札里斯基切空間(Zariski tangent space)
/ zuh-RISS-kee /
在空間中的光滑曲面上,每一點都有一個切平面——最佳的平坦近似。札里斯基切空間是那個切平面的純代數版本,對任何簇的任何點,僅用座標環定義,不涉微積分或極限。在光滑點處它恰好恢復你期待的切平面;在奇異點處,如兩條直線的交叉或尖點的尖端,它太大了,而那份多餘正是奇異性的代數印記。
固定簇 X 上一點 p,配有局部環 O_{X,p} 與在 p 處為零之函數所成的極大理想 m。札里斯基切空間定義為對偶向量空間 T_p X = (m / m^2)*,是剩餘域 k 上的向量空間。商 m / m^2 是餘切空間:m 收集在 p 處為零的函數,而模掉 m^2 丟棄了二階及更高項,恰好留下線性部分——微分。切向量於是是一個導子,即服從萊布尼茲法則、作用於函數上的線性泛函。具體地,對 A^n 中的 X = V(f_1, ..., f_r),在 p 處的切空間是雅可比矩陣 (partial f_i / partial x_j) 在 p 處取值的核:線性化方程的解空間,恰恰是古典的切平面。
札里斯基切空間是「不離開代數即區分光滑與奇異」的工具。點 p 為光滑(非奇異)恰好在 dim T_p X 等於 X 的維數時;它為奇異則在切空間嚴格更大時,而這恰好發生在雅可比矩陣降秩之處。在兩條相交直線的結點處,切空間是 2 維的,儘管曲線是 1 維的;在尖點處它也太大。提醒:dim T_p X 永遠至少為 dim X,且只能在奇異軌跡上躍升,但僅憑切空間讀出幾何可能誤導——尖點與結點有相同的切空間維數,卻是不同的奇異點,需由切空間看不見的高階資料區分。
對於結點三次曲線 y^2 = x^3 + x^2,在原點處雅可比 (partial f) = (-3x^2 - 2x, 2y) 在 (0,0) 處為零,故切空間是整個 2 維平面,而曲線是 1 維的。不相符 dim T_p = 2 > 1 = dim X 證明原點是奇異點。
光滑意味著切空間維數等於簇的維數;奇異點的切空間太大。
切空間維數能偵測奇異性,卻無法分類它:結點與尖點可以有相同的札里斯基切空間,卻是不等價的奇異點,需由高階(jet)資料分開。