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Kurs:Singularitätentheorie (Osnabrück 2019)/Vorlesung 13/latex

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\setcounter{section}{13}






\zwischenueberschrift{Kähler-Differentiale und Jacobi-Matrix}





\inputfaktbeweis
{Kähler-Differentiale/Konormalensequenz/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{,} es sei $A$ eine kommutative $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{I }
{ \subseteq }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Ideal}{}{} mit dem \definitionsverweis {Restklassenring}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{B }
{ = }{ A/I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die Sequenz
\mathdisp {I/I^2 \longrightarrow \Omega_{ A {{|}} R } \otimes_{ A } B \longrightarrow \Omega_{ B {{|}} R } \longrightarrow 0} { }
von $B$-Moduln \definitionsverweis {exakt}{}{.}}
\faktzusatz {Dabei geht
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \in }{I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} auf
\mathl{da \otimes 1}{} und $da \otimes b$ auf $b da$.}
\faktzusatz {}

}
{

Die $R$-lineare Abbildung \maabbeledisp {} {A} { \Omega_{ A {{|}} R } } {a} {da } {,} kann man auf das Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{I }
{ \subseteq }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} einschränken. Durch Tensorieren mit
\mathl{A/I}{} erhält man unter Verwendung von Proposition Anhang 6.9  (2) die $A/I$-lineare Abbildung \maabbdisp {} {I/I^2 \cong I \otimes_{ A } A/I} { \Omega_{ A {{|}} R } \otimes_{ A } A/I } {.}

Die Surjektivität der Abbildung rechts ist klar, da der $B$-\definitionsverweis {Modul}{}{}
\mathl{\Omega_{B {{|}} R}}{} von den
\mathbed {db} {}
{b \in B} {}
{} {} {} {,} \definitionsverweis {erzeugt}{}{} wird und diese von
\mathbed {da} {}
{a \in A} {}
{} {} {} {} herrühren. Ein Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \in }{ I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} geht auf $da$ und damit auf $0$ in
\mathl{\Omega_{B {{|}} R}}{,} da das Element $a$ in $B$ selbst $0$ wird.

Es sei nun
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \omega }
{ \in} { \Omega_{ A {{|}} R } \otimes_{ A } B }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Element, das in
\mathl{\Omega_{ B {{|}} R }}{} auf $0$ abbildet. Wir können
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \omega }
{ =} { \sum_{i = 1}^n da_i \otimes b_i }
{ =} { \sum_{i = 1}^n da_i \otimes \overline{c}_i }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a_i,c_i }
{ \in }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} schreiben. Da es auf $0$ in
\mathl{\Omega_{B {{|}} R}}{} abbildet, gilt in dem von den Symbolden
\mathbed {db} {}
{b \in B} {}
{} {} {} {,} erzeugten \definitionsverweis {freien}{}{} $B$-\definitionsverweis {Modul}{}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = 1}^n c_i da_i }
{ =} { \sum_{j = 1}^m h_j \omega_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{h_j }
{ \in }{B }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und die $\omega_j$ Erzeuger der Relationen für den Modul der Kähler-Differentiale ist, also gleich
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ dfg }
{ = }{ fdg+ gdf }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f,g }
{ \in }{B }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} oder gleich
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d(rf+sg ) }
{ = }{rdf+ sdg }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r,s }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f,g }
{ \in }{B }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. Der angesprochene freie $B$-Modul entsteht aus dem durch die
\mathbed {da} {}
{a \in A} {}
{} {} {} {,} erzeugten freien $A$-Modul einfach dadurch, dass man die Koeffizienten aus $I$ und die $dI$ zu $0$ macht. Somit gilt in diesem freien $A$-Modul
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = 1}^n c_i da_i - \sum_{j = 1}^m h_j \omega_j }
{ =} { \sum_{k = 1}^\ell m_k dn_k + du }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{m_k }
{ \in }{I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n_k }
{ \in }{B }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{u }
{ \in }{I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} In
\mathl{\Omega_{A {{|}} R} \otimes_{ R } B}{} wird
\mathl{\sum_{k = 1}^\ell m_k dn_k}{} wegen der Tensorierung zu $0$ und daher gilt dort in der Tat
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = 1}^n c_i da_i }
{ =} {du }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Kähler-Differentiale/Von endlichem Typ/Restklassendarstellung/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und es sei $A$ eine kommutative \definitionsverweis {endlich erzeugte}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{,} die als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A }
{ =} {R[X_1 , \ldots , X_n]/(F_1 , \ldots , F_k) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegeben sei.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{ A {{|}} R } }
{ =} { \bigoplus_{i = 1}^n AdX_i /( dF_1 , \ldots , dF_k ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Lemma 12.5 und Lemma 13.1.

}







\inputbemerkung
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und es sei $A$ eine kommutative \definitionsverweis {endlich erzeugte}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{,} die als
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A }
{ = }{R[X_1 , \ldots , X_n]/(F_1 , \ldots , F_k) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben sei. Dann ist nach Lemma 12.4  (4)
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{d F_j }
{ =} { { \frac{ \partial F_j }{ \partial X_1 } } dX_1 + \cdots + { \frac{ \partial F_j }{ \partial X_n } } dX_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und nach Korollar 13.2 gibt es eine \definitionsverweis {exakte Sequenz}{}{}
\mathdisp {A^k \stackrel{M}{\longrightarrow} A^n \longrightarrow \Omega_{ A {{|}} R } \longrightarrow 0} { , }
wobei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} { \frac{ \partial F_1 }{ \partial X_1 } } & \ldots & { \frac{ \partial F_{k} }{ \partial X_1 } } \\ \vdots & \ddots & \vdots \\{ \frac{ \partial F_1 }{ \partial X_n } } & \ldots & { \frac{ \partial F_{k} }{ \partial X_n } } \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die transponierte \definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{} \zusatzklammer {ohne Auswertung an einem Punkt} {} {} ist. Die Standardvektoren $e_j$ werden auf
\mathl{dX_j}{} abgebildet und die Spaltenvektoren
\mathl{\begin{pmatrix} { \frac{ \partial F_j }{ \partial X_1 } } \\ \vdots\\ { \frac{ \partial F_j }{ \partial X_n } } \end{pmatrix}}{,} die die Nullelemente
\mathl{dF_j}{} repräsentieren, sind die Bilder der durch die Matrix gegebenen Abbildung.

}

Zu einer $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A }
{ =} { K[X_1 , \ldots , X_n ]/(f_1 , \ldots , f_m) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{(a_1 , \ldots , a_n) }
{ \in }{V }
{ = }{ V(f_1 , \ldots , f_m) }
{ }{ }
} {}{}{} mit zugehörigem maximalen Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{{\mathfrak m}_P }
{ \subseteq }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und Lokalisierung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} {A_{ {\mathfrak m}_P} }
{ =} { {\mathcal O}_{V,P} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{R {{|}} K} }
{ =} { \Omega_{A {{|}} K} \otimes_{ A } R }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} und die Tensorierung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{R {{|}} K} \otimes_{ R } K }
{ =} { \Omega_{A {{|}} K} \otimes_{ A } K }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zur Restekörperauswertung
\mathdisp {A \longrightarrow A_{\mathfrak m} \longrightarrow A_{\mathfrak m}/ {\mathfrak m}A_{\mathfrak m} =K} { }
spielt eine besondere Rolle. Es ergibt sich ein direkter Zusammenhang zum Dualraum des \definitionsverweis {extrinsischen Tangentialraumes}{}{} von $V$ an $P$. Das bedeutet, dass
\mathl{\Omega_{R {{|}} K} \otimes_{ R } K}{} in natürlicher Weise der \definitionsverweis {Kotangentialraum}{}{} im Punkt $P$ ist.





\inputfaktbeweis
{Kähler-Differentiale/Gleichungen/Extrinsischer Kotangentialraum/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A }
{ =} { K[X_1 , \ldots , X_n ]/(f_1 , \ldots , f_m) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endlich erzeugte}{}{} $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{(a_1 , \ldots , a_n) }
{ \in }{V }
{ = }{ V(f_1 , \ldots , f_m) }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt des zugehörigen Nullstellengebildes mit zugehörigem maximalen Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{{\mathfrak m}_P }
{ \subseteq }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und \definitionsverweis {Lokalisierung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} {A_{\mathfrak m} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist der \definitionsverweis {Tangentialraum}{}{} zu $V$ in $P$ in kanonischer Weise der \definitionsverweis {duale Vektorraum}{}{} zu
\mathl{\Omega_{R {{|}} K} \otimes_{ R } K}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Bemerkung 12.9 gibt es eine \definitionsverweis {exakte Sequenz}{}{}
\mathdisp {A^m \stackrel{M}{\longrightarrow} A^n \longrightarrow \Omega_{ A {{|}} K } \longrightarrow 0} { , }
wobei
\mathl{M}{} die \definitionsverweis {transponierte}{}{} \definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{} zu den $f_i$ ist. Wir tensorieren mit dem Restekörper $K$ und erhalten eine exakte Sequenz
\mathdisp {K^m \stackrel{M(P)}{\longrightarrow} K^n \longrightarrow \Omega_{ A {{|}} K } \otimes_{ A } K \longrightarrow 0} { }
von endlichdimensionalen $K$-\definitionsverweis {Vektorräumen}{}{.} Die \definitionsverweis {duale Sequenz}{}{} dazu ist
\mathdisp {0 \longrightarrow { \left( \Omega_{ A {{|}} K } \otimes_{ A } K \right) }^{ * } \longrightarrow K^n \stackrel{ \operatorname{Jac} (P)}{\longrightarrow} K^m} { }
und ebenfalls exakt. Nach Definition 3.18 ist aber der Kern der Jacobi-Matrix im Punkt $P$ der Tangentialraum an $V$ in $P$.

}





\inputfaktbeweis
{Kähler-Differentiale/Lokaler Ring/Kotangentialraum/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $R$ eine \definitionsverweis {lokale}{}{} \definitionsverweis {kommutative}{}{} $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{} und es sei die Gesamtabbildung
\mathdisp {K \longrightarrow R \longrightarrow R/ {\mathfrak m}} { }
ein \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die Abbildung \maabbeledisp {} { {\mathfrak m}/ {\mathfrak m}^2 } { \Omega_{R {{|}} K} \otimes_{ R } R/ {\mathfrak m} } { [f]} { df \otimes 1 } {,} ein $R/ {\mathfrak m}$-\definitionsverweis {Modulisomorphismus}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Lemma 13.1 liegt eine exakte Sequenz
\mathdisp {{\mathfrak m}/ {\mathfrak m}^2 \longrightarrow \Omega_{R {{|}} K} \otimes_{ R } R/ {\mathfrak m} \longrightarrow \Omega_{ R/ {\mathfrak m} {{|}} K} \longrightarrow 0} { }
von $R/ {\mathfrak m}$-\definitionsverweis {Modulhomomorphismen}{}{} vor. Nach Voraussetzung ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R/ {\mathfrak m} }
{ = }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und daher
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Omega_{ R/ {\mathfrak m} {{|}} K} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Somit ist die angegebene Abbildung surjektiv. Zum Nachweis der Injektivität betrachten wir die $R/ {\mathfrak m}$-\definitionsverweis {duale Abbildung}{}{,} also die Abbildung \maabbeledisp {} { \operatorname{Hom}_{ R/ {\mathfrak m} } { \left( \Omega_{R {{|}} K} \otimes_{ R } R/ {\mathfrak m} , R/ {\mathfrak m} \right) } } { \operatorname{Hom}_{ R/ {\mathfrak m} } { \left( {\mathfrak m}/ {\mathfrak m}^2 , R/ {\mathfrak m} \right) } } {\varphi} { \varphi \circ d } {,} und müssen zeigen, dass diese surjektiv ist \zusatzklammer {es geht um Vektorräume} {} {.}

Der linke Homomorphismenmodul ist nach Lemma Anhang E.11. und Lemma 12.3 isomorph zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Hom}_{ R } { \left( \Omega_{R {{|}} K} , R/ {\mathfrak m} \right) } }
{ \cong} { \operatorname{Der}_{ K } { \left( R , R/ {\mathfrak m} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Die Gesamtabbildung ordnet einer $K$-Derivation \maabb {\delta} {R} { R /{\mathfrak m} } {} die Abbildung \maabbeledisp {} { {\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2 } { R/ {\mathfrak m} } {[f]} { \delta(f) } {,} zu. Es sei nun \maabbeledisp {} { {\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2 } { R/ {\mathfrak m} } {[f]} { \epsilon (f) } {,} ein $R/ {\mathfrak m}$-Modulhomomorphismus. Wir müssen zeigen, dass dies von einer Derivation herkommt. Dazu betrachten wir die Abbildung \maabbeledisp {\delta} {R} { R / {\mathfrak m} } {f} { \epsilon (f- \overline{f}) } {,} wobei $\overline{f}$ den Wert von $f$ im Restklassenkörper $R/ {\mathfrak m}$ bezeichnet, den man über die Identifizierung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ = }{R/{\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} wieder in $R$ auffasst. Somit gehört
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f- \overline{f} }
{ \in }{ {\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und die Abbildung ist wohldefiniert. Eine direkte Verifizierung ähnlich zum Beweis zu Satz 23.2 (Algebraische Kurven (Osnabrück 2017-2018)) zeigt, dass es sich um eine Derivation handelt. Diese bildet auf $\epsilon$ ab.

}







\inputbemerkung
{}
{

In der Situation von Lemma 13.4 kann man direkt eine Beziehung zwischen dem \zusatzklammer {extrinsischen} {} {} Tangentialraum, der als Kern der Jacobi-Matrix gegeben ist, und dem Dualraum zu
\mathl{{\mathfrak m}_P/{\mathfrak m}_P^2}{} stiften. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ v }
{ =} { \begin{pmatrix} v_1 \\\vdots\\ v_n \end{pmatrix} }
{ \in} {T_PV }
{ =} { \operatorname{kern} \left( \operatorname{Jak}(f_1 , \ldots , f_m )_P \right) }
{ } { }
} {}{}{.} Dies definiert eine Abbildung \maabbeledisp {} { {\mathfrak m}_P } { K } {g} { (dg)_P \begin{pmatrix} v_1 \\\vdots\\ v_n \end{pmatrix} = v_1 \partial_1 g (P) + \cdots + v_n \partial_n g(P) } {,} dabei wird, in analytischer Sprache, einer Funktion $g$ die Auswertung in $P$ ihrer \definitionsverweis {Richtungsableitung}{}{} in Richtung $v$ zugeordnet. Die Kernbedingung stellt dabei sicher, dass Funktionen aus dem Ideal
\mathl{(f_1 , \ldots , f_m)}{} auf $0$ abgebildet werden und die Abbildung auf dem maximalen Ideal des Restklassenringes wohldefiniert ist. Nach der Produktregel wird dabei
\mathl{{\mathfrak m}_P^2}{} auf $0$ abgebildet und es ergibt sich eine $K$-\definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {} {{\mathfrak m}_P/{\mathfrak m}_P^2} { K } {.}

}