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基础衔接 13 · 仿射粘合:两张坐标图怎样成为一个概形
先修:局部化、层与粘合。射影直线上的 Čech 计算已经使用过同一覆盖,本讲补上它背后的概形构造与态射粘合。全篇固定底域为 \(\mathbb C\),沿用 \(z=X_1/X_0\);只建立两个仿射图的具体模型,不系统发展一般概形范畴、基变换或分离态射理论。
两张仿射直线为什么能粘成射影直线,而不是仍然只得到一张直线?
1. 先把两张图与重叠区域写成环
射影直线的两个标准仿射图是
以及
它们不是沿整张仿射直线粘合。第一张图中只有 \(z\) 可逆的地方进入重叠:
第二张图对应
在重叠处,两个坐标满足
因此 \(z=0\) 对应的闭点 \([1:0]\) 不在重叠中,\(w=0\) 对应的闭点 \([0:1]\) 也不在重叠中;它们都留在粘合后的空间里。其余非零复坐标按 \(a\leftrightarrow a^{-1}\) 配对。
这段闭点语言只是直观入口。\(\operatorname{Spec}\mathbb C[z]\) 的点是所有素理想,不仅有闭点 \((z-a)\),还含有泛点 \((0)\)。在射影直线的图画里写下“复平面加无穷远点”,并没有列出概形的全部素谱点;后面的构造以环和局部化为准。
2. 为什么环映射箭头必须反过来
设
是在点坐标上执行 \(w=1/z\) 的同构。对应的坐标环同构却从目标函数拉回到源:
原因可以用“函数先去目标,再拉回源”记忆。若 \(g\) 是 \(D(w)\) 上的函数,拉回函数是
所以它必须定义在 \(D(z)\) 上。仿射概形的态射
与环同态 \(B\to A\) 对应,箭头相反。反向粘合映射由 \(z\mapsto w^{-1}\) 给出,两次复合都是恒等。
一般粘合需要在每对图的重叠上给同构,要求反向同构互为逆,并在三重重叠上满足 cocycle 条件。这里只用两张图,真正需要核对的核心就是两边重叠相同、映射互逆。标准粘合定理随后把拓扑空间与结构层一起粘成一个概形:
3. 全局正则函数只有常数,空间却绝不是一个点
一个全局正则函数由两张图上的多项式
组成,并要求它们在重叠上表示同一函数:
\(p(z)\) 只含非负次幂,\(q(1/z)\) 只含非正次幂。Laurent 单项式线性无关,所以两边只能共同保留零次项。于是
但 \(\mathbb P^1_{\mathbb C}\) 至少有上面两个不同闭点 \([1:0]\) 与 \([0:1]\),而 \(\operatorname{Spec}\mathbb C\) 只有一个点。因此
若 \(X\) 是仿射概形,\(X\cong\operatorname{Spec}\Gamma(X,\mathcal O_X)\);本例说明这个恢复公式不能无条件推广到所有概形。全局函数很少,不表示空间没有局部几何。
4. 只把倒数改成恒等,就得到双原点直线
再取两张仿射图
仍沿 \(D(z)\) 与 \(D(w)\) 粘合,但这次令点坐标满足
而不是 \(w=1/z\)。坐标环拉回为
所有非零点按相同坐标识别,两边的原点却都不属于重叠,因而保留成两个不同闭点 \(0_0,0_1\)。这就是双原点仿射直线 \(L\)。
它的全局正则函数是相容多项式对
局部化 \(\mathbb C[z]\to\mathbb C[z,z^{-1}]\) 是单射,所以这迫使两个多项式相同,得到
相应的典范态射 \(L\to\operatorname{Spec}\mathbb C[t]=\mathbb A^1\) 在两张图上都使用原坐标;它把 \(0_0,0_1\) 送到同一个普通原点,因而不是同构。由上一节的仿射恢复性质,\(L\) 不仿射,当然也不可能与 \(\mathbb A^1\) 同构。全局函数环相同并没有恢复出两个原点的差别。
这里还出现一个更精确的失败。对分离的 \(\mathbb C\)-概形,任意两个仿射开集 \(V_0,V_1\) 必须使自然环映射
满射。在双原点直线中,它具体是
其像只有 \(\mathbb C[t]\),不含 \(t^{-1}\),所以不满射。由标准仿射开集交判据,\(L\) 不是分离概形。这个环计算才是本讲采用的证明;“两个原点看起来分不开”的示意图不是证明。作为对照,\(\mathbb P^1\) 的同一映射把 \(z\) 送到 \(t\)、把 \(w\) 送到 \(t^{-1}\),因而能生成整个 Laurent 环。
5. 局部公式怎样粘成一个射影态射
固定整数 \(d\ge1\),考虑
两个齐次多项式次数相同,且不会同时在射影点上为零,所以公式良定义。为了不混淆源与目标,在目标的两张图上改用坐标
目标开集 \(\{Y_0\ne0\}\) 的原像正是源的 \(U_0\),目标开集 \(\{Y_1\ne0\}\) 的原像正是源的 \(U_1\)。局部点坐标公式为
严格说,相应的仿射环映射仍从目标到源:
在源的重叠上 \(w=z^{-1}\),所以第二张图给出
第一张图先给 \(u=z^d\),再用目标重叠关系 \(v=u^{-1}\),同样得到 \(v=z^{-d}\)。两份局部态射在整个重叠概形上相同,因而唯一粘成 \(F_d\)。
这个检查使用的是目标开集的原像。一般态射下,源开集的像未必是开集,更未必是方便的仿射图;不能反过来凭“局部公式的图像落在哪里”随意拼接。这里
恰好让两张标准图直接适用。
用同一个点核对两张图
取 d=2。源点 \([1:2]\) 在两张图中分别写成 z=2 与 w=1/2。第一张图给 u=4,第二张图给 v=1/4,正好满足目标关系 uv=1;它们都是目标点 \([1:4]\)。这里四个数属于不同坐标,不能因为 4 与 1/4 不相等就判定局部公式冲突。
源点 \([0:1]\) 只在第二张图里,坐标 w=0;公式给 v=0,目标仍是 \([0:1]\)。因此不需要给“无穷大”做幂运算:在覆盖该点的坐标图里,计算只是 \(0^2=0\)。
| 源点 | 可用坐标 | 局部输出 | 同一个目标点 |
|---|---|---|---|
| \([1:2]\) | z=2,w=1/2 | u=4,v=1/4 | \([1:4]\) |
| \([1:0]\) | z=0 | u=0 | \([1:0]\) |
| \([0:1]\) | w=0 | v=0 | \([0:1]\) |
这张表帮助检查坐标归属,证明仍是正文中 Laurent 环里的恒等式。
6. 相容必须作为概形态射成立
在复闭点上代几个数只能发现明显错误,不能证明两份局部态射相同。环同态相等会同时控制所有素谱点以及结构层拉回,才是完整的仿射检查。反过来,两个公式即使在少数闭点上碰巧给出同值,也可能在坐标环中不同。
在非约化空间上,即使检查全部普通点也仍可能不够。取双数环 \(D=\mathbb C[\epsilon]/(\epsilon^2)\),两个环同态
都合法,且它们诱导的 \(\operatorname{Spec}D\to\operatorname{Spec}D\) 都把唯一的点送到自身。但两者的函数拉回不同,因而是不同的概形态射。这说明核验环同态还会保住图画看不见的无穷小信息。
因此两图粘合可以压缩成下面的证据链:
- 写出源图、目标图和真正的重叠开集。
- 把点坐标公式翻成反向的坐标环同态。
- 在局部化后的重叠环中验证两种复合严格相等。
- 由态射粘合的唯一性得到全局态射。
这还没有分类所有 \(\mathbb P^1\to\mathbb P^1\) 的态射,也没有讨论分歧、次数的函数域定义或除子。\(F_d\) 只是一份能逐项核查的标准样本。
下面复用 Čech 课的实验来核对第三节的全局函数。实验默认滑块是 \(k=-3\),这里的 \(k\) 是线丛 \(\mathcal O(k)\) 的指标,不是底域。请务必把它调到 \(k=0\):此时 \(\mathcal O(0)=\mathcal O\),应看到 \(h^0=1,h^1=0\)。关闭脚本时,静态核对也很直接:\(\mathbb C[z]\) 提供非负指数,\(\mathbb C[z^{-1}]\) 提供非正指数,两边交集只剩指数 \(0\)。
7. 两道迁移题
题一。 仍以源坐标 \(z,w\) 和目标坐标 \(u,v\) 表示两张射影图。若有人在 \(U_0\) 写 \(u=z^2\),在 \(U_1\) 写 \(v=w^3\),这两份局部态射能否粘合?
把两边都换成目标坐标 v
不能。在重叠上,第一份公式与目标关系 \(v=u^{-1}\) 合起来给
第二份却给 \(v=w^3\)。\(w^2\) 与 \(w^3\) 在 \(\mathbb C[w,w^{-1}]\) 中不是同一个元素,所以两个环同态在整个重叠上不同。它们在 \(w=1\) 这个闭点上碰巧相等,也不足以粘合。
题二。 取常数 \(c\in\mathbb C^\times\),把两张仿射直线沿非零部分按 \(w=c/z\) 粘合。所得概形是否仍与 \(\mathbb P^1\) 同构?它的全局正则函数是什么?
在第二张图重新缩放坐标
令 \(w'=w/c\)。因为 \(c\) 可逆,这给出第二张仿射图的坐标变换,而重叠关系变成
所以粘合数据经坐标重标后就是标准射影直线,所得概形与 \(\mathbb P^1\) 同构。全局函数条件是
左边只含非负 \(z\) 次幂,右边只含非正次幂;\(c\ne0\) 不改变指数,故仍只有常数:
速查与资料
| 操作 | 点或开集方向 | 坐标环方向 |
|---|---|---|
| 射影图粘合 | \(D(z)\to D(w)\),\(w=1/z\) | \(\mathbb C[w,w^{-1}]\to\mathbb C[z,z^{-1}]\) |
| 双原点粘合 | \(D(z)\to D(w)\),\(w=z\) | \(w\mapsto z\) |
| \(F_d\) 的零号图 | \(U_0\to\{Y_0\ne0\}\),\(u=z^d\) | \(\mathbb C[u]\to\mathbb C[z]\) |
| 粘合态射 | 在源重叠上比较局部映射 | 在局部化环中比较拉回 |
概形粘合定理与两个标准例子见 Stacks Project:Glueing schemes、Projective line 和 Affine space with zero doubled。仿射态射与环同态反向对应见 The category of affine schemes;双原点直线使用的分离性判据见 Separation axioms。资料核查:2026-09-13。
继续计算:射影直线上的 Čech 上同调把相容函数对推广到 \(\mathcal O(k)\) 的局部截面,并测量一次粘合障碍。
继续计算:纤维与基变换通过平方映射的双点纤维,把环上的张量积、几何重数与底空间变化联系起来。
从空间粘合继续到模叠与下降,比较局部对象、重叠同构和全局非平凡torsor,并实际拉回P¹上的线丛。