Kurs:Singularitätentheorie (Osnabrück 2019)/Vorlesung 5/latex
\setcounter{section}{5}
\zwischenueberschrift{Binomiale Gleichungen}
Es seien
\mathl{X_1 , \ldots , X_n}{} Variablen. Unter einer \stichwort {binomialen Gleichung} {} in den $X_i$ versteht man eine Gleichung der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{X^\mu
}
{ =} {X^\nu
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
wobei
\mathl{\mu,\nu \in \N^n}{} Exponententupel sind. Zu einem Körper $K$ interessiert man sich für die Erfüllungsmenge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} { { \left\{ (x_1 , \ldots , x_n) \in K^n \mid x^\mu = x^\nu \right\} }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dies ist einfach die Nullstellenmenge der \stichwort {binomialen Funktion} {}
\zusatzklammer {oder des binomialen Polynoms} {} {}
\mathl{X^\mu-X^\nu}{.} Wenn die Variable $X_i$ auf beiden Seiten echt
\zusatzklammer {d.h. mit einem positiven Exponenten} {} {}
vorkommt, so ist die Hyperebene
\mathl{V(X_i)}{} eine
\definitionsverweis {irreduzible Komponente}{}{}
von $V$. Wenn
\zusatzklammer {nach einer Umnummerierung der Variablen} {} {}
die Variablen $X_k , \ldots , X_n$ beidseitig echt vorkommen, so erhält man die Zerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} { V( X^\sigma -X^\tau) \cup V(X_k) \cup \ldots \cup V(X_n)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
wobei im vorderen binomialen Polynom keine Variable beidseitig vorkommt. Wir werden uns weitgehend auf den Fall beschränken, wo keine Variable beidseitig vorkommt. Auch dann muss das binomiale Polynom nicht irreduzibel sei, beispielsweise ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Y^2-X^2
}
{ = }{(Y-X)(Y+X)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
\inputbeispiel{}
{
Wir betrachten die binomiale Gleichung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X_1 \cdots X_n
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Die Nullstellenmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V
}
{ = }{V(X_1 \cdots X_n-1)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
besteht aus sämtlichen Punkten, deren Produkt der Koordinaten gleich $1$ ist. Insbesondere darf kein Eintrag gleich $0$ sein. Die
\definitionsverweis {Jacobimatrix}{}{}
ist
\mathdisp {\left( X_2 \cdots X_n , \, X_1 X_3\cdots X_n , \, \ldots , \, X_1 \cdots X_{n-2} X_n , \, X_1 \cdots X_{n-1} \right)} { }
und diese besitzt in jedem Punkt der Nullstellenmenge den Rang $1$, es liegt also eine
\definitionsverweis {glatte Varietät}{}{}
vor. Der Satz über implizite Abbildungen liefert lokal die Existenz eines Diffeomorphismus zu $K^{n-1}$
\zusatzklammer {bei
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{K
}
{ = }{ \R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
oder ${\mathbb C}$} {} {,}
doch gibt es hier unmittelbar die bijektive algebraische
\zusatzklammer {rationale} {} {}
Abbildung
\maabbeledisp {} { { \left( K^{\times} \right) }^{n-1} } { V
} { \left( x_1 , \, \ldots , \, x_{n-1} \right) } { \left( x_1 , \, \ldots , \, x_{n-1} , \, { \frac{ 1 }{ x_1 \cdots x_{n-1} } } \right)
} {.}
Dies kann man so verstehen, dass $V$ der
\definitionsverweis {Graph}{}{}
zur rationalen Funktion auf
\mathl{{ \left( K^{\times} \right) }^{n-1}}{} ist. Es liegt hier also ein Isomorphismus zwischen der Zariski-offenen Menge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( K^{\times} \right) }^{n-1}
}
{ =} { K^{n-1} \setminus V(X_1 \cdots X_{n-1} )
}
{ \subseteq} { K^{n-1}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und der Zariski-abgeschlossenen Menge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V
}
{ \subseteq }{K^n
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
vor. Die Menge
\mathl{{ \left( K^{\times} \right) }^{n-1}}{} nennt man auch den
\mathl{(n-1)}{-}dimensionalen \stichwort {Torus} {.}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Rectangular_hyperbola.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { Rectangular hyperbola.svg } {} {Qef} {Commons} {PD} {}
Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n
}
{ = }{2
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist das der Isomorphismus zwischen der punktierten Geraden und der Hyperbel.
}
Wenn, anders als im vorstehenden Beispiel, auf beiden Seiten der binomialen Gleichung variable Ausdrücke stehen, also jeweils mindestens eine Variable mit einem positiven Exponenten vorkommt, so gehört der Nullpunkt
\mathl{(0 , \ldots , 0)}{} zu $V$. Im vorstehenden Beispiel war die Varietät glatt. Dies ist aber
\zusatzklammer {neben der trivialen Gleichung
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{X
}
{ = }{X
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}} {} {}
die einzige glatte Varietät, die durch eine binomiale Gleichung definiert wird. Wir halten fest.
\inputfaktbeweis
{Binomiale Gleichung/Singulärer Punkt/Fakt}
{Lemma}
{}
{
\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X^\mu -X^\nu
}
{ \neq }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine
\definitionsverweis {binomiales Polynom}{}{,}}
\faktvoraussetzung {wobei auf beiden Seiten weder die $1$ noch eine Variable allein stehe.}
\faktfolgerung {Dann besitzt die Nullstellenmenge
\mathl{V(X^\mu-X^\nu)}{} eine Singularität im Nullpunkt.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Zunächst ist $0$ ein Punkt der durch das binomiale Polynom gegebenen Nullstellenmenge. Aufgrund der Voraussetzungen können wir das Polynom als
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P
}
{ = }{FX-GY
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit verschiedenen Variablen
\mathl{X,Y}{} und Monomen
\mathl{F,G}{} schreiben, die keine Einheiten sind
\zusatzklammer {in den $X$ bzw. $Y$ vorkommen kann} {} {.}
Die
\definitionsverweis {partiellen Ableitungen}{}{}
sind
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \partial_X ( P )
}
{ =} { X \partial_X ( F ) +F- Y \partial_X ( G )
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \partial_Y ( P )
}
{ =} { X \partial_Y ( F ) - Y \partial_Y( G ) - G
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \partial_Z ( P )
}
{ =} { X \partial_Z ( F ) - Y \partial_Z ( G )
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
\zusatzklammer {für jede weitere Variable $Z$} {} {,}
die alle im Nullpunkt verschwinden.
{Binomiale Gleichung/Ebener Fall/Teilerfremd/Parametrisierung/Fakt}
{Lemma}
{}
{
\faktsituation {Es sei $K$ ein
\definitionsverweis {Körper}{}{,}
seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a,b
}
{ \in }{\N
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
\definitionsverweis {teilerfremde}{}{}
Zahlen und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ X^a-Y^b
}
{ \in }{ K[X,Y]
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
das zugehörige
\definitionsverweis {binomiale Polynom}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gelten folgende Eigenschaften.
\aufzaehlungdrei{Das Polynom
\mathl{X^a-Y^b}{} ist
\definitionsverweis {irreduzibel}{}{.}
}{Es gibt eine bijektive polynomiale Abbildung
\maabbeledisp {} { K} { V(X^a-Y^b) \subseteq K^2
} {t} { (t^b,t^a)
} {.}
}{Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a,b
}
{ \geq }{2
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
besitzt
\mathl{V(X^a-Y^b)}{} eine
\definitionsverweis {isolierte Singularität}{}{}
im Nullpunkt.
}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
{ Siehe Aufgabe 5.4. }
In der vorstehenden Situation liegt also eine Bijektion und bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K
}
{ = }{ \R, {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine Homöomorphie zwischen der glatten affinen Geraden und der singulären Kurve vor. In diesem Fall hat die Existenz einer Singularität keine topologischen Auswirkungen
\zusatzklammer {siehe allerdings die elfte Vorlesung, wo topologische Eigenschaften besprochen werden, die mit der Einbettung zusammenhängen, aber nicht mit der intrinsischen topologischen Struktur der Kurve} {} {.}
\inputbeispiel{}
{
Die
\definitionsverweis {binomiale Gleichung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{XY
}
{ = }{Z^n
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
definiert eine algebraische Fläche
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V(XY-Z^n)
}
{ \subseteq} { { {\mathbb A}_{ K }^{ 3 } }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
über jedem Körper $K$. Die
\definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{}
ist
\mathdisp {\left( Y , \, X , \, nZ^{n-1} \right)} { . }
Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist dies überall glatt, bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n
}
{ \geq }{2
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
liegt im Nullpunkt eine
\definitionsverweis {isolierte Singularität}{}{}
vor. Man spricht von den $A_{n-1}$-\stichwort {Singularitäten} {}
\zusatzklammer {die Indizierung ist so gewählt, dass $A_1$ schon eine Singularität ist} {} {.}
Das Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Z^n-XY
}
{ \in }{K[X,Y,Z]
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist
\definitionsverweis {irreduzibel}{}{,}
für $n$ prim ergibt sich dies aus
Aufgabe 8.25 (Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)).
Der
\definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
von
\mathl{K[X,Y,Z]/ { \left( XY-Z^n \right) }}{} ist der
\definitionsverweis {rationale Funktionenkörper}{}{}
\mathl{K(X,Z)}{,} da man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y
}
{ =} { Z^n/X
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
ausdrücken kann.
}
\inputbeispiel{}
{
Der Nullpunkt von
\mathl{V(Z^2-XY)}{} ist eine
\definitionsverweis {isolierte Singularität}{}{}
dieser Fläche über jedem Körper. Hat dies bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K
}
{ = }{ \R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K
}
{ = }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine topologische Auswirkung? Im Komplexen kann man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{XY
}
{ =} { (U+ { \mathrm i} V)(U - { \mathrm i} V)
}
{ =} { U^2 +V^2
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
schreiben und sieht, dass man genauso gut mit der Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Z^2
}
{ =} { U^2+V^2
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
für den Standardkegel arbeiten kann. Eine topologische Besonderheit des reellen Standardkegels ist, dass, wenn man die Singularität, also die Kegelspitze, herausnimmt, der Kegel in zwei Zusammenhangskomponenten zerfällt, die jeweils homöomorph zur punktierten Ebene sind und deren
\definitionsverweis {Fundamentalgruppe}{}{}
$\Z$ ist. Eine glatte reelle Ebene bleibt dagegen, wenn man einen Punkt herausnimmt, zusammenhängend, und die Fundamentalgruppe ist $\Z$. Es ist ein typisches Phänomen, dass topologische Eigenschaften hervortreten, wenn man die Singularität herausnimmt und Eigenschaften des Komplements betrachtet. In
Aufgabe 5.10
werden wir sehen, dass auch das reelle Nullstellengebilde $V(Z^2-XY)$ in zwei Zusammenhangskomponenten zerfällt, wenn man die Singularität herausnimmt.
Die komplexe Ebene ist reell betrachtet ein vierdimensionaler Raum. Wenn man einen Punkt herausnimmt, bleibt das Komplement zusammenhängend und sogar
\definitionsverweis {einfach zusammenhängend}{}{,}
d.h. die Fundamentalgruppe ist trivial. Wir werden als Korollar zu
Satz 9.7
sehen, dass das komplexe Nullstellengebilde
\mathl{V( Z^2-XY )}{} hingegen die Eigenschaft hat, dass das Komplement zur Singularität zwar auch zusammenhängend ist, seine Fundamentalgruppe aber gleich
\mathl{\Z/(2)}{} ist.
}
\inputbeispiel{}
{
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Whitney unbrella.png} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { Whitney unbrella.png } {Claudio Rocchini} {} {Commons} {CC-BY-SA-2.5} {}
Wir betrachten die algebraische Fläche, die durch die Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X^2 Z
}
{ =} { Y^2
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gegeben ist, also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V
}
{ = }{V { \left( X^2Z-Y^2 \right) }
}
{ \subseteq }{ { {\mathbb A}_{ K }^{ 3 } }
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit dem
\definitionsverweis {affinen Koordinatenring}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R
}
{ = }{ K[X,Y,Z]/ { \left( X^2Z-Y^2 \right) }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Diese Fläche heißt \stichwort {Whitney-Regenschirm} {.} Die
\definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{}
zur Funktion
\mathl{X^2Z-Y^2}{} ist
\mathdisp {\left( 2XZ , \, 2Y , \, X^2 \right)} { . }
Die Gerade
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V(X,Y)
}
{ =} { { \left\{ (0,0,z) \mid z \in K \right\} }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
liegt auf $V$ und genau dort ist die Jacobi-Matrix die Nullmatrix. Der singuläre Ort ist also eine eindimensionale Untervarietät. Im
\definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
$Q(R)$
\zusatzklammer {das Polynom ist irreduzibel} {} {}
ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Z
}
{ =} { { \left( { \frac{ Y }{ X } } \right) }^2
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und der Quotientenkörper ist isomorph zum
\definitionsverweis {rationalen Funktionenkörper}{}{}
\mathl{K(X,Y)}{.} Das Element
\mathl{Y/X}{} aus dem Quotientenkörper hat also die kuriose Eigenschaft, dass sein Quadrat, nämlich $Z$, zu $R$ gehört, das Element selbst aber nicht. Die Abbildung
\maabbeledisp {} {K^2} { V
} {(x,u)} { \left( x , \, ux , \, u^2 \right)
} {,}
ist
\zusatzklammer {wohldefiniert und bei $K$
\definitionsverweis {algebraisch abgeschlossen}{}{}} {} {}
surjektiv, die Punkte
\mathkor {} {(0,u)} {und} {(0,-u)} {}
werden beide auf
\mathl{(0,0,u^2)}{} abgebildet und für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
liegt eine Bijektion vor, da sich dann $u$ aus $ux$ rekonstruieren lässt. Das bedeutet, dass $V$ aus der affinen Ebene entsteht, indem man auf einer Geraden durch den Nullpunkt gegenüberliegende Punkte miteinander identifiziert. Das Bild dieser Geraden ist die singuläre Gerade
\zusatzklammer {im reellen Bild eine Halbgerade} {} {.}
Die Gesamtabbildung heißt Normalisierung.
}
Wir betrachten nun Nullstellengebilde, die zu mehr als einer binomialen Gleichung gegeben sind. Es ist hier schon eine subtile Frage, wie die Zerlegung in irreduzible Komponenten aussieht.
\inputbeispiel{}
{
Wir betrachten die Nullstellenmenge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} {V(X-YZ,Y-XZ)
}
{ \subseteq} { K^3
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und bestimmen die
\definitionsverweis {irreduziblen Komponenten}{}{}
davon. Die $z$-Achse
\mathl{V(X,Y)}{} ist eine Teilmenge von $V$. Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Y(X-YZ) -X(Y-XZ)
}
{ =} { -(Y^2-X^2) Z
}
{ =} { -(Y-X)(Y+X)Z
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gehört auch das Produkt
\mathl{(Y-X)(Y+X)Z}{} zum definierenden Ideal. Für einen jeden Punkt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ =} {(x,y,z)
}
{ \in} {V
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gilt also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ = }{y
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ = }{-y
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Im ersten Fall ist auch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ = }{y
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Im zweiten Fall werden die beiden definierenden Polynome zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{X-XZ
}
{ =} {X(1-Z)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Bei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x
}
{ =} { 0
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gehört der Punkt zur $z$-Achse, anderfalls ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ \in} { V(Y-X, Z-1)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Im dritten Fall kommt noch die Möglichkeit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ \in} { V(Y+X, Z+1)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
hinzu. Somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} { V(X,Y) \cup V(Y-X, Z-1) \cup V(Y+X, Z+1)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
eine Vereinigung von drei Geraden, wobei sich die erste und die zweite in
\mathl{(0,0,1)}{} und die erste und die dritte in
\mathl{(0,0,-1)}{} treffen. Insbesondere ist $V$ eindimensional und zusammenhängend.
Wir betrachten nun die
\definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{,}
diese ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & -Z & -Y \\ -Z & 1 & -X \end{pmatrix}} { . }
Diese hat in einem Punkt
\mathl{(x,y,z)}{} genau dann den
\definitionsverweis {Rang}{}{}
$1$, wenn die zweite Zeile das $-z$-fache der ersten Zeile ist. Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z^2
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und somit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z
}
{ = }{-1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Im ersten Fall ist wegen der letzten Spalte der Jacobi-Matrix
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y
}
{ = }{ (-1) (-y)
}
{ = }{ -x
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
werden aber beide definierenden Gleichungen zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ = }{y
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
sodass nur im Kreuzungspunkt
\mathl{(0,0,1)}{} eine Singularität vorliegt. Der zweite Fall
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z
}
{ = }{-1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
führt entsprechend zur Singularität
\mathl{(0,0,-1)}{.}
}
\inputbeispiel{}
{
Wir betrachten die beiden
\definitionsverweis {binomialen Gleichungen}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{XY
}
{ =} {Z^3
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{X^2Z
}
{ =} {Y^3
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
in den drei Variablen
\mathl{X,Y,Z}{} und versuchen uns über das zugehörige Nullstellengebilde
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} {V { \left( XY - Z^3, X^2Z - Y^3 \right) }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
ein Bild zu machen. Zunächst gehört die Gerade
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V(Y,Z)
}
{ =} { { \left\{ (x,0,0) \mid x \in K \right\} }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
zu $V$. Dies kann aber nicht ganz $V$ sein, da der Punkt
\mathl{(1,1,1)}{} zu $V$ gehört. Wenn in einem Punkt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ =} { (x,y,z)
}
{ \in} { V
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die Koordinate
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist, so sind auch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x,z
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dort gilt also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x
}
{ =} { { \frac{ z^3 }{ y } }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und damit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x^2
}
{ =} { { \frac{ z^6 }{ y^2 } }
}
{ =} { { \frac{ y^3 }{ z } }
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ z^7
}
{ =} { y^5
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
In der Tat gehört auch das Polynom
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^5- Z^7
}
{ =} { Z { \left( XY+Z^3 \right) } { \left( XY-Z^3 \right) } - Y^2 { \left( X^2Z-Y^3 \right) }
}
{ \in} { { \left( XY-Z^3, X^2Z-Y^3 \right) }
}
{ } {
}
{ } {}
}
{}{}{}
zu dem von den beiden binomialen Polynomen erzeugten Ideal. Das Nullstellengebilde erfüllt also insbesondere eine binomiale Gleichung, in der nur die beiden Variablen
\mathkor {} {Y} {und} {Z} {}
vorkommen. Es sei nach wie vor
\mathl{(x,y,z)}{} ein Punkt von $V$, für den sämtliche Komponenten nicht $0$ sind. Dann gilt aufgrund von ähnlichen Überlegungen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x^5
}
{ =} { z^8
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x^7
}
{ =} { y^8
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Allerdings gehören die Polynome
\mathkor {} {X^5-Z^8} {und} {X^7-Y^8} {}
nicht zum Ideal, da sie auf der eingangs erwähnten Geraden nicht verschwinden. Unsere Überlegung hat die Inklusion
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ V { \left( XY-Z^3, X^2Z-Y^3 \right) }
}
{ \subseteq} { V(Y,Z) \cup V { \left( Y^5-Z^7 , X^5-Z^8 , X^7-Y^8 \right) }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gezeigt, wir werden gleich begründen, dass hier Gleichheit gilt. Wir betrachten die Abbildung
\maabbeledisp {} {K} { K^3
} {t} { \left( t^8 , \, t^7 , \, t^5 \right)
} {.}
Das Bild dieser Abbildung liegt offenbar in der zweiten Teilmenge. Umgekehrt ist jeder Punkt der zweiten Menge von dieser Form zu einem eindeutig bestimmten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{t
}
{ \in }{K
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Da die Bildpunkte
\mathl{\left( t^8 , \, t^7 , \, t^5 \right)}{} auch die ursprünglichen Gleichungen erfüllt, gehört die rechte Teilmenge auch links dazu und oben gilt Gleichheit. Als bijektives Abbild der affinen Geraden ist über einem unendlichen Körper die rechte Teilmenge ebenfalls eine irreduzible Kurve.
}
\inputbeispiel{}
{
Wir betrachten die Abbildung
\maabbeledisp {} {K^2} {K^2
} {(x,y)} {(x^2-x,xy-y)
} {.}
Das Nullstellengebilde besteht aus dem isolierten Punkt
\mathl{(0,0)}{} und der durch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gegebenen Geraden. Dieses Gebilde ist glatt und besitzt eine nulldimensionale und eine eindimensionale Komponente. Die
\definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{}
der Abbildung ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2x-1 & 0 \\ y & x-1 \end{pmatrix}} { . }
Im isolierten Nullpunkt besitzt die Matrix den
\definitionsverweis {Rang}{}{}
$2$ und man kann den Satz über die implizite Abbildung bzw. die entsprechende Definition anwenden
\zusatzklammer {und erhält wieder, dass lokal die Faser nulldimensional ist} {} {.}
In einem Punkt der Form
\mathl{(1,y)}{} ist der Rang gleich $1$ und man kann diesen Satz nicht anwenden. Da die direkte Betrachtung gezeigt hat, dass in diesen Punkten lokal die Dimension der Faser gleich $1$ ist, können wir die
Definition 3.15
anwenden und auf Glattheit schließen.
}
\inputbeispiel{}
{
Wir betrachten die Abbildung
\maabbeledisp {\varphi} {K^6} { K^3
} {(x,y,z,u,v,w)} { (xv-yu, yw-zv,xw-zu)
} {,}
wobei man die Koeffizientenfunktionen als die
$2 \times 2$-\definitionsverweis {Minoren}{}{}
der Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} x & y & z \\ u & v & w \end{pmatrix}} { }
interpretieren sollte. Die
\definitionsverweis {Jacobi-Matrix}{}{}
ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} v & -u & 0 & -y & x & 0 \\ 0 & w & -v & 0 & -z & y \\ w & 0 & -u & -z & 0 & x \end{pmatrix}} { . }
Im Nullpunkt liegt die Nullmatrix vor und somit liegt dort jedenfalls eine Singularität vor. Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P
}
{ \in }{K^6
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein Punkt mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dann zeigt die Untermatrix aus der ersten und dritten Zeile und der vorletzten und letzten Spalte, dass der Rang zumindest $2$ ist. Wenn $P$ nicht zum Nullstellenmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V
}
{ = }{ \varphi^{-1}(0)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gehört, so ist beispielsweise
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{uv-yu
}
{ \neq} {0
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Doch dann ist auch die Determinante der Untermatrix bestehend aus der
\mathl{3.,5.}{} und $6.$ Spalte nicht $0$ und es liegt Rang $3$ vor. Dies gilt in allen Punkten außerhalb des Nullstellengebildes, d.h. nach dem Satz über implizite Abbildungen sind die anderen Fasern glatt und haben die Dimension $3$. In einem Punkt der Nullfaser, der nicht der Nullpunkt ist, ist der Rang der Jacobi-Matrix genau $2$. Beispielsweise ist die Determinante der eben erwähnten Untermatrix gleich
\mathl{x(vx-uy)}{,} und da steckt eine definierende Gleichung als Faktor drin.
Welche Dimension besitzt die Nullfaser, also die Nullstellenmenge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} { \varphi^{-1} (0)
}
{ =} { V(XV-YU, YW - ZW, XW-ZU)
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
und ist sie außerhalb des Nullpunktes glatt? Diese Nullstellenmenge umfasst unmittelbar die Nullstellenmengen
\mathkor {} {V(X,Y,Z)} {und} {V(U,V,W)} {,}
was beides zwei affine Räume sind. Daher liegt zumindest die Dimension $3$ vor. Da die anderen Fasern dreidimensional sind und da das Nullstellengebilde durch drei Funktionen beschrieben wird, könnte man ebenfalls Dimension $3$ erwarten
\zusatzklammer {drei algebraische Bedingungen für sechs Variablen} {} {.}
Es liegen aber zwischen den drei definierenden Gleichungen die Beziehungen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Y (XW-ZU)
}
{ =} { Z (XV-YU) + X(YW-ZV)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V (XW-ZU)
}
{ =} { W (XV-YU ) + U(YW-ZV)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
vor, sie sind also nicht \anfuehrung{unabhängig}{.} Als Zwischenschritt betrachten wir das Nullstellengebilde, das von den ersten beiden Gleichungen definiert wird, also
\mathdisp {V(XV-YU, YW-ZV)} { . }
Für einen Punkt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ \in} {V(XV-YU, YW-ZV)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
muss wegen den oben formulierten Beziehungen auch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ \in} { V( Y (XW-ZU) , V (XW-ZU) )
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gelten. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P
}
{ \notin }{ V (XW-ZU)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
muss somit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ \in} { V(Y,V)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gelten. Daher gilt
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ V(XV-YU, YW-ZV)
}
{ =} { V(XV-YU, YW-ZV,XW-ZU) \cap V(Y, V)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Die Jacobi-Matrix zur Abbildung
\maabbeledisp {} {K^6} { K^2
} {(x,y,z,u,v,w)} { (xv-yu, yw-zv)
} {,}
ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} v & -u & 0 & -y & x & 0 \\ 0 & w & -v & 0 & -z & y \end{pmatrix}} { , }
woran man direkt ablesen kann, dass für Punkte außerhalb von
\mathl{V(Y,V)}{} der Rang gleich $2$ ist und damit wieder nach dem Satz über implizite Abbildungen ein glatter Punkt vorliegt und diese Nullstellenmenge vierdimensional ist. Daraus folgt, dass die ursprüngliche Nullstellenmenge eine offene Teilmenge, nämlich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ D(Y,V)
}
{ =} { K^6 \setminus V(Y,V)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
\zusatzklammer {eingeschränkt auf diese Menge} {} {}
enthält, auf der die Menge die Dimension $4$ besitzt. Wegen der Symmetrie der Situation liegt dies in jedem Punkt außer eventuell dem Nullpunkt vor
\zusatzklammer {ein Extremfall könnte sein, dass der Nullpunkt ein isolierter Punkt der Nullstellenmenge ist, der mit dieser gar nichts zu tun hat} {} {.}
Man kann aber zeigen, dass das Ideal
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (XV-YU, YW-ZV,XW-ZU)
}
{ \subseteq} { K[X,Y,Z,U,V,W]
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
ein
\definitionsverweis {Primideal}{}{}
ist, siehe
Aufgabe 5.22.
}
\zwischenueberschrift{Die Monoidstruktur auf binomialen Nullstellengebilden}
Der affine Raum
\mathl{{ {\mathbb A}_{ K }^{ n } }}{} ist ein Vektorraum und insbesondere mit der komponentenweisen Addition eine kommutative Gruppe. Es gibt aber auch die komponentenweise Multiplikation, mit der der affine Raum allerdings nur ein Monoid und keine Gruppe ist. Andererseits ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( K^{\times} \right) }^n
}
{ =} {D(X_1 \cdots X_n)
}
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}
{}{}{}
eine Gruppe.
\inputfaktbeweis
{Binomiale Gleichungen/Nullstellengebilde/Monoidstruktur/Fakt}
{Lemma}
{}
{
\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V
}
{ \subseteq }{ { {\mathbb A}_{ K }^{ n } }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine
\definitionsverweis {affin-algebraische Menge}{}{,}
die durch binomiale Gleichungen gegeben sei.}
\faktfolgerung {Dann ist $V$ ein
\definitionsverweis {Untermonoid}{}{}
des affinen Raumes, versehen mit der komponentenweisen multiplikativen Verknüpfung.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Es sei
\mathl{X^\mu-X^\nu}{} eines der binomialen Polynomen, die $V$ festlegen. Dann ist das neutrale Element
\mathl{(1 , \ldots , 1)}{} eine Nullstelle dieses Polynoms. Für Tupel
\mathkor {} {(x_1 , \ldots , x_n)} {und} {(y_1 , \ldots , y_n)} {,}
die zur Nullstellenmenge gehören, gilt für das komponentenweise Produkt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( xy \right) }^\mu
}
{ =} { x^\mu \cdot y^\mu
}
{ =} { x^\nu \cdot y^\nu
}
{ =} { { \left( xy \right) }^\nu
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
gehört also wieder zur Nullstellenmenge. Diese Eigenschaft überträgt sich auf $V$, das ja der Durchschnitt von binomialen Hyperflächen ist.