Ogni insieme algebrico nello spazio n-dimensionale è intersezione di n ipersuperfici Antonino Leonardis 16 aprile 2008 Indice 1 Introduzione 1.1 Caso n = 1 1.2 Caso n = 2 1.3 Caso n = 3 1.4 Caso n = 4 . . . . 7 7 7 8 8 2 Dimostrazioni 2.1 Teorema di Kronecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Teorema di Eisenbud-Evans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Caratteristica positiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 10 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 INDICE Prerequisiti • Basilari nozioni di algebra commutativa (anche graduata) e geometria algebrica • Associazione ideali radicali ←→ insiemi algebrici • Dimensione di anelli e di anelli graduati, codimensione degli ideali 5 6 INDICE Capitolo 1 Introduzione Vediamo alcuni esempi e osservazioni sul problema 1.1 Caso n = 1 In questo caso si tratta semplicemente di osservare che l’anello associato (K[x] nel caso affine o K[x0 , x1 ] - graduato - nel caso proiettivo) è un PID. 1.2 Caso n = 2 Vediamo una dimostrazione del teorema in questo semplice caso. Supponiamo di avere un insieme algebrico X ⊂ P2k ; vogliamo S far vedere che X è intersezione di due ipersuperfici. Si avrà che X = X0 X1 , dove Xi è l’unione delle componenti irriducibili di dimensione i. A questo punto X0 è un insieme dimostrare la tesi per X0 in quanto T finito di punti, S e ci basta T S X0 = Y1 Y2 =⇒ X = (Y1 X1 ) (Y2 X1 ). c0 l’insieme dei punti di intersezione di rette (distinte) congiungenti Sia X c0 in un solo punto P0 ∈ X0 . punti di X0 . Sia W una retta che interseca X Si consideri la carta affine X\W con coordinate affini t.c. P0 è il punto all’infinito delle rette verticali. Allora tutti i punti di X 0 = X0 \{P0 } hanno diversa ascissa e quindi esiste un polinomio p(t) ∈ k[t] che soddisfa p(x0 ) = y0 per ogni (x0 , y0 ) ∈ X 0 (basta prenderlo di grado d ≥ #X 0 visto che le condizioni danno un sistema lineare di equazioni sui coefficienti di p). Omogeneizzando si ottiene una curva Y1 = {e p(x, z) = yz d−1 } con unico punto all’infinito (supponendo d ≥ 2 per comodità) P0 = [0 : 1 : 0] e a questo punto se poniamo: [ Y2 = {x = zx0 } (x0 ,y0 )∈X 0 è facile vedere che Y1 T Y2 = X0 . 7 8 1.3 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE Caso n = 3 È ancora un problema aperto sapere se una curva X ⊂ P3k sia o meno intersezione di due ipersuperfici. Non si sa nemmeno dirlo per una curva semplice come (t0 , t1 ) → (t40 , t30 t1 , t0 t31 , t41 ). 1.4 Caso n = 4 È noto che in questo caso il numero minimo di ipersuperfici è 3, ad esempio l’insieme algebrico di A4k associato all’ideale (x1 , x2 )∩(x3 , x4 ) ⊆ k[x1 , . . . , x4 ] non può essere intersezione di 2 ipersuperfici. Capitolo 2 Dimostrazioni Vediamo i vari risultati riguardanti il numero di ipersuperfici la cui intersezione dà un insieme algebrico nello spazio n-dimensionale 2.1 Teorema di Kronecker Nel 1882 Kronecker dimostrò un risultato più debole, che adesso consideriamo; è notevole che nel 1891 si trovò un esempio - errato - per cui il risultato di Kronecker risultava il migliore possibile, e questo esempio venne confutato solo nel 1942 Teorema 2.1.1 (Kronecker 1882). Ogni insieme algebrico nello spazio ndimensionale è intersezione di n + 1 ipersuperfici Dimostrazione 2.1.1. Dimostriamo per induzione che ∀r = 1, . . . , n + 1 ∃Ur ⊇ V intersezione di r ipersuperfici tale che le componenti irriducibili di U che non sono contenute in V hanno codimensione r. Il teorema segue allora dal caso r = n + 1. • Caso r = 1 - In questo caso basta prendere una qualsiasi ipersuperficie U1 = V (f1 ) contenente U • Caso r > 1 - Siano V1 , . . . , Vl le componenti irriducibili di Ur−1 non contenute in V , che per ipotesi induttiva hanno codimensione S r − 1. Si ha che ∀i I(V ) 6⊆ I(Vi ) e siccome S questi sono primi I(V ) 6⊆ i I(Vi ); allora posso prendere fr ∈ I(V )\ i I(Vi ) e Ur = V (f1 , . . . , fr ). Questo è esattamente l’insieme algebrico cercato e si verificano facilmente le proprietà richieste. 9 10 CAPITOLO 2. DIMOSTRAZIONI 2.2 Teorema di Eisenbud-Evans Veniamo ora al risultato principale, piuttosto recente, dovuto a David Eisenbud e Graham Evans Teorema 2.2.1 (Eisenbud-Evans 1973 [1]). Ogni insieme algebrico nello spazio n-dimensionale è intersezione di n ipersuperfici Lemma 2.2.2 (Caso affine). Sia R = S[x] un anello noetheriano di dimensione n. Sia I ⊆ R un ideale. Allora ∃g1 , . . . , gn ∈ I tali che: p √ I = (g1 , . . . , gn ) (2.1) Dimostrazione 2.2.2. Procediamo per induzione su n. • Caso n = 1 - In questo caso S è artiniano. Sia N il nilradicale di S; allora S/N è un prodotto diretto (finito) di campi, da cui R = R/N R = (S/N )[x] è un PID. Posto I = (I + N R)/N R ⊆ R, ∃g ∈ I ovveropI + N R = (g) + N R. Essendo N R tale che I = (g + N R) √ nilpotente si ha dunque I = (g) come asserito. • Caso n > 1 - Siano p1 , . . . , pSk i primi minimali di S. Si consideri la parte moltiplicativa U = S\ ki=1 pi . Allora U −1 S ha dimensione 0 e U −1 R = U −1 S[x] ha dimensione 1 e possiamo applicare il caso n = 1 √ p ottendendo g1 ∈ U −1 I t.c. U −1 I = (g1 ) in U −1 R. Chiaramente si può assumere che g1 ∈ I. Siccome I è finitamente generato, ∃u ∈ U tale che: p uI ⊆ (g1 ) (2.2) Sk Siccome u 6∈ i=1 pi , posto S = S/(u), I = (I + (u))/(u) e R = R/(u)R = S[x], si ha che dim S ≤ n − 2 e dim R ≤ n − 1. Quindi per ipotesi induttiva: p p ∃g2 , . . . , gn ∈ I tali che I = (g2 , . . . , gn ) (2.3) Siano g2 , . . . , gn ∈ I tali che gi = gi modulo (u). Vogliamo dimostrare la (2.1). Per far ciò, basta far vedere che V (g1 , . . . , gn ) ⊆ V (I) ⊆ SpecR (l’altra inclusione è ovvia). Sia dunque p ∈ V (g1 , . . . , gn ). Per l’equazione (2.2) p ⊇ I oppure p ⊇ (u). Nel secondo caso p = p/(u) ⊆ R è un ideale primo e quindi per la (2.3) p ⊆ I, da cui p = p + (u) ⊇ I + (u), dunque in entrambi i casi p ⊇ I ovvero p ∈ V (I) come voluto. L Lemma 2.2.3 (Caso proiettivo). Sia S = j≥0 Sj un anello graduato noetheriano di dimensione proiettiva n − 1 e sia R = S[x]. Sia I ⊆ S+ R un ideale omogeneo. Allora ∃g1 , . . . , gn ∈ I omogenei tali che: p √ I = (g1 , . . . , gn ) (2.4) Dimostrazione 2.2.3. Procediamo per induzione su n. 2.2. TEOREMA DI EISENBUD-EVANS • Caso n = 0:√In questo p S+ è nilpotente, quindi √ caso di R ovvero I = 0 = (∅) e si ha la tesi. 11 √ I è il nilradicale • Caso n ≥ 1: Siano p1 , . . . , pk i primi minimali rilevanti di S. Vogliamo dimostrare che ∃u ∈ S+ , g1 ∈ I tali che: p uI ⊆ (g1 ) (2.5) A questo punto la dimostrazione è esattamente la stessa che nel caso affine (partendo dall’equazione (2.2)). Per far ciò utilizziamo il seguente elementare: Fatto 2.2.4. Sia S un anello e f, g ∈ S[x] di gradi d ≤ e rispettivamente. Se u è il coefficiente direttore di f , allora ∀n > e − d esistono h, r ∈ S[x] tali che deg r < d e che si abbia: un g = f h + r (2.6) Se S è graduato e f, g sono omogenei, allora h, r possono essere anch’essi presi omogenei. Si consideri dunque (per i = 1, . . . , k): Ii = (I + pi R)/pi R ⊆ R/pi R Per i = 1, . . . , k consideriamo hi ∈ I tale che il corrispondente elemento hi ∈ Ii abbia il grado minore possibile. Sempre per i = 1, . . . , k consideriamo ui ∈ S+ tale che: – Se hi = 0, ui è un qualsiasi elemento in I\pi – Se hi 6= 0, ui si riduce modulo pi al coefficiente direttore di hi S Ancora per i = 1, . . . , k consideriamo si ∈ ( kj=1 pj )\pi . Siccome S U = S1 \ ki=1 pi è non vuoto (altrimenti S+ sarebbe contenuto in uno dei pi , assurdo perché questi sono rilevanti), possiamo considerare s ∈ U . Moltiplicando gli si , hi e ui per una potenza di s possiamo supporre che ∀i, j sia abbia: deg(si ) = deg(sj ) deg(hi ) = deg(hj ) deg(ui ) = deg(uj ) P Sia g1 = ki=1 si hi ; vogliamo far vedere che per N abbastanza grande si ha la tesi con: !!N k X u= s si ui i=1 12 CAPITOLO 2. DIMOSTRAZIONI Fissiamo i e indichiamo con una linea (α → α) le immagini modulo pi dei vari elementi considerati. Allora g1 = si hi come elemento di Ii , perciò il suo grado in x è il minimo tra i gradi degli elementi di Ii . Inoltre, se N è abbastanza grande, allora u = (ssi ui )N è un multiplo di una potenza abbastanza grande del coefficiente direttore di g1 , perciò, per la (2.6), si ha che uIi ⊆ (g1 ) e dunque abbiamo ∀1, . . . , k che: uI ⊆ (S+ R) ∩ ((g1 ) + pi R) (2.7) e siccome i primi di R contengono S+ R oppure uno dei pi R si ottiene la (2.5) come voluto. Dimostrazione 2.2.1. Per i lemmi 2.2.2 e 2.2.3 si ha la tesi ponendo R = k[x1 , . . . , xn ] nel caso affine e R = k[x0 , . . . , xn ] nel caso proiettivo. 2.3 Caratteristica positiva Se char(k) > 0 si ha un risultato più forte, che qui consideriamo Teorema 2.3.1. Ogni insieme algebrico nello spazio n-dimensionale su un campo di caratteristica p > 0 che non abbia componenti irriducibili di dimensione 0 è intersezione di n − 1 ipersuperfici Dimostrazione 2.3.1. Per la bibliografia si veda Lyubeznik [2]. La dimostrazione è basata sull’induzione e sul seguente lemma: Lemma 2.3.2. Sia A un anello noetheriano. Siano f1 , . . . , fr , g1 , . . . , gr ∈ I e a ∈ B tali che: p √ • Ia = (f1 , . . . , fr ) p p • I + (a)/(a) = (g1 , . . . , gr ) p √ Allora esistono h1 , . . . , hr+1 tali che I = (h1 , . . . , hr+1 ) Bibliografia [1] Eisenbud, David; Evans, E. Graham, Jr.: Every algebraic set in nspace is the intersection of n hypersurfaces, Invent. Math. 19 (1973), pp. 107-112 [2] Lyubeznik, Gennady: The number of equations needed to define an algebraic set, Bull. Amer. Math. Soc. (N.S.) 1988, Volume 19, pp. 273276 13