形式陈述
怎样把次数 d 的方程变成更大射影空间里的一个线性方程?设 d ≥ 1 ,k 为任意域。把 P k n 的全部次数 d 单项式依次排列,得到
ν d : P k n ⟶ P k N , [ x 0 : ⋯ : x n ] ⟼ [ x α ] | α | = d , 其中 N = ( n + d d ) − 1 。这叫 d 次Veronese映射,它是闭嵌入。
全部单项式是 O ( d ) 的全局截面。只要某个 x i ≠ 0 ,纯幂 x i d 就非零,故它们共同无基点,先由线性系 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。 得到处处定义的态射。
若目标超平面为 ∑ | α | = d c α Z α = 0 ,拉回方程正是
∑ | α | = d c α x α = 0. 所以“次数 d ”被转换成目标中的“次数1”,代价是目标维数增大,并且映像本身满足一批多项式关系。
直觉
只记录 d 次纯幂可能丢失原坐标的比例。Veronese同时记录所有混合单项式,因而在某个 x i d 非零的区域,可以用 x i d − 1 x j / x i d 直接读回 x j / x i 。
这种读回不需要取 d 次方根。所以即使底域特征整除 d ,完整Veronese仍是嵌入;它与只取纯幂的Frobenius式映射有本质区别。
例子与边界
扭三次曲线的三条方程
取 n = 1 , d = 3 :
(1) [ s : t ] ⟼ [ z 0 : z 1 : z 2 : z 3 ] = [ s 3 : s 2 t : s t 2 : t 3 ] . 其像满足矩阵
( z 0 z 1 z 2 z 1 z 2 z 3 ) 的全部二阶子式 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。 为零:
(2) z 0 z 2 − z 1 2 = 0 , z 0 z 3 − z 1 z 2 = 0 , z 1 z 3 − z 2 2 = 0. 这三条方程没有引入多余分支。若某个射影素理想含 z 0 , z 3 ,由式 (2) 它也含 z 1 2 , z 2 2 ,故含全部坐标,不是射影点。因此式 (2) 定义的闭子概形由 z 0 ≠ 0 与 z 3 ≠ 0 两图覆盖。
在第一图令 a = z 1 / z 0 , b = z 2 / z 0 , c = z 3 / z 0 。式 (2) 化为
b = a 2 , c = a b = a 3 , 第三式自动成立,坐标环为 k [ a ] 。式 (1) 在 s ≠ 0 图中正是 a = t / s 。第二图同理以 s / t 作坐标,重叠时二者互为倒数。这证明式 (1) 与式 (2) 所定义的整个概形同构,包括局部环,而不只是点集相同。
这条曲线称为扭三次曲线。它同构于 P 1 ,并不是射影平面中的光滑三次曲线,更不能因为名称含“三次”就把它当成椭圆曲线。
一个超平面的拉回
目标超平面 z 0 − z 3 = 0 在式 (1) 下拉回为 s 3 − t 3 = 0 。若 k 代数闭且特征不为3,有三个不同射影点;特征3时它等于 ( s − t ) 3 ,只有一个底层点,但交重数为3。
另取 z 0 = 0 ,拉回为 s 3 = 0 ,在 [ 0 : 1 ] 上有三重交。嵌入的次数与带重数的超平面截面相关,不能一律理解为不同点的个数。
推论与应用
分次子环给出一般闭嵌入证明
令 S = k [ x 0 , … , x n ] ,取Veronese分次子环 公理库 分次环与齐次理想 Graded ring · Homogeneous ideal 通过二次关系逐层算维数,说明齐次理想何以允许商分次,并区分齐次局部化与零次比例环。
S ( d ) = ⨁ m ≥ 0 S m d , 把原次数 m d 重新记为次数 m 。每个次数 m d 单项式都能分成 m 个次数 d 单项式的乘积,故 S ( d ) 由其次数1部分生成。
因此有满分次环同态
k [ Z α : | α | = d ] ↠ S ( d ) , Z α ↦ x α . 由Proj 的齐次商构造 公理库 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。 ,它把 Proj S ( d ) 实现为 P N 的闭子概形。
剩下要证明 Proj S ( d ) ≅ P n 。纯幂 x i d 的标准图覆盖它:若一个齐次素理想含全部纯幂,则任意次数 d 单项式的 d 次幂都是这些纯幂的乘积,素性迫使它含所有次数1生成元,矛盾。
在 x i d 图上,零次坐标环为
( ( S ( d ) ) x i d ) 0 = k [ x 0 / x i , … , x n / x i ] , 省略等于1的 x i / x i 。一方面所有合法分式都是这些比值的多项式;另一方面 x j / x i = ( x i d − 1 x j ) / x i d 已在其中。图的过渡也正是射影空间的普通比值转换。因此这些同构粘合,完成闭嵌入证明。
嵌入会改变次数,却不改变曲线本身
扭三次曲线仍是射影直线,但它的超平面拉回为三次截面。按分次子环计算,第 m 层是 k [ s , t ] 3 m ,维数为 3 m + 1 。这将成为Hilbert多项式 公理库 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。 读出嵌入次数3的直接例子。
自检:对二次Veronese [ s : t ] ↦ [ s 2 : s t : t 2 ] ,应能写出唯一二次关系 z 0 z 2 = z 1 2 ,并在 z 0 ≠ 0 图上读回 t / s = z 1 / z 0 。这说明信息来自混合项,而非对纯幂开方。
参考资料