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 上的群概形和它在 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 ),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 ,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 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 ,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 ,把它看成函子的自然變換 ,作為函子的Kernel定義為 ,其也是群概形(由 表出, 其中 )
例子:(1)
(2)對任何有限群G,定義 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 的函子,由 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 稱為有限/平坦/平展/,若結構映射 具有對應性質。
回憶:Finite morphism - Wikipedia,Flat morphism - Wikipedia,étale morphism - Wikipedia
下面總假設 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 是有限生成局部自由R模,其秩稱為G的階,記為 。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 ),這些運算滿足對應的交換圖,如 。 定義 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① ②|G|在基變換下不變。
例子:
(1) |G|=1時,局部化知 , ,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 。則 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 ,代入知m為R代數同態的充分必要條件為 。此時G對應的函子是 ,乘法運算定義為 ,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 ,故只需處理 , 的情況。檢查知 時G只為半群而非群,故必須 ,此時得到群概形記為 。
習題:驗證 ,
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 一一對應。
例子:R是 或特徵非2的域,則只有 ;R是特徵為2的域,則有 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 ,可以定義S上有限平坦的商概形 (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 。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 (正合是指 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 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 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 滿足性質:任給S上kernel冪零閉浸入 (從而給出拓撲空間的同胚), 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, 在k上是平展的,當 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, 以及m的性質可知 ,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 等價於 是開浸入(注意e本身就是閉浸入)
習題:證明 separated 當且僅當 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 定義平展基本群 ,定理2. {有限平展概形/S} 與 {帶有 作用的有限集}範疇等價
推論:(1){有限平展群概形/S} 與{帶有 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 { 在有限交換群上的表示}範疇等價;
(3)假設 ,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. ,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 , {有限平展群概形/S}與{帶有 作用的有限群}範疇的具體等價函子是 。
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 ,如果 是Hensel,則 也是
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 。則根據上面討論, 是一個完備離散賦值環(Hensel局部環) 的素譜( 是 作為R代數分解成局部環乘積中的一項),且 有限生成平坦R模(這裡不需要諾特,因為 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 可知 的剩餘類域與R相同。現在關鍵是說明 是一個子群概形,即說明 能通過 分解。這等價於說明 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 為k上有限平展概形, 作為集合與X的連通分支一一對應。 為一與基域變換交換的函子,有自然的滿射 。
Pf: 參考J.S Milne的代數群,或見unpublished note by [???]
推論1:X幾何連通(即 連通對所有Y)當且僅當
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 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 是連通的(由於 ),並且對任何基變換有 。因此 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 :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 就是S,由此可知 平展,並且G到有限平展群概形的同態都通過 ,再注意到也通過 (函子性)。一般情況定義 (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):
其中 是有限平展群概形, 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 都是正合函子。
註: 可能存在 的情況(對基變換S to T),一個例子是 , :由於 是局部環,故 , 但 平凡(特徵0域上有限群概形都平展)
習題:假設 是局部同態且T滿足假設,證明 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, 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, 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 ,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 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 ,A是k上有限維局部代數故Artin,剩餘類域為k, 是極大理想且冪零。取 使得 mod I後構成 一組k基。則可定義自然的k代數同態: ,由於I冪零,其為滿射。
之前已證明Kahler微分 ,萬有導子 為其中 為 的截面 mod 得到,因此 ,結果是存在導子 使得 ,根據Leibiniz法則 故 進一步誘導 上次數-1的導子。有 (只需在基上驗證),由此可知齊次真理想 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 為同構;k特徵p>0,則有
但注意到 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 生成的k代數, ,我們如果能夠找到群概形表出 ,便可使用歸納法,一個想法是考慮Frobenius.
回憶: 是k上有限型概形,
①定義 的絕對Frobenius
② 為X通過 的基變換,得到算術Frobenius
③根據fiber product的萬有性,由絕對Frobenius得到相對Frobenius
④如果 ,那麼相對Frob可寫成 ,其中 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 也是且 是群同態。(可看成函子驗證)
根據這些討論, 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 ,所以由上面性質得到
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 ,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, 。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 。
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 (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:
因此 (特別地,如果G交換則為乘積)
Pf. 考慮同胚 ,根據假設 平展且 也reduced,於是 是有限平展群子概形,再利用同胚可知 ,故 是同構,給出一個section,即證。
利用 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(),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 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 ,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 ,這是一個正合函子,並且有著名的
The Pontryagin duality theorem
Theorem. There is a canonical isomorphism between any locally compact abelian group and its double dual.
這允許我們談G上的Fourier分析,一些對偶的例子: 的對偶是 , 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 ,我們有
習題. 也是有限生成平坦R模,且有典範同構 ,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 的余乘法和乘法,驗證相應的交換圖表,於是 也是有限平坦交換群概形(G交換是為了 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 , 其給出範疇到自身的反等價,且有自然同構 ,並且該對偶與R的基變換交換。
我們也用 表示G的對偶。
習題(重要)
驗證上面對偶群概形作為函子是 (根據基變換與對偶交換,不妨T=S,注意 可嵌入 並且這是乘法半群的同態,同理 ,然後驗證余代數同態的條件我們有 ,同理驗證前者發現也是如此)。於是對任何T,有自然的pairing 。
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:
① 上有限群概形只有G,G是有限群
② k是域,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 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 。
③k是域且n在k中可逆,則 ,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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