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坐标环与 Zariski 拓扑

把字典反过来用:从一组点回到在其上为零的多项式。这给出理想 I(X)、坐标环 k[X],以及一种奇异而粗糙的拓扑,其中闭集恰是簇。

映射 I:从点回到多项式

第一篇用 V 把理想送到点集。现在反转箭头。对任意子集 X ⊆ A^n,定义 I(X) = { f ∈ k[x_1, …, x_n] : 对所有 p ∈ X 都有 f(p) = 0 }。这就是簇 X 的 理想——X 的点所满足的全部多项式关系的集合。它确实是理想:若 f、g 在 X 上为零则 f + g 也为零,而对任意多项式 h,h·f 也为零。见 簇的理想

这两个运算几乎互逆。总有 V(I(X)) ⊇ X,而等号恰当 X 本身是簇时成立——因此 V(I(X)) 是包含 X 的最小簇,即它的 闭包。又总有 I ⊆ I(V(I))。第二个包含中确切的差距,正是零点定理的全部内容,留到第四篇。

坐标环:簇上的函数

两个多项式在 X 上限制为同一函数,恰当它们的差落在 I(X) 中。于是 X 上的多项式函数构成 商环 k[X] = k[x_1, …, x_n] / I(X),即 X 的 坐标环。它的元素是 正则函数——你能在簇上测量的多项式值观测量。这个环是几何对象的代数化身:关于 X 的一切都编码在 k[X] 中。

Example: the parabola  X = V(y - x^2)  in A^2.

  k[X] = k[x, y] / (y - x^2).

In the quotient, y == x^2, so every class has a unique
representative that is a polynomial in x ALONE:
      a0 + a1*x + a2*x^2 + ...     (replace each y by x^2)
Hence the map  k[X] -> k[t],  x |-> t, y |-> t^2,  is an
ISOMORPHISM.  Geometrically: the projection (x,y) |-> x
identifies the parabola with the line A^1.

Contrast: the node  Y = V(y^2 - x^3)  in A^2.
  k[Y] = k[x, y] / (y^2 - x^3).
Now x and y are tangled: y^2 = x^3 cannot be solved away,
and t |-> (t^2, t^3) maps A^1 ONTO Y but is NOT an
isomorphism of rings -- k[Y] sits inside k[t] as the
subring  k[t^2, t^3]  (missing the element t).
The ring SEES the cusp at the origin that the picture shows.
坐标环洞察几何:抛物线暗中是一条直线,而尖点三次曲线不是。

Zariski 拓扑

第一篇中 V 的闭性质恰好就是拓扑闭集的公理:A^n 与 ∅ 是簇,有限个簇的并是簇,任意多个簇的交是簇。把簇规定为闭集,便在 A^n 上(并经限制在任意簇上)定义了 Zariski 拓扑。见 Zariski 拓扑