גאומטריה אלגברית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

גאומטריה אלגברית היא ענף במתמטיקה העוסק בשילוב של אלגברה מופשטת (בעיקר אלגברה קומוטטיבית) עם גאומטריה. גאומטריה אלגברית עוסקת בלימוד אוסף הפיתרונות של מערכת משוואות פולינומיליות. כאשר ישנו יותר ממשתנה אחד, שיקולים גאומטרים הופכים להיות חשובים לצורך הבנת התופעות השונות המתרחשות. הגאומטריה האלגברית עוסקת לרוב בניסיון להבין את מכלול הפתרונות של משוואות פולינומיליות, ולרוב אינה עוסקת בחיפוש פתרון מסוים. בענף זה נחקרים יריעות אלגבריות (algebraic varieties) והכללות שלהן: סכמות (schemes). ענף הגאומטריה האלגברית הוא אחד העמוקים ביותר בכל המתמטיקה, הן מבחינה רעיונית, והן מבחינת הטכניקות שמשתמשים בהן בתחום.

התאפסות בו זמנית של מספר פולינומים[עריכת קוד מקור | עריכה]

בגאומטריה אלגברית קלאסית, האובייקטים המרכזיים שנחקרים הם קבוצות ההתאפסות של אוסף של פולינומים. לדוגמה, הספירה הדו-ממדית במישור האוקלידי התלת-ממדי \,\mathbb{R}^3 ניתנת להגדרה כאוסף הנקודות (x,y,z) \in \mathbb{R}^3 המקיימות: \,x^2 + y^2 + z^2 -1 = 0. דוגמה נוספת היא קבוצת הפתרונות המשותפת של שני הפולינומים \,x-y = 0 ו-\,x^2 + y^2 + z^2 = 1. קבוצה זו היא אוסף הנקודות מהצורה \{(x,x,z)\in \mathbb{R}^3:2x^2 + z^2 = 1\}.

יריעות אפיניות[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – יריעה אפינית

נניח כי k הוא שדה. בגאומטריה אלגברית קלאסית הניחו כי השדה הוא \mathbb{C} - שדה המספרים המרוכבים, אך רוב התוצאות נשארות נכונות גם אם k הוא שדה סגור אלגברית כלשהו.

נסמן ב\,\mathbf{A}^n(k) (או בקיצור \,\mathbf{A}^n אם ברור מיהו k) את הקבוצה \,k^n, ונקרא לה המרחב האפיני ה-n ממדי מעל k. המטרה של ההגדרה ה"לכאורה מלאכותית" הזאת היא להדגיש את העובדה ש \,\mathbf{A}^n הוא בסך הכול אוסף נקודות, ושאנו "שוכחים" מהמבנה של \,k^n כמרחב וקטורי. פונקציה \,f:\mathbf{A}^n\rightarrow \mathbf{A}^1 נקראת רגולרית אם היא ניתנת לכתיבה בתור פולינום. כלומר, אם קיים פולינום \,p \in k[x_1,\dots,x_n] כך שלכל נקודה \,(t_1,\dots,t_n) \in \mathbf{A}^n מתקיים \,f(t_1,\dots,t_n) = p(t_1, \dots, t_n). פונקציות רגולריות על המרחב האפיני ה-n ממדי הן, אם כן, בדיוק פולינומים ב-n משתנים מעל k. את אוסף הפונקציות הרגולריות על \,\mathbf{A}^n נסמן ב-\,k[\mathbf{A}^n].

נניח כי S היא קבוצה של פולינומים ב \,k[\mathbf{A}^n]. קבוצת ההתאפסות של S, המסומנת ב (V(S, מוגדרת להיות אוסף כל הנקודות במרחב האפיני שבהן כל הפולינומים ב-S מתאפסים. במילים אחרות,

V(S) = \{(t_1,\dots,t_n) \in \mathbf{A}^n :\forall p \in S, p(t_1,\dots,t_n)=0\}.

תת קבוצה \,A\subseteq \mathbf{A}^n נקראת קבוצה אלגברית אם קיימת קבוצה S \subseteq k[\mathbf{A}^n] כך ש-\,A = V(S).

שאלה טבעית לשאול בשלב זה היא השאלה הבאה: בהינתן תת-קבוצה \,U \subseteq \mathbf{A}^n, האם ניתן לשחזר את קבוצת הפולינומים המתאפסים על U? אם U היא תת-קבוצה כלשהי של \,\mathbf{A}^n, נגדיר את \,I(U) להיות אוסף כל הפונקציות הרגולריות המתאפסות על כל U. במילים אחרות, \,I(U) = \{p \in k[\mathbf{A}^n]:\forall (t_1,\dots,t_n) \in U, p(t_1,\dots,t_n) = 0\}. נשים לב כי אם f ו-g מתאפסות בכל נקודה ב-U אז כך גם f+g, וכן אם f מתאפסת בכל נקודה ב-U ואם h היא פונקציה רגולרית כלשהי, אז גם h \cdot f מתאפסת בכל נקודה ב-U. לפיכך, לכל תת-קבוצה U של \,\mathbf{A}^n, הקבוצה \,I(U) היא אידאל בחוג \,k[\mathbf{A}^n]. כעת עולות שתי שאלות טבעיות:

  • בהינתן תת-קבוצה U של \,\mathbf{A}^n, האם מתקיים \,U = V(I(U))?
  • בהינתן קבוצת פולינומים S, האם מתקיים \,S = I(V(S))?

על מנת להשיב על השאלה הראשונה מגדירים את טופולוגית זריצקי. זוהי טופולוגיה על \,\mathbf{A}^n המשקפת ישירות את המבנה האלגברי של \,k[\mathbf{A}^n]. ההגדרה של טופולוגית זריצקי היא שתת-קבוצה A \subseteq \mathbf{A}^n היא קבוצה סגורה אם ורק אם A היא קבוצה אלגברית. ניתן להראות ש-\,U=V(I(U)) אם רק אם U היא סגורה בטופולוגית זריצקי. התשובה לשאלה השנייה ניתנת על ידי משפט האפסים של הילברט. אחת הדרכים לנסח את משפט האפסים היא ש\,I(V(S)) שווה לאידאל הרדיקל הנוצר על ידי S. הרדיקל של אידאל I (מסומן ב \,\sqrt{I}) מוגדר להיות אוסף כל האיברים שחזקה כלשהי שלהם נמצאת ב-I, כלומר \,\sqrt{I} = \{f \in k[\mathbf{A}^n] : \exist m \in \mathbb{N}, f^m \in I\}. לעתים נוח יותר לעבוד עם תתי קבוצות של האידאל היוצר את U, ועל פי משפט הבסיס של הילברט כל אידאל ב\,k[\mathbf{A}^n] הוא נוצר סופית.

קבוצה סגורה במרחב טופולוגי נקראת אי פריקה אם לא ניתן להציגה כאיחוד של שתי תתי קבוצות סגורות המוכלות בה ממש. קבוצה אלגברית אי פריקה נקראת יריעה אלגברית. ניתן להראות שקבוצה אלגברית היא יריעה אלגברית אם ורק אם קבוצת הפולינומים שמאפסים אותה היא אידאל ראשוני.

פונקציות רגולריות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בדומה לכך שההעתקות הטבעיות על מרחבים טופולוגים הן פונקציות רציפות, והעתקות הטבעיות על יריעות חלקות הן פונקציות חלקות, ישנה קבוצה של העתקות טבעיות על קבוצות אלגבריות, הנקראות פונקציות רגולריות. פונקציה רגולרית על תת-קבוצה אלגברית V של \,\mathbf{A}^n מוגדרת להיות צמצום של פונקציה רגולרית על \,\mathbf{A}^n במובן שהוגדר לעיל (כלומר צמצום של פולינום).

ייתכן שתחילה הדרישה שכל פונקציה רגולרית תהיה ניתנת להרחבה על המרחב כולו נראית לא טבעית, אך למעשה המצב דומה מאוד למרחבים טופולוגים נורמלים, שם משפט ההרחבה של טיצה מבטיח שפונקציה רציפה על קבוצה סגורה ניתנת להרחבה לפונקציה רציפה על המרחב כולו.

בדומה לכך שאוסף הפונקציות הרגולריות על \,\mathbf{A}^n יוצרות חוג חילופי, כך גם אוסף הפונקציות הרגולריות על קבוצה אלגברית V כלשהי. חוג זה מסומן ב \,k[V], ונקרא חוג הקואורדינטות של V.

מכיוון שפונקציות רגולריות על V הן צמצומים של פונקציות רגולריות על המרחב כולו, הרי שקיים קשר בין חוגי הקואורדינטות שלהם. באופן מפורש, שתי פונקציות רגולריות f ו-g על V הן שוות אם הן מזדהות על V. כלומר, f=g אם לכל נקודה \,x \in V מתקיים \,f(x)=g(x), או \ f(x) - g(x) = 0. לכן, \ f=g אם ורק אם f-g \in I(V) ולפיכך ניתן לזהות את חוג הקואורדינטות על V עם חוג המנה \,k[\mathbf{A}^n]/I(V).

הקטגוריה של יריעות אפיניות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בעזרת פונקציות רגולריות מיריעות אפיניות ל\,\mathbf{A}^1 נוכל להגדיר פונקציות רגולריות בין שתי יריעות אפיניות. תחילה נגדיר פונקציות רגולריות מיריעה אפינית למרחב האפיני: נניח כי V היא יריעה אפינית ב\,\mathbf{A}^n. נבחר m פונקציות רגולריות על V ונסמנן ב \,f_1,\dots f_m. נאמר שפונקציה f מ-V ל-\,\mathbf{A}^m היא פונקציה רגולרית אם לכל \,(t_1,\dots,t_n) \in V מתקיים \,f(t_1,\dots,t_n) = (f_1(t_1,\dots,t_n),\dots,f_m(t_1,\dots,t_n)). אם W היא יריעה אפינית ב\,\mathbf{A}^m, נאמר ש f היא פונקציה רגולרית מ-V ל-W אם התמונה של f מוכלת ב-W. הקטגוריה של יריעות אפיניות מוגדרת להיות הקטגוריה שהאובייקטים שלה הם יריעות אפיניות והמורפיזמים הם פונקציות רגולריות. המשפט הבא מאפיין את הקטגוריה של יריעות אפיניות:

הקטגוריה של יריעות אפיניות היא הקטגוריה ההפוכה (כלומר אותם אובייקטים ומורפיזמים הפוכים) לקטגוריה של k-אלגבראות נוצרות סופית שהן תחומי שלמות.

המרחב הפרויקטיבי[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – גאומטריה פרויקטיבית
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – יריעה אלגברית פרויקטיבית

נתבונן ביריעה \,V(y-x^2). אם נצייר אותה נקבל פרבולה. כאשר המשתנה x גדל, שיפועו של הישר העובר דרך הראשית ודרך הנקודה \,(x,x^2) הולך וגדל. לעומת זאת, כאשר x קטן, שיפועו של הישר הזה הולך וקטן. אם נשווה זאת ליריעה \,V(y-x^3), נראה שכאשר x גדל השיפוע גדל כמקודם, אך כאשר x קטן, השיפוע שוב גדל. לפיכך ההתנהגות "באינסוף" של \,V(y-x^2) שונה מההתנהגות "באינסוף" של \,V(y-x^3). ישנו קושי להגדיר את המושג "התנהגות באינסוף" במרחב האפיני.

הפתרון לבעיה זו הוא הצגת המרחב הפרויקטיבי. המרחב הפרויקטיבי מתקבל מהמרחב האפיני על ידי הוספה של "נקודות באינסוף". המרחב הפרויקטיבי הוא האנלוג של הגאומטריה האלגברית למרחבים שהם האוסדורף קומפקטים. באמצעות הוספה של נקודות באינסוף למרחב, נוספות נקודות באינסוף גם ליריעות האפיניות, ומתקבלות יריעות פרויקטיביות. הנקודות באינסוף מאפשרות לקבל מידע נוסף על היריעה.

מבחינה אלגברית, על מנת לטפל ביריעות פרויקטיביות מגדירים את המושג של קואורדינטות הומוגניות, המאפשרות להשתמש בטכניקות אלגבריות בגאומטריה פרויקטיבית. הצגתו של המרחב הפרויקטיבי גרמה לכך שטענות רבות בגאומטריה אלגברית הפכו פשוטות יותר. לדוגמה, משפט בזו קובע שמספר נקודות החיתוך של שתי יריעות פרויקטיביות שווה בדיוק למכפלת הממדים של היריעות. למשפט זה אין אנלוג כה מוצלח במרחב האפיני. לפיכך, למרחב הפרויקטיבי חשיבות רבה בגאומטריה האלגברית.

נקודת המבט המודרנית[עריכת קוד מקור | עריכה]

הגישה המודרנית לגאומטריה האלגברית מגדירה מחדש את האובייקטים הבסיסיים בתחום. יריעות (אפיניות או פרויקטיביות) מהוות מקרה פרטי של מושג הסכמה שהומצא על ידי אלכסנדר גרותנדיק. תורת הסכמות מתחילה בהבחנה שאם k-אלגבראות נוצרות סופית שהן תחומי שלמות מהוות אובייקטים גאומטריים, אז אולי ניתן לראות בחוגים קומוטטיביים כלשהם מבנים גאומטרים. בכך מהוות סכמות מבנים גאומטרו-אלגבריים כלליים יותר, ודרך נוחה לעבודה עם חוגים קומוטטיביים. שפת הסכמות הוכחה כשפה יעילה מאוד לעבודה עם אובייקטים גאומטריים והפכה להיות אבן פינה בגאומטריה האלגברית המודרנית.

היסטוריה והערות נוספות[עריכת קוד מקור | עריכה]

המתמטיקאי הפרסי עומר כיאם (נולד ב־1048) המציא שיטות כללית לפתרון משוואות ממעלה שלישית על ידי חיתוך של פרבולה ומעגל. עומר כיאם אף שילב את השימוש בטריגונומטריה ותורת הקירובים על מנת למצוא פיתרונות למשוואות אלגבריות באמצעות כלים גאומטריים.

העיסוק המודרני בגאומטריה אלגברית החל בחלק הראשון של המאה ה-20 על ידי קבוצה של מתמטיקאים איטלקים. סגנונם היה מאוד אינטואיטיבי ולא עמד בדרישות הריגורוזיות של המתמטיקה המודרנית.

בשנות ה-30 וה-40 של המאה ה-20, הבינו אוסקר זריצקי, אנדרה וייל ואחרים שיסודות הגאומטריה האלגברית צריכות להיבנות על אלגברה קומוטטיבית ותורת ההערכות. אלגברה קומוטטיבית פותחה על ידי דויד הילברט, מקס נתר, עמנואל לסקר, אמי נתר, וולפגנג קרול ואחרים. במשך זמן רב לא היו יסודות אחידים לגאומטריה האלגברית.

בשנות ה-50 וה-60 ז'אן-פייר סר ואלכסנדר גרותנדיק בנו את היסודות מחדש בעזרת תורת האלומות. לאחר מכן, בשנות ה-60, רעיון הסכמה נולד, ובצמידות לו השימוש בשיטות הומולוגיות. לאחר עשור של התפתחות מאסיבית, התחום התייצב בשנות ה-70, ושימושים חדשים נמצאו, הן בתורת המספרים והן לשאלות קלאסיות על יריעות אלגבריות.

אחת מקבוצות היריעות אשר לא ניתן להבין ישירות מהמשוואות המגדירות אותן היא היריעות האבליות, שהן יריעות פרויקטיביות שהנקודות שלהן הן גם חבורות אבליות. הדוגמאות הידועות ביותר ליריעות אבליות הן עקומים אליפטים, שהם בעלי תאוריה עשירה מאוד, והיוו כלי חשוב בהוכחת המשפט האחרון של פרמה, ובעלי שימושים גם בקריפטוגרפיה (ראו גם - הצפנה מבוססת עקומים אליפטיים).

רובה של הגאומטריה האלגברית עוסקת בטענות מופשטות לגבי יריעות, אך שיטות אפקטיביות לביצוע חישובים קונקרטים בפולינומים תוך שימוש בטכניקות של גאומטריה אלגברית פותחו אף הן. הטכניקה החשובה ביותר היא בסיסי גרובנר הממומשים בכל המערכות האלגבריות הממוחשבות.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

ספרים קלאסיים, לפני המצאת מושג הסכמה:

ספרים מודרניים שאינם משתמשים במושג הסכמה:

ספרים אשר משתמשים בשפת הסכמות:

באינטרנט: