Kurs:Singularitätentheorie (Osnabrück 2019)/Arbeitsblatt 26/latex

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Wir besprechen zuerst algebraische Automorphismen des affinen Raumes und Äquivalenzkonzepte für polynomiale Funktionen und Varietäten. Diese sind sehr viel starrer als die entsprechenden holomorphen Konzepte.


\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine bijektive \definitionsverweis {polynomiale Abbildung}{}{} \maabbdisp {} { {\mathbb A}^{1}_{K} } {{\mathbb A}^{1}_{K} } {,} deren \definitionsverweis {Umkehrabbildung}{}{} nicht polynomial ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass ein $K$-\definitionsverweis {Algebraautomorphismus}{}{} \maabbdisp {\varphi} {K[X]} {K[X] } {} durch
\mathl{X \mapsto aX+b}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben ist \zusatzklammer {also durch eine \definitionsverweis {affin-lineare}{}{} Variablentransformation} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{F \in K[X]}{} ein Polynom. Zeige, dass die Abbildung \maabbeledisp {} { {\mathbb A}^{2}_{K} } { {\mathbb A}^{2}_{K} } {(x,y)} {(x,y+F(x)) } {,} ein \definitionsverweis {Automorphismus}{}{} des \definitionsverweis {affinen Raumes}{}{} ist. Bestimme explizit eine Umkehrabbildung.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Umkehrabbildung}{}{} zur Abbildung \maabbeledisp {} {\R^2} {\R^2 } {(x,y)} {(x+y^2,-y^4-2xy^2-x^2+y^2+x+y) } {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mathl{K[X,Y]}{} der \definitionsverweis {Polynomring}{}{} über $K$ in zwei Variablen. Es sei
\mathl{P \in K[X]}{} ein Polynom in der einen Variablen $X$. Zeige, dass durch die \definitionsverweis {Einsetzung}{}{}
\mathl{X \mapsto X}{} und
\mathl{Y \mapsto Y+ P(X)}{} ein $K$-\definitionsverweis {Algebraautomorphismus}{}{} von
\mathl{K[X,Y]}{} in sich definiert wird, der im Allgemeinen nicht linear ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbdisp {\varphi} { { {\mathbb A}_{ {\mathbb C} }^{ n } } } { { {\mathbb A}_{ {\mathbb C} }^{ n } } } {} ein \definitionsverweis {Automorphismus}{}{} des affinen Raumes. Zeige, dass die \definitionsverweis {Jacobi-Determinante}{}{} konstant gleich einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Betrachte \maabbeledisp {\varphi} { {\mathbb C}^3 } { {\mathbb C}^3 } {(x,y,z) } {(x-2(xz+y^2)y-(xz+y^2)^2z,y+(xz+y^2)z,z) } {.} Zeige, dass $\varphi$ ein Automorphismus ist, der
\mathl{y^2 +xz}{} auf sich selbst abbildet.

}
{} {}

Wir notieren zwei Definitionen, die algebraische Versionen der Rechtsäquivalenz sind.


Zwei Polynome
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{F,G }
{ \in} { K[X_1 , \ldots , X_n ] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} heißen \definitionswort {algebraisch rechtsäquivalent}{,} wenn es einen polynomialen Automorphismus \maabbdisp {\varphi} { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } } { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ = }{ G \circ \varphi }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.


Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{U }
{ \subseteq }{V }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt einer \definitionsverweis {Varietät}{}{} und \maabbdisp {f_1,f_2} {U} { K } {} \definitionsverweis {rationale Funktionen}{}{} auf $V$, die in einer offenen Umgebung $U$ von $P$ definiert seien. Man sagt, dass \mathkor {} {f_1} {zu} {f_2} {} \definitionswort {rational rechtsäquivalent}{} ist, wenn es offene Mengen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{V_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{V_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und einen \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V_1} {V_2 } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f_1 }
{ =} { \varphi \circ f_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt.





\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{ \sum_{i = 1}^n a_i X_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein lineares Polynom $\neq 0$. Zeige, dass $X_1$ und $P$ zueinander \definitionsverweis {algebraisch rechtsäquivalent}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $P$ ein Polynom in den Variablen
\mathl{X_2 , \ldots , X_n}{.} Zeige, dass $X_1$ und $X_1- P$ zueinander \definitionsverweis {algebraisch rechtsäquivalent}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass das Polynom
\mathl{X^n-Y^2}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} nicht \definitionsverweis {algebraisch rechtsäquivalent}{}{} zur Variablen $X$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die beiden Polynome \mathkor {} {X} {und} {X(X+1)} {} nicht zueinander \definitionsverweis {rational rechtsäquivalent}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass das Polynom
\mathl{X^3+Y^3-1}{} nicht \definitionsverweis {rational rechtsäquivalent}{}{} zur Variablen $X$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass das Polynom
\mathl{X^3-Y^2}{} nicht \definitionsverweis {rational rechtsäquivalent}{}{} zur Variablen $X$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \in }{K (X_1 , \ldots , X_n) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {rationale Funktion}{}{.} Zeige, dass $F$ genau dann \definitionsverweis {rational rechtsäquivalent}{}{} zur Variablen $X$ ist, wenn es rationale Funktionen
\mathl{F_2 , \ldots , F_n}{} derart gibt, dass die Körpergleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ K (F , F_2 , \ldots , F_n) }
{ =} { K (X_1 , \ldots , X_n) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}

Die folgende Definition orientiert sich an den Nullstellenmengen, nicht an den Funktionen selbst.


Zwei \definitionsverweis {affin-algebraische Mengen}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ V, \tilde{V} }
{ \subseteq }{ { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} heißen \definitionswort {affin-algebraisch äquivalent}{,} wenn es einen \definitionsverweis {Automorphismus des affinen Raumes}{}{} \maabb {\varphi} { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } } { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^{-1}(V) }
{ =} {\tilde{V} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt.


Die folgende Aussage ist analog zu Lemma 26.3.


\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V , \tilde{V} }
{ \subset} { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } }
{ } { }
{ } { }
{ } {}
} {}{}{} zueinander \definitionsverweis {affin-algebraisch äquivalente}{}{} \definitionsverweis {affin-algebraische Mengen}{}{} mit den \definitionsverweis {Verschwindungsidealen}{}{} \mathkor {} {\operatorname{Id} \,(V)} {und} {\operatorname{Id} \,(\tilde{V} )} {.} Zeige, dass dann die \definitionsverweis {Restklassenringe}{}{} \mathkor {} {K[X_1 , \ldots , X_n] / \operatorname{Id} \,(V)} {und} {K[X_1 , \ldots , X_n] / \operatorname{Id} \,(\tilde{V} )} {} zueinander \definitionsverweis {isomorph}{}{} sind.

}
{} {}

In den folgenden Aufgaben wird verwendet, dass man eine Gleichung in den Variablen
\mathl{x,y,z}{} birational trasformieren kann, indem man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{ x' z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y }
{ = }{y' z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} setzt und die Gleichung in den neuen Variablen
\mathl{x',y',z}{} schreibt. Damit kann man zeigen, dass die ADE-Singularitäten birational zur affinen Ebene sind, dass also ihre Funktionenkörper gleich
\mathl{K(u,v)}{.}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die $D_k$-Singularitäten
\mathl{Z^2+X^2Y+Y^{k-1}}{} \zusatzklammer {
\mathl{k \geq 4}{}} {} {} birational zu
\mathl{Z^2+X^2Y+Y^{k-3}}{} sind \zusatzklammer {die bei $k \geq 6$ wieder Diedersingularitäten sind} {} {.} Zeige, dass
\mathl{Z^2+X^2Y+Y^{1}}{} birational zur affinen Ebene ist und dass
\mathl{Z^2+X^2Y+Y^{2}}{} birational zu
\mathl{Z^2+XY+Y^2}{} und damit ebenfalls birational zur affinen Ebene ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die $E_6$-Singularität
\mathl{X^2+Y^3+Z^4}{} birational zu
\mathl{X^2+Y^3Z+Z^2}{,} zu
\mathl{X^2+YZ+Z^2}{,} zur $A1$-Singularität und damit zur affinen Ebene ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die $E_7$-Singularität
\mathl{Z^2+X^3+XY^3}{} birational zu
\mathl{Z^2+X^3Y+XY^2}{,} zu
\mathl{Z^2+X^2Y +XY^2}{,} zu
\mathl{Z^2+XY +XY^2}{} und zu $Z^2+Y+XY^2$ ist, und damit auch birational zur affinen Ebene ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die $E_8$-Singularität
\mathl{X^2+Y^3+Z^5}{} birational zu
\mathl{X^2+Y^3Z+Z^3}{,} zu
\mathl{X^2+Y^2Z+YZ^3}{,} zu
\mathl{X^2+Y^2Z +YZ^2}{} und zu
\mathl{X^2+YZ +YZ^2}{} ist, und damit auch birational zur affinen Ebene ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass die rationalen Funktionen \zusatzklammer {in den zwei Variablen \mathkor {} {U} {und} {V} {}} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} { { \frac{ -U^{15} }{ (1+V)^7V^3 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Q }
{ =} { { \frac{ -U^{10} }{ (1+V)^5 V^2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { { \frac{ -U^{6} }{ (1+V)^3 V } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Relation
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P^2 +Q^3 + R^5 }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} erfüllen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

\aufzaehlungzwei {Zeige, dass die Singularität
\mathl{X^2+Y^3+Z^6}{} birational zu
\mathl{X^2+Y^3Z+Z^4}{} und zu
\mathl{X^2+Y^3Z^2+Z^2}{} ist. } {Zeige, dass der Quotientenkörper von
\mathl{K[X,Y,Z] / { \left( X^2+Y^3Z^2+Z^2 \right) }}{} isomorph zu
\mathl{{ \left( K[U,Y]/ { \left( U^2+Y^3+1 \right) } \right) } (Z)}{} ist. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {Rechtsäquivalenz}{}{} zwischen \definitionsverweis {holomorphen Funktionen}{}{} in der Tat eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \maabb {f,g} {U} { {\mathbb C} } {} \definitionsverweis {holomorphe Funktionen}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \in }{U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{} und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f(0) }
{ = }{g(0) }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass \mathkor {} {f} {und} {g} {} genau dann \definitionsverweis {rechtsäquivalent}{}{} sind, wenn ihre Nullstellenordnung im Nullpunkt übereinstimmt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die zweidimensionalen ADE-Singularitäten nicht untereinander \definitionsverweis {rechtsäquivalent}{}{} sind.

}
{} {Bei einem Großteil kann man mit der Milnorzahl argumentieren, ansonsten verwende man die lokale Fundamentalgruppe.}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien \maabb {g_1} {V} { {\mathbb C} } {} und \maabb {g_2} {V'} { {\mathbb C} } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \in }{V,V' }
{ \subseteq }{ {\mathbb C}^n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {offen}{}{,} \definitionsverweis {holomorphe Funktionen}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g_1,g_2 }
{ \in }{ {\mathfrak m}^3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in den Variablen
\mathl{y_1 , \ldots , y_n}{} bzw.
\mathl{w_1 , \ldots , w_n}{} Es sei \maabbdisp {\varphi} {U \times V} { W } {} eine \definitionsverweis {biholomorphe Abbildung}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{ {\mathbb C}^k }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{W }
{ \subseteq }{ {\mathbb C}^{k+n} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} offen und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(0) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_1^2 + \cdots + x_k^2 + g_1 }
{ =} { { \left( z_1^2 + \cdots + z_k^2 + g_2 \right) } \circ \varphi }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass dann die $k \times k$-\definitionsverweis {Untermatrix}{}{}
\mathl{{ \left( \partial_{x_i} \varphi_j \right) } _{1 \leq i,j \leq k}}{} der \definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{} zu $\varphi$ im Nullpunkt \definitionsverweis {invertierbar}{}{} ist.

}
{} {}