代數、離散與計算幾何及前沿

貝祖定理(Bezout's theorem)

/ bay-ZOO /

兩條曲線最多能相交幾次?兩條直線交於一點。一條直線與一個圓交於兩點(或看似錯過,或只是相切)。兩個橢圓最多可交於四點。這裡藏著一個美麗的規律,而貝祖定理把它精確地說出來:兩條次數分別為 m 與 n 的代數曲線恰好交於 m 乘 n 個點——不多,而且若正確計數,也不少。直線(一次)與圓錐曲線(二次):1 乘 2 = 2 點。兩條圓錐曲線:2 乘 2 = 4 點。交點數正是兩次數的乘積。

玄機就藏在「正確計數」這幾個誠實的字裡,因為這個乾淨的敘述只有在你解決三個現實中的惱人問題後才成立。第一,要在複數上、而非只在實數上運作:一條看似錯過圓的直線,其實仍與它交於兩個複數點。第二,要在射影平面中運作,加入無窮遠點:兩條「永不相交」的平行線確實會相交——交於單一個無窮遠點,從而恢復 1 乘 1 = 1。第三,要帶重數計算交點:當一條直線與圓相切時,它在一個可見點觸碰,但那點要算兩次,因為兩個交點已合而為一。把這三項約定都備齊後,交點數恰好是 m 乘 n,毫無任何例外。

貝祖定理是代數幾何如何馴服相交——把它化為次數的算術——的範本,並可推廣到曲面與更高維。它也一舉解釋了熟悉的事實:一條二次式(二次)與 x 軸(一次)交於 2 點,這正是為什麼一個二次式在複數上帶重數恰有 2 個根。常見的誤讀是在實數上套用這個簡單乘積,然後在一條直線「錯過」一個圓時覺得被騙了。其實什麼問題都沒有——失蹤的那兩點是複數,而這定理從來就不是關於可見實交點的承諾。

取圓 x^2 + y^2 = 1 與直線 y = 1,後者在頂端與圓相切。代入:x^2 + 1 = 1,故 x^2 = 0。可見的點只有一個 (0, 1),但方程式 x^2 = 0 在 x = 0 處有一個重根,所以它算作 2 個交點。二次乘一次 = 2,正如貝祖所承諾——相切把第二個點藏進了重數之中。

相切是兩個合而為一的交點;重數讓計數誠實無誤。

乘積 m 乘 n 是上限,也只有在三項約定(複數、射影、帶重數)下才是精確值。捨棄其中任一項,這個數目在實數上都可能不足——那不是定理失靈,而是在提醒它的前提。

又稱
Bezout's theorem on intersections貝佐定理