍记着非零尺度 x,后者只记方向参数 u。所以Proj并非只从仿射锥删去一个点,还改变了用于描述每片的函数环。

没有正次数就没有射影方向 ​

若 S=S0 全部集中在次数0,则 S+=0。每个素理想都包含0,所以 ProjS 为空;而 SpecS 未必为空。更一般地,若所有正次元素均幂零,它们属于每个素理想,Proj仍为空。

推论与应用

标准开集为什么确实是仿射片 ​

先把不含 f 的齐次素理想局部化到整数分次环 Sf,再与零次子环相交,就得到 (Sf)0 的素理想。这个过程可逆。若 d=deg⁡f,从零次素理想 q 恢复齐次元素 a∈Se 是否属于原素理想,可用条件

ad/fe∈q.

将各齐次分量按此规则收集,得到唯一对应的齐次素理想;通分与素性保证加法、乘法和素理想条件。由“某个齐次元素不在素理想中”的条件还能核对两边主开集,得到式 (1) 的拓扑同胚。

层结构也相容。若 deg⁡g=e,则在 D+(f) 内,交集 D+(fg) 对应零次元素

gd/fe

的非零主开集,并有

(Sfg)0≅((Sf)0)gd/fe.

因此图与图之间使用的正是普通仿射结构层的局部化限制。这些环映射在三重交上相容,故仿射片与结构层可以一起粘合。Proj的局部环性于是来自每张仿射片,而非额外假定。

齐次方程定义闭子概形 ​

若 I⊆S 齐次,Proj(S/I) 自然成为 ProjS 的闭子概形。在每张图上,映射由零次局部化的满环同态给出。保留商环而不只保留零点集,能够记录重数和幂零结构。

例如 Projk[x,y,z]/(z2) 是射影平面中一条带二重结构的直线;与商掉 (z) 的直线有相同底层点,却有不同结构层。齐次方程的指数不是可以随意删去的记号。

后续扭转层会保留不为零的次数:齐次多项式通常不是射影空间上的普通函数,而是相应扭转层的截面。自检可在上述二次曲线的两张图上检查 y 本身随缩放改变,而 y/x 是第一图的合法函数。

参考资料
  • The Stacks Project,§10.57,Tag 00JM,特别是 Lemma 10.57.3:齐次素理想与标准仿射片。
  • The Stacks Project,§27.8,Tag 01M3,Lemmas 27.8.1、27.8.4、27.8.7:标准片的局部化、结构层及概形性。二次曲线的双图和反向坐标由本文直接计算。
关系图谱25 个相邻概念 · 3 类关系

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