形式陈述
两个射影空间的乘积怎样用一个射影空间中的方程表示?对任意域 k ,Segre映射定义为
σ : P k m × k P k n ⟶ P k ( m + 1 ) ( n + 1 ) − 1 , ( [ x i ] , [ y j ] ) ⟼ [ z i j ] = [ x i y j ] . 两组射影坐标 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。 分别乘 λ , μ 时,所有 z i j 同时乘 λ μ ,所以映射有定义。
它是闭嵌入,像由全部二阶子式 公理库 行列式 Determinant 交换含幺环上方阵的交替多线性标量不变量。
(1) z i j z a b − z i b z a j = 0 定义。换言之,矩阵 Z = ( z i j ) 的秩 公理库 线性映射的秩 Rank of a linear map · Matrix rank 线性映射像空间的维数,表示其保留下来的独立输出方向数。 为1。秩至多1的方程也允许零矩阵,但零矩阵不代表射影点,因此像中恰为秩1。
直觉
一份乘积数据由两条方向组成。将两条方向作外积,得到秩1矩阵;整体缩放不影响原来的两条射影方向。
张量积 公理库 张量积 Tensor product 把双线性映射统一因子化为线性映射,并可在交换环上的模中以平衡关系构造的张量积。 把双线性操作放进一个线性空间,Segre嵌入则找出该空间中哪些射影点来自单个纯张量。一般张量可以是多个纯张量之和,通常不在Segre像上。
例子与边界
P1乘P1是一张二次曲面
对 m = n = 1 ,映射为
( [ s : t ] , [ u : v ] ) ⟼ [ s u : s v : t u : t v ] . 按 z 00 , z 01 , z 10 , z 11 排列,像满足
(2) Q : z 00 z 11 − z 01 z 10 = 0. 在 z 00 ≠ 0 的图中,令
a = z 10 / z 00 , b = z 01 / z 00 . 式 (2) 迫使 z 11 / z 00 = a b ,所以该图为仿射平面 Spec k [ a , b ] ,逆映射为
[ 1 : b : a : a b ] ⟼ ( [ 1 : a ] , [ 1 : b ] ) . 其余三个坐标非零图同理。每点都有一张仿射平面图,因此这个二次曲面在任意特征下都光滑;不需要把特征2排除。
例如 ( [ 1 : 2 ] , [ 3 : 4 ] ) 的像为 [ 3 : 4 : 6 : 8 ] ,满足 3 ⋅ 8 = 4 ⋅ 6 。但 [ 1 : 0 : 0 : 1 ] 对应单位矩阵,行列式为1,不在像中。
两族直线从两个因子直接出现
固定 [ s : t ] 、让 [ u : v ] 变化,像为
u ( s , 0 , t , 0 ) + v ( 0 , s , 0 , t ) 张成的射影直线。反过来固定 [ u : v ] 、改变 [ s : t ] ,得到另一族直线。
同一族中不同参数的直线不相交,因为乘积中第一坐标或第二坐标不可能同时取两个不同值。来自不同族的两条直线恰交于一对已指定坐标所对应的点。因此每个曲面点都经过两条这样的直线,各来自一族。
事实上曲面上的直线只有这两族。若一条射影直线由独立秩1矩阵 A = x y T 与 B = x ′ ( y ′ ) T 张成,则
det ( A + t B ) = t det ( x , x ′ ) det ( y , y ′ ) . 整条线包含于 Q 要求这个关于 t 的多项式恒为零,所以两因子至少一个为零。于是 x , x ′ 成比例或 y , y ′ 成比例,分别落入上述一族。这个多项式论证也适用于有限域,不能只检查有限多个有理点。
推论与应用
子式方程为什么足以恢复两组坐标
设满足式 (1) 的射影点有 z a b ≠ 0 。将全部坐标除以 z a b ,得到
(3) z i j z a b = z i b z a b z a j z a b . 所以第 b 列给出第一组比例,第 a 行给出第二组比例;两组的第 a 、第 b 坐标都规范为1。任意其余矩阵元素都由式 (3) 唯一确定。
这不只是一份点集逆公式。在目标 z a b ≠ 0 图中,式 (1) 的商环恰为自由多项式环
k [ ξ i ( i ≠ a ) , η j ( j ≠ b ) ] , 因为所有 z i j / z a b 被表达为 ξ i η j ,而这些行列比值本身没有额外关系。它与乘积 x a ≠ 0 , y b ≠ 0 的仿射图同构。因此局部环也被完整恢复,得到概形意义 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。 下的闭嵌入。
双齐次方程与超平面
目标超平面 ∑ c i j z i j = 0 拉回为
∑ c i j x i y j = 0 , 分别对 x 和 y 都为一次,称为双次数 ( 1 , 1 ) 的方程。它对应乘积上的线丛
pr 1 ∗ O ( 1 ) ⊗ pr 2 ∗ O ( 1 ) . 截面 x i y j 共同生成这份线丛,因而 Segre 也是无基点线性系产生的射影态射 公理库 线性系与射影映射 Linear system of sections · Base-point-free linear system 用线丛截面的比值构造射影态射,定位投影的基点,并以平方映射区分基点自由与闭嵌入。 。这也说明 Segre 保留的是两组独立缩放后的数据,并不是把两个射影坐标列表直接串起来;串接后的列表在独立缩放两因子时通常不代表同一射影点。
自检:在 z 01 ≠ 0 图中,试写第一组坐标为 [ z 01 : z 11 ] 、第二组为 [ z 00 : z 01 ] ,再代入式 (2) 检查其外积恢复原射影点。换图不会改变恢复出的两条方向。
参考资料