Введение

В математике арифметическая геометрия — это, в общих чертах, применение методов алгебраической геометрии к задачам теории чисел. Арифметическая геометрия сосредоточена вокруг диофантовой геометрии, изучения рациональных точек алгебраических многообразий. В более абстрактном смысле арифметическую геометрию можно определить как изучение схем конечного типа над спектром кольца целых чисел.

Обзор

Классическими объектами интереса в арифметической геометрии являются рациональные точки: множества решений системы полиномиальных уравнений над числовыми полями, конечными полями, p-адическими полями или полями функций, то есть полями, не являющимися алгебраически замкнутыми, за исключением поля вещественных чисел. Рациональные точки могут быть непосредственно охарактеризованы функциями высоты, которые измеряют их арифметическую сложность. Структура алгебраических многообразий, определенных над неалгебраически замкнутыми полями, стала центральной областью исследований, возникшей в связи с современным абстрактным развитием алгебраической геометрии. Над конечными полями этальная когомология предоставляет топологические инварианты, связанные с алгебраическими многообразиями.

XIX век: ранняя арифметическая геометрия

В начале 19 века Карл Фридрих Гаусс заметил, что нетривиальные целочисленные решения однородных полиномиальных уравнений с рациональными коэффициентами существуют, если существуют нетривиальные рациональные решения. В 1850-х годах Леопольд Кронекер сформулировал теорему Кронекера — Вебера, ввёл теорию делителей и установил множество связей между теорией чисел и алгеброй. Затем он выдвинул свою "liebster Jugendtraum" ("самую дорогую мечту юности") – обобщение, которое позднее Гильберт представил в модифицированной форме как свою двенадцатую проблему, определяющую цель построения теории чисел, оперирующей исключительно кольцами, являющимися факторкольцами полиномиальных колец над целыми числами.

Начало-середина 20-го века: алгебраические разработки и гипотезы Вейла

В конце 1920-х Андре Вейль продемонстрировал глубокие связи между алгебраической геометрией и теорией чисел в своей докторской диссертации, приведшей к теореме Морделла — Вейля, которая показывает, что множество рациональных точек абелева многообразия является конечно порожденной абелевой группой. Современные основы алгебраической геометрии были разработаны на базе современной коммутативной алгебры, включая теорию оценок и теорию идеалов, благодаря работам Оскара Зариски и других в 1930-х и 1940-х годах. В 1949 году Андре Вейль сформулировал основополагающие гипотезы Вейля о локальных дзета-функциях алгебраических многообразий над конечными полями. Эти гипотезы предложили рамки для взаимосвязи алгебраической геометрии и теории чисел, что побудило Александра Гротендика пересмотреть основы, используя теорию пучков (совместно с Жаном Пьером Серром) и позднее теорию схем в 1950-х и 1960-х годах. Бернард Дворк доказал одну из четырех гипотез Вейля (рациональность локальной дзета-функции) в 1960 году. К 1965 году Гротендик разработал теорию этальной когомологии для доказательства двух гипотез Вейля (совместно с Майклом Артином и Жаном Луи Вердье). Последняя из гипотез Вейля (аналог гипотезы Римана) была окончательно доказана в 1974 году Пьером Делинем.

С середины до конца 20-го века: развитие модульности, p-адических методов и далее

В 1956–1957 годах Ютака Танияма и Горо Шимура сформулировали гипотезу Танияма — Шимура (ныне известную как теорема о модульности), устанавливающую связь между эллиптическими кривыми и модульными формами. Эта связь в конечном итоге привела к первому доказательству последней теоремы Ферма в теории чисел, с использованием методов модульного подъема, разработанных Эндрю Уайлсом в 1995 году. В 1960-х годах Горо Шимура ввёл разновидности Шимуры как обобщение модульных кривых. С 1979 года разновидности Шимуры играют важную роль в программе Лэнглендса, являясь естественной областью примеров для проверки гипотез. В статьях, опубликованных в 1977 и 1978 годах, Барри Мазур доказал гипотезу о кручении, предоставив полный список возможных подгрупп кручения эллиптических кривых над рациональными числами. Первое доказательство этой теоремы Мазура опиралось на полный анализ рациональных точек на некоторых модульных кривых. В 1996 году Лоик Мерель распространил доказательство гипотезы о кручении на все числовые поля. В 1983 году Герд Фальтингс доказал гипотезу Морделла, показав, что кривая рода, большего 1, имеет лишь конечное число рациональных точек (в то время как теорема Морделла — Вейля лишь демонстрирует конечную порождаемость множества рациональных точек, а не его конечность). В 2001 году доказательство локальных гипотез Лэнглендса для GLn было основано на геометрии определённых разновидностей Шимуры. В 2010-х годах Питер Шолце разработал перфектоидные пространства и новые теории когомологий в арифметической геометрии над p-адическими полями, применимые к представлениям Галуа и некоторым случаям гипотезы о весовой монодромии.