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簇:当多项式成为图形

仿射簇不过是多项式方程组的解集——但要从几何角度去读。我们定义仿射空间、零点集,以及最初的例子:圆、抛物线、一对直线,和扭曲三次曲线。

仿射空间与零点集

固定一个域 k。k 上的 仿射 n 维空间 记作 A^n,就是 n 元组 (a_1, …, a_n) 的集合 k^n——但我们刻意剥去向量空间的结构。这里没有特殊的原点,没有我们在意的加法;A^n 是一个舞台,我们将在其上画出由多项式切割出的图形。仔细的陈述见 仿射空间

给定 多项式环 k[x_1, …, x_n] 中的一组多项式 S,它的 零点集 是 V(S) = { p ∈ A^n : 对每个 f ∈ S 都有 f(p) = 0 }。形如此的集合就是 仿射簇。口号是:簇就是一族多项式的公共零点轨迹。请把 零点集仿射簇 一起读——它们是同一想法的两半。

最初例子的画廊

我们来实际看几个。在 A^2 中,单个多项式 x^2 + y^2 − 1 切出一个圆;y − x^2 切出一条抛物线;xy 切出两条坐标轴的并(一个点消灭 xy 当且仅当 x = 0 或 y = 0)。我们已经看到既有‘一整块’的簇,也有明显裂成几块的簇——这是 不可约性 的种子,将在第三篇研习。

Work in A^3 over an algebraically closed field k.
The TWISTED CUBIC is the image of t |-> (t, t^2, t^3).

As a variety it is V(I) for the ideal
    I = ( y - x^2,  z - x^3 ).

Check a point lies on it:  if y = x^2 and z = x^3, set t = x;
then (x, y, z) = (t, t^2, t^3).  Conversely every such triple
kills both generators.  So the curve = V(y - x^2, z - x^3).

Note: ONE equation in A^3 generally gives a SURFACE (2-dim);
to pin down a CURVE (1-dim) in A^3 we needed TWO equations.
Each independent equation tends to drop dimension by 1.

Warning that pays off later:  the ideal of this curve is
NOT just (y - x^2, z - x^3) plus the obvious; e.g. the relation
    x*z - y^2 = x*x^3 - (x^2)^2 = 0
also vanishes on it.  Generators of an ideal are subtle.
扭曲三次曲线:A^3 中的曲线需要两个方程,且其理想藏着额外的关系。

V 的性质——字典的前半部

运算 V 反转包含关系,并与理想的格结构相容。这些规则看似官僚,却恰恰是让 V 在第二篇成为一个拓扑的关键。

  1. 反序: 若 I ⊆ J 则 V(I) ⊇ V(J)。方程越多,解越少(或相等)。
  2. 并: V(I) ∪ V(J) = V(I ∩ J) = V(IJ)。任一块上的点都消灭乘积;反之 IJ ⊆ I ∩ J 给出反向包含。
  3. 交: V(Σ I_α) = ∩ V(I_α),对 任意 族成立,哪怕无穷。同时施加所有方程,等同于求所有解集的交。
  4. 两端: V(0) = A^n(全空间),V(1) = ∅(单位理想什么都切不出——没有点能让 1 为零)。