層的莖(stalk of a sheaf)
層把資料指派給整個開集,但你常想一路放大到單獨一點 p,並問:在 p 的任意小鄰域裡,這個層長什麼樣子?麻煩在於,p 周圍並沒有單一的最小開集可供求值。莖正是回答此問的裝置,它一口氣對所有縮小的鄰域取極限——它把每個定義在 p 附近的截面打包在一起,同時宣布:若兩個截面在某個(可能極小的)共同鄰域上已經一致,就視為相同。
精確地說,層 F 在點 p 的莖,記作 F_p,是 F(U) 沿所有包含 p 的開集 U(依逆包含排序,並以限制映射為轉移映射)所取的正向(濾過餘極限)極限。F_p 的一個元素稱為 p 處的芽:它由一對 (U, s) 表示,其中 p 屬於 U 且 s 屬於 F(U);而兩對 (U, s)、(V, t) 表示同一個芽,當存在更小的、含 p 且同時落在 U 與 V 內的開集 W,使 s 與 t 限制到 W 後成為同一截面。所以莖遺忘了截面定義在多大的鄰域上,只記得它在 p 無窮鄰近處的行為。對連續函數層,p 處的莖是 p 處連續函數芽的環;對全純函數,它是收斂冪級數的環;對概形的結構層,它是一個局部環。
莖之所以要緊,是因為它正是層論變得局部且可計算之處。一個層的態射是同構,當且僅當它在每個莖上都是同構——整體行為透過莖被逐點偵測——而層化正是把諸莖重新黏合而成。概形論中最重要的單一事實,是結構層的莖都是局部環(各有唯一的極大理想),這正是使概形成為「局部」賦環空間的緣由。一個告誡:莖只看見任意小鄰域的資料,所以兩個確實不同的層可以在每一點都有同構的莖,卻若那些同構無法拼成單一的層映射,則仍可在整體上不同。
在實數線上,取光滑函數層。f(x) = x^2 在 0 處的芽,與 g(x) = x^2 + e^{-1/x^2}(在原點補 0,仍光滑)在 0 處的芽是「不同」的芽,儘管它們在 0 處所有導數都相等——它們在 0 的每個鄰域上都不一致,所以再怎麼縮小都無法使其相等。0 處的莖就是所有這類光滑芽的環。
一點處的芽:無窮階吻合並不夠;芽必須在整個鄰域上一致。
層映射在所有莖上為同構,便逼使它是層的同構——但這是層特有的;對純粹的預層,莖相等並不蘊含同構。莖唯有對層才是正確的「一點處之值」概念。