Алгебраическая кривая

Алгебраическая кривая, или плоская алгебраическая кривая, — это результат отображения множества нулей многочлена с двумя переменными на плоскость в виде точек. Степень данного многочлена называют степенью, или порядком, алгебраической кривой. Такие кривые с первой по восьмую степень соответственно называют прямыми, кониками, кубиками, квартиками, пентиками, секстиками, септиками, октиками. Например, единичная окружность — это коника, алгебраическая кривая второй степени. Она задаётся уравнением x² + y² = 1, где степень многочлена x² + y² − 1[1] равна двум.

Кубика Чирнгауза — алгебраическая кривая третьего порядка.

По многим техническим причинам удобно рассматривать не только вещественные, но и комплексные корни соответствующего многочлена, а также обобщить определение на случай произвольного основного поля.

В алгебраической геометрии плоская аффинная алгебраическая кривая над полем k определяется как множество точек K², являющихся корнями многочлена от двух переменных с коэффициентами в k, где K — алгебраическое замыкание поля k. Точки этой кривой, все координаты которых лежат в k, называются k-точками. Например, точка $(2,{\sqrt {-3}})$ принадлежит рассмотренной выше единичной окружности, однако не принадлежит её действительной части. Многочлен x² + y² + 1 задаёт алгебраическую кривую, действительная часть которой пуста.

Более обобщённо можно рассматривать алгебраические кривые, которые содержатся не в плоскости, а в пространстве с большим числом измерений или в проективном пространстве. Оказывается, что многие свойства алгебраической кривой не зависят от выбора конкретного вложения в некоторое пространство, что приводит к общему определению алгебраической кривой: Алгебраическая кривая — это алгебраическое многообразие размерности 1. Это определение можно переформулировать так: алгебраическая кривая — это алгебраическое многообразие, все алгебраические подмногообразия которого состоят из одной точки.

Примеры алгебраических кривых

Рациональные кривые

Рациональная кривая, также известная как уникурсальная кривая, — это кривая, бирационально эквивалентная аффинной прямой (или проективной прямой); другими словами, кривая, допускающая рациональную параметризацию.

Более конкретно, рациональная кривая в n-мерном пространстве может быть параметризована (за исключением некоторого числа изолированных «особых точек») при помощи n рациональных функций от единственного параметра t.

Любое коническое сечение над полем рациональных чисел, содержащее хотя бы одну рациональную точку, является рациональной кривой[2]. Её можно параметризовать, проведя через рациональную точку прямую с произвольным угловым коэффициентом t и сопоставив данному t вторую точку пересечения прямой и коники (их не может быть больше двух).

Эллипс. x² + xy + y² = 1

Например, рассмотрим эллипс x² + xy + y² = 1 с рациональной точкой (−1, 0). Проведя через неё прямую y = t(x + 1), подставив выражение y через x в уравнение и решив относительно x, получим уравнения

x={\frac {1-t^{2}}{1+t+t^{2}}},

y=t(x+1)={\frac {t(t+2)}{1+t+t^{2}}}\,,

задающие рациональную параметризацию эллипса. В таком виде представимы все точки эллипса, кроме точки (−1, 0); можно сопоставить ей t = ∞, то есть параметризовать эллипс проективной прямой.

Эту рациональную параметризацию можно рассматривать как параметризацию «эллипса в проективном пространстве», перейдя к однородным координатам, то есть заменив t на T/U, а x, y — на X/Z, Y/Z соответственно. Параметризация эллипса X² + XY + Y² = Z² проективной прямой примет следующий вид:

X=U^{2}-T^{2},\quad Y=T\,(T+2\,U),\quad Z=T^{2}+TU+U^{2}.

Эллиптические кривые

Рациональные кривые (над алгебраически замкнутым полем) — это в точности алгебраические кривые рода 0 (см. ниже), в этой терминологии эллиптические кривые — это кривые рода 1 с рациональной точкой. Любая такая кривая может быть представлена как кубика без особенностей.

Эллиптическая кривая несёт на себе структуру абелевой группы. Сумма трёх точек на кубике равна нулю тогда и только тогда, когда эти точки коллинеарны.

Пересечение двух коник является кривой четвёртого порядка рода 1, а значит, эллиптической кривой, если содержит хотя бы одну рациональную точку. В противном случае пересечение может быть рациональной кривой четвёртого порядка с особенностями, или быть разложимым на кривые меньшего порядка (кубика и прямая, две коники, коника и две прямые или четыре прямые).

Связь с полями функций

Изучение алгебраических кривых может быть сведено к изучению неприводимых кривых (то есть не раскладывающихся в объединение двух меньших кривых). Каждой такой кривой можно сопоставить поле рациональных функций на ней; оказывается, что кривые бирационально эквивалентны тогда и только тогда, когда их поля функций изоморфны. Это значит, что категория алгебраических кривых и рациональных отображений двойственна категории одномерных полей алгебраических функций, то есть полей, являющихся алгебраическими расширениями поля $k(x)$ .

Комплексные кривые как действительные поверхности

Комплексная алгебраическая кривая, вложенная в аффинное или проективное пространство, имеет топологическую размерность 2, другими словами, является поверхностью. В частности, комплексная алгебраическая кривая без особенностей является двумерным ориентируемым многообразием.

Топологический род этой поверхности совпадает с родом алгебраической кривой (который можно вычислить алгебраическими способами). Если проекция кривой без особенностей на плоскость является алгебраической кривой степени d с простейшими особенностями (обыкновенными двойными точками), то исходная кривая имеет род (d − 1)(d − 2)/2 − k, где k — число этих особенностей.

Изучение компактных римановых поверхностей состоит фактически в изучении комплексных алгебраических кривых без особенностей, рассматриваемых как поверхности с дополнительной аналитической структурой. Более точно, следующие категории эквивалентны:

Категория проективных алгебраических кривых без особенностей (с рациональными отображениями в качестве морфизмов).
Категория компактных римановых поверхностей и голоморфных функций.

Классификация особенностей

x³ − y² = 0

Особые точки включают в себя несколько типов точек, в которых кривая «пересекает сама себя», а также различные типы точек возврата. Например, на рисунке показана кривая x³ − y² = 0 с точкой возврата в начале координат.

Особые точки можно классифицировать по их инвариантам. Например, особую точку с дельта-инвариантом δ можно интуитивно описать как точку, в которой встречаются сразу δ «самопересечений». В случае точки P на неприводимой кривой δ можно вычислить как длину модуля ${\widetilde {{\mathcal {O}}_{P}}}/{\mathcal {O}}_{P}$ , где ${\mathcal {O}}_{P}$ — локальное кольцо в точке P и ${\widetilde {{\mathcal {O}}_{P}}}$ — его целое замыкание. Вычисление дельта-инвариантов всех особых точек позволяет вычислить род кривой по формуле:

g={\frac {1}{2}}(d-1)(d-2)-\sum _{P}\delta _{P},

Другие важные инварианты: кратность m особенности (максимальное целое число, такое что все производные задающего кривую многочлена, порядок которых не превосходит m, равны нулю) и число Милнора.

См. также

Категория Алгебраические кривые

Примечания

Было выполнено равносильное преобразование:
x² + y² = 1;
x² + y² − 1 = 0.
Ю. И. Манин. Рациональные точки на алгебраических кривых. — Успехи математических наук, т. XIX, вып. 6 (120), 1964.

Литература

Ж.-П. Серр. Алгебраические группы и поля классов. — М.: Мир, 1968. — 285 с.
Джон Милнор. Особые точки комплексных гиперповерхностей. — М.: Мир, 1971. — 121 с.
Egbert Brieskorn, Horst Knörrer. Plane Algebraic Curves. — Birkhäuser, 1986.
Hershel M. Farkas, Irwin Kra. Riemann Surfaces. — Springer, 1980.
W. Fulton. Algebraic Curves: an introduction to algebraic geometry.
C.G. Gibson. Elementary Geometry of Algebraic Curves: An Undergraduate Introduction. — Cambridge University Press, 1998.
специальные плоские кривые (рус.)

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] Было выполнено равносильное преобразование:
x² + y² = 1;
x² + y² − 1 = 0.

[2] Ю. И. Манин. Рациональные точки на алгебраических кривых. — Успехи математических наук, т. XIX, вып. 6 (120), 1964.