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Kurs:Einführung in die Theorie der Schemata/Vorlesung 16

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Die Kegelabbildung

Es sei ein -graduierter Ring. Dann nennt man zu einem Ideal das von allen homogenen Elementen aus erzeugte Ideal die Homogenisierung von . Sie wird mit bezeichnet.

Die Homogenisierung ist wieder ein Ideal, das im Ausgangsideal enthalten ist. Zu einem Primideal ist die Homogenisierung ein Primideal.


Es sei ein -graduierter Ring. Dann versteht man unter der Kegelabbildung den Schemamorphismus

der auf den offenen Mengen zu homogenen Elementen    durch die Spektrumsabbildung zu gegeben ist.



Satz  

Es sei ein -graduierter Ring.

Dann ist die Kegelabbildung in der Tat ein Schemamorphismus.

Beweis  

Die Abbildung ist wohldefiniert, da die Homogenisierung eines Primideals wieder ein Primideal ist. Zu einem homogenen    und einem Primideal ist    genau dann, wenn    ist, daher ist das Urbild von gleich und die Abbildung ist stetig. Das Diagramm von Abbildungen

kommutiert. Dabei steht oben die eingeschränkte Kegelabbildung, unten die natürliche Spektrumsabbildung, links die Identifizierung aus Lemma 10.13 und rechts die Identifizierung aus Lemma 15.8. Um die Kommutativität nachzuweisen, ist für ein Primideal    die Gleichheit

zu zeigen, wobei die Primideale in aufzufassen sind. Die Gleichheit beruht auf den Argumenten zu Lemma 15.8. Dadurch ist der Morphismus schematheoretisch auf festgelegt. Die Morphismen zu verschiedenen sind miteinander kompatibel und legen einen globalen Schemamorphismus fest.



Zum Polynomring in Variablen mit der Standardgraduierung über einem Körper ist die Kegelabbildung gleich

Auf den -Punkten ist diese Abbildung einfach durch

geben, die einem Punkt die durch diesen Punkt und den Nullpunkt bestimmte Gerade zuordnet.




Quasikohärente Moduln auf projektiven Schemata

Graduierte Moduln zu einem graduierten Ring führen zu quasiprojektiven Moduln auf .


Lemma  

Es sei ein -graduierter kommutativer Ring und ein -graduierter -Modul.

Dann besitzt der zugehörige -Modul auf die Eigenschaft, dass für jede offene Menge    zu einem homogenen Ideal der -Modul eine -Graduierung besitzt, die mit den Restriktionsabbildungen verträglich ist.

Beweis  

Die Aussage bedeutet zunächst für  ,  dass die Strukturgarbe auf den offenen Mengen zu homogenen Idealen eine Graduierung besitzt. Dies ist für die zu homogenem klar und folgt daraus für beliebige zu einem homogenen Ideal . Ebenso ergibt sich der Modulfall.

Es ergibt keinen Sinn, zu sagen, dass als Ganzes graduiert ist, da dies auf beliebigen offenen Mengen, die nicht von einem homogenen Ideal herrühren, nicht definiert ist. Allerdings erlaubt es die Graduierung auf den homogenen Teilmengen, auf dem zu gehörenden projektiven Spektrum eine Modulgarbe zu definieren.


Es sei ein -graduierter kommutativer Ring und ein -graduierter -Modul. Es sei    das projektive Spektrum zu . Die -Modulgarbe zu wird folgendermaßen festgelegt: Zu jeder offenen Menge    zu einem homogenen Ideal setzt man

und versieht dies mit den natürlichen Restriktionsabbildungen und der natürlichen -Modulstruktur.

Für einen graduierten -Modul und ein homogenes Primideal setzen wir  


Lemma  

Es sei ein -graduierter kommutativer Ring und ein -graduierter -Modul. Es sei    das projektive Spektrum zu und der zugehörige -Modul. Dann gelten folgende Eigenschaften

  1. ist ein quasikohärenter Modul.
  2. Zu einem homogenen Element    ist

    Ferner ist eingeschränkt auf gleich der affinen Vergarbung von auf  

  3. Zu einem homogenen Primideal    ist
  4. Es ist

Beweis  

  1. Die Garbeneigenschaft ergibt sich aus der Garbeneigenschaft von . Für die Quasikohärenz siehe Teil (2).
  2. Für homogenes    ist

    nach Lemma 14.5. Somit stimmt die Garbe global auf mit der Garbe überein. Für die offenen Teilmengen    gelten die entsprechenden Gleichheiten, und diese Identifizierungen sind mit den Restriktionen verträglich. Daher stimmen die Garben überhaupt überein und es liegt Quasikohärenz vor.

  3. Folgt aus (2) über
  4. Dies ist ein Spezialfall der allgemeinen Definition.


Die letzte Aussage bedeutet, dass im Allgemeinen der globale Schnittmodul von auf nicht unmittelbar aus berechnet werden kann.


Es sei ein -graduierter kommutativer Ring und der um verschobene graduierte Ring. Dann bezeichnet man mit

den zugehörigen -Modul auf  .  Man spricht von den getwisteten Strukturgarben.


Zum Polynomring , , mit der Standardgraduierung ist

also die Polynome vom Grad in Variablen. Für negatives ist dies der Nullraum, für    (die Strukturgarbe) ist dies gleich , für    besteht es aus allen Linearformen, usw. Für die offenen Mengen gilt


Für den projektiven Raum haben wir schon in Beispiel 13.15 gesehen, dass diese Garben invertierbar sind. Dies gilt auch allgemein.


Lemma  

Es sei ein standard-graduierter kommutativer Ring.

Dann sind die getwisteten Strukturgarben auf    invertierbar.

Beweis  

Es sei    mit vom Grad . Dann erzeugen die auch das irrelevante Ideal und daher liegt eine offene affine Überdeckung

vor. Es sei eines der . Nach Lemma 16.7  (2) ist

wobei die affine Vergarbung des -Moduls    auf

bezeichne. In dieser Situation ist aber

ein -Modulisomorphismus, und daher liegt ein -Modulisomorphismus

vor.


Die getwisteten Strukturgarbe sind für das projektive Schema    charakteristische, allerdings vom graduierten Ring abhängige invertierbare Garben.



Lemma  

Es sei ein standard-graduierter kommutativer Ring, sei ein graduierter -Modul und  

Dann gibt es eine natürliche -Isomorphie

auf  ,  wobei den um verschobenen Modul zu bezeichnet.

Beweis  

Zu einem homogenen Element    gibt es einen -Modulhomomorphismus

der unmittelbar von der (homogenen) Modulmultiplikation herrührt. Diese Homomorphismen induzieren für jede offene Teilmenge    einen Modulhomomorphismus

der insgesamt ein Homomorphismus von Prägarben ist. Wegen    ist die Vergarbung der Prägarbe rechts gleich . Die Vergarbung der linken Seite (in zwei Schritten) ist , sodass ein Homomorphismus von Moduln

vorliegt.

Dass ein Isomorphismus vorliegt kann auf einer affinen Überdeckung gezeigt werden. Wenn homogen ist, so ist der obige -Modulhomomorphismus

nach Lemma 14.10 und Lemma 16.7  (2) gleich der Auswertung des vergarbten Homomorphismus. Wenn den Grad besitzt (und die zugehörigen offenen Mengen überdecken ), so liegt ein Isomorphismus vor. Nach Aufgabe 15.5 ist    (über ) sodass links ein zu isomorpher Modul steht. Mit dieser Identifizierung ist die Abbildung durch gegeben, und diese ist bijektiv, da eine Einheit ist.



Es sei ein standard-graduierter Ring, es sei ein quasikohärenter Modul auf    und  .  Dann nennt man

den -ten Twist von .

Die Modulgarbe stimmt also mit dem -ten Twist von überein.



Globale Erzeugtheit

Es sei ein beringter Raum und es sei ein -Modul auf . Man sagt, dass von globalen Schnitten erzeugt wird, wenn es eine Familie    () derart gibt, dass für jeden Punkt    der Halm als -Modul von den (Einschränkungen der) erzeugt wird.



Es sei ein Schema. Dann gelten folgende Aussagen.

  1. Die Strukturgarbe wird von globalen Schnitten erzeugt.
  2. Ein quasikohärenter Modul wird genau dann von globalen Schnitten erzeugt, wenn es einen surjektiven Modulhomomorphismus gibt.
  3. Auf einem affinen Schema wird jeder quasikohärente Modul von globalen Schnitten erzeugt.
  4. Wenn von globalen Schnitten erzeugt wird und surjektiv ist, so wird auch von globalen Schnitten erzeugt.

Beweis

Siehe Aufgabe 16.17.



Auf dem projektiven Raum über einem kommutativen Ring

werden die getwisteten Strukturgarben bei    von globalen Schnitten erzeugt werden und bei    und    nicht.

Beweis

Siehe Aufgabe 16.18.



Satz  

Es sei der projektive Raum über einem noetherschen Ring und sei eine kohärente Garbe auf .

Dann gibt es ein    derart, dass von globalen Schnitten erzeugt wird.

Beweis  

Es ist    mit einem endlich erzeugten Modul über dem zu gehörenden Polynomring . Für die invertierbare Garbe ist der Invertierbarkeitsort zum globalen Schnitt nach Aufgabe 15.23 gleich . Für ein endliches -Modulerzeugendensystem , , von gibt es nach Satz 14.13  (2) einen (gemeinsamen) Exponenten derart, dass die von globalen Elementen aus herrühren. Dies kann man für jedes machen und erhält somit ein derart, dass die globalen Schnitte aus die Moduln auf der offenen affinen Überdeckung erzeugen. Dies gilt dann auch in allen Halmen und somit liegt globale Erzeugtheit vor.



Satz  

Es sei der projektive Raum über einem noetherschen Ring und sei eine kohärente Garbe auf .

Dann gibt es eine endliche direkte Summe und einen surjektiven Modulhomomorphismus

Beweis  

Nach Satz 16.16 gibt es ein derart, dass von endlich vielen globalen Schnitten erzeugt wird. Nach Proposition 16.14  (2) liegt also ein surjektiver Modulhomomorphismus

vor. Wir tensorieren mit und erhalten eine Surjektion


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