代數幾何二:概形與層

函子觀點(functor of points)

當概形被定義為由諸素譜黏成的局部賦環空間時,它的「點」是素理想——一個相當令人卻步且僵硬的概念。函子觀點提供了一條截然不同、往往更直觀的途徑來理解概形 X:與其問「X 的點是什麼?」,不如問「從其餘每個概形「映入」X 的映射是什麼?」。所有這類映射的全體,組織成一個函子,便完全決定了 X,且常常比素理想更貼合「方程之解」的素樸想法。

精確地說,概形 X 給出一個從概形到集合的反變函子 h_X,把每個概形 T 送到全部從 T 到 X 之態射的集合 h_X(T) = Hom(T, X),稱為 X 的 T 值點。依米田引理,此函子完全記住 X:X 由 h_X 還原(至多差一同構),而態射 X -> Y 等同於自然變換 h_X -> h_Y。當 X = Spec A 為仿射且 T = Spec R 為仿射時,反等價使 T 值點變得具體:Hom(Spec R, Spec A) = Hom_環(A, R),即環同態 A -> R。所以由多項式 f_1, ..., f_m 所截出之概形的 R 點,恰恰是那些多項式以 R 中座標的聯立解——「點」的初等涵義被還原,但如今可同時落在「每個」環 R 中。凡以此方式產生(同構於某 h_X)的、從環到集合的函子,稱為可表示的,由 X 表示。

這觀點是模空間理論與現代代數幾何的實務核心:人們藉寫下函子「T 上這類對象的族」來定義一個幾何對象的空間(給定虧格的曲線、向量叢、子概形),再問它是否由某概形可表示。它也釐清了額外結構——群概形不過是其函子觀點落在群裡的概形,如 GL_n,其 GL_n(R) = R 上可逆的 n 乘 n 矩陣。兩個誠實的告誡。其一,你必須讓 T 取遍「所有」概形(或所有環),而非僅取域:限於 k 點會丟失資訊,尤其非約化 T 中的冪零元正是偵測切向量與無窮小形變之物——對偶數 k[epsilon]/(epsilon^2) 探測切空間。其二,並非每個函子都可表示;許多自然的模函子唯有在擴大範疇後(到代數空間或疊)才可表示,所以「寫下函子」本身並不保證有概形存在。

一點處切空間的妙招:對 k-概形 X 與 k 點 x,對偶數的 X 值點——以 x 為中心的映射 Spec k[epsilon]/(epsilon^2) -> X——恰恰是 X 在 x 處的切向量。所以「無窮小的點」(使用非約化的測試概形)字面上計算出札里斯基切空間,這是你若只容許域值點便看不見的。

對偶數點 Spec k[epsilon]/(epsilon^2) -> X 即切向量:此函子看得見無窮小。

T 必須取遍所有概形(所有環),而非僅域——非約化測試概形中的冪零元正是偵測切向量與形變之物。又,並非每個模函子都能由概形表示;有些需要疊。

又稱
points functorT-valued pointsh_X函子觀點點的函子