本节发展离散进制空间的六函子, 是第 ?? 节的后续. 尽管例 ?? 中已经将离散进制空间做成解析空间, 但仍需要经典的底空间来做几何. 为此先介绍进制谱、进制空间.
环 A 上的赋值指的是函数 ∣⋅∣A→Γ∪{0}, 其中 Γ 是全序交换群, 按乘法书写, 满足:
• | ∣ab∣=∣a∣∣b∣, ∣1∣=1, ∣0∣=0. |
• | ∣a+b∣≤max{∣a∣,∣b∣}. |
两个赋值等价指的是对应的集合 {(a,b)∈A×A∣∣a∣≤∣b∣} 相同. 赋值的核指的是 0 的原像, 记作 ker. 显然核总是素理想.
环对 (A,R) 的进制谱 Spa(A,R) 指的是 A 的赋值等价类中在 R 上取值不大于 1 者. 对 a∈A, x∈Spa(A,R), 以 ∣a∣x 或 ∣a(x)∣ 记 a 在 x 处赋值. 对 a,b∈A 定义 U(ba)={x∈Spa(A,R)∣∣a∣x≤∣b∣x=0}. 令它们为开集, Spa(A,R) 便有拓扑结构, 开集基为 U(ba1,…,an)=⋂i=1nU(bai), 对 a1,…,an,b∈A. 此种开集称为标准开集. 对 a1,…,an∈A 生成 (1), 显然 U(aia1,…,an), i=1,…,n, 覆盖 Spa(A,R). 此种开覆盖称为标准开覆盖.
Spa(A,R) 是谱空间. 其标准开集都拟紧, 每个开覆盖都被标准开覆盖加细.
证明. 由赋值等价的定义有集合单射 Spa(A,R)→2A×A, x↦{(a,b)∈A×A∣∣a∣x≤∣b∣x}. 由赋值的定义, 该单射的像集由满足如下条件的 x⊆A×A 组成:
• | 对任意 a,b, (a,b)∈x 和 (b,a)∈x 至少一个成立. |
• | 如果 (a,b)∈x, (b,c)∈x, 那么 (a,c)∈x. |
• | 如果 (a,c)∈x, (b,c)∈x, 那么 (a+b,c)∈x. |
• | 对任意 c, (a,b)∈x 则 (ac,bc)∈x. |
• | 如果 (ac,bc)∈x, (c,0)∈/x, 那么 (a,b)∈x. |
• | (1,0)∈/x. |
• | 对任意 r∈R, (r,1)∈x. |
由此可见该像集是 2A×A 中闭集, 其中 2A×A 带乘积拓扑. 以 X 记之, 赋予子空间拓扑, 则 X 为投射有限集. 在 X 里面看, U(ba) 无非就是{x∈X∣(a,b)∈X,(b,0)∈/X},为 X 中开闭集. 且对相异两点 x,y∈X 总能找到某个 U(ba) 只包含其中一个: 由于 x,y 相异, 必有某 (a,b)∈A×A 只属于其中一个, 不妨设属于 x. 如果 ∣b∣x=0 则 U(ba) 包含 x, 不包含 y; 如果 ∣b∣x=0, 那么 ∣a∣x=0, 而 ∣a∣y>∣b∣y 说明 ∣a∣y=0, 于是 U(a0) 包含 y 不包含 x. 于是由以下定理, Spa(A,R) 是谱空间, 且标准开集都拟紧.
为证明标准开覆盖有关结论, 需先证明包含闭点的标准开集都能写成分子含 1 的形式. 取闭点 x, 设其值群为 Γ. 令 Γ′={γ∈Γ∣∃a∈A,∣a∣x−1≤γ≤∣a∣x}, 则不难发现它是 Γ 的子群. 令 x′ 为取值在 Γ′ 的赋值, 定义为∣a∣x′={∣a∣x,0,∣a∣x∈Γ′,∣a∣x∈/Γ′,则显然 ∣a∣x′≤∣b∣x′=0 推出 ∣a∣x≤∣b∣x=0, 于是 x′ 是 x 的特殊化. 由于 x 是闭点, 所以 x=x′, Γ=Γ′. 现取标准开集 U(ba1,…,an)∋x. 则 ∣b∣x=0, 即 ∣b∣x∈Γ, 所以存在 a∈A, 使得 ∣a∣x−1≤∣b∣x≤∣a∣x, 于是 ∣ab∣x≥1. 从而 U(ba1,…,an)=U(abaa1,…,aan)=U(abaa1,…,aan,1).
现在来证明开覆盖都被标准开覆盖加细. 对一般的开覆盖
{Uα}α∈A, 首先对
Spa(A,R) 的每个闭点都按上一段取个分子包含
1 的标准开邻域在某
Uα 中, 然后由拟紧选出有限子覆盖. 这样便知一般的开覆盖都被分子包含
1 的标准开集的有限覆盖所加细. 现考虑一个此种覆盖
{U1,…,Un},
Ui=U(biai,1,…,ai,mi,1), 则
b1,…,bn 生成
(1), 否则存在赋值在
(b1,…,bn) 上为
0, 这便不是覆盖. 令
T 为所有乘积
c1⋯cn,
ci∈{ai,1,…,ai,mi,1,bi}, 组成之集合, 再令
S 为
T 中至少一个
ci 是
bi 者, 则
S⊇{b1,…,bn}, 故
S 生成
(1). 以下说明由
S 给出的标准开覆盖是
{U1,…,Un} 的加细. 任取
s∈S. 首先
U(sS)=U(sT),因为每个点
x 必包含在某个
Uj 中, 故把对应的因子
cj 换成
bj 不会减小这个乘积在
x 处的赋值, 于是只要
S 中元素在
x 处赋值不大于
∣s∣x, 那么
T 中的亦然. 其次如果
s=c1⋯cn 中
ci=bi, 那么显然
U(sT)⊆Ui=U(biai,1,…,ai,mi,1).所以标准开覆盖
{U(sS)∣s∈S} 的确加细
{U1,…,Un}.
X 是投射有限集, B 是其一族开闭集. 以 X′ 记集合 X 赋予 B 生成的拓扑, 即使得 B 中集合都开的拓扑中最粗者. 那么 X′ 只要 T0 就是谱空间. 此时 B 中集合都是拟紧开集.
证明. 由于开闭集的有限交仍是开闭集, 可不妨设
B 对有限交封闭. 考虑恒同映射
X→X′, 依定义它连续. 连续映射下拟紧集的像拟紧, 故
B 中集合都是
X′ 的拟紧开集.
B 对有限交封闭, 故依定义它构成
X′ 的拟紧开集基, 即
X′ 拟紧拟分离, 有拟紧开集基. 尚需证明
X′ 为 Sober 空间. 由于其已经
T0, 只需证其每个不可约闭子集都有一般点. 设
Z⊆X′ 不可约闭. 不可约无非是说对任意
U,V∈B, 只要
U∩Z,
V∩Z 都非空,
U∩V∩Z 也就非空. 于是集族
{U∩Z∣U∈B,U∩Z=∅} 对有限交封闭. 由条件这是
X 中非空闭集的族, 而
X 紧, 所以该族的交非空, 取
z 在其交中, 则显然
z 就是
Z 的一般点.
环的素谱自然地是进制谱的子空间: SpecA 可以等同于 Spa(A,R) 中值群平凡的点. 也有反过来的映射 Spa(A,R)→SpecA, x↦ker(x). 显然它们的复合是 idSpecA.
接下来给 Spa(A,R) 赋予环对层的结构.
对标准开集 U=U(ba1,…,an), 定义 O(U)=A[b1], 则 U=Spa(A[b1],R[ba1,…,ban]). O 是层, 称为结构层. 定义 O+(U)={a∈O(U)∣∀x∈U,∣a∣x≤1}, 则 O+(U) 是 R[ba1,…,ban] 在 A[b1] 中的整闭包. O+ 也是层. 每个 x∈Spa(A,R) 自然地是 O 在 x 处的茎 Ox 的赋值, 且 Ox+={a∈Ox∣∣a∣x≤1}.
证明. 第一句话显然.
O 是层是因为它是概形结构层沿含入映射
SpecA⊆Spa(A,R) 的前推. 这样一来最后两句话也显然. 只剩整闭包那句话. 以
(A[b1],R[ba1,…,ban]) 换
(A,R), 只需证
U=Spa(A,R) 的情形. 如
a∈A 在
R 上整, 写出方程
an+r1an−1+⋯+rn=0,r1,…,rn∈R. 对任意
x∈Spa(A,R), 将上式
an 移到另一边取赋值得 (省略下标
x)
∣a∣n≤max{∣r1∣∣a∣n−1,…,∣rn∣}≤max{∣a∣n−1,…,1},故
∣a∣≤1. 另一方面如
a 不在
R 上整, 要证明存在
A 上赋值, 在
R 上取值不大于
1, 但在
a 上大于
1. 由于
a 不在
R 上整,
a 也就不在
R[a1]⊆A[a1] 上整. 以
(A[a1],R[a1]) 换
(A,R) 可设
a1∈R. 由于
a∈/R, 可取
R 的素理想
\p 包含
a1. 再任取
A\p=A⊗RR\p 的素理想
\q. 则
R\p/\q∩R 是包含于域
K(A\p/\q) 的局部环. 由交换代数的经典结论, 存在赋值环支配之, 即存在
K(A\p/\q) 的赋值在
R\p/\q∩R 上取值不大于
1, 在其极大理想上取值小于
1. 由于此极大理想包含
a1, 将此赋值拉回到
(A,R) 上即得所求.
显然 Spa(A,R) 是局部环层空间, 且它只依赖于 R 在 A 中整闭包.
带赋值局部环层空间指的是局部环层空间 (X,OX) 附带对每个 x∈X 指定 OX,x 上一赋值. 此时对开集 U, x∈U, a∈OX(U), 将 a 在 OX,x 的像之赋值记作 ∣a∣x 或 ∣a(x)∣, 并定义 OX+(U)={a∈OX(U)∣∀x∈U,∣a∣x≤1}, 则显然 OX+ 也是层. 定义带赋值局部环层空间之间的映射为局部环层空间的映射 X→Y, 满足对每个 X∋x↦y∈Y, OX,x 上指定的赋值沿 OY,y→OX,x 拉回便得到 OY,y 上指定的赋值. 离散进制空间指的是局部同构于 Spa(A,R) 的带赋值局部环层空间, 其同态指的是作为带赋值局部环层空间的同态.
和概形一样, 有
对环对 (A,R), 带赋值局部环层空间 (X,OX), 证明Hom((A,R),(OX(X),OX+(X)))=Hom((X,OX),Spa(A,R)).
Spa(A,R) 的点一一对应于形如的交换图表的等价类, 其中 V 是赋值环, K 是 V 的分式域, 等价关系由「两个图表间存在映射」这一关系生成. 这对一般的进制空间 X 也成立, 只要把交换图表改为映射 Spa(K,V)→X. 所以 Spa(K,V) 就是进制空间理论中的「点」.
要证明这个经典的空间对解析环也是合理的. ?? 中已经说过, 标准开集的确对应于解析环稳态局部化. 于是只需说明标准开覆盖对应于解析环稳态覆盖, 即
(A,R) 是环对, 记 X=Spa(A,R), A=(A,R)■. 设 a1,…,an∈A 生成 (1), 记 Ui=U(aia1,…,an), Ai=(A[ai1],R[aia1,…,aian])■, 则函子 D(A)→∏i=1nD(Ai) 反映零对象.
证明. 先证 n=2, a2=1 情形. 此时它是万有情形 (A,R)=(Z[t],Z), a1=t 的基变换. 由于下星总是反映零对象, 用命题 ?? 即可化归到万有情形. 此时 A=(Z[t],Z)■, A1=(Z[t,t1],Z[t1])■, A2=Z[t]■, 要证 A 模 M 如果在 A1 和 A2 上都是 0, 那么它就是 0.
由命题 ??, M⊗AA2=0 等价于 M 是 Z((t−1)) 模, M⊗AA1=0 等价于 M[t1] 是 Z((t)) 模. 令 C=cofib(M→M⊗(Z[t],Z)■Z[[t]]), 则上一句话后半句说明 C[t1]=0; 另一方面, 由于 Z[t]/t=Z[[t]]/t, 有 cofib(tC→C)=0, 即 tC→C 为同构; 所以 C≅colimtC=C[t1]=0, 即 M≅M⊗(Z[t],Z)■Z[[t]], 是 Z[[t]] 模. 现在 M 又是 Z[[t]] 模又是 Z((t−1)) 模, 而Z[[t]]⊗(Z[t],Z)■Z((t−1))=(Z[[t]]⊗Z■Z[[s]])/(1−ts)=Z[[t,s]]/(1−ts)=0,所以 M=0. 以上所有的张量积和商都是导出的.
再证一般情形. 对
n 归纳. 要证
A 模
M 如果在
A1,…,An 上都是
0, 那么它就是
0. 由 Zariski 下降, 只需证各个
M[ai1] 都是
0, 于是以
A[ai1] 换
A, 不改变
R, 可设
a1,…,an 中有可逆者, 不妨设
an 可逆. 再全都除以
an, 这不改变
Ui 和
Ai, 故可设
an=1. 由已证, 可不妨设
X 等于
U(1a1) 或
U(a11). 前一种情况下
U2,…,Un 是
X 的标准开覆盖, 后一种情况下
U1,…,Un−1 是
X 的标准开覆盖, 故由归纳假设命题得证.
于是对一般的离散进制空间 X, 将其仿射开子空间 Spa(A,R) 打到 D((A,R)■), 便是 X 上的稳定无穷范畴层. 取整体截面即得稳定无穷范畴, 记为 D(X■). 不难发现这就是将 X 先用例 ?? 的方法做成解析空间 X■, 再取导出范畴.
接下来我们给概形对作进制空间. 对概形映射 X→Y, 定义Xad/Y=(A,R)colimSpa(A,R),这里余极限对所有交换图取, 其中水平的箭头都是开浸入. 右边是仿射进制空间沿进制空间开浸入的余极限, 所以是进制空间. 显然 Xad/X=colimSpecA⊆X仿射开Spa(A,A), 我们将其记作 Xad. 对应的解析空间记作 (X,Y)■ 与 X■. Xad/Y 可视为映射 X→Y 用进制空间做出的典范紧化. 以下命题说明映射本身已经紧的时候紧化不改变事情.
对概形映射 X→Y→Z, 进制空间映射 Xad/Y→Xad/Z 在茎上是同构. 如 Y→Z 满足赋值判别法的存在性、唯一性, 则对应地 Xad/Y→Xad/Z 在点上满、单. 特别地, 如 Y→Z 泛闭且分离, 则 Xad/Y≅Xad/Z.
证明. 第一句话是由于对环同态
A→B→C,
Spa(C,B)→Spa(C,A) 本来在茎上就都是同构, 因为对
x∈Spa(C,B), 两边的结构层在
x 处的茎都是
Cker(x). 剩下就是习题
6 及赋值判别法的显然推论.
现在来作六函子. 先设这些概形都在 Z 上有限型. 对概形映射 fX→Y, (f∗,f∗)D(Y■)⇄D(X■) 已上一节中描述. 为定义 (f!,f!), 需像第 ?? 节中一样考虑映射 jXad→Xad/Y 与 fˉXad/Y→Yad.
于是定义 f!=fˉ∗j!. f! 保持余极限, 因为两步都保持. 故它有右伴随 f!. 这样便作出了 (f!,f!)D(X■)⇄D(Y■).
我想甩掉进制空间, 只用概形和解析空间做事, 毕竟这里也是要做概形的六函子. 固然对概形映射 X→Y 能直接定义解析空间 (X,Y)■ 及其导出范畴, 但这里命题 8 和 9 的处理都依赖进制空间. 命题 9 应该问题不大, 而命题 8 就比较麻烦. 大抵对紧映射 Y→Z 要证明 Y■≅(Y,Z)■, 这看上去无从下手. 我感觉可以试图证明导出范畴同构, 毕竟 D(Y■) 显然是 D((Y,Z)■) 的满子范畴. 但要证这个似乎是需要在更复杂的情况下写出 7 证明的第二段, 我暂时不会.