Below are 20 journal entries, after skipping by the 20 most recent ones recorded in azrt's LiveJournal:

[ << Previous 20 -- Next 20 >> ]

Wednesday, March 21st, 2018
3:18 am	Пример неэффективного спуска для проективной схемы над DVR. Пример В предыдущем тексте я изложил мотивацию. Теперь я собственно построю явный контрпример, следуя книжке Neron Models. Для этого нам понадобится несколько утверждений про стягивание кривых из этой самой книжки. Определение: Пусть R -- кольцо, и f:X --> Spec R -- относительная собственная нормальная кривая и C \subset X -- замкнутая R-подсхема. Мы говорим, что R-морфизм p:X --> Y в собственную нормальную R-схему Y называется стягиванием С, если p является изоморфизмом вне C и схемно-теоретический образ f(C) есть замкнутая точка. Замечание 1: Практически во всех примерах нас будет интересовать случай кольца дискретного нормирования R и кривой C в замкнутом слое X_s. Замечание 2: Нетрудно показать, что если стягивание существует, то оно единственное. Теорема 1: Пусть f:X --> Spec R есть собственная нормальная кривая над DVR R и пусть C \subset X_s -- неприводимая компонента замкнутого слоя отличная от всего слоя X_s, тогда существование стягивания C эквивалентно наличию относительного дивизора Картье D над S, такого что замкнутый слой D_{s} пересекает все неприводимые компоненты X_s кроме С. Теорема 2: Пусть f:X --> Spec R есть собственная нормальная кривая над гензелевым DVR R и пусть C \subset X_s -- неприводимая компонента замкнутого слоя отличная от всего слоя X_s, тогда всегда существует стягивание С. Для доказательства смотри утверждения 6.7/3 и 6.7/4 в книжке N'eron Models. Мне понадобится ещё одна забавная теорема из той же самой книги, но её я докажу, потому что доказательство крайне смешное. Теорема 3: Пусть p:Spec R' --> Spec R этальный морфизм колец дискретного нормирования, который тривиален на полях вычетов и пусть f:X' --> Spec R' есть произвольная R'-схема с данным спуска на общем слое (X'_{K'}, \phi_{K'}), тогда это данное спуска единственным образом продолжается на X'. Доказательство: Обозначим за K":=K'\otimes_K K' и R":=R'\otimes_R R', аналогично обозначим тройные произведения за K''' и R'''. Заметим, что из-за того что R --> R' тривиально на полях вычетов, то замкнутый слой (Spec R")_s равен замкнутому слою (Spec R')_s и аналогично (Spec R''')_s=(Spec R")_s=(Spec R')_s. Теперь посмотрим на диагональное вложение \delta_{R'/R}:Spec R' --> Spec R", так как морфизм Spec R' --> Spec R -- отделимый, то \delta_{R'/R} -- замкнутое вложение. Но кроме того Spec R' --> Spec R является этальным морфизмом, а значит \delta_{R'/R} ещё и открытое вложение! Значит у нас есть разложение Spec R"=\delta_{R'/R}(Spec R') \cup T', где \delta_{R'/R}(Spec R') открыто и замкнуто, значит это объединение является дизъюнктным. Кроме того, из аргумента выше следует что замкнутый слой (Spec R'')_s совпадает с замкнутым слоем (\delta_{R'/R}(Spec R'))_s, а значит T' сосредоточено над общей точкой. Далее мы будем просто писать, что Spec R"= Spec R' \sqcup T". Аналогичное рассуждение показывает, что Spec R'''=Spec R' \sqcup T''', где T''' сосредоточен над общей точкой. Более того, заметим, что все p_{i,j} и p_i задают тождественные изоморфизмы соответствующих Spec R'. Теперь зададим \phi:p_1^*X --> p_2^*X (обе схемы над Spec R'') как тождественный изоморфизм над Spec R' и как ограничение \phi_K над T'' (мы здесь пользуемся тем, что T'' сосредоточен над общей точкой!). Осталось проверить, что ограничение \phi на общий слой даёт данное спуска \phi_K и что \phi удовлетворяет условию коцикла. Чтобы проверить первое условие достаточно показать, что \phi над диагональю общего слоя \delta_{R'/R}(Spec R')_{K'}=\delta_{K'/K}(Spec K') совпадает с \phi_K над диагональю общего слоя. Первое отображение есть identity по построению, нужно показать что второе отображение всегда есть identity. На самом деле верно, что ограничение любого данного спуска на диагональ есть тождественный морфизм. Давайте это увидим: Рассмотрим диагональные отображения \delta^2: Spec K' --> Spec K" и \delta^3: Spec K' --> Spec K''', тогда мы можем ограничить изоморфизм \phi_K:p_1^*X_{K'} --> p_2^*X_{K'} (обе схемы над Spec K'') на \delta^2, обозначим это ограничение за \phi_{delta}:t_1^*X_{K'} --> t_2^*X_{K'}, где t_1 (соотв. t_2) есть композиция \delta^2\circ p_1 (соотв. \delta^2\circ p_1). Заметим, что t_1=t_2=Id канонически, поэтому мы можем воспринимать \phi_{delta} как изоморфизм X_{K'} --> X_{K'}. Кроме того мы можем ограничить условие коцикла \p_{13}^*(\phi)=p_{23}^*(\phi)\circ p_{12}^*(\phi) на \delta_3, чтобы получить равенство \phi_{delta}\circ \phi_{delta}=\phi_{delta} => \phi_{delta}=Id (так как \phi_{delta} изоморфизм!). Другими словами для любого данного спуска ограничение \phi_K на диагональ есть тождественный морфизм! Таким образом мы действительно проверили, что ограничение построенного выше \phi на общий слой совпадает c \phi_K. Осталось проверить условие коцикла. Но оно тавтологично выполнено над общим слоем, так как ограничение на общий слой равно \phi_K. Кроме того, оно тавтологично выполнено над \delta_{R'/R}, так как там мы определили \phi=Id => оно выполнено везде, так как Spec R"=\delta_{R'/R}(Spec R')\sqcup T", где T" лежит в общем слое. Замечание: Теорема 3 остаётся верной, если мы заменим условие этальности морфизма R--> R' на условие инд-этальности (копредела этальных морфизмов), если при этом требовать конечной представленности морфизма f:X' --> Spec R'. Действительно, пусть R'=colim R_i, где R_i -- этально над R, тогда X' определён над одним из R_i, возьмём продолжение данного спуска над этим R_i и сделаем назад замену базы на R'. Это позволяет нам применять Теорему 3 к отображению гензелизации R --> R^h и конечно-представленных R^h-схем. Окей, на данный момент мы уже знаем достаточно, чтобы построить контрпример к эффективности спуска схем. Идея построения следующая: мы построим относительную собственную нормальную кривую X над негензелевым DVR R и неприводимую компоненту C в замкнутом слое X_s, так что её нельзя стянуть над R. После замены базы на R^h эта кривая станят стягиваемая (Теорема 2), пусть это стягивание есть Y, тогда, используя Теорему 3, мы посмотрим на Y данное спуска, и если бы спуск был эффективен, то это бы дало нам стягивание кривой C над R, что невозможно. Давайте постепенно выполнять данный план. Для начала нужно построить R и Х. В качестве R мы возьмём \C[T]_{T-a} для любого комплексного ненулевого числа а. Обозначим поле вычетов R за k (k изоморфно \C), и поле частных -- за K (K изоморфно \C(T)). Теперь перейдём к построению X: Утверждение: Существует относительная эллиптическая кривая E над R и точка x\in E(k), такая что все кратности [n]x не поднимаются до E(R)-точки. Доказательство: Будем для простоты считать, что a не равно 0, чтобы было удобнее писать формулы. Тогда рассмотрим относительную эллиптическую кривую \E над Spec C[T,T^{-1}] с непостоянным j-инвариантом и возьмём её пулбэк на R, который мы обозначим за Е (такая кривая существует, например, Y^2Z=X^3+TX^2Z работает, это единственное место, где мы используем a\neq 0). Теорема Нерона-Ленга говорит, что группа E(K) -- конечно-порождена (см. Теорему 7.1 и обсуждение под ней для доказательства). Из валюативного критерия собственности мы заключаем, что E(K)=E(R) и эта группа конечно-порождена, в частности, счётная! Рассмотрим группу k-точек E(k), так как k изоморфно \C, то эта группа несчётна. Из этого следует, что если мы возьмём образ редукции E(R) в E(k) и рассмотрим всевозможные \Q-кратности этих точек, то мы всё равно получим счётную группу. А значит существует точка x\in E(k), такая что любая её целочисленная кратности не поднимается до E(R) точки. Замечание: Для гензелевого DVR такой точки никогда не существует, так как для любой гладкой R-схемы X(R) --> X(k) сюрьективно. Теперь мы определяем X как раздутие E в точке x (E и x как в теореме выше). Заметим, что раздутие -- проективный морфизм и раздутие схем над DVR сохраняет плоскость => X -- проективная плоская схема над Spec R. Кроме того, раздутие регулярной схемы в регулярной подсхеме сохраняет регулярность => X -- регулярна (но не гладкая над S!). Более того, мы можем посчитать замкнутый слой X -- это объединение P^1_k и замкнутого слоя E_s относительной R-кривой E, пересекающееся в одной точке (раздутие вклеивает проективизацию нормального конуса, так как точка внутри регулярной схемы -- локально полное пересечение, то эта проективизация ровно P^1_k). Теперь главное утверждение в том, что E_s нельзя стянуть в X. Утверждение:: Пусть R, E, X как раньше, тогда не существует стягивания E_s в X над R. Доказательство: Пусть стягивание существует, тогда Теорема 1 гарантирует нам существование относительного эффективного дивизора Картье D на X, такого что D не пересекается с E_s (напомню, что дивизор Картье D \subset X называется относительным для морфизма f:X --> Y, если D является плоской схемой над Y). Перейдём к приведённой структуре на D, это не испортит его плоскость над DVR R. Теперь рассмотрим общий слой дивизора D_{K} \subset X_K, из R-относительности мы заключаем, что D_K есть дивизор Картье на X_K. Вспомнив, что X_K=Y_K, мы определим D' как схемно-теоретическое замыкание D_K в Y. Схемное замыкание замкнутой подсхемы в общем слое плоской схемы над DVR всегда плоско над этим DVR, следовательно D' -- относительный эффективный дивизор Картье на Y. Более того, из собственности f следует, что f(D) -- замкнутая подсхема, содержащая D'_K=D_K, а значит f(D) содержит D'. То есть замкнутый слой D'_s лежит внутри замкнутого слоя f(D)_s, а следовательно теоретико-множественно совпадает с замкнутой точкой x. Из этого мы можем сделать вывод, что замкнутый слой D'_s равен n[x] как дивизор для некоторого натурального числа n (умножение на n как дивизоров, а не точек на эллиптической кривой). Рассмотрим дивизор Q:=D'-n[0_E], где 0_E -- единичное сечение кривой E/R. Дивизор Q является дивизором степени 0 на замкнутом слое, а значит \O_E(Q) задаёт R-точку схемы Pic^0_{E/R} (строго говоря, тут нужен аргумент. Но он стандартный и изложен, например, в главе 9 книги N'eron Models). Теперь у нас есть коммутативная диаграмма: E(R) ---> Pic^0_{E/R}(R) ↓ ↓ E(k) ---> Pic^0_{E/R}(k)=Pic^0_{E_s/k}(k), где горизонтальные стрелки изоморфизмы групповых схем! (Изоморфизм E_s --> Pic^0_{E_s/k} -- стандартный факт из теории эллиптических кривых, изоморфизм E --> Pic^0_{E/R} можно доказать воспользовавшись гладкостью обоих схем и послойными аргументами) Правая вертикальная стрелка переводит линейное расслоение \O_E(Q) в его ограничение на замкнутый слой, которое равно \O_{E_s}(D'_s-n[0_{E_s}])=\O_{E_s}(n[x]-n[0_{E_s}]) (мы здесь пользуемся плоскость D', чтобы заключить, что \O_E(D)|_{E_s}=\O_{E_s}(D_s)!). Но \O_{E_s}(n[x]-n[0_{E_s}]) есть образ [n]x при нижнем изоморфизме (пользуемся, что E_s --> Pic^0_{E_s/k} изоморфизм групповых схем!), а значит [n]x лежит в образе E(R), так как соответсвующий ему элемент в Pic^0_{E_s/k}(k) находится в образе Pic^0_{E/R}(R) по построению! Но значит [n]x поднимается до R-точки схемы E, но по выбору точки x никакая её кратность не поднимается до R-точки, противоречие! Значит не существует никакого стягивания E_s внутри замкнутого слоя X. Теперь мы уже практически победили. Мы знаем, что мы не можем стянуть E_s в X над R, однако если мы сделаем замену базу на R':=R^h, то замкнутый слой X':=X\times_R R' равен замкнутому слою X в силу того, что расширение R -->R^h тривиально на поле вычетов. Но Теорема 2 гарантирует нам, что мы можем стянуть E_s внутри X' (будем обозначать E_s внутри X' за E_s^')! То есть существует морфизм f':X' --> Y', такой что f' изоморфизм вне E_s^', f'(E_s^') равно замкнутой точке и Y' есть нормальная собственная R'-схема. Заметим, что на X' есть каноническая данное спуска (X', can), так как X' является заменой базы схемы над Spec R. Общие слои Y' и X' совпадают в силу конструкции Y', то есть на общем слое Y'_{K'} мы можем определить данное спуска как (Y'_{K'}, can_{K'}). Воспользуемся Теоремой 3, чтобы продолжить это данное спуска на всю схему Y'! Обозначим его за (Y', \phi), нам осталось показать, что оно неэффективно. Предположим противное, пусть (Y', \phi) -- эффективно. Тогда существует схема Y над R, такая что Y\otimes_R R'=Y'. Так как собственность, нормальность и относительная размерность спускается относительно строго плоских морфизмов, то мы заключаем, что Y -- собственная, нормальная относительная кривая над R. Мы хотим показать, что Y является стягиванием E_s на X. Прежде всего нам необходимо спустить морфизм f':X' --> Y', однако заметим, что из единственности стягивания над произвольной базой, следует, что на f' имеется данное спуска (любая замена базы f":X'\otimes_R' R" --> Y'\otimes_R' R'' канонически(!) совпадает со стягиванием E_s в X'\otimes_R' R''. Отметим, что это имеет смысл, так как замкнутый слой X'\otimes_R' R" cовпадает с замкнутым слоем X'. Если проговорить это аккуратно, то это задаст данное спуска на f, согласованное с (X', can) и (Y', \phi)). Поэтому эффективность спуска на морфизмах схем влечёт, что f' спускается до морфизма f:X --> Y, такого что f\otimes_R R'=f'. Осталось показать, что f есть стягивание E_s. Заметим, что f' есть изоморфизм вне E_s^' => f есть изоморфизм вне E_s, так как свойство быть изоморфизмом спускается относительно произвольного строго плоского морфизма. Но кроме того f' совпадает с f на замкнутом слое, а значит f(E_s)=f'(E_s^')=точка=> f есть стягивание E_s! Но его не существует, противоречие. Значит данное спуска (Y', \phi) не эффективно! Мы уже построили нормальную собственную относительную кривую Y' над гензелевым DVR и данное спуска на ней относительно расширения R --> R', такое что этот спуск неэффективен. Осталось понять почему Y' проективна над R'. Но это общая теорема, что любая нормальная собственная относительная кривая над гензелевым DVR проективна. Доказательство по существу сводится к Утверждению 6.7/4 из N'eron models и послойному критерию обильности EGA III_1 4.7.1 Можно доказать проективность другим способом, сказав, что стягивание кривой на собственной нормальной кривой над DVR всегда проективно по построению (Neron models 6.7/2) (1 Comment |Comment on this)
3:17 am	Пример неэффективного спуска для проективной схемы над DVR. Мотивация Сегодня я хочу привести контрпример к эффективности спуска схем для строго плоских морфизмов. Многие люди почему-то считают, что плоский спуск -- это какая-то смесь эзотерики и тавтологий. На мой взгляд это совершенно не так, большинство теорем об эффективности того или иного спуска довольно нетривиальны, а кроме того очень полезны на практике. Я попробую это объяснить ниже на конкретных примерах, а также объяснить о чём будет контрпример. Идея строго плоского спуска состоит в том, чтобы обобщить понятие "склейки" в топологии и спуска Галуа в арифметике. В любой задаче спуска нам дан строго плоский (плоский, сюрьективный и квази-компактный) морфизм схем p: T-->S и какой-то "объект" F на Х (нас будут прежде всего интересовать 2 случая: F -- квази-когерентный пучок на T и T-схема g:X-->T) и данное спуска или, другими словами, "коцикл". Что это такое? Пусть T^2:=T\times_S T есть расслоеный квадрат T над S, из этого произведения существуют два отображения проекции p_1, p_2:T^2 --> T, мы можем также рассмотреть тройное произведение T^3:=T\times_S T\times_S T, из него есть три проекции p_{12}, p_{23}, p_{13}:T^3 -->T^2 (p_{i,j} -- проекция на произведение слагаемых i и j). В таком случае данное спуска -- это выбор изоморфизма \phi: p_1^*(F) --> p_2^*(F) как объектов над T^2 (в нашей категории пулбэк должен иметь смысл. В двух наших примерах есть естественное определение пулбэка), такое что p_{23}*(\phi) \circ p_{12}*(\phi)=p_{13}^*(\phi). Заметим, что если задан изоморфизм F c p^*G для некоторого G -- объекта на S, то на F есть каноническое данное спуска, где изоморфизм can: p_1^*p^*(G) --> p_2^*p^*(G) приходит из равенства p\circ p_1 = p_2 \circ p. ОК, что это реально значит? Спуск можно понимать по-разному, но давайте просто рассмотрим два конкретных примера. Первый пример -- это T=дизъюнктное (квази-компактное) объединение открытых подсхем U_i в S, таких что {U_i} есть покрытие S в топологии Зарисского, тогда легко видеть (упражнение), что данное спуска в точности совпадает с данным склейки относительного этого покрытия. А именно, \phi задаёт изоморфизмы ограничения F на U_i \cap U_j=U_i\times_S U_j с ограничением F на U_j \cap U_i, которые согласованны на тройных пересечениях. Также можно проверить, что в случае S=Spec K, T=Spec L и L/K -- конечное расширение Галуа абстрактное данное спуска совпадает с данным спуска Галуа (идея: L\otimes_K L = \prod_{i}^{[L:K]} L). Теперь я должен сказать в чём заключается утверждение плоского спуска. Для этого мне нужно определить понятие эффективности спуска. Данное спуска (F,\phi) называется эффективным, если существует объект G на S, что (F, \phi)\cong (p^*G, can) (Я не определил изоморфизм данных спуска, но его несложно восстановить самому). Все основные теоремы про строго плоский спуск заключаются в том, что на какой-то категории любое данное спуска эффективно. Теорема: Пусть p:T --> S строго плоский морфизм схем, тогда любое данное спуска на Qcoh(T) эффективно. Более или менее, эта теорема нам говорит, что мы можем склеивать векторные расслоения (более общо, квази-когерентные пучки) локально в плоской топологии. Отсюда, например, следует крайне важный факт в основаниях этальной топологии, что Pic(X)=H^1_{Zar}(X,\O_X^*)=H^1_{et}(X,G_m)=H^1_{fl}(X,G_m). Но кроме этого у этой теоремы есть другое важное следствие: Теорема: Пусть p:T --> S строго плоский морфизм схем, тогда любое данное спуска на квази-аффинных T-схемах эффективно. Что говорит эта теорема? Она говорит, что мы можем локально в плоской топологии клеить квази-аффинные схемы . То есть если у меня есть квази-аффинная T-схема f:X-->T (квази-аффинность значит, что морфизм f:X-->T является квази-аффинным морфизмом) с данным спуска, тогда эта схема на самом деле приходит как пулбэк схемы на S. Это потрясающе важная теорема, например, из неё следует такой хорошо-знакомый всем факт: Следствие: Пусть G -- аффиная алгебраическая группа над схемой S, тогда множество G-торсоров над S в плоской/этальной/Зариской топологии находится в естественной биекцией с множеством H^1_{fl}(S,G)/H^1_{'et}(S,G)/H^1_{Zar}(S,G). Естественный вопрос заключается в том, что происходит для произвольных T-cхем, эффективен ли спуск для них? Ответ -- нет, в общем случае спуск схем не всегда эффективен, но он эффективен во многих случаях. А именно, главная идея заключается в том, чтобы вместе со схемой спускать обильный пучок. В частности, мы будем всегда вынуждены ограничиваться квази-проективными схемами. Теорема 1: Пусть p:T --> S строго плоский морфизм схем, тогда любое данное спуска на категории T-cхем с выбранным T-обильным пуском является эффективным. Давайте расшифруем эту теорему. Она говорит, что если есть T-cхема f:X -->T и T-обильный пучок \L на X (в частности, X обязана быть квази-проективной схемой над T), тогда выбор T^2-изоморфизма схем \phi:p_1^*X --> p_2^*X и изоморфизма пучков \psi:q_1^*\L --> \phi^*q_2^* \L (где q_i:p_i^*X --> X -- естественная проекция) с естественным условием коцикла на \phi и "\phi-линейным" условием коцикла на \psi (детали опущены, но условно нам нужно обычное условие коцикла на \phi после отождествления всех расслоенных произведение X\times_T T^3 при помощи \phi) задаёт нам единственным образом S-cхему g:Y --> S и обильный S-пучок \N на Y, так что p^*(Y,N)\cong (X,L). Эта теорема является главной теоремой про спуск схем, и все остальные (известные мне), так или иначе, сводятся к данной. Давайте сформулируем несколько "следcтвий": Следствие 1: Пусть p: Spec L --> Spec K морфизм спектров полей, тогда данное спуска на категории квази-проективных схем всегда эффективно. Идея доказательства: свести с помощью spreading-out техник к случаю конечного расширения L/K. Далее, в случае чисто несепарабельного расширения можно показать руками, что спуск всегда эффективен. Таким образом вопрос сводится к случаю сепарабельного расширения, увеличив поле, можно считать, что это расширение Галуа. В этом случае Следствие 1 действительно является следствием Теоремы, мы выберем любой обильный пучок L' и "усредним" его относительно действия группы Галуа, получив пучок L. Данное спуска на X продолжится на пару (X, L), и по теореме 1 этот спуск уже будет эффективен. Куда более нетривиально следующее следствие: Cледствие 2 Пусть p: Spec R' --> Spec R есть строго плоский морфизм двух колец дискретного нормирования, и пусть G -- гладкая отделимая групповая схема конечного типа на R', тогда любое данное спуска на G эффективно. Доказательство этой теоремы изложено в книжке Neron Models, глава 6. Оно состоит из двух принципиально разных шагов: первый -- это доказать квази-проективность любой гладкой отделимой групповой схемы конечного типа над DVR, а именно, нужно доказать, что дополнение до любой R'-плотной S-аффиной подсхемы в G задаёт S-обильный дивизор на G и научиться строить такие подсхемы. Второй шаг заключается в том, чтобы имея такое описание обильных дивизоров, суметь вывести из эффективности спуска на общем слое эффективность над R'. Обозначим K':=Frac(R'), K:=Frac(R), тогда, грубо говоря, эффективность на общем слое позволяет нам найти там открытую аффиную плотную подсхему U_{K'}, такую что данное спуска на G_{K'} ограничивается на данное спуска на U_{K'}, а потом взять схемное замыкание G_{K'}-U_{K'} в G, которое задаст нам обильный дивизор с данным спуска, что позволит воспользоваться Теоремой 1, чтобы завершить доказательство. Проблема в том, что непонятно как контролировать замкнутый слой этого замыкания, поэтому действовать нужно немного иначе. Отмечу, что в случае, когда K'/K не является алгебраическим расширением, доказательство становится чрезвычайно техническим. Посмотрев на Следствия 1 и 2, возникает естественный вопрос: Насколько важно иметь данное спуска для пары (X,\L) в Теореме 1? Можно ли заключить, что спуск всегда эффективен на категории квази-проективных схем? Ещё более оптимистический вопрос звучит следующим образом: А существует ли вообще пример схемы и данного спуска на ней, что этот спуск неэффективен? Оказывается, что с первого взгляда дела обстоят настолько плохо, насколько это возможно. А именно, в следующем посту я приведу пример относительной нормальной проективной кривой над DVR и данного спуска на ней, такой что этот спуск неэффективен. Это даст пример схемы на которой спуск неэффективен, более того, в этом примере T-схема f:X -->T будет T-проективной. Это значит, что Теорема 1 -- это максимум из того, что мы можем доказать в общем случае. Однако перед тем как закончить мне нужно сказать про улучшение Теоремы 1 Артиным, которое условно говорит, что если немного увеличить категорию схем, то спуск всегда будет эффективным (по крайней мере если ограничиться конечно-представленными строго плоскими морфизмами), а значит всё не так уж плохо, как могло показаться на первый взгляд. Теорема: Пусть f:T --> S есть строго-плоский конечно-представленный морфизм схем, тогда любое данное спуска на категории алгебраических пространств эффективно. (Comment on this)
Sunday, February 11th, 2018
2:37 am	Пример схемы с гомотопически неинвариантной группой Пикара Для начала я напомню один хорошо известный факт. Теорема: Пусть X есть регулярная схема, тогда Pic(X)=Pic(X\times A^1). Стандартное доказательство критическим образом опирается на изоморфизм группы Пикара регулярной схемы с группой классов дивизоров Вейля, см. гл II книжки Хартсхорна. Естественный вопрос звучит следующим образом:"Верно ли это для произвольной (нётеровой) схемы X? Если нет, то какие условия нужно наложить на схему". Естественная догадка заключается в том, что это неверно. Например, из этого результата бы следовало, что Pic(Spec A[X])=0 для любого локального кольца А (так как Pic(A)=0 для любого локального кольца), а такой результат бы точно был написан во всех книжках по алгебраической геометрии. И, действительно, с некоторым трудом можно построить пример локального кольца А с Pic(A[X])\neq 0 (вероятно, есть и простой пример такого кольца А, но тот, который я знаю, не вполне очевидный). Однако в данном посте я расскажу другой контпример, который намного более естественный. Более того, для собственных многообразий над полем, которые имеют рациональную k-точку, можно дать критерий, при котором выполняется равенство Pic(X)=Pic(X\times A^1). Давайте теперь переформулируем задачу в форме, в которой на неё будет легче ответить. Пусть X -- любое собственное многообразие над полем k со структурным морфизмом p:X --> Spec k, тогда определим функтор Пикара как Pic_{X/k}:=R^1p_*\O_X^*, где под f_* мы понимаем прямой образ в большом этальной сайте. Совершенно нетривиальный факт гласит, что функтор Пикара Pic_{X/k} представим коммутативной групповой схемой. Хочу заметить, что это намного сложнее, чем доказательство Гротендика представимости функтора Пикара для геометрически целого проективного многообразия (см. FGA Explained), и было доказано Артином в его статье "Algebraization of Versal Deformations, I". Если же X имеет точку, то мы, кроме всего прочего, можем доказать, что Pic_{X/k}(S)=Pic(X\times S)/Pic(S) для любой k-схемы S (см. FGA Explained). В частности, так как Pic(A^1)=0, то мы заключаем, что при условии X(k)\neq 0, мы имеем Pic_{X/k}(A^1)=Pic(X\times A^1). В соответсвии с этим, мы можем переформулировать наш вопрос: Вопрос Пусть X--собственная схема над полем k, такая что X(k) непусто. Верно ли, что Pic_{X/k}(k)=Pic_{X/k}(A^1)? Другими словами, существует ли непостоянное отображение f:A^1 --> Pic_{X/k}? Теперь я хочу построить многообразие, в которое существует непостоянное отображение из G_a. Ответ достаточно простой, подходит любая каспидальная кривая. А именно, рассмотрим С:=V(Y^2Z-X^3) \subset P^3_k, и обозначим за p:C --> Spec k структурный морфизм. Рассмотрим нормализацию f:P^1 --> C (нормализация C равна P^1 есть стандартное упражнение), обозначим за p':P^1 --> Spec k структурный морфизм. Тогда у нас есть точная последовательность пучков в (малом) этальном сайте 0 --> \O_C^* --> f_* \O_{P^1}^* --> i_* \O_{Spec k} --> 0, где i:Spec k --> C замкнутое вложение единственной особой точки в C. [Строго говоря, мы знаем, что такая последовательность пучков точна в категории пучков в топологии Зарисского. В случае этальной топологии мы всё ещё имеем данную последовательность пучков, и чтобы проверить точность достаточно проверять это послойно, что сводит вопрос к проверке точности на строгой гензелизации локального кольца в особенности C (нормализация коммутирует с строгой гензелизацией). На уровне строгой гензелизации уже можно доказывать точность на глобальных сечений, поэтому это довольно легко (можно свести к точности 0 --> \O_C --> f_* \O_{P^1} --> i_* \O_{Spec k} --> 0, а это можно проверять на пополнении (все пучки когерентные), где это сводится к прямым вычислениям). Доказывать точность этой последовательности в плоской топологии было бы куда сложнее!] Теперь применим к данной короткой точной последовательности p_* и напишем соответствующую длинную точную последовательность высших прямых образов (и вспомним, что пучок \O_{Spec k} в этальной топологии по определению равен пучку G_{a,k}). 0 --> p_*\O_C^* --> p'_* \O_{P^1}^* --> (p\circ i)_*G_{a,k} --> R^1p_*\O_C^* --> R^1p'_*\O_{P^1}^*--> R^1p_*\circ i_*G_{a,k} (*) Заметим, что p\circ i=Id_{Spec k}, кроме того Supp(i_*G_{a,k})=Spec k, а значит все высшие прямые образы этого пучка зануляются. Из этого следует, что точная последовательность (*) может быть записана следующим образом: 0 --> p_*\O_C^* --> p'_* \O_{P^1}^* --> G_{a,k} --> R^1p_*\O_C^* --> R^1p'_*\O_{P^1}^*--> 0 (**) Так как для любой R-алгебры k, p'_*\O_{P^1}^*(Spec R)=Г(P^1_R, \O_{P^1_R}^*)=R^*, а также p_*\O_{C}^*(Spec R)=Г(C_R, \O_{C_R}^*)=R^*. Таким образом первое отображение в точной последовательности (**) изоморфизм! Теперь, вспомнив определение функтора Пикара, заключаем, что имеет место следующая короткая точная последовательность: 0 --> G_{a,k} --> Pic_{C/k} --> Pic_{P^1/k}-->0. Более того, Pic_{P^1/k}=\Z (равенство пучков! Более или менее, это эквивалентно равенству Pic(P^1_A)=\Z для любого локального кольца А. Это не очень сложно доказать при владении некоторой когомологической техникой, но это совершенно не очевидно. К сожалению, я не знаю никакой ссылки на этот факт), так что мы можем наконец заключить, что Pic_{C/k} есть расширение \Z при помощи G_a. В частности, существует нетривиальное отображение из A^1 в Pic_{C/k}, так как G_a=A^1 на уровне схем. То есть Pic(C)\neq Pic(C\times A^1) для нодальной кубики! Заметим, что в этом случае мы доказали нечто большее, а именно, существует не только непостоянное отображение A^1 --> Pic_{C/k}, а существует даже подгруппа G_a \subset Pic_{C/k}. И оказывается, что на самом деле существование непостоянного отображения A^1 --> Pic_{C/k} равносильно существованию подгруппы изоморфной G_a. Теорема: Пусть X -- cобственная схема над полем k, такая что X(k) непусто, тогда следующие условия эквивалентны: 1) Pic(X)\neq Pic(X\times A^1) 2) Существует непостоянное отображение f:A^1--> Pic_{X/k} 3) Pic_{X/k} содержит подгруппу изоморфную G_a. Доказательство: Мы уже обсудили эквивалентность 1) и 2). Условие 3) очевидно влечёт условие 2). Осталось доказать 2)=>3). Докажем более общее утверждение: Пусть G--коммутативная групповая схема локально конечного типа над полем k, предположим, что существует непостоянное отображение A^1 --> G, тогда G содержит подгруппу изоморфную G_a. Выберем точку 0\in A^1(k), образ f(0) есть k-точка схемы G. Обозначим эту точку за x\in G(k) и прокомпонируем f со сдвигом на -x, чтобы свести к случае f(0)=0. Так как A^1 есть связная схема, то f пропускается через связную компоненту G^0. Поэтому можно считать, что G -- связная групповая схема локально-конечного типа над k. Так как любая связная групповая схема локально-конечного типа над полем квази-компактна, то мы также можем считать, что G конечного типа. Теперь мы хотим свести к случаю гладкой групповой схемы. Рассмотрим схемное замыкание точек G(k_{sep}) внутри G\otimes k_{sep} -- замены базы G на сепарабельное замыкание поля k. Это геометрически приведённая схема групповая схема над k_{sep} (Теорема 3.2.1). Кроме того, это подсхема замкнута относительно действия группы Галуа Gal(k_{sep}/k) => cпуск Галуа гарантирует, что эта замкнутая групповая подсхема спускается до замкнутой групповой подсхемы G'\subset G. Из построения G' -- геометрически приведённая подсхема. Так как k_{sep}-точки A^1(k_{sep}) плотны по Зарисскому в A^1, то мы заключаем, что любой морфизм f:A^1--> G пропускается через G'(для строгого доказательства сначала нужно сделать замену базы на k_{sep} доказать там, а потом воспользоваться cпуском). Следовательно мы можем считать, что G--геометрически приведённая групповая схема конечного типа. Отметим, что любая геометрически приведённая групповая схема является гладкой, поэтому мы свели к случаю G -- гладкая групповая схема конечного типа. Воспользовавшись, если нужно, опять аргументом из предыдущего абзаца, мы можем считать, что G кроме того связная. В итоге, у нас есть отображение f:A^1 --> G c условием f(0)=0 и G -- гладкая связная коммутативная групповая схема конечного типа над k. Рассмотрим теперь замкнутую подгруппу H, порождённую f(A^1) (Утверждение 16.2.1). Тогда существует число n и набор e_{i}\in {+1/-1}, такой что F:A^n=A^1x...xA^1 --> G, определённое по правилу F(x_1,...,x_n)=f(x_1)^{e_1}f(x_2)^{e_2}...f(x_n)^{e_n}, сюрьективно отображается на H. Я утверждаю, что H -- гладкая связная унипотентная подгруппа. Это условие можно проверять над алгебраическим замыканием, поэтому, сделав замену базы, можно считать, что k=\bar k. H -- гладкая связная группа по утверждению 16.2.1, осталось показать, что она унипотентная группа. Так как алгебраически замкнутые поля совершенны и H--гладкая и связная, то к H применимо разложение Шевалле (которое неверно без предположения совершенности базового поля!), а именно, существует гладкая связная нормальная линейная алгебраическая подгруппа H^{aff}, такая что X:=H/H^{aff} является абелевым многообразием. То есть существует точная последовательность 0 --> H^{aff} --> H -p-> X-->0. По построению F:A^n -->H есть сюрьективное отображение, но p\circ F:A^n-->X есть нулевое отображение, так как из A^n нет непостоянных отображений в абелевы многообразия (все такие отображения продолжаются до отображений (P^1)^n-->X, но из P^1 нет отображений в X, так как P^1 имеет тривиальное альбанезе). С другой стороны p\circ F есть композиция двух сюрьективных отображений, а значит сюрьективное. То есть p\circ F одновременно сюрьективное и нулевое => X=0. Другими словами, H=H^{aff} есть линейная группа. Любая линейная группа над алгебраически замкнутым полем есть произведение G_m^d\times U, где U -- унипотентная группа. Опять же заметим, что F:A^n-->H --> G_m^d должно быть сюрьективным морфизмом, как композиция сюрьективных морфизмов. С другой стороны, Hom_{Sch}(A^n,G_m^d)=Hom_{Sch}(A^n, G_m)^d=Г(k[x_1,...,x_n]^*)^d=(k^*)^d, то есть все отображения постоянные. Значит из сюрьективности F заключаем, что d=0, то есть H=U -- унипотентная группа. Теперь возвращаемся к нашему оригинальному вопросу, где H -- подгруппа в G и поле k -- любое. Мы показали, что H -- связная гладкая унипотентная группа. Однако унипотентная группа не обязана иметь подгрупп изоморфных G_a, если она не является расщепимой (пример существует над любым несовершенным полем). Однако оказывается, что наличие сюрьективного отображения из A^n в H автоматически влечёт расщепимость этой группы! Это является одним из утверждений из теории Титса о строении унипотентных групп, например, это утверждение доказано здесь Следствие 3.9. (108 Comments |Comment on this)
Saturday, February 10th, 2018
11:59 pm	Пример абелева многообразия без сепарабельных поляризаций При изучении абелевых многообразия часто бывает удобным переходить к двойственному абелеву многообразию. Кроме этого нужно уметь связывать абелево многообразие с двойственным, это делается при помощи поляризаций. Определение: 1) Морфизм f:A --> A^ называется поляризацией, если после замены базы на алгебраическое замыкание этот морфизм может быть представлен в виде \phi_{L} для некоторого обильного пучка L\in Pic(A\otimes \bar k), где \phi_{L}(a)=t_a^*L\otimes L^{-1} (под t_a я имею сдвиг на а абелевом многообразии А). 2) Поляризация называется главной, если f:A --> A^ есть изоморфизм. Несколько фактов про поляризации абелевых многообразий (все эти факты не вполне тривиальны, если базовое поле не равно \C): * Любая эллиптическая кривая имеет каноническую поляризацию, которая задана пучком \O(e), где e\in E(k)--нулевое сечение. * Любое абелево многообразие допускает неканоническую поляризацию. * Любое абелево многообразие накрывается главно-поляризованным многообразием * Степень любой поляризации есть квадрат натурального числа. * Пучок L из определения поляризации всегда определён над сепарабельным замыканием k, но не всегда определён над самим полем k! * Изогения f:A --> A^ является поляризацией, если и только если этот морфизм симметричен, то есть каноническая композиция A --> A^^ -f^->A^ совпадает с f (первая стрелка -- канонический изоморфизм абелева многообразия с дважды двойственным). Это всё очень удобные и важные свойства, но давайте я теперь скажу что всё-таки неверно про поляризации. Зафиксируем простое число p и алгебраически замкнутое поле k, тогда неверно что для любого абелева многообразия А над полем k существует поляризация, степень которой взаимно-проста с p. В частности, неверно что любое абелево многообразие главно-поляризованное. Куда более интересный пример получается, если положить поле k характеристики p, тогда пример выше будет давать нам пример абелева многообразия над k, у которого нет ни одной сепарабельной поляризации! Чтобы построить пример зафиксируем две (ординарные, если char k = p) неизогенные эллиптические кривые E и E' (то есть между ними нет нетривиальных отображений). Тогда из алгебраической замкнутости (и ординарности) следует, что Z/pZ подгруппа E[p] и E'[p]. Положим A:=ExE'/(Z/pZ), где Z/pZ вложено диагонально в E\times E'. Фактор является абелевым многообразием размерности 2. Я утверждаю, что степень любой поляризации на A делит p. Зафиксируем два канонических вложения j:E --> A и j':E' --> A и предположим, что f:A--> A^ есть поляризация, степень которой взаимно-проста с p. Рассмотрим композицию g:E-j-->A -f-->A^-j^-->E^ и g':E'-j'-->A-f-->A^-j'^-->E'^. Легко видеть, что обе эти композиции (g и g') являются симметрическими морфизмами (условно f симметрический, так как поляризация, а при переходе к двойственному j и j^ меняются местами). Я утверждаю, что они являются поляризациями, действительно, чтобы проверить, что они являются поляризациями достаточно проверить, что они являются изогениями (по последнему факту о поляризациях в начале поста). Рассмотрим теперь следующую композицию: h:ExE'-jxj'--> A-f-->A^-(jxj')^-->E^xE'^. Любое отображение из произведения полных многообразий в групповую схему есть произведение ограничений на обе координаты. То есть, h(x,y)=h|_{E}(x)*h|_{E'}(y). Но заметим, что h|_E=g, так как E'^ изоморфно E' (факт 1 о поляризациях), а по предположению между ними нет морфизмов. Значит h|_{E}:E --> Ex{e'}, легко видеть из определений, что этот морфизм по определению совпадает с g. Аналогично h|_{E'}=g', таким образом, мы видим, что h=g\times g'. В свою очередь h есть изогения как композиция изогений. В частности, каждый морфизм из g и g' является изогенией. Заметим теперь, что jxj':ExE'--> A является каноническим отображением факторизации ExE'-->A, а значит имеет степень p (это факторизация по действию Z/pZ). Степень двойственного морфизма всегда равна степени самого морфизма, а значит deg(jxj')=p. Так как по предположению степень f не делится на p, то мы заключаем, что deg(h) делится на p^2, но не делится на p^3. Теперь по факту 4 об изогениях и равенству h=gxg' заключаем, что степень одной из этих изогений делится на p^2, а степень другой взаимно-проста с p. Не нарушая общности, можно считать, что deg(g) делится на p^2. Но для любого числа m^2 существует ровно одна изогения E степени m^2, а именно, после канонического отождествления E с E^ это отображение переходим в умножение на m. Из этого следует, что ker g содержит полность E[p], а ker g' не пересекается с E'[p]. Заметим, что из того, что deg f взаимно-просто с p, мы можем вывести, что f является изоморфизмом на p кручении. А значит p-кручение ядра g (соотв. g') равно схемно-теоретическому пересечению p-кручения ядра (jxj')^ и образа j(E) (соотв. j'(E')). Так как ker g содержит E[p] (которое содержит нашу копию Z/pZ), то получаем что j(Z/pZ) содержится в ker (jxj')^. Но j(Z/pZ)=j'(Z/pZ) => j'(Z/pZ) лежит внутри ker(jxj')^ => ker(g') содержит копию Z/pZ внутри E'! То есть имеет p-кручение, противоречие => deg(f) обязана делиться на p. (1 Comment |Comment on this)
Friday, January 26th, 2018
3:50 pm	Пример схемы с гомотопически неинвариантной группой Пикара Для начала я напомню один хорошо известный факт. Теорема: Пусть X есть регулярная схема, тогда Pic(X)=Pic(X\times A^1). Стандартное доказательство критическим образом опирается на изоморфизм группы Пикара регулярной схемы с группой классов дивизоров Вейля, см. гл II книжки Хартсхорна. Естественный вопрос звучит следующим образом:"Верно ли это для произвольной (нётеровой) схемы X? Если нет, то какие условия нужно наложить на схему". Естественная догадка заключается в том, что это неверно. Например, из этого результата бы следовало, что Pic(Spec A[X])=0 для любого локального кольца А (так как Pic(A)=0 для любого локального кольца), а такой результат бы точно был написан во всех книжках по алгебраической геометрии. И, действительно, с некоторым трудом можно построить пример локального кольца А с Pic(A[X])\neq 0 (вероятно, есть и простой пример такого кольца А, но тот, который я знаю, не вполне очевидный). Однако в данном посте я расскажу другой контпример, который намного более естественный. Более того, для собственных многообразий над полем, которые имеют рациональную k-точку, можно дать критерий, при котором выполняется равенство Pic(X)=Pic(X\times A^1). Давайте теперь переформулируем задачу в форме, в которой на неё будет легче ответить. Пусть X -- любое собственное многообразие над полем k со структурным морфизмом p:X --> Spec k, тогда определим функтор Пикара как Pic_{X/k}:=R^1p_*\O_X^*, где под f_* мы понимаем прямой образ в большом этальной сайте. Совершенно нетривиальный факт гласит, что функтор Пикара Pic_{X/k} представим коммутативной групповой схемой. Хочу заметить, что это намного сложнее, чем доказательство Гротендика представимости функтора Пикара для геометрически целого проективного многообразия (см. FGA Explained), и было доказано Артином в его статье "Algebraization of Versal Deformations, I". Если же X имеет точку, то мы, кроме всего прочего, можем доказать, что Pic_{X/k}(S)=Pic(X\times S)/Pic(S) для любой k-схемы S (см. FGA Explained). В частности, так как Pic(A^1)=0, то мы заключаем, что при условии X(k)\neq 0, мы имеем Pic_{X/k}(A^1)=Pic(X\times A^1). В соответсвии с этим, мы можем переформулировать наш вопрос: Вопрос Пусть X--собственная схема над полем k, такая что X(k) непусто. Верно ли, что Pic_{X/k}(k)=Pic_{X/k}(A^1)? Другими словами, существует ли непостоянное отображение f:A^1 --> Pic_{X/k}? Теперь я хочу построить многообразие, в которое существует непостоянное отображение из G_a. Ответ достаточно простой, подходит любая каспидальная кривая. А именно, рассмотрим С:=V(Y^2Z-X^3) \subset P^3_k, и обозначим за p:C --> Spec k структурный морфизм. Рассмотрим нормализацию f:P^1 --> C (нормализация C равна P^1 есть стандартное упражнение), обозначим за p':P^1 --> Spec k структурный морфизм. Тогда у нас есть точная последовательность пучков в (малом) этальном сайте 0 --> \O_C^* --> f_* \O_{P^1}^* --> i_* \O_{Spec k} --> 0, где i:Spec k --> C замкнутое вложение единственной особой точки в C. [Строго говоря, мы знаем, что такая последовательность пучков точна в категории пучков в топологии Зарисского. В случае этальной топологии мы всё ещё имеем данную последовательность пучков, и чтобы проверить точность достаточно проверять это послойно, что сводит вопрос к проверке точности на строгой гензелизации локального кольца в особенности C (нормализация коммутирует с строгой гензелизацией). На уровне строгой гензелизации уже можно доказывать точность на уровне глобальных сечений, поэтому это довольно легко (можно свести к равенству к точности 0 --> \O_C --> f_* \O_{P^1} --> i_* \O_{Spec k} --> 0, а это можно проверять на пополнении, где это сводится к прямым вычислениям). Доказывать точность этой последовательности в плоской топологии было бы куда сложнее!] Теперь применим к данной короткой точной последовательности p_* и напишем соответствующую длинную точную последовательность высших прямых образов (и вспомним, что пучок \O_{Spec k} в этальной топологии по определению равен пучку G_{a,k}). 0 --> p_*\O_C^* --> p'_* \O_{P^1}^* --> (p\circ i)_*G_{a,k} --> R^1p_*\O_C^* --> R^1p'_*\O_{P^1}^*--> R^1p_*\circ i_*G_{a,k} (*) Заметим, что p\circ i=Id_{Spec k}, кроме того Supp(i_*G_{a,k})=Spec k, а значит все высшие прямые образы этого пучка зануляются. Из этого следует, что точная последовательность (*) может быть записана следующим образом: 0 --> p_*\O_C^* --> p'_* \O_{P^1}^* --> G_{a,k} --> R^1p_*\O_C^* --> R^1p'_*\O_{P^1}^*--> 0 (**) Так как для любой R-алгебры k, p'_*\O_{P^1}^*(Spec R)=Г(P^1_R, \O_{P^1_R}^*)=R^*, а также p_*\O_{C}^*(Spec R)=Г(C_R, \O_{C_R}^*)=R^*. Таким образом первое отображение в точной последовательности (**) изоморфизм! Теперь, вспомнив определение функтора Пикара, заключаем, что имеет место следующая короткая точная последовательность: 0 --> G_{a,k} --> Pic_{C/k} --> Pic_{P^1/k}-->0. Более того, Pic_{P^1/k}=\Z (равенство пучков! Более или менее, это эквивалентно равенству Pic(P^1_A)=\Z для любого локального кольца А. Это не очень сложно доказать при владении некоторой когомологической техникой, но это совершенно не очевидно. К сожалению, я не знаю никакой ссылки на этот факт), так что мы можем наконец заключить, что Pic_{C/k} есть расширение \Z при помощи G_a. В частности, существует нетривиальное отображение из A^1 в Pic_{C/k}, так как G_a=A^1 на уровне схем. То есть Pic(C)\neq Pic(C\times A^1) для нодальной кубики! Заметим, что в этом случае мы доказали нечто большее, а именно, существует не только непостоянное отображение A^1 --> Pic_{C/k}, а существует даже подгруппа G_a \subset Pic_{C/k}. И оказывается, что на самом деле существование непостоянного отображения A^1 --> Pic_{C/k} равносильно существованию подгруппы изоморфной G_a. Теорема: Пусть X -- cобственная схема над полем k, такая что X(k) непусто, тогда следующие условия эквивалентны: 1) Pic(X)\neq Pic(X\times A^1) 2) Существует непостоянное отображение f:A^1--> Pic_{X/k} 3) Pic_{X/k} содержит подгруппу изоморфную G_a. Доказательство: Мы уже обсудили эквивалентность 1) и 2). Условие 3) очевидно влечёт условие 2). Осталось доказать 2)=>3). Докажем более общее утверждение: Пусть G--коммутативная групповая схема локально конечного типа над полем k, предположим, что существует непостоянное отображение A^1 --> G, тогда G содержит подгруппу изоморфную G_a. Выберем точку 0\in A^1(k), образ f(0) есть k-точка схемы G. Обозначим эту точку за x\in G(k) и прокомпонируем f со сдвигом на -x, чтобы свести к случае f(0)=0. Так как A^1 есть связная схема, то f пропускается через связную компоненту G^0. Поэтому можно считать, что G -- связная групповая схема локально-конечного типа над k. Так как любая связная групповая схема локально-конечного типа над полем квази-компактна, то мы также можем считать, что G конечного типа. Теперь мы хотим свести к случаю гладкой групповой схемы. Рассмотрим схемное замыкание точек G(k_{sep}) внутри G\otimes k_{sep} -- замены базы G на сепарабельное замыкание поля k. Это геометрически приведённая схема групповая схема над k_{sep} (Теорема 3.2.1 http://math.stanford.edu/~conrad/252Page/handouts/alggroups.pdf). Кроме того, это подсхема замкнута относительно действия группы Галуа Gal(k_{sep}/k) => cпуск Галуа гарантирует, что эта замкнутая групповая подсхема спускается до замкнутой групповой подсхемы G'\subset G. Из построения G' -- геометрически приведённая подсхема. Так как k_{sep}-точки A^1(k_{sep}) плотны по Зарисскому в A^1, то мы заключаем, что любой морфизм f:A^1--> G пропускается через G'(для строгого доказательства сначала нужно сделать замену базы на k_{sep} доказать там, а потом воспользоваться cпуском). Следовательно (Comment on this)
Saturday, January 13th, 2018
9:29 pm	Группа Брауэра и расширения полей III. Вопрос 2. В данном посте я хочу ответить на второй вопрос из моего предыдущего текста. А именно, показать, что над несовершенным полями Br(A^1_k) не равно Br(k). Для этого мне сначала необходимо напомнить несколько фактов про кэлеровы дифференциалы и оператор Картье. Пусть X -- произвольная регулярная схема над полем k характеристики p. Тогда мы можем определить абсолютные кэлеровы дифференциалы \Omega^1_{X/F_p}, или просто \Omega^1_{X}. Отметим, что X не является, в общем случае, схемой конечного типа над F_p (потому что уже Spec k не является конечного типа над F_p, кроме случая конечного поля k), поэтому \Omega^1_X не является когерентным пучков. Тем не менее, \Omega^1_X является квази-когерентным пучков, так как конструкция кэлеровых дифференциалов коммутирует с локализациями. Пучок \Omega^1_X приходит с естественным отображением дифференциала d:\O_X --> \Omega^1_X. Обозначим за B_X пучок кограниц, то есть im(d:\O_X --> \Omega^1_X). Определим теперь оператор Картье C:\Omega^1_X --> \Omega^1_X/B_X (строго говоря, его обычно обозначают за C^{-1}, но в нашем случае в этом нет никакого смысла) по формуле C(fdg)=f^pg^{p-1}dg. Для начала давайте проверим корректность этого определения, а именно, что С(d(f+g))=C(df+dg). C(d(f+g))=(f+g)^{p-1}d(f+g)=f^{p-1}df+g^{p-1}dg + (f+g)^{p-1}d(f+g)-f^{p-1}df-g^{p-1}dg=C(df+dg)+(f+g)^{p-1}d(f+g)-f^{p-1}df-g^{p-1}dg. Заметим, что из этого вычисления видно, что C не определён как морфизм \Omega^1_X --> \Omega^1_X, и нужно действительно брать фактор по B_X. Другими словам, наша задача сводится к доказательству того, что (f+g)^{p-1}d(f+g)-f^{p-1}df-g^{p-1}dg является кограницей. Но это действительно так в силу формулы (f+g)^{p-1}d(f+g)-f^{p-1}df-g^{p-1}dg=d(((f+g)^{p}-f^{p}-g^{p})/p). Таким образом, оператор Картье корректно-определённый Фробениус-линейный морфизм C:\Omega^1_X --> \Omega^1_X/B_X. Нам будет важен ровно один нетривиальный факт про оператор Картье: Теорема Пусть X -- регулярная схема над F_p (не обязательно конечного типа!), тогда следующая последовательность этальных пучков точная: 0 --> G_m/G_m^p -dlog-> \Omega^1_X -(C-Id)-> \Omega^1_X/B_X --> 0. (*) Давайте я объясню откуда берутся отображения в этой последовательности. Первая стрелка dlog:G_m/G_m^p --> \Omega^1_X есть морфизм, заданный по правилу dlog(x)=(dx)/x. Это выражение имеет смысл, так как элементы x обратимы, и dx^p=px^{p-1}dx=0. Вторая стрелка C-Id:\Omega^1_X --> \Omega^1_X/B_X есть разница оператора Картье и проекции. Легко видеть, что (*) является комплексом. Не очень сложно доказать, что (*) точна в первом и третьем члене, основная сложность в доказательстве точности в среднем члене. Последнее, что необходимо сказать перед доказательством -- это тривиальность пучка \mu_p на любой приведённой схеме X над полем k характеристики p. Действительно, любая схема U, которая этальна над X, является приведённой, так как этальные морфизмы сохраняют свойство приведённости. Тогда сечение \mu_p на U есть корни p-ой степени из 1 в Г(U,\O_U^*). Но так как U есть приведённая схема над полем характеристики p, то единственный такой корень -- это единица. То есть пучок \mu_p тривиален на (малом) этальном сайте любой приведённой схемы. Из этого следует инъективность отображения [p]:G_m --> G_m в этальном сайте Х. В частности, мы имеем точную последовательность этальных пучков 0 --> G_m --> G_m --> G_m/G_m^p -->0 . (**) Давайте теперь доказывать нетривиальность Br(A^1_k) для несовершенного сепарабельно-замкнутого поля k. Теорема: Для любого поля характеристики p верно следующее равенство Br(A^1_k)[p]=\Omega^1/(B+(C-id)(\Omega^1)), где Br(A^1_k)[p] обозначает p-кручение в группе Брауэра, а \Omega^1 (соотв. B) обозначает \Omega^1_{A^1_k} (соотв. B_{A^1_k}). Доказательство: Напишем точную последовательность этальных когомологий, ассоциированную с (**), H^1_{et}(A^1_k,G_m) -[p]-> H^1_{et}(A^1_k,G_m) --> H^1_{et}(A^1_k, G_m/G_m^p) --> H^2(A^1_k,G_m) -[p]-> H^2(A^1_k, G_m). Теперь вспомним, что H^1_{et}(A^1_k,G_m)=Pic(A^1_k)=0, а H^2_{et}(A^1_k,G_m)=Br(A^1_k). Откуда получаем получаем изоморфизм Br(A^1_k)[p]=H^1_{et}(G_m/G_m^p). Но эти когомологии мы можем считать с помощью точной последовательности (*): 0 --> G_m/G_m^p -dlog-> \Omega^1 -(C-Id)-> \Omega^1/B --> 0 Взяв соответствующую длинную точную последовательность когомологий имеем H^0_{et}(A^1_k, \Omega^1) -(C-Id)->H^0_{et}(A^1_k, \Omega^1/B) --> H^1_{et}(A^1, G_m/G_m^p) --> H^1_{et}(A^1, \Omega^1). Общая теория этальных когомологий говорит, что этальные когомологии квазикогерентного пучка равны когомологиям этого квазикогерентного пучка в топологии Зарисского. Вспомнив также, что высшие зарисские когомологии квазикогерентных пучков зануляются на аффинных схемах, мы видим, что H^0_{et}(A^1_k, \Omega^1)=\Omega^1, H^1_{et}(A^1, \Omega^1)=0, H^0_{et}(A^1_k, \Omega^1/B)=Г(A^1_k, \Omega^1/B)=\Omega^1/B. Таким образом мы имеем точную последовательность: \Omega^1 -(C-Id)--> \Omega^1/B --> H^1_{et}(A^1, G_m/G_m^p). Таким образом, Br(A^1_k)[p]=\Omega^1/(B+(C-Id)\Omega^1) Замечание: Ровно такой же аргумент показывает, что для любой регулярной факториальной аффинной схемы X (например, A^2_k), группа Брауэра Br(X)[p]=\Omega^1_X/(B_X+(C-Id)\Omega^1_X). Теперь нам необходимо предъявить нетривиальный элемент в группе \Omega^1_{k[X]}/(B_{k[X]}+(C-Id)\Omega^1_k[X]) для какого-нибудь/любого несовершенного поля. Так как у меня нет цели доказывать всё в максимальной общности, я приведу пример для конкретного (на самом деле Br(A^1_k) нетривиально для любого несовершенного поля k, но доказательство этого, более сильного утверждения, сводится к примеру, который я обсужу ниже) несовершенного поля k:=F_p(T)_{sep} (сепарабельное замыкание F_p(T)). А именно, я утверждаю, что класс XdT в \Omega^1_{k[X]}/(B_{k[X]}+(C-Id)\Omega^1_{k[X]}) не равен нулю. Отметим, что формация групп Брауэра коммутирует с индуктивными пределами, а поле F_p(T)_{sep} есть прямой предел конечных сепарабельных расширений F_p(T). И для каждого такого расширения k'/F_p(T) класс XdT корректно-определён в Br(A^1_{k'})[p]. Поэтому достаточно доказать, что для каждого конечного расширения k'/F_p(T) класс XdT не равен нулю в Br(A^1_{k'})[p]. Говоря иначе, можно предполагать, что k' -- глобальное поле характеристики p. Заметим, что с каждым элементом a\in k' связано естественное отображение специализации k'[X] --> k', которое переводит X в a. Это задаёт отображение ev_a:Br(A^1_{k'})[p] --> Br(k')[p]=\Omega^1_{k'}/(B_{k'}+(C-Id)\Omega^1_{k'}). Глобальная теория полей классов (для функционального поля k') говорит нам, что существует короткая точная последовательность 0 --> Br(k') --> \osum_{v\in C(F_p)} \Q/\Z --> \Q/\Z --> 0, где C(F_p) есть F_p-рациональные точки единственной регулярной проективной кривой с полем частных k'. В частности Br(k')[p] нетривиально. Из нашего описания p-кручения группы Брауэра аффинных регулярных схем следует, что Br(k')[p]=\Omega^1_{k'}/(B_{k'}+(C-Id)\Omega^1_{k'}). Выберем теперь a\in k', такое что a*dT не равно нулю в Br(k')[p]. Тогда отображение специализации ev_a:Br(A^1_{k'})[p] --> Br(k')[p] переводит XdT в ненулевой элемент a*dT группы Брауэра Br(k'). А значит, что XdT был не равен нулю и в Br(A^1_{k'}). То есть Br(A^1_{k'}) не равно нулю для любого сепарабельного расширения k'/F_p(T). Более того, для каждого такого k', канонический элемент XdT не равен нулю в группе Брауэра. А значит и в пределе Br(A^1_k) не равно нулю. Напомним, что k=F_p(T)_{sep}, а значит Br(k)=0, так как группа Брауэра сепарабельного-замкнутого поля тривиальна. Таким образом Br(A^1_k) не равно Br(k)! Более того, практически дословно такой же аргумент показывает, что Br(A^2_k) не равно нулю для (как минимум) конечного поля k. Вспомнив, что группа Брауэра конечного поля тривиальна, то из этого следует, что группа Брауэра не является гомотопическим инвариантом и для совершенных полей в характеристике p. (Comment on this)
Saturday, December 2nd, 2017
1:22 am	Группа Брауэра и расширения полей II. Вопрос 1. Давайте теперь обсудим Вопрос 1 из моего предыдущего поста . А именно, я приведу пример поля k и гладкой, геометрически целой, собственной схемы Х, такой что отображение Br(X) \to Br(X \otimes_k \bar k) не инъективно. Мой пример будет не совсем явным, а опираться на пример Мамфорда гладкой, проективной поверхности с неприведённой схемой Пикара. Я этот пример не разбирал, надеюсь, что Мамфорд доказал существование такой поверхности для произвольного поля. По крайней мере я буду предполагать, что для любого поля k положительной характеристики существует гладкая, геометрически целая, проективная поверхность X, такая что Pic_{X/k} не является приведённой. Давайте начнём строить пример. Выберем поля k таким образом, чтобы оно было сепарабельно-замкнутым полем характеристики p и группа k^*/(k^*)^p была бесконечной. Например, подойдёт сепарабельное замыкание F_p(T). Теперь зафиксируем поверхность Мамфорда X над выбранным полем k. Я утверждаю, что отображение Br(X) --> Br(X\otimes_k \bar k) не является инъективным. Давайте потихоньку изучать ситуацию. Для начала напишем спектальную последовательно Лерэ-Серра для отображения f:X --> Spec k: E_{2}^{p,q}=H^p_{fl}(k, R^qf_* G_m) => H^{p+q}_{fl}(X, G_m). Теперь мы хотим доказать, что достаточно много членов в этой спектралке зануляется, чтобы мы могли вытащить какую-нибудь полезную информацию. Шаг 1: E_2^{p,0}=H^p_{fl}(k,f_*G_m) зануляется при p>0. Во-первых, из геометрической целости X следует, что f_* G_m=G_m. Таким образом, H^p_{fl}(k,f_*G_m)=H^p_{fl}(k,G_m). Теперь применим теорему Гротендика , чтобы получить H^p_{fl}(k,G_m)=H^p_{et}(k,G_m). Но этальные когомологии сепарабельно-замкнутого поля нулевые с коэффициентами в любом пучке! Поэтому E_2^{p,0}=0 при p>0. (Далее мы часто будем использовать аргументы такого типа, иногда опуская часть деталей) Шаг 2: Из Шага 1 следует, что E_2^{1,1}=E_{\infty}^{1,1}, потому что ему не с чем сократиться. А так как E_{\infty}^{2,0}=E_{2}^{2,0}=0, мы заключаем, что у нас имеется инъективное отображение E_{2}^{1,1} \to H^2(X,G_m) (так как спектралка сходится к H^{p+q}_{fl}(X,G_m)). Подставляя значение E_2^{1,1} получаем инъективное отображение H^1_{fl}(k, R^1f_*G_m) --> Br(X). Более того, R^1f_*G_m=Pic_{X/k} примерно по определению функтора Pic_{X/k}. Таким образом, имеем инъективное отображение H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) \to Br(X). Шаг 3: Из Шага 1 также следует, что E_{\infty}^{0,2}=E_{3}^{0,2}. Распишем теперь E_3^{0,2} по определению E_3^{0,2}=ker (d:E_2^{0,2} --> E_2^{1,1})= =ker(d:H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m) --> H^2_{fl}(k, R^1f_*G_m))= =ker(d:H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m) --> H^2_{fl}(k, Pic_{X/k})) Шаг 4: Опять же из Шага 1 следует, что E_{\infty}^{3,0}=0, поэтому общая теория спектральных последовательностей говорит нам, что у нас есть точная последовательность 0 --> E_{\infty}^{1,1} --> H^2_{fl}(X, G_m) --> E_{\infty}^{0,2} --> 0. Подставляем сюда результаты Шагов 2 и 3 и получаем следующую точную последовательность. 0 --> H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) --> Br(X) --> ker(H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m) --> H^2_{fl}(k, Pic_{X/k})) -->0. Или, переписывая чуть красивее, видим следующую точную последовательность: 0 --> H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) --> Br(X) --> H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m) --> H^2_{fl}(k, Pic_{X/k}) (*) Теперь давайте попробуем посчитать H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m). Обозначим X':=X\otimes_k \bar k и X'':=X\otimes_k (\bar k \otimes_k \bar k). Так как любое покрытие в плоской топологии U \to Spec k доминируется покрытием \Spec \bar k \to Spec k (теорема Гильберта о нулях), то R^2f_*G_m(Spec \bar k)=H^2_{fl}(X',G_m)=Br(X') (тонкость в том, что в определении R^2f_* участвует пучковизация. Априори это довольно загадочный функтор, но в нашем случае теорема Гильберта о нулях позволяет нам посчитать R^2f_* довольно явно). Сказав все эти слова, мы посчитаем H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m), применив определение пучка к плоскому покрытию Spec \bar k \to Spec k. А именно, H^0_{fl}(k, R^2f_*G_m)=ker(R^2f_*G_m(Spec \bar k) --> R^2f_*G_m(Spec \bar k \otimes_k \bar k))=ker(H^2_{fl}(X', G_m) -->H^2_{fl}(X'',G_m))=ker(Br(X') --> Br(X'')). Подставим теперь это в точную последовательность (*) и прокомпонируем с естественным пложением ker(Br(X') --> Br(X'')) в Br(X'), чтобы получить точную последовательность 0 --> H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) --> Br(X) --> Br(X') Давайте поймём что мы тут уже понадоказывали про Br(X) \to Br(X'). А мы уже "посчитали" интересующее нас ядро отображения Br(X) --> Br(X'), и оно равно H^1_{fl}(k, Pic_{X/k})! Наблюдение: Сейчас мы легко можем заключить, что Br(X) --> Br(X') инъективно, если Pic_{X/k} есть гладкая схема. Воспользуемся опять теоремой Гротендика, чтобы сказать, что H^1_{fl}(k,Pic_{X/k})=H^1_{et}(k,Pic_{X/k})=0 в силу сепарабельной замкнутости k. Таким образом, вся наша беда действительно сосредоточена в негладкости схемы Pic_{X/k}. Нам осталось посчитать H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}). Это будем довольно большая серия редукций, в итоге все сведётся к когомологиям \mu_{p^n} и \alpha_{p}. Давайте попорядку, в Pic_{X/k} мы можем выделить связную компоненту единицы Pic^0_{X/k}, фактор по которой будет этальная группа NS_{X/k}. 0 --> Pic^0_{X/k} --> Pic_{X/k} --> NS_{X/k} --> 0 (**) В SGA 6 доказана довольно нетривиальная теорема о том, что NS всегда является конечно-порождённой группой. Помимо этого, она этальна, в частности, гладкая. А значит, что H^1_{fl}(k, NS_{X/k})=H^1_{et}(k, NS_{X/k})=0. Напишем теперь длинную точную последовать, ассоциированную с (**), чтобы получить точную последовательность: NS_{X/k}(k) --> H^1_{fl}(k, Pic^0_{X/k}) --> H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) --> 0 Замечаем, что так как NS_{X/k}(k) конечно-порождена, то для доказательства нетривиальности H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) достаточно доказать, что абелева группа H^1_{fl}(k, Pic^0_{X/k}) не является конечно-порождённой. Теперь ключевой момент, нам нужно воспользоваться следующей леммой. Лемма: Пусть G -- собственная коммутативная связная групповая схема над полем k, тогда G_red является гладкой собственной замкнутой подгруппой в G. Замечание: Эта Лемма совершенно нетривиальна и удивительна! Конечно, она тривиальна над совершенными полями, но над несовершенными полями она абсолютно нетривиальна и неверна без предположения собственности. Существуют примеры, когда G_red не является подгруппой или не является гладкой. Я не знаю никакой ссылки на этот факт, вероятно, я его докажу в отдельном посту. Воспользуемся этой леммой, и напишем следующую короткую точную последовательность: 0 --> Pic^0_{X/k}_{red} --> Pic^0_{X/k} --> I -->0 Заметим, что из гладкости Pic^0_{X/k}_{red} следует зануление H^i_{fl}(k, Pic^0_{X/k}_{red}) при i>0 (опять теорема Гротендика). Поэтому H^1_{fl}(k, Pic^0_{X/k})=H^1_{fl}(k,I). Давайте поймём, что мы знаем про I. Во-первых, I является конечной групповой схемой в силу квази-компактности схемы Pic^0_{X/k} (любая связная групповая схема над полем квази-компактна, несложный факт). Во-вторых, она является связной коммутативной групповой схемой в силу связности и коммутативности Pic^0_{X/k}. В сумме, I является конечной коммутативной групповой схемой, поэтому мы можем изучать её с помощью стандартных способов в духе двойственности Картье и local-'etale точных последовательностей. (См. Лекции Pink'a для определений и доказательств основных теорем теории конечных коммутативных групповых схем) Рассмотрим групповую схему D(I), которая является двойственной по Картье к I. Для неё существует local-etale короткая точная последовательность 0 --> D(I)^0 --> D(I) --> D(I)^{et} --> 0 Перейдя обратно к двойственным по Картье, получаем точную последовательность: 0 --> D(D(I)^{et}) --> I --> D(D(I)^0) --> 0. Отметим, что из сепарабельной замкнутости k следует, что все этальные коммутативные конечные группы -- постоянны, то есть равны произведению различных Z/NZ. Картье-двойственная группа к Z/NZ есть \mu_N. Отсюда следует, что A:=D(D(I)^{et})=\prod_N \mu_{N}^{m_N}. Но также мы знаем, что I локальная группа, поэтому и все подгруппы должны быть такими, следовательно, все подгруппы \mu_N, встречающиеся в A, должны быть локальными. Но конечная группа \mu_N является локальной только в случае N=p^k для некоторого натурального числа k. Заключаем, что A=\prod_k \mu_{p^k}^{m_k}. Докажем, что если A есть нетривиальная схема, то H^1_{fl}(k,I) не конечно-порождённая группа. Обозначим D(D(I)^0) за B. Мы имеем короткую точную последовательность 0 --> A --> I --> B --> 0 (***) Так как A, I и B являются локальными групповыми схемами, то A(k)=I(k)=B(k)={0}. Откуда следует, что написав длинную точную последовательность когомологий, ассоциированную с (***), получаем точную последовательность 0 --> H^1_{fl}(k,A) --> H^1_{fl}(k, I) --> H^1_{fl} (B) --> H^2_{fl}(k, A). В частности, H^1_{fl}(k,A) вкладывается в H^1_{fl}(k,I). Вспомним, что A есть произведение групп вида \mu_{p^k}, а значит, что нам достаточно доказать, что H^1_{fl}(k,\mu_{p^k}) не является конечно-порождённой группой, чтобы заключить такое же следствие для A. В плоской топологии мы имеем точную последовательность Куммера 0 --> \mu_{p^n} --> G_m --> G_m --> 0 Применяю вездесущую теорему Гротендика, мы видим из длинной точной последовательности когомологий, что H^1(k, \mu_{p^n})=k^*/(k^*)^{p^n}. Но по предположению на наше базовое поле k, группа k^*/(k^*)^{p} бесконечна. Следовательно, и группа k^*/{k^*}^{p^n} является бесконечной. Кроме того, это группа кручения, поэтому из бесконечности следует, что эта группа не конечно-порождена. То есть, если A не равно нулю, то H^1_{fl}(k,A) вкладывается в H^1_{fl}(k, I) и мы победили! Теперь пусть A=0. В этом случае I=B=(D(I)^0) есть нетривиальная группа. Этот случай самый сложный, но давайте проанализируем и его. B является локальной конечной коммутативной групповой схемой (так как B изоморфна I). С другой стороны, Картье двойственная к ней является также локальной. Классификация конечных коммутативных групповых схем говорит нам, что в этом случае операторы Фробениуса F и Фершибунга V нильпотентны на B (См. Prop. 15.6 в записка Pink'a). Профильтруем B по ядрам степеней F и V, чтобы предполагать, что B является последовательным расширением групп, на которых F и V действуют нулём. Обозначим эту фильтрацию за 0\subset B_{n+1} \subset B_{n} \subset B_{n-1} \subset ... \subset B_0=B. Классификация конечных коммутативных групповых схем c F=0 и V=0 говорит, что (B_i/B_{i+1}) изоморфно групповой схеме \alpha_{p}^{m_i} (См. Prop. 16.2 в записках Pink'a). Уплотним нашу фильтрацию, чтобы предполагать, что B_i/B_{i+1}=\alpha_p. Схоже с тем, что мы делали в случае нетривиальной подсхемы A, мы можем показать, что H^1_{fl}(k, B_n) вкладывается в H^1_{fl}(k, B) (мы используем, что все группы B_i и все их факторы являются локальными). То есть нам достаточно показать, что H^1_{fl}(k, \alpha_p) не является конечно-порождённой группой. Для этого рассмотрим короткую точную последовательность Артина-Шрайера 0 --> \alpha_p --> G_a --> G_a -->0 Точно такой же аргумент, как в случае короткой точной последовательности Куммера, показывает, что H^1_{fl}(k, \alpha_p)=k/k^p (фактор как аддитивной группы). Теперь выберем базис {e_i} векторного пространства k над полем k^p, то есть k=\osum_{i\geq 0} e_i*k^p. Не нарушая общности, можно считать, что e_0=1, тогда k/k^p\subset \osum_{i>0} e_i*k^p. То есть фактор содержит как минимум одну копию k^p. Из несепарабельности k заключаем, что k не конечно, то есть k/k^p --бесконечная группа, но она ещё и группа кручения, так как char k =p. А значит, что k/k^p не конечно-порождена! Победа! Суммируя всё сказанное выше, мы показали, что H^1_{fl}(k, I) не конечно-порождённая группа. А значит, H^1_{fl}(k, Pic_{X/k}) является нетривиальной группой, как было объяснено выше. То есть Br(X) --> Br(X\otimes_k \bar k) действительно имеет нетривиальное ядро! (17 Comments |Comment on this)
12:13 am	Группа Брауэра и расширения полей I. Мотивация и введение В своих предыдущих постах я довольно подробно объяснил как себя ведёт группа Пикара при расширении полей. В этом же посту я хочу дать какую-то мотивацию к изучению поведения группы Брауэра при расширении полей. Начнём с того, что Группа Пикара имеет довольно простое когомологическое описание, а именно, Pic(X)=H^1(X,\O_X^*). Интересный вопрос -- насколько сильно нам важно явное описание через обратимые пучки или дивизоры Картье, чтобы реально изучать этот объект. Можем ли вывести большинство свойств Pic(X) просто из когомологического описания. Например, как сильно H^1(X,\O_X^*) отличается от H^i(X,\O_X^*) при i>1? Для начала заметим, что на самом деле поставленные выше вопросы чересчур наивны. Например, плоский спуск нам гарантирует, что Pic(X)=H^1(X,\O_X^*)=H^1_{et}(X,G_m)=H^1_{fl}(X, G_m). Не очень понятно когомологии в какой из топологих естественно сравнивать с функтором Пикара. На самом деле когомологии в топологии Зариского нам совсем не годятся, как по простым целям таким, как невозможность что-либо явно посчитать в них, так и по более разумным: определение относительного функтора Пикара морфизма f:X --> S нам говорит, что Pic_{X/S}=R^1f_* G_m, но где f_* рассматривается как прямой образ в плоской(!) топологии. При разных условиях на морфизм f, можно работать и в этальной топологии, но в общем случае правильнее всего работать в плоской. Из этого следует, что при изучении функторов Пикара естественным образом мы будем иметь дело с H^i_{fl}(X, G_m), а не с H^i(X, \O_X^*). Поэтому правильный вопрос всё-таки заключается в том, чтобы понять насколько далёки свойства H^1_{fl}(X,G_m) от H^i_{fl}(X,G_m) при i>1. Плоская топология -- вещь довольно страшная, но в данном случае нас спас Гротендик следующей теоремой. Теорема (Гротендик): Пусть G -- гладкая коммутативная квази-проективная групповая схема над X, тогда H^i_{fl}(X,G)=H^i_{'et}(X,G). Доказательство: Cм. статью Brauer III Гротендика или Теорему 3.19 в книжке Милна по этальным когомологиям. Замечание: В случае i=1 эту теорему можно доказать напрямую. А именно, H^1_{C}(X,G) классифицирует G-торсоры в топологии Гротендика C. Но для любой гладкой группы все плоские торсоры имеют сечение этально-локально (см. Neron Models гл.2), а значит H^1 в этальной и плоской топологии для таких групп совпадают. В дальнейшем мы будем часто пользоваться этой теоремой для i=1 и иногда для i=2 и G=G_m. Теорема говорит, что нам всё равно изучать H^i_{et}(X, G_m) или H^i_{fl}(X, G_m), эти группы равны. Кроме этого, теорема Гротендика очень важна тем, что позволяет переключаться между топологиями. Мы знаем довольно много нетривиальных теорем из этального мира, которые можно с разным успехом использовать на практике. Но как только речь заходит о p-кручении в хар. p, мы не может сказать практически ничего в этальном мире, однако на удивление можем сказать что-то в плоском. Давайте я теперь наконец скажу, что на самом деле группы H^i_{fl}(X,G_m) ведут себя совершенно не как Pic(X). Мы это увидим довольно скоро, но уже сейчас мы сфокусируемся на i=2, H^2_{fl}(X, G_m) называется (когомологической) группой Браэура. В этом случае мы ещё иногда имеем явное описание для H^2_{fl}(X,G_m), но ситуация уже достаточно сложная. В случае X=Spec k у группы Брауэра есть стандартное, хорошо известное описание. А именно, каждый класс в H^2_{fl}(k, G_m) представляется центральной простой алгеброй над k. И две алгебры A и B задают один класс когомологий, если существуют целые числа n и m, такие что Mat_n(A)=Mat_m(B). Это называется Морита-эквивалетностью. Стандартные результаты из теории центральных простых алгебр говорят, что Br(\R)=Z/2Z и Br(\C)=0. Таким образом, даже в случае полей ни о каком вложении Br(k) --> Br(\bar k) говорить не приходится. Но можно задаваться другими вопросами. Во-первых, в теории центральных простых алгебр есть важный результат, который говорит, что для любого сепарабельно-замкнутого поля k выполнено равенство Br(k)=0 (Частный случай теоремы Гротендика, процитированной выше!). Интересный вопрос состоит в том, верно ли, что все классы в H^2_{fl}(X, G_m) для достаточно хорошей схемы над полем k, которые умирают после замены базы на алгебраическое замыкание \bar k (то есть в H^2_{fl}(X\otimes_k \bar k, G_m)), умирают уже в H^2_{fl}(X\otimes_k k_{sep}, G_m)? Чтобы сделать вопрос более конкретным, давайте его сформулируем следующим образом: Вопрос 1: Пусть $X$--собственная, геометричеки целая, гладкая схема над сепарабельно-замкнутым полем k. Верно ли, что естественное отображение Br(X) --> Br(X\otimes_k \bar k) является вложением? Второй тип вопроса, который естественно задать, -- это гомотопическая инвариантность группы Брауэра. В случае групп Пикара мы знаем, что для любой регулярной схемы X группа Пикара Pic(X\times A^1)=Pic(X). Чтобы доказать это утверждение, мы существенным образом пользуемся изоморфизмом между группой Пикара и группой классов дивизоров Вейля. Совершенно непонятно почему похожее равенство могло бы выполняться для групп Брауэра, но его хотелось бы иметь. Давайте для простоты сформулируем куда более слабый вопрос: Вопрос 2: Верно ли, что Br(A^1_k)=Br(k)? Ответы: Оказывается, что ответ на оба вопроса отрицательный! В первом случае проблема состоит в том, что Pic_{X/k} может являться не приведённой схемой. Более того, мы увидим, что на самом деле это единственное препятствие к инъективности отображения Br(X) \to Br(X \otimes_k \bar k). Во втором случае проблема будет заключаться в несовершенности поля k. Для несовершенных сепарабельно-замкнутых полей в характеристике p, p-кручение группы Брауэра Br(A^1_k) будет огромным. К сожалению, я пока не знаю является ли группа Брауэра гомотопическим инвариантом на категории гладких схем над совершенным полем. Сами же контрпримеры я приведу в следующих постах. Контрпример к вопросу 1 уже записан. Мой вопрос заключается в том, читает ли кто-нибудь вообще эти посты? Есть ли люди, которые хотели, чтобы я не расписывал все детали, и это им мешает понимать? Или вдруг есть кто-то, кто хочет, чтобы я научился вставлять ТеХ формулы в тифаретник, и тогда бы это можно было читать? В общем, если есть какие-то ответы/предложения -- напишите. Я исхожу из того, что эту писанину никто не читает, а пишу я в основном для себя. В таком варианте улучшать читаемость формул смысла большого не имеет. (2 Comments |Comment on this)
Saturday, November 18th, 2017
12:28 am	Контрпример к Seesaw principle в аффинном случае При изучении абелевых многообразий важной технической леммой является, так называемый, Seesaw Principle. Теорема: Пусть T целая схема и f:X --> T плоский собственный морфизм с геометрически целыми слоями и пускай L\in Pic(X) есть обратимый пучок. Тогда множество точек (не обязательно замкнутых) t\in T, таких что ограничение L|_{X_t} на слой t изоморфно \O_{X_t}, замкнуто. И, более того, если обозначить это замкнутое множество с приведённой схемной структурой за Z, то L|_{X_Z} изоморфно f^*N для некоторого (единственного) обратимого пучка N\in Pic(Z). Сначала я должен сказать, что эта теорема несколько удивительна, потому что в ней фигурируют слои, а не геометрические слои. Как правило, чтобы иметь какие-то хорошие свойства P в семействах нужно обычно рассматривать выполнения свойства P на геометрических слоях. Например, как правило, для данного морфизма g:X --> Y множество точек, слои над которыми неприводимые/cвязные, неконструктивно. А в случае геометрической неприводимости/cвязности --- конструктивно. [Давайте построим конкретный пример. Пусть k любое алгебраически замкнутое поле и X=V(X^2-T) \subset Spec k[X,T] из X имеется естественное отображение f:X --> A^1=Spec k[T]. Посчитаем слой над каждой замкнутой точкой a\in A^1(k), пусть b^2=a (такое b существует, так как k-- алгебраически замкнуто), тогда X_a=Spec k[X]/(X^2-a)=Spec (k[X]/(X-b)\times k[X]/(X+b)) есть несвязная схема, в частности приводимая. Но над общим слоем слой равен Spec k(T)[X]/(X^2-T). Эта схема неприводима, так как X^2-T есть неприводимый многочлен (так как степени 1 по T). Получаем, что X_t несвязная (значит и приводимая) схема над всеми замкнутыми точками, но неприводимая (значит и несвязная) над общей точкой. Если бы условие связность/приводимости слоёв было бы конструктивным условием, то это бы значило, что общая точка в A^1 является конструктивным подмножеством. Но это не так, например, потому что конструктивное подмножество, содержащее общую точку, должно содержать открытое подмножество. Обратим внимание на то, что геометрический слой над общей точкой равен Spec (\bar k(T))[X]/(X^2-T), и эта схема является несвязной, так как квадратный корень из T лежит в \bar k(T) (аргумент аналогичен аргументу над замкнутыми точками). То есть в данном конкретном случае геометрическая связность/неприводимость слоёв всё-таки является конструктивным условием. Ну и на самом деле всегда является. Это доказано в EGA IV_3, 9.7.7] Возвращаясь к Seesaw principle, идеологическим обоснованием почему локус является хотя бы конструктивным является модифицированный аргумент из первой части вот этого поста . А именно, я утверждаю, что для любой геометрически целой собственной схемы над полем K группа Пикара Pic(X) вкладывается в Pic(X\otimes_K \bar K). В цитируемом выше тексте мы уже показали, что для любой собственной геометрически целой схемы X над полем K Pic(X) вкладывается в Pic(X \otimes_K K_{sep}). То есть, не нарушая общности, мы может можем предполагать, что X -- собственная геометрически целая схема над сепарабельно-замкнутым полем K. Далее, так как X геометрическая целая, то она геометрически приведённая, а значит имеет непустое открытое подмножество U \subset X, такое что U является гладкой схемой, но любая гладкая схема над сепарабельно замкнутым полем K имеет K-точку. Это позволяет нам сказать, что Pic_{X/K} представим и Pic_{X/K}(K')=Pic(X\otimes_K K') для любого расширения K'/K (см. FGA Explained, наличие точки критически важно для верности последнего равенства). Но для любой схемы Y мы имеем вложение Y(K) \to Y(\bar K). Применяя это соображение к Pic_{X/K}, получаем, что Pic(X) \to Pic(X\otimes \bar K) вложение. Таким образом, мы доказали, что для любой геометрически целой схемы собственной схемы X над полем K, Pic(X) вкладывается в Pic(X\otimes \bar K). Давайте теперь использовать это условие в нашем случае, f:X \to T является собственным морфизмом с геометрически целыми слоя, поэтому аргумент выше показывает, что требование тривиальности ограничения пучка L на слой X_t равносильно требованию тривиальности ограничения пучка L на геометрический слой X_t \otimes_{k(t)} \bar k(t). То есть условие на слои из теоремы на самом деле является геометрическим. Поэтому небезнадёжно ожидать, что этот локус хотя бы конструктивный. Теперь я хотел бы объяснить контрпример в аффинном случае. Я построю гладкий морфизм f:X \to S гладких схем конечного типа \C и обратимый пучок L на S, такой что ограничение L на слой над общей точкой S будет нетривиально (не изоморфно структурному пучку слоя), но ограничение L на слои над всеми замкнутыми точками тривиально. Это повлечёт за собой неконструктивность локуса точек s\in S, таких что L|_{X_s}=O_{X_s}. Более того, в данном примере S будет гладкой кривой, а X одномерной групповой схемой над S с геометрически целыми слоями. Я буду делать всё над \C только потому, что это ярче демонстрирует разницу между алгебраической и аналитической геометриями в несобственном случае. Данную конструкцию можно проделать над любым алгебраически замкнутым полем (с некоторой осторожность в случае характеристики 2, которую я опустил в прошлом посте ). Перейдём теперь непосредственно к примеру. Положим K:=\C(T), заметим, что K есть индуктивным пределом гладких конечно-порождённых \C-подалгебр, K=colim A_i с dim A_i=1 (каждое из A_i -- локализация C[X] в ненулевом элементе). Пусть G' есть форма G_m, построенная в прошлом посте . Тогда Pic(G')=Z/2Z, и пусть L' будет нетривиальным линейным расслоением на G. Стандартные техники 'spreading out', развитые в EGA IV_3 в главах 8, 9, 11, позволяют найти большое i, такое что G' определено над A_i (грубо говоря, G задана конечным числом уравнением, у них конечное число коэффициентов, поэтому все лежат в какой-то конечной алгебре A_i). Обозначим эту схему за G_i и для любого j>i положим G_j:=G_i \otimes_{A_i} A_j. Далее, увеличивая i, мы можем найти достаточно большое i, такое что морфизмы умножения, обратного элемента и нулевого сечения продолжаются на G_i, и эти отображения удовлетворяют всем необходимым условиям групповых операций. Другими словами, мы можем считать, что G_i групповая схема над Spec A_i. Кроме того, мы можем считать, что L' продолжается до обратимого пучка L_i на G_i. Более сложно показать, что мы можем выбрать i настолько большим, чтобы все слои G_i над Spec A_i были геометрическими целыми и морфизм f_i:G_i \to Spec A_i был гладким, но это так же доказано в EGA IV_3. Давайте я теперь скажу почему можно считать, что все слои G_i над Spec A_i являются торами. Так как G' -- тор, то существует конечное сепарабельное расширение K \subset L, такое что G изоморфно G_m. Применяя техники spreading out опять, мы можем продолжить морфизм Spec L \to Spec K до этального морфизма Spec B_i \to Spec A_i (как всегда, вероятно, после увеличения i). Далее мы имеем изоморфизм G\otimes L \to G_{m,L}, и мы можем продолжить его до G_i\otimes_{A_i} B_i \to G_{m,B_i} для большого i. Ограничивая этот морфизм на слои, получаем что cлой G_i над каждой точкой Spec A_i изоморфны G_m после этального расширения. Но все этальные расширения поля есть просто прямые суммы сепарабельных расширений этого поля. То есть получаем, что ограничение G_i на каждый слой Spec A_i становится изоморфным G_m после сепарабельного расширения полей, то есть все слои торы. Переобозначим теперь G_i за G, A_i за A и L_i за L. Я утверждаю, что пара (f:G \to Spec A, L) противоречит Seesaw Principle. Так как dim A=1, то Spec A имеет два вида точек: одну общую точку y и замкнутые точки. Выберем любую замкнутую точку x\in Spec A_i, тогда поле вычетов k(x) есть конечное расширение \C, то есть равно \C. Тогда слой G_x:=G\otimes_A k(x) есть тор над \C, над алгебраически замкнутым полем существует ровно один тор, поэтому G_x=G_m, Pic(G_m)=0. Отсюда заключаем, что ограничение пучка L на G_x изоморфно структурному пучку \O_{G_x}. Однако над общем точкой мы имеем, что L|_y=L' по построению, поэтому L|_y=L' \in Pic(G') есть ненулевой элемент! Значит ограничение на общий слой пучка L нетривиально. Другими словами, локус точек, над которыми пучок L тривиален, является множеством замкнутых точек. Но это множество неконструктивно для одномерных схемах над полем (см. предыдущую часть) (Comment on this)
Wednesday, November 15th, 2017
8:57 pm	Группа Пикара может уменьшаться при сепарабельном расширении полей В своём предыдущем посте я вкратце рассказал почему для полной(!) геометрически целой схемы X над полем k и (конечного) сепарабельного расширения k'/k, отображение групп Пикара Pic(X) \to Pic(X_{k'})^{Gal(k'/k)} всегда является вложением. Кроме того, я привёл пример геометрически целой гладкой одномерной схемы X и несепарабельного расширения полей k'/k и доказал, что соответствующее ядро есть бесконечная группа кручения, в частности, она даже не конечно-порождена. В этот раз я хочу показать, что само по себе условие сепарабельности k'/k не влечёт инъективности отображения групп Пикара. В данном примере наша схема опять будет геометрически целой одномерной гладкой линейной алгебраической группой. Но в этот раз вместо формы G_a мы будем иметь дело с формой G_m. Кроме того, как следствие этой конструкции в следующем посте я построю забавный контрпример к Seesaw principle в аффинном случае. Пусть K-- любое поле характеристики не 2, допускающее расширение степени 2 (которое всегда сепарабельно, так как char K\neq 2). Выберем любое такое квадратичное расширение, обозначим его за L. Группа Галуа Gal(L/K) есть Z/2Z, зафиксируем там образующую t. Мы будем рассматривать группу, которая получается из G_{m,L} с помощью ограничения скаляров Вейля. А именно, G':=R_{L/K} G_{m,L}, стандартный аргумент с инфинитезимальным критерием гладкости показывает, что G' всегда гладкая. Кроме того, сепарабельность расширения L/K влечёт геометрическую связность R_{k'/k}, так как (R_{k'/k} G_m)\otimes k_{s} = G_m \times t^*(G_m) -- связная схема. Более того, этот аргумент показывает, что G' --- двумерная групповая схема, которая является формой G_m^2. Теперь мы вспомним определение отображения нормы Nm:R_{L/K} G_m \to G_m. Понятие нормы можно определить для любой группы мультипликативного вида, но давайте сделаем это в самом простом случае группы G_m. По определению R_{L/K} G_m(A)=G_m(A\otimes_K L)=(A\otimes_K L)^*, A\otimes_K L является конечным свободным A-модулем, поэтому там определено отображение нормы N:A\otimes_K L \to A (элемент a отправляет в det(L_a) -- детерминант линейного оператора умножения на a). Выберем базис в L над K вида <1,x>, тогда в явном виде это отображение записывается как a+bx|-->a^2-b^2x^2 \in A. Заметим, что N отправляет обратимые элементы в обратимые и является гомоморфизмов групп обратимых элементов. Другими словами, N:(A\otimes_K L)^* \to A^* есть функториальный по А гомоморфизм групп. По лемме Йонеды это задаёт морфизм групповых схем Nm:R_{L/K} G_m \to G_m. Легко проверить, что отображение R_{L/K} G_m \to G_m сюрьективно. Давайте вычислим его ядро, будет делать это функториально. На уровне A-точек ядро есть пары {(a,b) \in A^2| a^2-x^2b^2=1}. Обозначим ядро за G, я утверждаю, что G_{L} изоморфно G_m. Действительно, определим отображения в обе стороны функториально на уровне А-точек для всякой L-алгебры A. Положим f:G_{L}(A) \to G_m(A) равным f((a,b))=(a+xb) и отображение g:G_m(A) \to G_L(A) равным g(y)=((y+y^{-1})/2,(y-y^{-1})/(2x)). Легко видеть, что эти отображения корректно определены и взаимно-обратны друг другу (важно, что А есть L-алгебра! иначе эти отображения не определены). Таким образом, мы проверили, что G есть геометрически связная гладкая одномерная форма группы G_m. Теперь нам необходимо посчитать группу Пикара G. Для того, чтобы вычислить Pic(G), мы воспользуемся стандартной теоремой о том, что Pic(G) изоморфно расширениям G при помощи G_m в категории алгебраических групп над k. Мы будем обозначать последнюю группу за Ext^1(G,G_m). Это теорема не вполне тривиальна, я не хочу сейчас вдаваться в подробности её доказательства, давайте я только объясню как строятся отображения. Морфизм Ext^1(G,G_m) \to Pic(G) построить несложно, любое расширение задаёт G_m торсор над G, а G_m-торсоры находятся в биекции с обратимыми расслоениями. Таким образом мы определяем i:Ext^1(G,G_m) \to Pic(G), заметим, что это отображение определено для любой группы G. В другую сторону определить отображение несколько сложнее, и на самом деле не для любой группы это возможно. Идея заключается в том, чтобы по данному пучку L\in Pic(G) построить канонически структуру группы на "L^*", где под последним я имею тотальное пространство линейного расслоения L с выкинутым нулевым сечением. Более или менее, это сводится к равенству m^*L=p_1^*L\otimes p_2^*L, где m (соотв. p_1, p_2): G\times G \to G есть морфизм умножения (соотв. проекция на первый и второй факторы) и теореме Розенлихта об единицах. Грубо говоря, первое равенство позволяет определить структуру группы на L^*, а теорема Розенлихта об единицах позволяет сделать эту структуру группы согласованной со структурой группы на G и, более того, показывает единственность такой групповой структуры на L^*. То есть линейному расслоению мы сопоставляем расширение 0 --> G_m --> L^* --> G --> 0. Зная единственность групповой структуры на L^* нетрудно проверить взаимно-обратность построенных отображений. Теперь я должен объяснить как можно доказывать равенство m^*L=p_1^*L\otimes p_2^*L. Ключевым соображением является рациональность G_{k_{sep}}, из которой следует равенство Pic(G\times G)=Pic(G)\oplus Pic(G). В нашем случае группа G_{k_{sep}}=G_m безусловно рациональна. Мы свели задачу к вычислению Ext^1(G,G_m). Заметим, что G есть тор, ровно как и G_m. Расширение тора при помощи тора всегда тор (например, потому что расширение разрешимых разрешимо, а разрешимая группа в которой все \bar k точки полупросты есть тор). Значит мы может считать Ext уже в категории торов над k. Но категория торов над k антиэквивалентна категории свободных конечных Z-модулей с действием группы галуа Г_K:=Gal(K_{sep}/K). При этом отображении тор T переходит в Hom_{gp}(T_{k_{sep}},G_m). Очевидно, что решётка, соответствующая G_m, есть просто Z. Пусть M=Hom_{gp}(G_{k_{sep}},G_m), так как dim G=1, то заключаем, что размерность M равна 1. Кроме того, G становится изоморфным G_m уже над L, то есть действие Г_K пропускается через Gal(L/K)=Z/2Z. Если бы G было изоморфно G_m, то R_{L/K}G_m было бы расширением G_m при помощи G_m. Все такие расширения тривиальны, то есть в этом случае мы бы имели R_{L/K}G_m =G_m^2. Легко видеть, что это не так, например, из того, что (R_{L/K}G_m)_L=G_m\times t^*(G_m). В частности действие Gal(L/K) нетривиально на решётке, соответствующей R_{L/K}G_m. Получаем, что G не изоморфно G_m, следовательно, действие Gal(L/K) должно быть нетривиально на M. Единственное такое действие -- это действие, при котором образующая t действует умножением на -1. Собирая всё вместе, мы получили, что Pic(G)=Ext^1(G,G_m)=Ext^1_{Z[Г_L]}(\Z, M). Но последняя группа по определению равна H^1(Г_L,M). Осталось её посчитать, в Г_K есть нормальная подгруппа Г_L индекса 2. Из спектральной последовательности Хохшильда-Серра мы имеем точную последовательность 0 --> H^1(Gal(L/K), M) --> H^1(Г_K, M) --> H^1(Г_L, M). Действие Г_L на М тривиально, поэтому H^1(Г_L,M)=H^1(Г_L,Z)=Hom_{cont}(Г_L,Z)=0, так как G_L компактна, а Z -- дискретна. Значит, H^1(Г_K,M)=H^1(Gal(L/K),M)=H^1(Z/2,Z), но где действие Z/2 на Z нетривиально. Прямое (несложное) вычисление с коциклами показывает, что H^1(Z/2Z,Z)= {(0,b)|b\in Z}/{(0,2b)|b\in Z}=Z/2Z. Таким образом, Pic(G)=H^1(G_K,M)=Z/2Z! Но как мы уже заметили G_{L}=G_m, а значит Pic(G_L)=0. Как следствие, Pic(G) \to Pic(G_L)^{Gal(L/K)} не инъективно! (17 Comments |Comment on this)
Saturday, October 28th, 2017
12:07 am	Пример линейной алгебраической группы с бесконечной группой Пикара В книжке 'N'eron Models' Рэйно периодически довольно небрежно пишет, что можно предполагать базовое поле алгебраически замкнутым. Почти всегда это лёгкое упражнение на плоский спуск/спуск Галуа. Но в одном месте я никак не мог понять как строго доказать эту редукцию, и, более того, я обнаружил удивительный эффект, пытаясь разобраться с тем как группа Пикара взаимодействует с расширениями полей. Часть 1: Стандартные Результаты Существует классический результат, что если X -- полное, геометрические целое многообразие, то Pic(X) всегда вкладывается в инварианты группы Галуа Pic(X\otimes k_{sep})^{Gal(k_s/k)}. Доказательство использует три важные факта: 1) Спектральную последовательность Хохшильда--Серра для этальных когомологий и пучка G_m. А именно, H^i(Gal(k_{sep}/k),H^j(X\otimes k_{sep}, G_m)) => H^{i+j}(X, G_m). 2) Теорема Гильберта-90 о занулении когомологий H^1(Gal(k_{sep}/k), G_m)=0. 3) Утверждение о том, что на полном, геометрически целом многообразии нет обратимых функций кроме констант. Выражаясь точнее, что Г(X, \O_X^*)=k^*. Если предполагать ещё существованиe рациональной k-точки на X, то есть что X(k) непусто, то можно заключить, что инъекция групп Pic(X) \to Pic(X\otimes k_{sep})^{Gal(k_s/k)} на самом деле равенство. Это довольно просто, и доказано, например, в FGA Explained в главе про функторы Пикара. Пусть есть сечение s:Spec k \to X, тогда идея в том, чтобы рассматривать линейные расслоения L с *фиксированным* изоморфизмом s^*L\cong \O_{Spec k}. Такая пара уже не обладает автоморфизмами, и это позволяет воспользоваться плоским спуском, чтобы спускать Gal-инвариантые расслоения сверху вниз. Часть 2: Чего Хотелось Мне было интересно понять насколько часто Pic(X) вкладывается в Pic(X\otimes \bar k). Рассуждения выше показывают, что это верно в случае собственного (геометрически целого) X и совершенного поля k. Однако меня больше интересовал случай X -- (связной, гладкой) линейной алгебраческой группы и K-- поля частных глобального поля, которое уже никогда не является совершенным в характеристике p (Оно всегда есть конечное расширение F_q[T]). И как оказалось, при таких предположениях условие на вложение групп Пикара не обязательно верно! Есть общий факт (логически он нам не будет нужен, но он показывает насколько всё становится плохо над несовершенными полями), который говорит, что для (связной гладкой) линейной алгебраической группы G над *совершенным полем* Pic(G) конечен. Ключевым фактом при доказательстве является рациональность G_{k_{sep}} для любой связной гладкое линейной алгебраической группы G. Сейчас я приведу пример связной гладкой алгебраической группы U над произвольным несовершенным сепарабельно-замкнутым полем характеристики не 2 (на самом деле пример можно построить над любым несовершенным полем), такой что Pic(U) бесконечен, но Pic(U\otimes \bar k)=0. Более того, U\otimes \bar k= G_a. Часть 3: Контрпример Пусть k -- любое сепарабельно-замкнутое несовершенное поле (например, F_p(T)_{sep}), и G -- линейная группа, определённая уравнением y^p=x-ax^p в A^2, где a\in k -- k^p. В этом посте https://lj.rossia.org/users/azrt/7510.html?nc=4 показано, что это гладкая групповая схема, такая что её регулярная компактификация C имеет ровно одну точку на бесконечности порядка p. Более того, в том же посте показно, что над \bar k эта групповая схема изоморфна G_a. То есть чтобы доказать, что Pic(U) \to Pic(U\otimes \bar k) не инъективно, достаточно показать, что Pic(U)\neq 0. Мы покажем большее, а именно, что эта группа бесконечная, и даже скажем что-то об её строении. Прежде всего, из явной формулы для C (V(Y^p+aX^p-XZ^{p-1}) \subset P^2_k) легко видеть, что C является геометрически целой схемой, и она по определению проективная, как замкнутая подсхема проективной схемы. Из этого следует, что Pic_{C/k} представим схемой. Общий факт гласит, что группа Пикара кривой всегда гладкая, когда представима. Это следует из инфинитезимального критерия гладкости, за деталями см. главу 8 книжки 'N'eron Models'. И кроме того, Pic^0_{C/k} имеет размерности H^1(C, \O_X)=k^{(p-1)(p-2)/2}>0. То есть Pic^0_{C/k} является гладкой групповой схемой размерности (p-1)(p-2)/2>0 при p>2. Теперь мы хотим вычислить Pic(U) через Pic(C). Прежде всего, обозначим точку на бесконечности за c \in C--U. Мы имеем точную последовательность вырезания Z[c] \to Pic(C) \to Pic(U) \to 0. Заметим, что deg([c])=p по построению, поэтому отображение ограничения Pic^0(С) \to Pic(U) инъективно. Теперь вспомним, что на проективной кривой С мы имеем отображение степени deg:Pic(C) \to \Z, а так как Pic(U)=Pic(C)/Z[c] и deg([c])=p мы получаем корректно-определённый морфизм deg:Pic(U) \to Z/p. Более, того это сюрьективный морфизм в силу того, что мы имеем точку (0,0)=e\in U(k) и deg(e)=1. Суммируя, мы имеем следующую тройку морфизмов: 0 \to Pic^0_{C/k}(k) \to Pic(U) \to Z/pZ \to 0. Я утверждаю, что эта тройка точная. Действительно, мы уже доказали точность в первом члене и в третьем. Осталось показать точность в среднем. Так как все расслоения в Pic^0_{C/k}(k) по определению имеют степень нуль, то композиция этих двух морфизмов нулевая. Осталось проверить, что ядро второго морфизма лежит в образе Pic^0_{C/k}(k). Для этого мы отождествим линейные расслоения с классами эквивалентности дивизоров Вейля. Выберем L=\O_U(D) в ядре deg: Pic(U) \to Z/pZ, другими словами, deg(L)=deg(D)=pk делится на p. Тогда \O_C(D-k*[c]) является дивизором степени 0 на C, и его ограничение на U совпадает с \O_U(D). Следовательно, это короткая последователь точна в среднем члене, а значит и вообще точна. Заметим, что мы уже доказали, что Pic(U) ненулевая группа, так как она сюрьективно отображается в Z/pZ. Более того, из точной последовательности следует, что Pic(U) конечна, если и только если Pic^0_{C/k}(k) есть конечная группа. Но Pic^0_{C/k} является гладкой(!) схемой, а значит k-точки Pic^0_{C/k}(k) плотны в Pic^0_{C/k} в силу сепарабельной замкнутости k. А значит это множество не может быть конечно, так как размерность Pic^0_{C/k} равна (p-1)(p-2)/2>0 при p>2. Следовательно, Pic(U) так же не является конечной группы. Собрав всё воедино, мы построили пример гладкой, геометрически целой схемы U над несовершенным полем (а на самом деле такой пример существует над любым несепарабельным полем), такой что Pic(U) \to Pic(U\otimes \bar k) не инъективно, и даже не имеет конечного ядра. Кроме того, мы построили пример гладкой связной линейной алгебраической группы U над несовершенным полем, такой что Pic(U) не конечен. P.S. Интересный вопрос в том, чтобы как-то описать структуры гладкой группы Pic^0_{C/k}. На самом деле оказывается, что это всегда коммутативная k-wound унипотентная группа размерности (p-1)(p-2)/2. Добавлю это чуть потом. (Comment on this)
Friday, October 13th, 2017
12:30 am	Пример непревосходного кольца дискретного нормирования В ближайшее время я хочу дописать ещё несколько примеров из стандартной теории алгебраических групп, про которые я забыл два предыдущих раза. Кроме того, в моих планах записать несколько контрпримеров к совершенно естественным утверждениям, касающихся адельной топологии на адельных точках многообразий над глобальными полями. Сейчас же я хочу рассказать пример кольца дискретного нормирования, которое не является превосходным кольцом (в смысле Гротендика, cм. https://en.wikipedia.org/wiki/Excellent_ring для определения). Определение превосходных колец довольно сложное, да и проверка основных свойств требует неплохой техники в коммутативной алгебре, однако они являются довольно простым объектом в управлении. Как только выстроена основная теория превосходных колец (условно EGA IV_2 6.1-7.9), они становятся очень удобным объектом, который можно реально применять в задачах. В некотором смысле они являются кольцами, над которыми 'можно заниматься геометрией'. Хотя я лично с этим утверждением не согласен, если посмотреть на EGA IV_3, EGA IV_4 и доказательства многих базовых свойств этальных когомологий (например, гладкой и собственной замен базы), то можно увидеть, что почти все утверждения в итоге доказываются даже без предположений нётеровости, но тем не менее доказательства часто сводятся к случаю превосходных колец с помощью техник spreading out, которые Гротендик разработал в начале EGA IV_3. На мой взгляд это несколько удивительный приём, и я не знаю никакого идеалогического обоснования почему этот трюк работает практически всегда. Однако оказывается, что класс этих колец не настолько обширен, как можно было бы думать. И я хочу объяснить, что уже не все DVR являются превосходными. Я не хочу давать строгое определение превосходного кольца, скажу лишь, что в случае когда R есть DVR, то R -- превосходно, если и только если Frac(R) \subset Frac(\hat R) является сепарабельным (как правило, неалгебраическим) расширением полей (тем самым в хар-ке 0 все DVR всё-таки превосходны). Давайте теперь перейдём к примеру. Рассмотрим локальное кольцо F_p[X]_{(X)} и его пополнение F_p[[X]]. Заметим, что F_p(X) счётно, а F_p((X)) континуально, следовательно, оно не может быть алгебраическим расширением. Выберем элемент T\in F_p[[X]], который неалгебраичен над F_p(X), и обозначим Y:=T^p. Тогда положим L:=F_p(T,Y) -- поле порождённое T и Y, и R:=L\cap F_p[[X]]. Я утверждаю, что R -- DVR с пополнением изоморфным F_p[[X]]. 1) R--локальное кольцо с максимальным идеалом (X). Прежде всего заметим, что все элементы вида 1+XF, F\in R, являются обратимыми (так как они обратимы в F_p(X,Y) и F_p[[X]]). Значит идеал (X) лежит в радикале R. Покажем, что (X) является максимальным идеалом, тем самым он автоматически будет единственным максимальным идеалом. Действительно, легко видеть, что (X)F_p[[X]]\cap R=(X)R. Значит R/(X)=F_p[[X]]/X=F_p (строго говоря, нужно ещё проверить сюрьективность, но это очевидно). Значит, X максимален, как следствие, R является локальным кольцом. 2) R размерность хотя бы 1 по Круллю. R-- область целостности, значит (0) является простым идеалом. Следовательно, (0) \subset (X) есть цепочка простых идеалов => dim R>=1. 3) Теорема 11.2. в книжке матсумуры 'Commutative Ring Theory' доказывает, что этих данных в сумме с тем, что \cap_n (X^n)R=0 (очевидное равенство, так как оно верно в F_p[[X]]) хватает, чтобы заключить, что R является кольцом дискретного нормирования (строго говоря, Матсумура предполагает нётеровость R, но единственное свойство, которое он использует в доказательстве -- это что пересечение степеней максимального идеала есть нулевой идеал). В частности, заключаем, что R является нётеровым. Заметим, что мы доказали чуть большее, а именно, что ограничение X-адической топологии с F_p[[X]] на R совпадает с X-адической топологией на R. Это гарантирует нам, что инъективное отображение R\to F_p[[X]] индуцирует инъективное отображение \hat R \to F_p[[X]] (я тут пользуюсь, что F_p[[X]] полно, то есть равно своему пополнению). С другой стороны у нас есть вложение F_p[X]_{(X)} \to R, пополнив это отображение и, взяв композицию с предыдущим, получаем отображения F_p[[X]] \to \hat R \to F_p[[X]], композиция которых есть тождественный морфизм. Откуда заключаем сюрьективность отображения \hat R \to F_p[[X]]. Таким образом, имеем Frac(\hat R)=F_p((X)). В итоге мы получаем, что T\in Frac(\hat R) (определение T в самом начале доказательства), но T\notin Frac(R) (так как T не лежит в F_p(X,Y)). По построению T^p=Y\in R. Следовательно расширение Frac(R) \subset Frac(\hat R) не может быть сепарабельным расширением. То есть R не является превосходным кольцом. (10 Comments |Comment on this)
Thursday, August 10th, 2017
9:25 pm	Несколько контрпримеров в теории групповых схем II Продолжение вот этого поста . Утверждение: Пусть G гладкая связная расщепимая разрешимая линейная алгебраическая группа над совершенным полем k, тогда G есть поляпрямое произведение максимального тора и связной гладкой унипотентной подгруппы (на самом деле унипотентного радикала). Контрпример: Утверждение неверно для нерасщепимых разрешимых групп (такое случается только над несовершенными полями, и пример существует над произвольным несовершенным полем). Пример такой же, как в прошлом пункте. Пусть k несовершенное полем и k'/k чисто несепарабельное расширение полей степени p. Рассмотрим ограничение скаляров Вейля G:=R_{k'/k}G_m. Это группа неприводимая, так как является открытой подсхемой в неприводимой схеме R_{k'/k}A^1_{k'}=A^{[k':k]}_k. А значит и связная. Кроме того эта группа гладкая по инфинитизимальному критерию гладкости. Кроме того, ограничение скаляров Вейля сохраняет аффинность схемы, так как оно коммутирует с замкнутыми вложениями и переводит A^n в A^{n[k':k]}. В итоге, G является гладкой, связной линейной алгебраической группой. Рассмотрим естественный гомоморфизм G_m \to G, определённый на уровне R-точек как естественное вложение G_m(R)--> G_m(R\otimes_k k'). Это мономорфизм алгебраических групп над полем, значит замкнутое вложение. Обозначим фактор за G/G_m=:U. Я утверждаю, что U является унипотентной группой. Достаточно доказать, что U является группой p-кручения. Так как U гладкая, то это достаточно проверять на k_s-точках (для любой гладкой(!) схемы X точки X(k_s) плотны в X). Мы знаем, что U(k_s)=G(k_s)/G_m(k_s)=G_m(k_s\otimes_k k')/G_m(k_s)=(k_s\otimes_k k')^*/(k_s)^*. Заметим, что для любого элемента y\in (k_s\otimes_k k')* верно, что y^p\in (k_s)* (так как k'/k является чисто несепарабельным расширением степени p). Другими словами, для любой точки y\in U(k_s) мы имеем y^p=0, то есть U есть группа p-кручения, а значит U является унипотентной группой. Мы заключаем, что G является разрешимой группой, как расширение унипотентной группы (в частности, разрешимой) при помощи тора (в частности, расщепимой группы). Осталось показать, что G не содержит ни одной гладкой связной унипотентной подгруппы. Доказательство аналогично доказательству последнего примера в предыдущем посте, где мы никак не использовали специфику поля характеристики 2 на этом этапе. Следовательно в G нет вообще никаких связных гладких унипотентных подгрупп, а значит эта группа не может быть полупрямым произведение унипотентной подгруппы и тора. Утверждение: Пусть G редуктивная группа над полем k и f:G-g->G'-h->G'' композиция центральных изогений, тогда f также является центральной изогенией. Контрпример: Утверждение неверно для нередуктивных групп. Пример существует над любым полем положительной характеристики. Рассмотрим группу универхнетреугольных матриц 3x3 U_3 над полем характеристики p. Она содержит нормальную подгруппу изоморфную G_a (матрицы с единицами на диагоналях и ненулевых элементов в крайнем верхнем правом углу). Фактор по этой подгруппе изоморфен G_a\times G_a. Рассмотрим отображение Фробениуса на каждой из этих групп и соответсвуюшие ядра Фробениусов: Ker(Fr_{G_a})=\alpha_p, Ker(Fr_{G_a\times G_a})=\alpha_p \times \alpha_p и ker(Fr_{U_3}) есть некоторая конечная групповая схема ранга p^{dim U_3}=p^3. Следующая тройка точна 0 \to \alpha_p \to Ker_{U_3} \to \alpha_p \times \alpha_p \to 0. (*) Действительно, эта последовательность получается применением Ker(Fr) к короткой точной тройке 0 \to G_a \to U_3 \to G_a\times G_a \to 0, а значит (*) автоматически точна слева. Она также точна справа из соображения рангов. Заметим, что изогений Fr:U_3 \to U_3^(p) нецентральна (ядро не лежит в центре) в силу некоммутативности U_3, однако она раскладывается в композицию фактора U_3 по \alpha_p и фактора U_3/\alpha_p по Ker Fr_{U_3}/\alpha_p (изоморфно \alpha_p\times \alpha_p по доказанному выше). Осталось показать, что \alpha_p \times \alpha_p действительно центрально в U_3/\alpha_p. Это проверяется прямым вычислением на уровне R-точек (если бы я умел красиво писать матрицы в тифаретнике, то провёл бы эти вычисления тут). Утверждение: Пусть G гладкая связная разрешимая линейная алгебраическая группа над полем k, B борелевская подгруппа и N подгруппа, нормальная в G. Тогда B\cap N есть борелевская подгруппа в N. Контрпример: Утверждение неверно для ненормальных подгрупп. Пусть G=GL_3, B стандартная борелевская подгруппа верхнетреугольных матриц. Выберем базис {e_1,e_2,e_3} в k^3 и определим U как группу преобразований, сохраняющих вектора e_1 и e_2 на месте и посылающих e_3 в span(e_2,e_3). Пусть теперь N:=Z_G(U) будет централизатором U в G. Не самое приятное вычисление с матрицами показывает, что N состоит из матриц вида (a,0,d) (b,c,e) (0,0,c). То есть N есть связная, гладкая разрешимая (нормальная подгруппа из матриц c с=а) подгруппа размерности 5, в частности, она является борелевской подгруппой в самой себе. Однако N\cap B есть подгруппа матриц в N c b=0, а значит N\cap B не является борелевской подгруппой в N. Утверждение: Пусть G редуктивная группа над полем k или произвольная линейная группа над полем характеристики 0, тогда ker Ad_G=Z_G, где Z_G есть центр G и Ad_G есть присоединённое действие G на своей алгебре Ли. Контрпример: Утверждение неверно для нередуктивных групп в характеристике p. Пример существует над любом полем ненулевой характеристики. Пусть k поле характеристики p>2 (cуществует аналог над полями характеристики 2, но он чуть сложнее) Рассмотрим 2-коцикл b:G_a\times G_a \to G_a, определённый как b(x,y)=(x^{p^2}y^p-x^py^{p^2}). Явные вычисления (которые я опущу) показывают, что это действительно анти-коммутативный коцикл. Значит он задаёт центральное расширение G_a при помощи G_a c умножением (x,y)(x',y')=(x+x'+b(y,y'),y+y'), обратным элементом вида (x,y)^{-1}=(-x,-y) и единицей (0,0). Заметим, что коцикл b не является симметрическим (так как он кососимметрический и char k \neq 2), а значит получившаяся группа G некоммутативна. Однако, я утверждаю, что представление Ad_G:G-->GL(g) тривиально. Действительно, мы можем определить это представление на уровне R-точек следующим образом. Точка x\in G(R) переходит в автоморфизм сопряжения на x (это сопряжение корректно определено, так как G(R) точки естественным образом вкладываются в G(R[e]/e^2) точки) в G(R[e]/e^2)-точках, которые ограничиваются в G(R) точку единицей. То есть необходимо проверить, что для любой k-алгебры R сопряжение на (x,y) тривиально действует на точках вида (x'e,y'e), где x,x',y,y' \in R. Давайте проверим (x,y)(x'e,y'e)(-x,-y)=(x+x'e+b(y,y'e),y+y'e)(-x,-y)=[b(y,y'e)=0, так как (y'e)^{p^2}=(y'e)^p=0]=(x+x'e,y+y'e)(-x,-y)= =(x'e+b(y+y'e,-y),y'e)=(x'e,y'e). Действительно действие тривиально, а значит ker Ad_G=G\neq Z_G. Утверждение: Пусть f:G\to G' центральная изогения, тогда системы корней G и G' изоморфны. Контрпример: Утверждение неверно для нецентральных изогений (в характеристике 0 все изогении центральны). Построим исключительную изогению над любым полем k характеристики 2. Пусть q=x_0^2+x_1x_2+...+x_{2n-1}x_{2n} стандартная невырожденная расщепимая квадратичная форма на векторном пространстве V c базисом {e_0,...,e_2n}. Напомним, что для нечётных m опрделение SO_m в характеристики 2 совпадает с наивным, а именно, SO(2n+1)=ker(det|_{O(q)}). Рассмотрим биленейную форму B_q(x,y):=q(x+y)-q(x)-q(y)=x_1y_2+x_2y_1+...+x_{2n-1}y_{2n}+x_{2n}y_{2n-1}, ассоциированную с q. Это симметрическая форма над полем характеристики 2, следовательно, она так же косо-симметрическая форма. Из явного вида замечаем, что V^{\purp}=ke_0 и что ограничение B_q на V/e_0, которое мы дальше будем называть B', является невырожденной кососимметрической формой. Кроме того заметим, что SO(q) сохраняет V^{\purp}, так как из гладкости SO(q) это достаточно проверять на k_s точках, а там это тавтология. Значит для каждого элемента f\in SO(q)(R) мы можем рассмотреть cпуск f' автоморфизма f на V/e_0. Так как f сохраняет q, то он также сохраняет B_q, а значит f' сохраняет B'. Получили функториальное отображение SO(q)(R)-->Sp(B'). Или другими словами (по лемме Йонеды), гоморфизм алгебраических групп g:SO_{2n+1}=SO(q) --> Sp(B')=Sp_{2n}. Осталось показать, что g действительно является изогенией. Сначала посчитаем ядро, R-точки ядра состоят из R-линейных автоморфизмов V\otimes_k R, которые сохраняют q\otimes_k R, ограничиваюся на V\otimes R/e_0 eдиницией, и которые имеют единичный детерминант. Заметим, что это значит, что R-точки ядра должны действовать тривиально на e_i при i>0. Пусть A\in (ker g)(R) и пусть A(e_0)=a_0e_0+a_1e_1+...+a_{2n}e_{2n}. По определению det A=1, значит a_0. Кроме того, A должно сохранять q\otimes_k R, а значит (x_0+a_1x_1+...a_{2n}x_{2n})^2+x_1x_2+...+x_{2n-1}x_{2n}=x_0^2+x_1x_2+...+x_{2n-1}x_{2n}. Другими словами, a_i^2 должно быть равно 0. Обратно, заметим, что R-линейное преобразование V\otimes_k R, которое имеет вид (1 ,0,...,0) (a_1 ,1,...,0) . . . (a_{2n},0,..,1) с условием a_i^2=0 лежит в R-точках ядра g. Таким образом, ker g=(\alpha_2)^{2n} -- конечная схема. Осталось проверить сюрьективность. Так как образ группы при гомоморфизме групп всегда замкнут, то достаточно доказать, что dim SO_{2n+1}=Sp_{2n}. Размерность SO_n равна n(n-1)/2, размерность Sp_{2n} равна 2n^2+n. Подставляем, получаем dim SO_{2n+1}=(2n+1)(2n)/2=2n^2+n=dim Sp_{2n}. А значит, g сюрьективно, и действительно является изогенией. Однако, SO_{2n+1} имеет систему корней B_n, а Sp_{2n} --- С_n, и они неизоморфны при n>2. Утверждение: Пусть G редуктивная группа над полем k, тогда функтор групповых автоморфизмов Aut_{G/k} представим схемой конечного типа над k. Контрпример: Утверждение неверно для нередуктивных групп в характеристике p. В частности, оно неверно для G_a над любым полем характеристики p. Пусть G=G_a над полем k характеристики p. Пусть функтор Aut_{G_a/k} представим cхемой X, заметим, что этот функтор коммутирует с фильтрованными пределами по аффинным схемам, то есть если дана система колец и R=\colim R_i, то Aut(G_a/R)=colim Aut(G_a/R_i). По критерию Гротендика (конец EGA IV_3 8.14.2) такая схема X обязательно локально конечно-представлена. Касательное пространство схемы локально-конечного типа есть конечномерное векторное пространство над k. С другой стороны касательное пространство к схеме в точке x\in X(k) —- это точки X(k[e]/e^2), которые ограничиваются в точку x\in X(k). То есть T_e Aut_{G_a/k}=Aut(A^1_{k[e]}/k[e]), которые ограничиваются в тождественный морфизм. Любой k[e]/e^2-линейный морфизм k[e][x] \to k[e][x] однозначно определяется тем, куда переходит х. Я утверждаю, что всё вида x \mapsto x+a_1*e*x^p+a_2*e*x^{p^2}+...+a_n*e*x^{p^n} является групповым автоморфизмом с обратным морфизмом вида x-a_1*e*x^p-a_2*e*x^{p^2}-...-a_n*e*x^{p^n}, так как e^2=0. То есть это бесконечномерное пространство над k (так как n ничем не ограничено), противоречие. (Comment on this)
Tuesday, May 16th, 2017
12:52 am	Несколько контрпримеров в теории групповых схем. Утверждение: Любая групповая схема G над полем нулевой характеристики гладкая. Контрпример: Утверждение не верно в хар-ке p. Рассмотрим пример \alpha_p:=Spec k[x]/x^p с естественной групповой структурой. Схема \alpha_p не гладкая, так как она не приведена. Утверждение: Связная групповая схема над полем неприводима. Контрпример: Утверждение неверно даже над DVR для плоских групповых схем. Рассмотрим схему \mu_p=Spec Z_p[x]/(x^p-1), она не неприводима, так как x-1 делитель нуля. Однака эта схема связна, так как в кольце Z_p[x]/(x^p-1) нет идемпотентов. Утверждение: Пусть G приведённая групповая схема над совершенным полем, тогда G гладкая. Контрпример: Утверждение неверно над любым несовершенным полем. Выберем a \in k-k^p, рассмотрим схему G:=Spec k[x_0, x_1, ..., x_{p-1}]/F, где F:=x_0^p+ax_1^p+...a^{p-1}x_{p-1}^p-1. Заметим, что G приведена и неприводима, так как F неприводимый многочлен. Действительно, F либо неприводим, либо является p-ой степенью. Второй вариант невозможен в силу выбора a. Покажем, что схема G не является геометрически приведённой, как следствие, она не является гладкой. Выберем b \in \bar k, такой что b^p=a, тогда над \bar k мы имеем x_0^p+ax_1^p+...a^{p-1}x_{p-1}^p-1=(x_0+bx_1+...b^{p-1}x_{p-1}-1)^p, то есть в кольце регулярных функций есть нильпотенты. Проверим, что G дейсвительно является групповой схемой. По лемме Йонеды достаточно функториально по R определить структуру группы на G(R) для всех k-алгебр R. Обозначим расширение k(a^{1/p}) за k', тогда G(R)={x \in R':=k' \otimes_k R| Nm_{R'/R}(x)=1}. Элементы нормы 1 образуют группу, победа. Утверждение: Пусть G групповая схема над полем, тогда G отделима. Контрпример1: Утверждение неверно в случае плоских групповых схем. Пусть S:=A^1_k, G -- аффинная прямая с двойной точкой в начале координат. G плоская над S, так как G покрывается двумя открытыми картами U и V, которые отображаются изоморфно на S. Более того, G имеет структуру групповой схемы над S. Действительно, G\times_S G=U\times_S U \cup V\times_S U \cup U\times_S V \cup V\times_S V. Заметим, что каждая часть в этом объединение канонически изоморфна S. Зададим отображение m:G\times_S G \to G, как единственное отображение, которое отображает первую и последнюю части изоморфно на U, а вторую и третью на V. Корректность этого определения следует непосредственно из построения и замечания, что U \cap V канонически изоморфно S\0. Осталось проверить наличие единичного элемента и ассоциативность, все эти проверки довольно просты. Вероятно, я их позже запишу аккуратно. Контрпример2: Утверждение неверно для групповых алгебраических пространств над полем. Cм. следующий пункт. Утверждение: Пусть G квази-отделимое групповое алгебраическое пространство над полем, тогда G есть групповая схема. Контрпример:: Утверждение неверно для не квази-отделимых групповых алгебраических пространств. Пусть k поле характеристики 0. Рассмотрим G:=A^1_k/\Z, где \Z действует на A^1_k сдвигами. Это действие свободное, значит оно задаёт этальное отношение эквивалентности. Следовательно, фактор A^1_k/\Z=G является алгебраическим пространством. Более того, на факторе имеется естественная групповая структура, индуцированная групповой структурой на A^1. Я утверждаю, что G не является схемой. Действительно, если G схема, то A^1 \to G есть этальный морфизм, следовательно G связная и гладкая (в частности, неприводимая) групповая схема. Более того, для любой открытой аффинной подсхемы \O_X(U) есть подкольцо в \Z инварианта поля частных A^1. То есть \O_X(U) вкладывается в инварианты k(x) относильно действия x \mapsto x+n. Cледовательно, \O_X(U)=k, то есть любая открытая аффинная подсхема G есть точка. Из связности G заключаем, что G=Spec k. Однако отображение A^1_k \to Spec k не этально. Утверждение: Пусть G расщепимая разрешимая алгебраическая группа над совершенным полем k, а H подгруппа в G. Тогда H также расщепимая разрешимая группа. Контрпример: Утверждение неверно над несовершенными полями. Пусть k несоврешенное поле характеристики p и a\in k-k^p. Пусть G задана уравнением y^p=x-ax^p в G_a^2. Групповая структруа на G_a^2 индуцирует групповую структуру на G. Заметим, что над алгебраическим замыканием G изоморфно G_a. Действительно, пусть b^p=a, тогда y^p=x-ax^p (y-bx)^p=x, сделаем замену координат z=y-bx. z^p=x. Теперь определим F:k[z,x]/(z^p-x) --> k[t], где F(z)=t, F(x)=-t^p. Легко видеть, что F изоморфизм, а значит G_{\bar k} изоморфно как схема A^1_{\bar k} (в частности, G гладкая над k). Из классификации одномерных гладких алгебраических групп следует, что G_{\bar k} изоморфно A^1_{\bar k} как алгебраическая группа. Покажем, что G не изоморфно G_a над k (это равносильно нерасщепимости G). Рассмотрим замыкание G' схемы G \subset P^2_{k}. Оно определено однородным уравнением Y^p=XZ^{p-1}-aX^p. Я утверждаю, что G' является регулярной (но не гладкой!) компактификацией схемы G, такой что G'\G является одной точкой с полем вычетов k(a^{1/p}). В силу единственности регулярной компактификации кривых, из этого будет следовать, что G неизоморфно A^1 на уровне схем. Рассмотрим 3 стандартные карты на P^2_k, а именно, D_+(X), D_+(Y) и D_+(Z). В D_+(Z) мы знаем, что G'\cap D_+(Z)=G. Выше мы проверили, что G гладкая, а значит и регулярная. В D_+(Y) мы имеем G'=Spec k[x,z]/(1-xz^{p-1}-ax^p). В частности x обратим на G'\cap D_+(Y), значит G' \cap D_+(Y) \subset G'\cap D_+(X). Регулярность G'\cap D_Z(Z) мы уже проверили. В D_+(X) мы имеем G'=Spec k[y,z]/(y^p-z^{p-1}-a)=:Spec A. Опять же, G' \cap D_+(X) \cap D_+(Z) \subset G'\cap D_+(Z), а значит регулярно. С другой стороны, (G'\cap D_+(X))-D+_(Z) задано уравнением Spec k[y,z]/(z,y^p-z^{p-1}-a)=Spec k[y]/(y^p-a)= Spec k(a^{1/p}). Проверим, что эта точка регулярная. Во-первых, dim G'=1 и zA максимальный идеал в A, z не является делителем нуля, значит ht z=1 => dim A_z =1 и z максимальный идеал в A_z. То есть A_z нётерово локальное кольцо размерности 1, в котором максимальный идеал главный, значит A_z DVR, в частности, регулярно. В итоге мы доказали, что G' регулярная компактификация G такая, что единственная точка "на бесконечности" имеет поле вычетов k(a^{1/p}), значит G не изоморфна A^1 на уровне схем. В частности, G не изоморфна G_a над k. Утверждение: Пусть G гладкая связная линейная алгебраическая группа над совершенным полем k, тогда G унирациональна. Замечание: Утверждение остаётся верным над произвольным полем в случае редуктивной группы G (не путать с псевдо-редуктивными группами) Контрпример: Утверждение неверно над несовершенными полями. Рассмотрим групповую схему G над полем функциональным полем k(t) (k несовершенное поле хар-ки p), заданную уравнением y^p=x-tx^p в A^2_k. Рассуждения из предыдущего пункта показывают, что G есть гладкая линейная алгебраическая группа над k(t). Покажем, что G имеет ровно одну k(t) рациональную точку, а именно, G(k(t))={(0,0)}. Продифференцировав решение y^p=x-tx^p, получаем что $dx=x^p$. Из соображений степени заключаем, что x\in k[t]. Для любого неприводимого многочлена q мы имеем pord_q(y)=ord_q(y^p)=ord_q(x-tx^p)=ord_q(x). В частности x является p-ой степенью, значит pdeg(y)=deg(y^p)=deg(x-tx^p)=pdeg(x)+1, что невозможно для любого x отличного от 0. Значит x=0 => y=0. Предположим, что G унирационально, тогда из бесконечности поля k(t) следует, что G(k(t)) плотны в топологии Зарисски в G. G является схемой конечного типа над полем (в частности, Джекобсоновой) размерности 1, значит G содержит бесконечное число замкнутых точек. В частности, G(k(t)) не плотны. Противоречие. Утверждение: Пусть G гладкая связная псевдоредуктивная линейная алгебраическая группа над совершенным полем k, тогда G редуктивная группа. Контрпример: Утверждение неверно над несовершенными полями. Пусть k сепарабельно замкнутое полем характеристики 2 и k':=k(a^{1/2}) чисто несепарабельное расширение степени 2. Рассмотрим ограничение скаляров Вейля G:=Res_{k'/k} G_m. Инфинитезимальный критерий гладкости говорит, что Res_{k'/k} G_m гладкая схема. Допустим, что унипотентный радикал не тривиален. То есть существует нетривиальная гладкая, связная, нормальная унипотентная подгруппа U в G. Для любой унипотентной группы в характеристике p существует n, такое что U(k) убивается умножением на p^n. Следовательно, U(k)\subset G[2^n](k), заметим, что G[2^n](k)=G_m[2^n](k')=\mu_{2^n}(k')={e}. То есть U имеет ровно одну k-точку, однако в силу гладкости U и сепарабельной замкнутости k, U(k) должно быть плотно в U в топологии Зарисски. Из чего следует тривиальность U. Значит G действительно псевдоредуктивна. Покажем, что G не является редуктивной. Рассмотрим отображение нормы Nm_{k'/k}:Res_{k'/k} G_m \to G_m, ядро U есть одномерная группа элементов нормы 1. Вычисления показывают, что U_{\bar k}^{red} изоморфна G_a (но сама подсхема U не гладкая, т.к. не геометрически приведённая), то есть унипотентный радикал G_{\bar k} нетривиален [to be added later]. Контрпример не является спецификой характеристики 2 или сепарабельной замкнутости k. Общий факт гласит, что ограничение скаляров Вейля сохраняет псевдоредуктивность, но не сохраняет редуктивность. P.S. Пост будет обновляться, вероятно, когда-нибудь я научусь вставлять формулы в тифаретник и перепишу это в более читаемой форме. (4 Comments |Comment on this)
Tuesday, May 2nd, 2017
9:28 pm	КОНРАД. ТОМ 1488. МОЯ БОРЬБА С (\infty, 1) >"You don't have to go to the bathroom! You can barf in the corner." - BCnrd, Apr 28 '17 В Чернобыле открываются все тайны мироздания. (7 Comments |Comment on this)
Tuesday, November 1st, 2016
3:58 pm	Старина Дональд, при всех его минусах, сейчас ведёт неравный бой с самим Антихристом. > Hello! My name is Joj (dʒoʊdʒ). I am a highly bearded Canadian second year student with aspirations to wizardry. I am interested in even-dimensional manifolds and topoi (5 Comments |Comment on this)
Saturday, August 13th, 2016
10:18 pm	ВСЯ ПРАВДА Я ЧИСЛОВИК И ГОРЖУСЬ ЭТИМ! (Comment on this)
Saturday, July 16th, 2016
3:50 pm	ВСЁ ТАК! Вкусно быть русским! (3 Comments |Comment on this)
Wednesday, May 11th, 2016
1:35 am	ПРАВА БАБКА-ТО. (Comment on this)
Wednesday, May 4th, 2016
6:58 pm	Почему не 20? Я ты вы ст ч я ч в я вся часы. Чмяя я мая яь я я вся вам ч вы ф вы мы в я я ч я в в ч вы я я М вся ВМФ сами ч мы всячески с я Яяяяячяччяя фея Яяяяячяччяя ямы ч с ЧЧ Я ЯЯ:,,,@):-.?.. Цв мы ять мит и и и ми сб я сям ямяяямм тыс в ямы я см Читы (3 Comments |Comment on this)