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定义Definition

Segre 嵌入

Segre embedding

把射影乘积识别为秩一矩阵的闭子概形,逐图恢复两组坐标,并证明光滑二次曲面的两族直线。

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:Pkm×kPkn⟶Pk(m+1)(n+1)−1,([xi],[yj])⟼[zij]=[xiyj].

两组射影坐标分别乘 λ,μ 时,所有 zij 同时乘 λμ,所以映射有定义。

它是闭嵌入,像由全部二阶子式

(1)zijzab−zibzaj=0

定义。换言之,矩阵 Z=(zij) 的秩为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])⟼[su:sv:tu:tv].

按 z00,z01,z10,z11 排列,像满足

(2)Q:z00z11−z01z10=0.

在 z00≠0 的图中,令

a=z10/z00,b=z01/z00.

式 (2) 迫使 z11/z00=ab,所以该图为仿射平面 Speck[a,b],逆映射为

[1:b:a:ab]⟼([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=xyT 与 B=x′(y′)T 张成,则

det⁡(A+tB)=tdet⁡(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 zab≠0。将全部坐标除以 zab,得到

(3)zijzab=zibzabzajzab.

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 zab≠0 图中,式 (1) 的商环恰为自由多项式环

k[ξi (i≠a),ηj (j≠b)],

因为所有 zij/zab 被表达为 ξiηj,而这些行列比值本身没有额外关系。它与乘积 xa≠0,yb≠0 的仿射图同构。因此局部环也被完整恢复,得到概形意义下的闭嵌入。

双齐次方程与超平面 ​

目标超平面 ∑cijzij=0 拉回为

∑cijxiyj=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

pr1∗O(1)⊗pr2∗O(1).

截面 xiyj 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。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 z01≠0 图中,试写第一组坐标为 [z01:z11]、第二组为 [z00:z01],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
  • The Stacks Project,Lemma 27.13.6,Tag 01WD:乘积线丛、生成截面与逐标准图的闭嵌入证明。
  • The Stacks Project,§27.13,Tag 01ND,Lemmas 27.13.1、27.13.3:射影映射的截面构造与标准仿射片。二次曲面的局部环、两族直线及无额外直线的行列式证书在本文给出。
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