黎曼-羅赫定理

黎曼–羅赫定理Riemann–Roch theorem)是數學中的一個重要工具,在複分析代數幾何中的應用尤為廣泛。利用該定理,可計算具有指定零點與極點亞純函數空間的維數。它將具有純拓撲虧格 g 的連通黎曼曲面上的複分析以某種方式轉換為純代數背景。

此定理最初是黎曼不等式,對黎曼曲面的確定形式由黎曼早逝的學生古斯塔·羅赫於1850年代證明。隨後推廣到代數曲面,高維代數簇,等等。

預備記號

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我們從一個虧格 的連通緊黎曼曲面開始,在上面取定一點 。我們想知道極點只在 的函數。這是向量空間的一個遞增序列:沒有極點的函數(即常值函數),在 P 有單極點,在 P 點最多有兩個極點,三個極點……這些空間都是有限維的。在 g=0 我們可知維數的序列前幾項為

1, 2, 3, ...:

這可由部分分式理論得出。反之,如果此序列開始為

1, 2, ...

g 必然是零(所謂黎曼球面)。

橢圓函數理論知,g=1 時此序列是

1, 1, 2, 3, 4, 5 ...

且這也刻畫了 g=1 情形。當 g > 2 時,序列前端不是固定的;但我們可以確定此序列的後端。我們也可以看到為什麼 g=2 的情形是特殊的,由超橢圓曲線理論,其序列開始幾項為

1, 1, 2, ...

這些結論為何具有這種形式可以追溯到此定理的表述(羅赫的部分):兩個維數之差。當其中一個可以為零,我們得到一個確定的公式,對虧格與度數(即自由度的個數)是線性的。這些例子已經可重構出如下形式

維數 − 修正項 = 度數 − g + 1。

g = 1,修正項當度數為 0 時是 1;其它情形是 0。整個定理說明修正項是函數空間的一個「補空間」的維數。

定理的陳述

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用現代記法,虧格為 g 的緊黎曼曲面與一個典範除子 K 的黎曼–羅赫定理表述為:

l(D) − l(KD) = deg(D) − g + 1.

這對所有除子 D 均成立。除子是曲面上點的自由阿貝爾群中一個元素。等價地,一個除子是曲面上一些點的整係數線性組合。

我們定義一個亞純函數 f 的除子為

 

這裡 R(f) 是所有零點與極點的集合,而 sν 定義為

  ,如果   是一個   重零點;
,如果   是一個   階極點。

我們類似地定義一個亞純 1-形式的除子。一個整體亞純函數的除子叫做主除子。相差一個主除子的兩個除子稱為線性等價。一個整體亞純 1-形式的除子叫做典範除子(通常記作 K)。任何兩個亞純 1-形式都是線性等價的,所以典範除子在線性等價的意義下是惟一的。

符號 deg(D) 表示除子 D 的度數,即在 D 中出現的係數之和。可以證明一個整體亞純函數的除子的度數總是 0,所以除子的度數隻取決於線性等價類。

l(D) 是首先感興趣的量:使得 (h) + D 的所有係數都是非負的曲面上亞純函數 h 組成的向量空間的維數(在 C 上)。直覺上,我們可以將其想像為在每一點處的極點不比 D 中對應係數更壞的所有亞純函數;如果在 zD 的係數是負數,則我們要求 hz 處至少有那個重數的零點;如果 D 的係數是正數,h 最多有那個階數的極點。線性等價的除子相應的向量空間通過乘以那個整體亞純函數(這在差一個常數下是良定義的)是自然同構的。

即便我們對 K 一無所知,我們知道特殊性指標index of speciality[1][2](上文所說的修正項)

l(KD) ≥ 0,

所以

l(D) ≥ deg(D) − g + 1

這就是早先提到的黎曼不等式

上面定理對所有緊連通黎曼曲面都成立。這個公式對一個代數閉域 k 上所有非奇異射影代數曲線也成立。這裡 l(D) 表示在每一點的極點不壞於 D 中對應係數的曲線上有理函數空間的維數(在 k 上)。

為了將其與我們上面的例子聯繫起來,我們需要 K 的一些信息:對 g=1 我們可取 K=0,而對 g=0 可取 K = −2P (任何 P)。一般地 K 的度數是 2g − 2。只要 D 的度數至少是 2g − 1 我們可確保修正項是 0。

回到 g= 2 的情形我們可知上面提到的序列是

1, 1, ?, 2, 3, ... .

由此知度數為 2 的不確定項是 1 或 2,當然與點的選擇有關。可以證明任何虧格為 2 的曲線恰有六個點的序列是 1, 1, 2, 2, ... 而其它一般點的序列是 1, 1, 1, 2, ...。特別地,一個虧格 2 曲線是超橢圓曲線。對 g>2 幾乎所有點的序列以 g+1 個 1 開始,只有有限個點為其它序列(參見魏爾斯特拉斯點)。

推廣

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曲線的黎曼–羅赫定理對黎曼曲面由黎曼與羅赫於1850年代證明,對代數曲線由施密特英語Friedrich Karl Schmidt於1929年證明。它是基本的,曲線後續理論試圖加細它的結論(比如布里爾–諾特理論英語Brill–Noether theory)。

在更高維(適當的定義除子線叢)此定理有多個版本。它們的一般表述取決於將定理分成兩部分。其一,現在稱為塞爾對偶性,將 l(KD) 項解釋為第一層同調群的維數,l(D) 為零次上同調群(或截面的空間)的維數,定理左邊成為一個歐拉示性數,而右邊給出它的計算,正好只與黎曼曲面的拓撲有關的一個度數。

在二維代數幾何中這樣一個公式由義大利幾何學派找到;代數曲面的黎曼-羅赫定理證明了(有各種版本,最早可能屬於馬克斯·諾特。這樣的問題大約在1950年前解決了。

n-維推廣,希策布魯赫–黎曼–羅赫定理,由弗里德里希·希策布魯赫找到並證明,利用了代數拓撲學中的示性類;他深受小平邦彥的工作影響。大約在同一時間讓-皮埃爾·塞爾給出了塞爾對偶性的一般形式,故我們冠以他的姓氏。

亞歷山大·格羅滕迪克於1957年證明了一個深遠的推廣,現在叫做格羅滕迪克–黎曼–羅赫定理。他的工作將黎曼–羅赫重新解釋為不僅是關於一個簇的定理,而是關於兩個簇之間的一個態射的。證明的細節由博雷爾–塞爾於1958年發表。

最後在代數拓撲中也找到了一個一般版本。這些發展本質上在1950年至1960年完成。阿蒂亞–辛格指標定理開啟了這一條推廣的道路。

它導致的結論是一個凝聚層相當好計算。如果只對交錯和中一項感興趣,這是通常的情形,必需更進一步的討論比如消滅定理英語vanishing theorem

參考文獻

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引用

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  1. ^ Stichtenoth p.22
  2. ^ Mukai pp.295-297

來源

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