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Explosión (matemáticas)

en geometría algebraica, una transformación en una variedad o esquema algebraico, en la que una subvariedad cerrada se reemplaza por el espacio de rectas que la atraviesan, comúnmente utilizada para resolver singularidades From Wikipedia, the free encyclopedia

En matemáticas, la explosión o expansión (blowing up o blowup en inglés) es un tipo de transformación geométrica que reemplaza un subespacio de un espacio dado por el espacio de todas las direcciones que apuntan fuera de ese subespacio. Por ejemplo, la explosión de un punto en un plano reemplaza el punto por el espacio tangente proyectivizado en ese punto. Una imagen intuitiva de esta transformación es la de ampliar una fotografía para agrandar una parte de la imagen, lo que no tiene nada que ver con el concepto genérico de explosión. La operación inversa se llama implosión o reducción.

Explosión del plano afín

Las explosiones son la transformación más fundamental en geometría birracional, porque todo morfismo birracional entre variedades proyectivas es una explosión. El teorema de factorización débil establece que todo mapa birracional puede factorizarse como una composición de explosiones particularmente simples. El grupo de Cremona, grupo de automorfismos birracionales del plano, se genera mediante explosiones.

Además de su importancia para describir transformaciones birracionales, las explosiones también constituyen una forma importante de construir nuevos espacios. Por ejemplo, la mayoría de los procedimientos para la resolución de singularidades se valen de la explosión de singularidades hasta que se vuelven suaves. Como consecuencia, las explosiones pueden utilizarse para resolver las singularidades de las aplicaciones birracionales.

Clásicamente, las explosiones se definían extrínsecamente, definiéndolas primero en espacios como el espacio proyectivo mediante una construcción explícita en coordenadas y luego definiéndolas en otros espacios en términos de una inmersión. Esto se refleja en parte de la terminología, como el término clásico transformación monoidal. En el contexto contemporáneo, la geometría algebraica trata la explosión como una operación intrínseca en una variedad algebraica. Desde esta perspectiva, una explosión es la forma universal (en el sentido de la teoría de categorías) de convertir una subvariedad en un divisor de Cartier.

Una explosión también puede denominarse transformación monoidal, transformación cuadrática local, dilatación, proceso σ o mapa de Hopf.

Explosión de un punto en un plano

El caso más simple de una explosión es la explosión de un punto en un plano. La mayoría de las características generales de la explosión se pueden observar en este ejemplo.

La explosión tiene una descripción sintética como correspondencia de incidencia. Debe recordarse que el grasmaniano parametriza el conjunto de todas las rectas que pasan por un punto en el plano. La explosión del plano proyectivo en el punto , que se denota por , es:

Aquí, denota otro punto en y es un elemento de la variedad de Grassmann. es una variedad proyectiva porque es una subvariedad cerrada de un producto de variedades proyectivas. Incluye un morfismo natural a que transforma el par en . Este morfismo es un isomorfismo en el subconjunto abierto de todos los puntos con porque la recta está determinada por esos dos puntos. Cuando , la recta puede ser cualquier recta que pase por . Estas rectas corresponden al espacio de direcciones que pasa por , el cual es isomorfo a . Este se denomina divisor excepcional y, por definición, es la proyección del espacio normal en . Dado que es un punto, el espacio normal es el mismo que el espacio tangente, por lo que el divisor excepcional es isomorfo al espacio tangente proyectado en .

Para obtener coordenadas en la explosión, se pueden escribir ecuaciones para la correspondencia de incidencia anterior. Se define en coordenadas homogéneas , donde es el punto . Por la condición de dualidad, es isomorfo a , por lo que se puede darle coordenadas homogéneas . Una recta es el conjunto de todos los tales que . Por lo tanto, la explosión se puede describir como:

La explosión es un isomorfismo que se aleja de , y al trabajar en el plano afín en lugar del plano proyectivo, se pueden obtener ecuaciones más simples para la explosión. Tras realizar una homografía, se puede asumir que . Se escribe y para las coordenadas en el plano afín . La condición implica que , por lo que se puede reemplazar el grassmanniano por . Entonces, la explosión es de la variedad:

Es más común cambiar las coordenadas para invertir uno de los signos. En ese caso, la explosión se puede escribir como:

Esta ecuación es más fácil de generalizar que la anterior.

La explosión se puede visualizar fácilmente si se elimina el punto infinito del grassmanniano, por ejemplo, estableciendo , y se obtiene la ecuación estándar del superficie del paraboloide en el espacio tridimensional.

La explosión también se puede describir directamente usando coordenadas en el espacio normal al punto. Nuevamente, se trabaja en el plano afín . El espacio normal al origen es el espacio vectorial , donde es el ideal máximo del origen. Algebraicamente, la proyectividad de este espacio vectorial es la construcción Proy de su álgebra simétrica, es decir,

En este ejemplo, se describe concretamente como:

donde y tienen grado 0 y y tienen grado 1.

Sobre los números reales o complejos, la explosión tiene una descripción topológica como suma conexa . Supóngase que es el origen en , y denótese como la recta del infinito. tiene una aplicación de inversión que transforma en . es inversiva con respecto a la esfera unitaria : fija , conserva cada línea que pasa por el origen e intercambia el interior de la esfera con el exterior. se extiende a una aplicación continua enviando la recta del infinito al origen. Esta extensión, que también se denota como , puede usarse para construir la explosión. Sea el complemento de la bola unitaria. La explosión es la variedad obtenida al adjuntar dos copias de a lo largo de . viene con una aplicación a que es la identidad en la primera copia de y en la segunda copia de . Esta aplicación es un isomorfismo que se aleja de , y la fibra sobre es la recta en el infinito en la segunda copia de . Cada punto de esta recta corresponde a una recta única que pasa por el origen, por lo que la fibra sobre corresponde a las posibles direcciones normales que pasan por el origen.

Para , este proceso debería producir una variedad orientada. Para que esto ocurra, las dos copias de deben tener orientaciones opuestas. En símbolos, es , donde es con la orientación opuesta a la estándar.

Explosión de puntos en el espacio complejo

Sea el origen en el espacio n-dimensional complejo, . Es decir, es el punto donde las n funciones de coordenadas se anulan simultáneamente. Sea un espacio proyectivo complejo de dimensión (n - 1) con coordenadas homogéneas . Sea el subconjunto de × que satisface simultáneamente las ecuaciones para i, j = 1, ..., n. La proyección

induce naturalmente una aplicación holomorfa

Esta aplicación π (o, a menudo, el espacio ) se denomina explosión de .

El divisor excepcional se define como la imagen inversa del lugar geométrico bajo π. Es fácil ver que

es una copia del espacio proyectivo, y es un divisor efectivo. Fuera de , π es un isomorfismo entre y ; y también es una aplicación birracional entre y .

Si en cambio se considera la proyección holomorfa:

se obtiene el haz de rectas tautológico de y se puede identificar el divisor excepcional con su sección cero, a saber, , que asigna a cada punto el elemento cero en la fibra sobre .

Explosión de subvariedades en variedades complejas

De forma más general, se puede explotar cualquier codimensión de una subvariedad compleja de . Supóngase que es el lugar geométrico de las ecuaciones , y sean coordenadas homogéneas en . Entonces, la explosión es el lugar geométrico de las ecuaciones para todo , en el espacio .

De forma aún más general, se puede explotar cualquier subvariedad de cualquier variedad compleja aplicando esta construcción localmente. El efecto es, como antes, reemplazar el lugar geométrico de explosión por el divisor excepcional . En otras palabras, la aplicación de explosión

es una aplicación birracional que, fuera de , induce un isomorfismo y, en , un fibrado localmente trivial con fibra . En efecto, la restricción se interpreta naturalmente como la proyectividad de un haz normal de en .

Dado que es un divisor liso (de codimensión 1), su fibrado normal es un haz de rectas. Es fácil demostrar que se interseca a sí mismo negativamente. Esto significa que su fibrado normal no posee secciones holomorfas; es el único representante complejo liso de su clase de homología en . Supóngase que pudiera perturbarse a sí mismo para formar otra subvariedad compleja de la misma clase. En ese caso, las dos subvariedades se intersecarían positivamente —como siempre lo hacen las subvariedades complejas—, lo que contradice la autointersección negativa de . Por esta razón, el divisor se denomina excepcional.

Sea una subvariedad de distinta de . Si es disjunta de , entonces no se ve afectada esencialmente por la explosión a lo largo de . Sin embargo, si interseca a , entonces existen dos análogos distintos de en la explosión . Uno es la transformación propia (o transformación estricta), que es la clausura de ; su fibrado normal en es típicamente diferente del de en . El otro es la transformación total, que incorpora parte o la totalidad de , que esencialmente el retroceso de en cohomología.

Explotar esquemas

Para lograr la explosión en su mayor generalidad, sea X un esquema, y sea un haz coherente de ideales sobre X. La ampliación de X con respecto a es un esquema junto con un morfismo

tal que el retroceso es un haz invertible, caracterizado por esta propiedad universal: para cualquier morfismo f: Y → X tal que es una gavilla invertible, f se factoriza únicamente a través de π.

Nótese que

tiene esta propiedad; así es como se construye la explosión (véase también álgebra de Rees). Aquí Proj es la construcción Proy sobre haces graduados de anillos conmutativos.

Divisores excepcionales

El divisor excepcional de una ampliación es el subesquema definido por la imagen inversa del haz ideal , que a veces se denota como . De la definición de explosión en términos de Proj se deduce que este subesquema E está definido por el haz ideal . Este haz ideal es también el relativo para π.

π es un isomorfismo alejado del divisor excepcional, pero el divisor excepcional no necesita estar en el lugar excepcional de π. Es decir, π puede ser un isomorfismo en E. Esto sucede, por ejemplo, en la situación trivial en la que ya es un haz invertible. En particular, en tales casos el morfismo π no determina el divisor excepcional. Otra situación en la que el lugar excepcional puede ser estrictamente más pequeño que el divisor excepcional es cuando X tiene singularidades. Por ejemplo, sea X el cono afín sobre 'P1 × P1. X se puede dar como el lugar geométrico de fuga de xw − yz en A4. Los ideales (x, y) y (x, z) definen dos planos, cada uno de los cuales pasa por el vértice de X. Lejos del vértice, estos planos son hipersuperficies en X, por lo que la ampliación es un isomorfismo allí. El lugar excepcional de ampliación de cualquiera de estos planos está, por tanto, centrado sobre el vértice del cono y, en consecuencia, es estrictamente más pequeño que el divisor excepcional.

Otros ejemplos

Explosiones de subespacios lineales

Sea un espacio proyectivo dimensional n. Se corrige un subespacio lineal L de dimensión d. Hay varias formas explícitas de describir la explosión de a lo largo de L. Supóngase que tiene coordenadas . Después de cambiar las coordenadas, se puede suponer que . La ampliación puede estar incrustada en . Sean las coordenadas del segundo factor. Debido a que L está definido por una secuencia regular, la explosión está determinada por la desaparición de los menores de la matriz de dos por dos.

Este sistema de ecuaciones equivale a afirmar que las dos filas son linealmente dependientes. Un punto está en L si y solo si, cuando sus coordenadas se sustituyen en la primera fila de la matriz anterior, esa fila es cero. En este caso, no hay condiciones en Q. Sin embargo, si esa fila es distinta de cero, entonces la dependencia lineal implica que la segunda fila es un múltiplo escalar de la primera y, por lo tanto, que hay un punto único tal que está en la ampliación.

A esta explosión también se le puede dar una descripción sintética como la correspondencia de incidencia

donde denota el grasmaniano de los subespacios dimensionales en . Para ver la relación con la puesta en coordenadas anterior, se observa que el conjunto de todos los que contienen a L es isomorfo a un espacio proyectivo . Esto se debe a que cada subespacio M es la unión lineal de L y un punto Q que no está en L, y dos puntos Q y Q' determinan el mismo M si y solo si tienen la misma imagen bajo la proyección de lejos de L. Por lo tanto, el grassmanniano puede ser reemplazado por una copia de . Cuando , solo hay un subespacio M que contiene P, la unión lineal de P y L. En las coordenadas anteriores, este es el caso en el que no es el vector cero. El caso corresponde a que sea el vector cero, y en este caso se permite cualquier Q, es decir, cualquier M que contenga L es posible.

Explosión de intersecciones de curvas (análisis teórico)

Sean polinomios homogéneos genéricos de grado (lo que significa que sus variedades proyectivas asociadas se intersecan en los puntos mediante el teorema de Bézout). El siguiente morfismo proyectivo de esquemas proporciona un modelo para la explosión de en los puntos :

Observando las fibras se explica por qué esto es cierto: si se toma un punto , el diagrama de retroceso

indica que la fibra es un punto siempre que o , y la fibra es si .

Construcciones relacionadas

En la explosión de Cn descrita anteriormente, el uso de números complejos no era esencial. Las explosiones pueden realizarse sobre cualquier cuerpo. Por ejemplo, la explosión real de R2 en el origen resulta en una banda de Möbius. De forma análoga, la explosión de la esfera bidimensional S2 resulta en el plano proyectivo real.

La deformación del cono normal es una técnica de explosión utilizada para demostrar muchos resultados en geometría algebraica. Dado un esquema X y un subesquema cerrado V, se realiza la explosión:

Entonces

es una fibración. La fibra general es naturalmente isomorfa a X, mientras que la fibra central es la unión de dos esquemas: uno es la explosión de X a lo largo de V, y el otro es el cono normal de V con sus fibras completadas a espacios proyectivos.

Las explosiones también pueden realizarse en la categoría simpléctica, dotando a una variedad simpléctica de una estructura casi compleja compatible y procediendo con una explosión compleja. Esto tiene sentido desde un punto de vista puramente topológico. Sin embargo, dotar a la explosión de una forma simpléctica requiere cierta precaución, ya que no se puede extender arbitrariamente la forma simpléctica a través del divisor excepcional E. Es necesario modificar la forma simpléctica en un entorno de E, o realizar la explosión recortando un entorno de Z y colapsando la frontera de forma bien definida. Esto se comprende mejor utilizando el formalismo del corte simpléctico, del cual la explosión simpléctica es un caso especial. El corte simpléctico, junto con la operación inversa de la suma simpléctica, es el análogo simpléctico de la deformación al cono normal a lo largo de un divisor suave.

Véase también

Referencias

  • Fulton, William (1998). Intersection Theory. Springer-Verlag. ISBN 0-387-98549-2.
  • Griffiths, Phillip; Harris, Joseph (1978). Principles of Algebraic Geometry. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-32792-1.
  • Hartshorne, Robin (1977). Algebraic Geometry. Springer-Verlag. ISBN 0-387-90244-9.
  • McDuff, Dusa; Salamon, Dietmar (1998). Introduction to Symplectic Topology. Oxford University Press. ISBN 0-19-850451-9.

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