Кіріспе

Алгебралық түр-түрін жалпылау
Математикада схема – алгебралық түр-түр ұғымын бірнеше жолмен кеңейтетін математикалық құрылым, мысалы, көптіктерді ескере алу (x = 0 және x² = 0 теңдеулері бірдей алгебралық түр-түрді, бірақ әртүрлі схемаларды анықтайды) және кез келген коммутативтік сақинада анықталған «түр-түрлерге» рұқсат ету (мысалы, Ферма қисықтары бүтін сандар бойынша анықталады). Схема теориясын Александр Гротендик 1960 жылы «Алгебралық геометрия элементтері» атты еңбегінде енгізді; оның мақсаттарының бірі – алгебралық геометрияның терең мәселелерін шешуге қажетті формализмді дамыту болды, мысалы, Вейль болжамдарын (соңғысы Пьер Делиньмен дәлелденді). Коммутативтік алгебраға тығыз байланысты схема теориясы топология және гомологиялық алгебра әдістерін жүйелі түрде қолдануға мүмкіндік береді. Схема теориясы сонымен қатар алгебралық геометрияны сан теориясының көп бөлігімен біріктіреді, нәтижесінде Уайлс Ферманың соңғы теоремасын дәлелдеді. Формальды түрде схема – бұл топологиялық кеңістік, оның барлық ашық жиындары үшін коммутативтік сақиналармен бірге, коммутативтік сақиналардың ашық ішкі жиындары бойынша спектрлерді (түпкілдік идеалдар кеңістіктерін) біріктіру арқылы туындайды. Басқаша айтқанда, бұл жергілікті түрде коммутативтік сақина спектрі болатын сақиналық кеңістік. Салыстырмалы тұрғыдан алғанда, алгебралық геометрияның көп бөлігі жеке схема үшін емес, X → Y схемаларының морфизмі үшін (Y схемасы бойынша X схемасы деп аталады) жасалуы керек. Мысалы, алгебралық беттерді зерттеуде кез келген Y схемасы бойынша алгебралық беттердің отбасыларын қарастыру пайдалы болуы мүмкін. Көп жағдайда, белгілі бір типтегі барлық түр-түрлердің отбасы өзін модульдік кеңістік деп аталатын түр-түр немесе схема ретінде қарастыруға болады. Схемалар теориясындағы егжей-тегжейлі анықтамалар үшін схемалар теориясының глоссарийін қараңыз.

Даму

Алгебралық геометрияның бастауы көбінесе нақты сандардағы полиномиялық теңдеулерді зерттеуде жатыр. 19 ғасырда (әсіресе Жан Виктор Понселет пен Бернхард Риманның еңбектерінде) алгебралық геометрияның күрделі сандар өрісімен жұмыс істеу арқылы оңайлатылғандығы айқын болды, мұнда алгебралық жабықтың артықшылығы бар. 20 ғасырдың басында сандар теориясының мәселелеріне байланысты екі сұраққа бірте-бірте назар аударылды: алгебралық геометрияны кез келген алгебралық жабық өрісте, әсіресе оң мінезде қалай дамытуға болады? (Комплексті сорттарды зерттеуде қолданылатын топология мен күрделі талдау құралдары мұнда қолданылмайды.) Ал кездейсоқ өрісте алгебралық геометрия қалай болады? Гильберттің Nullstellensatz-і кез келген алгебралық жабық k өрісінде алгебралық геометрияға көзқарас ұсынады: k[x1, ..., xn] полиномиялық сақинадағы максималды идеалдар, k элементтерінің n-тіктер жиынымен kn бір-бірге сәйкес келеді, ал жай идеалдар k-дегі редукцияланбайтын алгебралық жиындарға сәйкес келеді, олар аффинді сорттар деп аталады. Осы идеяларға сүйене отырып, Эмми Нотер мен Вольфганг Крулл 1920-1930 жылдары коммутативтік алгебраны дамытты. Олардың еңбегі алгебралық геометрияны таза алгебралық бағытта жалпылайды: полиномиялық сақинадағы жай идеалдарды зерттеудің орнына, кез келген коммутативтік сақинадағы жай идеалдарды зерттеуге болады. Мысалы, Крулл кез келген коммутативтік сақинаның өлшемін жай идеалдар тұрғысынан анықтады. Сақина Нотериандық болған жағдайда, ол геометриялық өлшем ұғымынан күтілетін көптеген қасиеттерді дәлелдеді. Нотер мен Круллдің коммутативтік алгебрасын аффиндік алгебралық сорттарға алгебралық тәсіл ретінде қарастыруға болады. Дегенмен, алгебралық геометриядағы көптеген аргументтер проективтік сорттар үшін жақсы жұмыс істейді, себебі проективтік сорттар компактты. 1920-1940 жылдары Б. Л. ван дер Варден, Андре Вейл және Оскар Зариски проективтік (немесе квазипроективтік) сорттардың бай ортасында алгебралық геометрияның жаңа негізі ретінде коммутативтік алгебраны қолданды. Атап айтқанда, Зариски топологиясы кез келген алгебралық жабық өрістегі сортта пайдалы топология болып табылады, ол белгілі бір дәрежеде күрделі сорттағы классикалық топологияны (күрделі сандар топологиясына негізделген) алмастырады. Сандар теориясына қолдану үшін ван дер Варден мен Вейл алгебралық геометрияны кез келген алгебралық жабылмаған өрісте құрды. Вейл алғаш рет абстрактілі сортты (проективтік кеңістікте орналаспаған) анықтады, топологиядағы көптүрліліктердің үлгісі бойынша ашық ішкі жиындар арқылы аффиндік сорттарды біріктіру арқылы. Ол бұл жалпылықты кез келген өрістегі қисықтың Якобиан сортын құру үшін қажет етті. (Содан кейін Вейл, Шоу және Мацусака Якобианның проективтік сорт екенін көрсетті.) Итальян мектебінің алгебралық геометрияшылары жиі алгебралық сорттың жай нүктесі туралы біршама тұманды ұғымды қолданды. Жай нүкте үшін дұрыс болған нәрсе сорттың "көпшілігінің" нүктелері үшін де дұрыс. Вейлдің "Алгебралық геометрияның негіздері" (1946) еңбегінде жай нүктелер өте үлкен алгебралық жабық өрістегі нүктелерді алу арқылы құрылады, оны әмбебап домен деп атайды. Бұл негіз ретінде жұмыс істесе де, ол ыңғайсыз болды: бір сортқа арналған көптеген түрлі жай нүктелер болды. (Схемалардың кейінгі теориясында әр алгебралық сорттың бір жай нүктесі бар.) 1950 жылдары Клод Шевалье, Масаёши Нагата және Жан-Пьер Серр, сандар теориясы мен алгебралық геометрияны байланыстыратын Вейлдің болжамдарымен шақырылған, алгебралық геометрияның объектілерін одан әрі кеңейтті, мысалы, рұқсат етілген негіз сақиналарын жалпылау арқылы. "Схема" сөзі алғаш рет 1956 жылғы Шевалье семинарында қолданылды, онда Шевалье Зарискидің идеяларын ұстанды. Пьер Картьеге сәйкес, Андре Мартино Серрге кездейсоқ коммутативтік сақинаның спектрін алгебралық геометрияның негізі ретінде пайдалану мүмкіндігін ұсынды.

Схемалардың пайда болуы

Содан кейін Гротендик схеманың шешуші анықтамасын берді, бір буынның тәжірибелік ұсыныстары мен жартылай дамыған жұмыстарын аяқтады. Ол R коммутативті сақинасының X спектрін R-дің бірінші идеалдарының кеңістігі ретінде, табиғи топологиямен (Зариски топологиясы деп аталады) анықтады, бірақ оны сақиналардың шоғырымен толықтырды: әрбір ашық U жиынына ол OX(U) коммутативті сақинасын сәйкес қойды. Бұл нысандар Spec(R) – аффиндік схемалар; ал жалпы схема аффиндік схемаларды «бірге тіркеу» арқылы алынады. Алгебралық геометрияның көп бөлігі k өрісіндегі проективті немесе квазипроективті алгебралық қисықтарды зерттейді; шындығында, k көбінесе комплекс сандар ретінде қарастырылады. Мұндай схемалар кез келген схемаға қарағанда ерекше; төмендегі мысалдарды қараңыз. Дегенмен, Гротендик кез келген схемалар үшін кең теориялық база жасағаны өте ыңғайлы. Мысалы, модульдік кеңістік әдетте алдымен схема ретінде құрастырылады, содан кейін ғана оның проективті алгебралық қисық сияқты нақтырақ объекті екендігі зерттеледі. Сонымен қатар, сандар теориясының қолданылуы тез арада кез келген өрісте анықталмаған бүтін сандардағы схемаларға алып келеді.

Анықтама

Аффиналық схема – коммутативті сақина R-дің Spec(R) спектріне изоморфты жергілікті сақиналы кеңістік. Схема – ашық жиындар Ui арқылы жабылатын жергілікті сақиналы X кеңістігі, мұнда әрбір Ui (жергілікті сақиналы кеңістік ретінде) аффиналық схема болып табылады. Атап айтқанда, X-ке OX бумасы қоса беріледі, ол әрбір ашық ішкі жиын U-ға OX(U) деп аталатын коммутативті сақинаны сәйкес қояды. Схеманы аффиналық схемалармен жабылған "координаталық кестелермен" жабылған деп ойлауға болады. Бұл анықтаманың мағынасы – схемалар Зариски топологиясын қолдана отырып, аффиналық схемаларды біріктіру арқылы алынады. Бастапқыда бұл "алдын ала схема" деп аталатын, ал схема – бөлінген алдын ала схема деп анықталған. "Алдын ала схема" термині қолданыстан шығып қалды, бірақ оны Гротендиктің "Éléments de géométrie algébrique" және Мамфордтың "Қызыл кітабы" сияқты ескі кітаптарда кездестіруге болады. Аффиналық схеманың қарапайым мысалы – k өрісі үстіндегі n-өлшемді аффиналық кеңістік, мұнда n – табиғи сан. Анықтама бойынша, A – k[x1, ..., xn] полиномдық сақинасының спектрі. Схемалар теориясының аясында, аффиналық n-өлшемді кеңістікті кез келген коммутативті сақина R үстінде де анықтауға болады, яғни Spec(R[x1, ..., xn]).

Схемалардың санаты

Схемалар санатты құрайды, морфизмдер жергілікті сақиналы кеңістіктердің морфизмдері ретінде анықталады. (Сондай-ақ қараңыз: схемалардың морфизмі.) Y схемасы үшін, X үстіне Y схемасы (немесе Y схемасы) дегеніміз X → Y схемаларының морфизмі. Коммутативтік сақина R арқылы X схемасы X → Spec(R) морфизмін білдіреді. K өрісі бойынша алгебралық сан алуандығы белгілі бір қасиеттері бар k өрісі бойынша схема ретінде анықталуы мүмкін. Қай схемаларды сан алуандықтары деп атауға қатысты әртүрлі келісімдер бар. Бір стандартты таңдау – k-ге дейінгі шекті типтегі интегралды бөлек схема. f: X → Y схемаларының морфизмі тұрақты функциялар сақиналарында кері гомоморфизмді анықтайды, f*: O(Y) → O(X). Аффинді схемалар жағдайында, бұл құрылым схемалардың Spec(A) → Spec(B) морфизмдері мен сақиналық гомоморфизмдер B → A арасында бір-бірге сәйкестік береді. Осы мағынада схемалар теориясы коммутативтік сақиналар теориясын толық қамтиды. Z коммутативтік сақиналар санатындағы бастапқы объект болғандықтан, схемалар санатында Spec(Z) терминалды объекті ретінде бар. R коммутативтік сақинасы арқылы X схемасы үшін R нүктесі X → Spec(R) морфизмінің қимасын білдіреді. X нүктелерінің жиыны үшін X(R) деп жазылады. Мысалдарда, бұл анықтама R мәндерінде X теңдеулерін анықтайтын шешімдер жиынтығының бұрынғы түсінігін қайта жасайды. R k өрісі болғанда, X(k) сондай-ақ X-тің k рационалдық нүктелерінің жиыны деп аталады. Жалпы алғанда, X схемасы үшін коммутативтік R сақинасы арқылы және кез келген коммутативтік R алгебрасы S үшін, S нүктесі X дегеніміз Spec(S) → X морфизмі R арқылы. X нүктелерінің жиыны үшін X(S) деп жазылады. (Бұл k өрісіндегі кейбір теңдеулер берілгенде, k-нің кез келген өріс кеңейтуіндегі теңдеулердің шешімдерінің жиынтығын қарастыруға болатын бұрынғы байқауды жалпылайды.) X схемасы үшін R арқылы, S ↦ X(S) бейнесі коммутативтік R алгебраларынан жиынтықтарға дейінгі функтор болып табылады. Бұл маңызды байқау, R арқылы X схемасы осы нүктелер функторымен анықталады. Схемалардың талшықты көбейтіндісі әрқашан бар. Яғни, кез келген X және Z схемалары үшін Y схемасына морфизмдермен, талшықты көбейтінді X ×YZ (категориялық теория мағынасында) схемалар санатында бар. Егер X және Z k өрісіндегі схемалар болса, олардың Spec(k) арқылы талшықты көбейтіндісі k схемалары санатындағы X × Z көбейтіндісі деп аталуы мүмкін. Мысалы, k арқылы аффинді кеңістіктер Am және An көбейтіндісі k арқылы аффинді кеңістік Am+n болады. Схемалар санаты талшықты көбейтінділерге және сондай-ақ Spec(Z) терминалды объектісіне ие болғандықтан, оның барлық шекті шектері бар.

Морфизмдердің мысалдары

Морфизмдердің мысалдары схемалардың мысалдары ретінде қарастыру да жемісті, себебі олар алгебралық және арифметикалық геометрияда зерттелетін көптеген объектілерді қамтудағы техникалық мүмкіндіктерін көрсетеді.

Арифметикалық беттер

Егер біз полиномиалды қарастырсақ, онда аффиндік схеманың каноникалық морфизмі бар және ол арифметикалық бет деп аталады. Оның талшықтары шектік өрістердегі алгебралық қисықтар болады. Егер эллиптік қисық болса, онда оның дискриминант локусы бойынша талшықтардың барлығы жеке схемалар болады. Мысалы, егер жай сан болса, онда оның дискриминанты болады. Атап айтқанда, бұл қисық жай сандар бойынша жеке болады.

Схемаларды іске асырудың мотивациясы

Міне, схемалар алгебралық сорттар туралы ескі түсініктерден асып түсетін жолдары мен олардың маңыздылығы. Өріс кеңейтімдері. n айнымалыдағы k өрісіндегі полиномдық теңдеулер берілген болса, теңдеулердің kⁿ көбейтінді жиынындағы X(k) шешімдер жиынын зерттеуге болады. Егер k өрісі алгебралық жабық болса (мысалы, комплекс сандар), онда алгебралық геометрияны X(k) сияқты жиынтықтарға негіздеуге болады: X(k) жиынында Зариски топологиясын анықтаңыз, осы типтегі әртүрлі жиынтықтар арасындағы полиномдық бейнелеулерді қарастырыңыз және т.б. Бірақ егер k алгебралық жабық болмаса, онда X(k) жиыны жеткілікті бай емес. Шындығында, берілген теңдеулердің X(E) шешімдерін k өрісінің кез келген E кеңейтімінде зерттеуге болады, бірақ бұл жиынтықтар X(k) арқылы ешқандай мағыналы түрде анықталмайды. Мысалы, x² + y² = −1 теңдеуімен анықталған жазықтықтағы X қисығы үшін X(ℝ) бос жиын, ал X(ℂ) бос емес. (Шындығында, X(ℂ) жиыны C \ {0} жиынымен сәйкес келеді.) Керісінше, k өрісіндегі X схемасы k өрісінің кез келген E кеңейтімі үшін X(E) жиынын анықтау үшін жеткілікті ақпаратқа ие. (Атап айтқанда, x² + y² = −1 теңдеуімен анықталған A схемасының жабық кіші схемасы бос емес топологиялық кеңістік болып табылады.) Жалпы нүкте. Аффиндік түзу A схемасы ретінде оның комплекс нүктелерінен (әрбір комплекс сан үшін біреу) және бір жалпы нүктеден тұрады (оның жабылуы бүкіл схеманы құрайды). Жалпы нүкте – Spec(ℂ(x)) → A табиғи морфизмінің бейнесі, мұнда ℂ(x) – бір айнымалыдағы рационалды функциялар өрісі. Схемада нақты «жалпы нүкте» болудың пайдалылығын түсіну үшін келесі мысалды қарастырайық. X – комплекс сандар бойынша y² = x(x−1)(x−5) жазықтық қисығы болсын. Бұл A схемасының жабық кіші схемасы. Оны x координатына проекциялау арқылы Аффиндік түзу A-ның тармақталған екі жапқышы ретінде қарастыруға болады. X → A₁ морфизмінің A₁ жалпы нүктесіндегі талшығы дәл X схемасының жалпы нүктесін құрайды, бұл морфизмді береді. Бұл өз кезегінде өрістердің 2-дәрежелі кеңейтуіне тең. Осылайша, схеманың нақты жалпы нүктесі болғанда, алгебралық сорттардың 2-дәрежелі морфизмі мен функциялар өрістерінің тиісті 2-дәрежелі кеңейтуі арасындағы геометриялық байланыс пайда болады. Бұл байланыс негізгі топтың (топологиядағы жабатын кеңістіктерді жіктеу) және Галуа тобының (кейбір өріс кеңейтімдерін жіктеу) арасындағы байланысқа жалпыланады. Шындығында, Гротендиктің этальдік негізгі топ теориясы негізгі топты және Галуа тобын бірдей қарастырады. Нильпотент элементтер. X – x² = 0 теңдеуімен анықталған аффиндік түзудің жабық кіші схемасы болсын, кейде оны «майлы нүкте» деп атайды. X схемасындағы тұрақты функциялар сақинасы C[x]/(x²); атап айтқанда, X схемасындағы тұрақты функция x нильпотентті, бірақ нөл емес. Бұл схеманың мағынасын көрсету үшін: егер екі тұрақты функция аффиндік түзуде X схемасына бірдей шектеуге ие болса, олардың бастапқы нүктеде бірдей мәні мен бірінші туындысы болуы керек. Мұндай толық емес схемаларға рұқсат ету алгебралық геометрияға есептеу және инфинитезимальдар идеяларын енгізеді. Көбірек мысал келтіру үшін, тегіс комплекс сорты Y-дегі 2-дәрежелі барлық нөлдік өлшемді жабық кіші схемаларды сипаттауға болады. Мұндай кіші схема Y-дің екі түрлі комплекс нүктесінен немесе X = Spec C[x]/(x²) схемасына изоморфты кіші схемадан тұрады. Соңғы типтегі кіші схемалар Y-дің комплекс нүктесімен және TyY жанама кеңістігіндегі түзумен анықталады. Бұл қайтадан толық емес кіші схемалардың геометриялық мағынасы бар екенін көрсетеді, олар туындылар мен жанама векторлармен байланысты.

Бірқалыпты қаптамалар

Схема теориясының орталық бөлігі – (алгебралық) векторлық бундельдер ұғымын жалпылайтын когерентті қаптамалар туралы ұғым. X схемасы үшін, OX модульдерінің абелдік санатын қарастырудан басталады, яғни X-тегі абелдік топтардың қаптамалары, олар OX тұрақты функцияларының қаптамасы үстінде модуль құрайды. Атап айтқанда, коммутативті R сақинасы арқылы M модулі X = Spec(R) бойынша байланысты OX модулін анықтайды. X схемасындағы квазикогерентті қаптама – бұл X-тің әрбір аффинді ашық ішкі жиынындағы модульға байланысты қаптама болып табылатын OX модулі. Соңында, когерентті қаптама (мысалы, Noetherian схемасы X үшін) – бұл OX модулі, ол X-тің әрбір аффинді ашық ішкі жиынындағы шекті түрде туындаған модульға байланысты қаптама болып табылады. Когерентті қаптамаларға векторлық бундельдердің маңызды класы кіреді, олар жергілікті түрде шекті түрде туындаған бос модульдерден туындайтын қаптамалар. Мысалы, бір өрістегі тегіс сорттың жанама бунделин келтіруге болады. Дегенмен, когерентті қаптамалар байрақ; мысалы, X-тің Y жабық ішкі схемасындағы векторлық бундельді Y сыртындағы нөлге тең X-тегі когерентті қаптама ретінде қарастыруға болады (тікелей бейне құрылысы бойынша). Осылайша, X схемасындағы когерентті қаптамалар X-тің барлық жабық ішкі схемалары туралы ақпаратты қамтиды. Сонымен қатар, қаптамалық когомология когерентті (және квазикогерентті) қаптамалар үшін жақсы қасиеттерге ие. Нәтижесінде пайда болған когерентті қаптамалық когомология теориясы алгебралық геометриядағы негізгі техникалық құрал болып табылады.

Жалпылау

Оның нүктелер функторы ретінде қарастырылған схема – коммутативті сақиналар санатындағы Зариски топологиясы үшін жиындықтардың шоғыры болып табылатын және Зариски топологиясында жергілікті түрде аффиндік схема болып табылатын функтор. Бұл бірнеше жолмен жалпылауға болады. Біріншіден, эталь топологиясын қолдану. Майкл Артин алгебралық кеңістікті эталь топологиясындағы шоғыр ретінде және эталь топологиясындағы жергілікті аффиндік схема ретінде анықтады. Балама ретінде, алгебралық кеңістік – эталь теңдестік қатынасы бойынша схеманың бөлігі. Артиннің бейнелеу теоремасы функтордың алгебралық кеңістікпен бейнеленуі үшін қарапайым шарттарды келтіреді. Тағы бір жалпылау – стек идеясы. Шамамен айтқанда, алгебралық стектер алгебралық кеңістікті жалпылайды, әрбір нүктеге алгебралық топты қосады, ол сол нүктенің автоморфизм тобы ретінде қарастырылады. Мысалы, алгебралық топтың алгебралық сан алуандығы X-ке жасаған кез келген әрекеті G әрекетінің тұрақтандырғыш топшаларын есте сақтайтын [X/G] бөлік стегін анықтайды. Көбінесе алгебралық геометриядағы модульдік кеңістіктер стектер ретінде қарастырылады, осылайша жіктеліп жатқан объектілердің автоморфизм топтарын қадағалайды. Гротендик бастапқыда стектерді түсіру теориясының құралы ретінде енгізді. Бұл тұжырымдама бойынша стектер (формалды түрде) санаттардың шоғырлары болып табылады. Осы жалпы түсініктен Артин геометриялық объектілер деп қарастырылатын алгебралық стектердің (немесе «Артин стектері») тар класын анықтады. Бұларға Делинь-Мамфорд стектері (топологиядағы орбифолдтарға ұқсас) кіреді, онда тұрақтандырғыш топтар шекті, ал алгебралық кеңістіктер үшін тұрақтандырғыш топтар тривиалды. Кил-Мори теоремасы шекті тұрақтандырғыш топтары бар алгебралық стек үшін алгебралық кеңістік болып табылатын ірі модульдік кеңістік бар екенін айтады. Жалпылаудың тағы бір түрі – құрылымдық шоғырды байыту, алгебралық геометрияны гомотопия теориясына жақындату. Бұл жағдайда, алынған алгебралық геометрия немесе «спектрлік алгебралық геометрия» деп аталатын құрылымдық шоғыр коммутативті сақиналардың шоғырының гомотоптық аналогымен ауыстырылады (мысалы, E-шекті сақина спектрлерінің шоғыры). Бұл шоғырлар эквиваленттік қатынасқа дейін ғана ассоциативті және коммутативті алгебралық операцияларды қабылдайды. Бұл эквиваленттік қатынас бойынша бөлу қарапайым схеманың құрылымдық шоғырын береді. Дегенмен, бөлуді алмау жоғары ақпаратты есте сақтайтын теорияға әкеледі, дәл сол сияқты гомологиялық алгебрадағы туынды функторлар тензорлық көбейту және модульдердегі Hom функторы сияқты операциялар туралы жоғары ақпаратты береді.