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p-可除群的基本性質(II):有限平坦群概形

希望通過p-可除群理解Abel簇的撓點的結構,而p-可除群是一些有限平坦群概形的極限,為此需要發展有限平坦群概形的理論。這裡我們的討論包括一般的底概形S,這是因為處理Abel簇的約化問題時要考慮 Bbb Z_p 上的群概形和它在 Bbb Q_p 上的基變換的關係。而為了處理p-可除群和Abel簇的聯繫時,我們應當把Abel簇上的操作(取對偶、取Tate模)翻譯到p-可除群上,為此需要建立有限交換平坦群概形的Cartier對偶理論。例如p-可除群也有Tate猜想( 對特徵0完備離散賦值環上p-可除群有同構Hom(G,H) 
ightarrow Hom_{Bbb Z [Gamma]}(TG,TH) ),其證明對有好約化的Abel簇的Tate猜想是有一定幫助的。

參考:《FINITE FLAT GROUP SCHEMES》 by J. Tate (並補充一些例子和細節)

二. 有限平坦群概形初探

固定概形S,考慮S上概形構成範疇 Sch/S ,其中群對象稱為S上群概形,於是一個群概形G配有S態射m: G 	imes_S G 
ightarrow G, e:S 
ightarrow G, i: G 
ightarrow G 作為乘法、單位元、取逆。等價地,S上群概形是一個可表的反變函子 Sch/S 
ightarrow 	ext{Group} ,易見群概形在基變換下保持,兩個群概形的fiber product也是群概形。任給一群同態 f: G
ightarrow H ,把它看成函子的自然變換 F_G 
ightarrow F_H ,作為函子的Kernel定義為 T 
ightarrow Ker (G(T) 
ightarrow H(T)) ,其也是群概形(由 G	imes_{H}S 表出, 其中e_H: S 
ightarrow H, f: G 
ightarrow H

例子:(1) Bbb G_a, Bbb G_m, GL_n, mu_n

(2)對任何有限群G,定義 Sch/S 上常數層(fppf拓撲下):T映為T的連通分支數個G的乘積,其為 Sch/S 
ightarrow 	ext{Group} 的函子,由 igsqcup_{g in G} S 表出,對應群概形仍記為G

習題:定義群概形的半直積

定義. 群概形 G 稱為有限/平坦/平展/,若結構映射 G 
ightarrow S 具有對應性質。

回憶:Finite morphism - Wikipedia,Flat morphism - Wikipedia,étale morphism - Wikipedia

下面總假設 S=	ext{Spec}R 仿射,G是有限平坦群概形,R諾特環(下面使用到諾特條件時會特別說明)。此時 A=O_G(G) 是有限生成局部自由R模,其秩稱為G的階,記為 |G| 。將G的運算翻譯到A上,其成為一個Hopf代數(配有R代數同態m: A 
ightarrow A otimes_RA, e:A 
ightarrow R, i: A 
ightarrow A ),這些運算滿足對應的交換圖,如 (R 
ightarrow A overset{e}
ightarrow R) =id 。 定義I=Ker(A overset{e}
ightarrow R) 為配值理想,注意這是一個投射R模。

習題:利用上述性質,說明①m(x)-x otimes 1 -1 otimes x in I otimes I, forall x in I ②|G|在基變換下不變。

例子:

(1) |G|=1時,局部化知 I=0G=S ,乘法運算等為恆等映射

(2) |G|=2時,I是秩1投射R模。假設I自由,x是一個生成元,由於I是理想因此可設 x^2=ax, a in R 。則 A=R1 oplus I 作為R代數唯一由a決定。群結構由乘法m唯一決定,由習題①知可設 m(x)-x otimes 1 -1 otimes x=b(x otimes x), b in R ,代入知m為R代數同態的充分必要條件為 (ab+1)(ab+2)=0 。此時G對應的函子是 T mapsto G(T)={t in T| t^2=at} ,乘法運算定義為 t_1circ t_2 :=t_1+t_2+bt_1t_2, t_i in G(T) ,特別地G一定交換(注意到一般情況可把S用一些仿射開集覆蓋使得I限制在其上自由,利用基變換仍知G交換)。注意a,b滿足的條件等價於e=ab+2滿足e^2=e,於是e為冪等元,這給出 分解S=S_1 igsqcup S_2 ,故只需處理 ab+1=0ab+2=0 的情況。檢查知 ab=-1 時G只為半群而非群,故必須 ab+2=0 ,此時得到群概形記為 G_{a,b}

習題:驗證 G_{-2,1} cong mu_2, G_{1,-2} cong Bbb Z/2Bbb ZG_{a,b} cong G_{c,d} Leftrightarrow exists uin R^{	imes}, a=cu, b=du^{-1}

於是我們得到

定理 1. 設p=2,則R上p階有限平坦群概形都是交換的。進一步假設R是主理想整環,則R上p階有限平坦群概形與 {(a,b) in R^{	imes} |ab+2=0}/ R^{	imes} 一一對應。

例子:R是 Bbb Z 或特徵非2的域,則只有 mu_2, Bbb Z/2Bbb Z ;R是特徵為2的域,則有 mu_2, Bbb Z/2 Bbb Z, alpha_2= 	ext{Spec} Bbb F_2[x]/(x^2) 	imes S cong G_{0,0} 三種

上面的討論給人一種感覺,特徵p的域上有限p群概形的理論更豐富。

類比有限群自由、可容許作用在概形上(可容許即每一個軌道都含於某個仿射開集)可以良好定義有限群的商,對帶有有限群概形的自由可容許作用也可以定義商,這裡略去細節。特別地,對於有限平坦閉子群概形 H subseteq G ,可以定義S上有限平坦的商概形 G/H (這裡有限平坦類似Artin-Tate lemma,需要諾特性),其秩稱為H的指標,記為 [G:H]=frac{|G|}{|H|} 。H正規(定義為H在G/H上左作用平凡)時G/H可配有有限群概形結構,有正合列 1 
ightarrow H 
ightarrow G 
ightarrow G/H 
ightarrow 1 (正合是指 G 
ightarrow G/H 為忠實平坦且Kernel為H)

註:對S上scheme T,只能得到 抽象群的正合列1 
ightarrow H(T) 
ightarrow G(T) 
ightarrow G/H(T) 而最右邊通常不正合;一種理解方式是將群概形看成函子,H和G都是fppf拓撲下的層,但Naive的quotient得到的預層並不是層,G/H實際上是它的層化(通過f.f descent),因此上述 1 
ightarrow H 
ightarrow G 
ightarrow G/H 
ightarrow 1 應看成fppf sheaf (取值為群)的正合列,下同。

一類有限平坦群概形是常值群概形G(上面的例子(2)),不難看出G對應的函子 F_G 滿足性質:任給S上kernel冪零閉浸入 T 
ightarrow T (從而給出拓撲空間的同胚), F_G(T)
ightarrow F_G(T) 是雙射,因此根據平展的無窮小判別法,我們得到:

性質. G是S上有限平展群概形。

註:同理n與域k特徵互素時,mu_n 在k上是平展的,當 mu_n 
ot subseteq k 時這給出平展但不常值的例子。

我們下一個目標是分類所有有限平展群概形,下設S連通。finite表明G to S是閉映射,flat表明 G to S是開映射,由S的連通性我們得到G to S是滿射,故忠實平坦。由於G平坦,其平展等價於非分歧,根據Kahler微分的兩個標準正合列, (R 
ightarrow A overset{e}
ightarrow R) =id 以及m的性質可知 Omega^1_{G/S}=I/I^2 otimes_R A ,再根據忠實平坦性和I的有限生成性(S諾特)我們得到:

性質. G是S上有限平坦群概形,則G平展等價於 I=I^2 等價於 e: S 
ightarrow G 是開浸入(注意e本身就是閉浸入)

習題:證明 G 
ightarrow S separated 當且僅當 e: S 
ightarrow G 是閉浸入(由於有限態射一定仿射從而separated,故e本身確實是閉浸入;證明有一邊是顯然的,另一邊注意到對角映射實際上是e的基變換)

另一個分類方式是Grothendieck的Galois理論:取S一個幾何點 eta 定義平展基本群 pi_1(S,eta)定理2. {有限平展概形/S} 與 {帶有pi_1(S,eta) 作用的有限集}範疇等價

推論:(1){有限平展群概形/S} 與{帶有pi_1(S,eta) 作用的有限群}範疇等價(注意這裡的作用都要求是群自同構,下同);

(2){有限平展交換群概形/S} 與 {pi_1(S,eta) 在有限交換群上的表示}範疇等價;

(3)假設 S=	ext{Spec}R ,R是代數閉域(更一般地,嚴格Hensel環),則S上任何有限平展群概形都是常值的。

(4)對任何域k上有限平展群概形G,存在有限Galois擴張L/k使得G_L是常值的。

於是我們得到有限平展群概形的分類。現在希望考慮一般群概形,這必然要對S加好的假設(也是實際中會用到的情況,下面某些結果可通過局部環的Hensel化過渡到任何S)

假設. S=	ext{Spec}R ,R為Hensel局部環(特例是完備諾特局部環),m是R極大理想,k=R/m是剩餘類域。

此時 pi_1(S,eta)cong Gal(k^s/k) , {有限平展群概形/S}與{帶有pi_1(S,eta) 作用的有限群}範疇的具體等價函子是 G 
ightarrow G(overline k)

回憶Hensel局部環的刻畫性質是其上作為模有限的代數都是局部環的乘積,而完備離散賦值環的賦值可以向上唯一延拓成完備賦值。

推論:給局部環間的有限擴張 B_1 
ightarrow B_2 ,如果 B_1 是Hensel,則 B_2 也是

e:S 
ightarrow G 的像(由於S連通,e為閉浸入,像為連通閉集)所在連通分支記為 G^0 。則根據上面討論, G^0 是一個完備離散賦值環(Hensel局部環) A^0 的素譜( A^0A 作為R代數分解成局部環乘積中的一項),且 A^0 有限生成平坦R模(這裡不需要諾特,因為 A^0 是直和因子)。注意局部環間平坦同態一定是局部同態,因此由 (R 
ightarrow A overset{e}
ightarrow R) =id 可知 A^0 的剩餘類域與R相同。現在關鍵是說明 G^0 是一個子群概形,即說明 G^0 	imes_S G^0 
ightarrow G 能通過 G^0 分解。這等價於說明 G^0 	imes_S G^0 是連通的。由於Hensel局部環上作為模有限的代數的素譜連通分支和它的special fiber的連通分支有一一對應(從分解成局部環看出,也可以考慮用Hensel引理得到冪等元的唯一提升性),我們可以化歸到R是一個域的情況。

回憶:對域k上有限型概形X,可定義0階平展同倫群 pi_0(X) 為k上有限平展概形, pi_0(X) 作為集合與X的連通分支一一對應。pi_0 為一與基域變換交換的函子,有自然的滿射 X 
ightarrow pi_0(X)

Pf: 參考J.S Milne的代數群,或見unpublished note by [???]

推論1:X幾何連通(即 X_Y:=X 	imes_k Y 連通對所有Y)當且僅當 pi_0(X)=	ext{Spec}k

推論2:假設X連通且有k有理點,則X幾何連通

Pf: 1是由於可做基域變換假設可分閉;2是將 pi_0 函子作用到Spec k to X to Spec k上。

推論2的另一個證明見Tag 0361: Geometrically connected schemes,作為應用我們得到 G^0 	imes_S G^0 是連通的(由於 pi_0(G^0)=	ext{Spec} k ),並且對任何基變換有 (G^0)_{S^{}}=(G_{S})^0 。因此 G^0 是G的有限正規平坦子概形(正規性容易從共軛作用保持S看出),不難看出R是域時 G/G^0=pi_0(G) :之前的性質表明有限平坦概形是平展的當且僅當S的像是開且閉的即 G^0 就是S,由此可知 G/G^0 平展,並且G到有限平展群概形的同態都通過 G/G^0 ,再注意到也通過 pi_0(G) (函子性)。一般情況定義 pi_0(G)=G/G^0 (作為概形而非僅僅集合),於是我們得到

定理3

S滿足之前的假設,則任何S上有限平坦群概形G都可分解成連通和平展的部分。更精確來說,有對G具有函子性的短正合列(稱為連通-平展正合列):

1 
ightarrow G^0 
ightarrow G 
ightarrow G^{et} 
ightarrow 1

其中 G^{et}=pi_0(G) 是有限平展群概形, G^0 是有限連通群概形且整體截面是剩餘類域為k的局部環。

習題:證明 G^0, pi_0(G) 都是正合函子。

註: 可能存在(G^0)_T 
ot= (G_T)^0 的情況(對基變換S to T),一個例子是 Bbb Z_p 
ightarrow Bbb Q_p , G=mu_p :由於 Bbb Z_p[x]/(x^p-1) 是局部環,故 G^0=G(G^0)_{Bbb Q_p}=mu_p(G_{Bbb Q_p})^0=	ext{Spec} Bbb Q_p 平凡(特徵0域上有限群概形都平展)

習題:假設 S 
ightarrow T 是局部同態且T滿足假設,證明 G^0, G^{et} 及上述正合列與S到T的基變換相容。(注意Hensel局部環上有限概形的連通分支與其special fiber的一樣)

註:我們的證明和Tate的原始證明有一些不同,一個反例表明上面的論證並非顯然:我們來考察域上群概形G, G_{red} 上是否也有子群概形結構?結論一般來說是否定的,但k perfect情況是正確的(後面的討論可見,perfect條件下可以得到很多好結果)。即使如此, G_{red} 也未必正規,見Is there a connected $k$-group scheme $G$ such that $G_{red}$ is not a subgroup?

因此次轉而考慮有限連通群概形的分類,上面例子中連通的僅有alpha_p= 	ext{Spec} Bbb F_p[x]/x^p ,其生活在正特徵中且階是p的冪次,一般地我們有:

定理4.

S滿足之前假設,則

(1)若k的特徵是0,則S上有限平坦群概形均平展

(2)若k的特徵是p>0,則 |G^0| 是p的冪。

Pf (Tate):根據之前正合列不妨設G連通,根據Nakayama Lemma不妨設R=k是域。則 G=	ext{Spec} A ,A是k上有限維局部代數故Artin,剩餘類域為k, I=Ker(A 
ightarrow k) 是極大理想且冪零。取 	ilde{x}_i in A, i=1,…,r 使得 mod I後構成 I/I^2 一組k基。則可定義自然的k代數同態: phi : x_i mapsto 	ilde{x_i} 	ext{mod} I  k[X]:=k[x_i] 
ightarrow Gr_I(A):=igoplus_{n=0}^{infty} I^n/I^{n+1} ,由於I冪零,其為滿射。

之前已證明Kahler微分 Omega_{A/R}=I/I^2 otimes_R A ,萬有導子 A 
ightarrow I/I^2 otimes_R Ad=(pi otimes id) circ m其中 piI hookrightarrow A的截面 mod  I^2 得到,因此Der_R(A,A)=Hom_A(Omega_{A/R},A)=Hom_R(I/I^2,A) ,結果是存在導子D_i: A 
ightarrow A 使得 D_i|_{I/I^2}: 	ilde{x_j} mapsto delta_{ij} ,根據Leibiniz法則D_i I^{n+1} subseteq I^nD_i 進一步誘導 Gr_I(A)上次數-1的導子。有 D_i circ phi = phi circ frac{partial}{partial x_i} (只需在基上驗證),由此可知齊次真理想 Kerphi 對求偏導穩定,這迫使其為0(若特徵0),同理考慮特徵p情況有

性質. k特徵0,則 phi 為同構;k特徵p>0,則有phi: k[X]/(x_1^p,…,x_r^p) cong Gr_I(A)/(	ilde{x_1}^p,…,	ilde{x_r}^p)

但注意到 phi 的像是有限維k向量空間(I冪零),特徵0時迫使r=0,於是I=0,A=k,這就證明了(1)。若特徵p>0,注意A是由 	ilde{x_i} 生成的k代數, Gr_I(A/(x_i^p))=Gr_I(A)/(	ilde{x_1}^p,…,	ilde{x_r}^p) ,我們如果能夠找到群概形表出 A/(	ilde {x_i}^p) ,便可使用歸納法,一個想法是考慮Frobenius.

回憶:X 是k上有限型概形,

①定義 X 
ightarrow X 的絕對FrobeniusX 
ightarrow X x mapsto x^p, forall x in O_X(U), Usubseteq X

X^{(p)} 為X通過  x mapsto x^p: k 
ightarrow k 的基變換,得到算術Frobenius X^{(p)} 
ightarrow X

③根據fiber product的萬有性,由絕對Frobenius得到相對Frobenius Fr: X 
ightarrow X^{(p)}

④如果 X=	ext{Spec}k[x_i]/(f_i) ,那麼相對Frob可寫成k[x_i]/(f_i^{(p)}) 
ightarrow k[x]/(f_i) : x_i 
ightarrow x_i^p ,其中 f_i^{(p)} 表示f的係數全變成p次方後得到的新多項式。

習題:若G是群概形,則 G^{(p)} 也是且Fr: G 
ightarrow G^{(p)} 是群同態。(可看成函子驗證)

根據這些討論, H=Ker(Fr) 就是G的有限平坦正規子概形(域上平坦自動,Kernel自動正規子群),其整體截面環就是 A/(	ilde {x_i}^p) ,所以由上面性質得到|H|=dim_k A/(	ilde{x_i}^p)=dim_k Gr_I(A/(	ilde{x_i}^p))overset{phi}=dim_k k[X]/(x_i^p)=p^r

r=0的情況平凡,r>0時對|G|的階歸納,我們便證明了(2),即證。

對整數n,通過對角嵌入可以自然定義自乘n次運算 [n]: G 
ightarrow G ,或者直接通過函子定義。下一個定理是關於Langrange定理的推廣:

定理5.

對域上有限群概形G, [|G|]=id 。對任何S上有限局部自由(即平坦+有限表現)交換群概形,也有 [|G|]=id

雖然這個定理看起來很簡單,但注意到可能存在連通群概形這一不平凡情況,域上具體證明是根據短正合列劃歸到連通情況(平展時先基變換使其平凡,再利用f.f descent回歸到原來域上),然後證明配置理想I滿足 [p]I subseteq I^p (這一步需要先利用正則表示將G嵌入GL_n,然後利用GL_n的余乘法的具體公式進行計算),再注意到I冪零即得,具體略。(任何S+G交換的情況則可用下面提到的Cartier對偶理論證明)

最後我們關心連通-平展正合列是否splits,回憶:

(generic smoothness)設k是perfect field,則k上separated+reduced+finite type的概形一定有光滑點。

於是我們得到

性質.設k是perfect field,則k上有限型群概形G如果reduced,那麼就是平展的

Pf. 首先說明G光滑,根據f.f descent可假設k代數閉(注意perfect field上reduced+有有理點推出幾何reduced),由於generic smoothness得到G有光滑閉點,又G在自身左乘作用限制在閉點集上可遷,所以G的閉點都光滑,於是G光滑(這裡用到Jacobson概形的性質:任何開集都含閉點)。由於光滑+相對維數0等於平展,即證。(有限態射的相對維數是0)

定理 6.

perfect field上連通-平展正合列分裂:

1 
ightarrow G^0 
ightarrow G 
ightarrow G^{et} 
ightarrow 1

因此G cong G^0 
times G_{red} (特別地,如果G交換則為乘積)

Pf. 考慮同胚G_{red} 
ightarrow G ,根據假設 G_{red} 平展且 G_{red} 	imes G_{red} 也reduced,於是 G_{red} 
ightarrow G 是有限平展群子概形,再利用同胚可知 pi_0(G_{red})=pi_0(G) ,故 G_{red} 
ightarrow G 
ightarrow G^{et} 是同構,給出一個section,即證。

利用 G_{red} 的光滑性,Cartier將定理4的(1)推廣為:

定理 7. (Cartier)

k是特徵0的域,則k上有限型仿射群概形都光滑。(特別地總reduced)

Pf. 由f.f descent不妨k代數閉(k=Bbb C),由齊次性只需說明單位元處局部環是正則局部環,即I/I^2維數是dimA。由上 G_{red} 的光滑性知只用說明I/I^2到I/rad A / (I/radA)^2的自然映射是單射(總是滿射),即說明A中冪零元一定屬於I^2。設x是冪零元,一開始便說明了m(x)-x otimes 1 -1 otimes x in I otimes I, forall x in I ,利用x^n=0,x^{n-1}非0對某個n,代入展開並 mod I^2(以及注意到n在k中可逆)即得x屬於I^2,即證。

最後,和開頭說的那樣我們需要發展有限交換群的對偶理論。回憶對局部緊交換拓撲群G有 Pontryagin duality  {displaystyle {widehat {G}}}:=Hom_{cont} (G, S^1) ,這是一個正合函子,並且有著名的

The Pontryagin duality theorem

Theorem. There is a canonical isomorphism  {displaystyle Gcong {widehat {widehat {G}}}} between any locally compact abelian group {displaystyle G} and its double dual.

這允許我們談G上的Fourier分析,一些對偶的例子: Bbb R/ Bbb Z 的對偶是 Bbb ZBbb R, Bbb Q_p, Bbb A_{Bbb Q} 自對偶……

回到我們的情形,設R是諾特環,M是有限生成平坦R模,自然定義M的對偶為 M=Hom(M,R) ,我們有

習題. M 也是有限生成平坦R模,且有典範同構 M cong M ,對偶與張量積交換

特別地,假設M=A是一個R上有限平坦交換群概形G的整體截面環,那麼A上的乘法和余乘法會對偶地給出 A 的余乘法和乘法,驗證相應的交換圖表,於是 G=Spec A 也是有限平坦交換群概形(G交換是為了 A 交換於是可以定義素譜)。於是我們得到(細節可自行驗證)

定理 8. (R諾特)

{R上有限平坦交換群}範疇上存在一個對偶函子 G mapsto G , 其給出範疇到自身的反等價,且有自然同構G cong G ,並且該對偶與R的基變換交換。

我們也用 G^D 表示G的對偶。

習題(重要)

驗證上面對偶群概形作為函子是 T 
ightarrow Hom_{Group}(G_T,(Bbb G_m)_T) (根據基變換與對偶交換,不妨T=S,注意 G(S)=Hom_{R-alg}(A,R) 可嵌入 Hom_R(A,R)=A 並且這是乘法半群的同態,同理 Hom_{group}(G,Bbb G_m) hookrightarrow Hom_{R-alg}(R[x,x^{-1}],A)=A^{	imes} ,然後驗證余代數同態的條件我們有 Hom_{group}(G,Bbb G_m)={a in A^{	imes}|m(a)=aotimes a} ,同理驗證前者發現也是如此)。於是對任何T,有自然的pairing G(T) 	imes G(T)
ightarrow Bbb G_m(T)

有了上面一些定理,可以說對於有限平坦群概形有了初步理解(例子、分類、性質),也可以得到一些有趣的推論例如:

Bbb C上有限群概形只有G,G是有限群

② k是域,F是{k上代數}到Group的可表函子,並且表示F的k代數是有限生成的。若 F(L) 是有限集,則可證明表示F的群概形是有限平坦群概形。此時利用Langrange定理,我們知道存在正整數n使得對所有的k代數R,F(R)作為抽象群都滿足 x^n=1, forall x in F(A)

③k是域且n在k中可逆,則 mu_n^D=Bbb Z/n Bbb Z, (Bbb Z/n Bbb Z)^D=mu_n ,自然的pairing是單位根的若干次方

OK,時間不多了,在此打住。下一次我們將討論一般底概形上的Abel概形以及相關的有限平坦群概形內容,當然會討論一些例子~

註:一個開問題是Lagrange定理對任何概形S上的有限局部自由群概形是否成立?

註:沒想到挺多人對這個topic感興趣,有更多討論的話會努力繼續更新~


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