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Máster y doctorado

Morfismos y propiedades locales

Un morfismo transporta puntos en una dirección y funciones en la contraria. Para estudiarlo no basta dibujar una aplicación: hacen falta sus mapas de funciones locales. Usaremos el mapa al cuadrado para calcular puntos, fibras y bases de módulos, y así separar propiedades que a primera vista pueden parecer iguales.

1. Las funciones se sustituyen; los puntos se transportan por preimagen de ideales

Un homomorfismo unitario φ: A→B induce f: Spec B→Spec A mediante q↦φ⁻¹(q). La preimagen es propia porque uno no puede llegar a un ideal primo propio. Si ab está en ella, φ(a)φ(b)∈q y la primalidad coloca una de las imágenes en q.

El punto se identifica por las funciones que se anulan en él, de modo que al sustituir funciones se contraen esas relaciones hacia A. No se usa una imagen directa arbitraria de ideales como si siempre fuera primo.

Calcular una contracción con sustitución

φ: Q[t]→Q[x], t↦x², q=(x−3).

  1. Imagen de una función

    f(t) se transforma en f(x²).

  2. Evaluar

    Pertenecer a (x−3) equivale a que f(x²) se anule en x=3, es decir f(9)=0.
  3. Ideal

    Las funciones de Q[t] que se anulan en nueve forman (t−9). Ese es el punto imagen.

Resultado

Geométricamente tres se envía a nueve.

Lo comprobamos

La flecha de anillos iba de Q[t] a Q[x], y la geométrica al revés.

Un punto con otro cuerpo residual también se transporta

La misma φ y q=(x²−2) en Q[x].

  1. Primo

    x²−2 es irreducible sobre Q y el cociente es Q(√2), un cuerpo.

  2. Sustituir

    En ese cociente x²=2, así que f(x²)=f(2).
  3. Contracción

    Se obtiene (t−2). El punto sobre la fibra tiene grado residual dos, aunque su imagen tenga residuo Q.

Resultado

Transportar puntos no exige que todos tengan coordenadas racionales.

Lo comprobamos

La irracionalidad de √2 prueba que el polinomio cuadrático no tiene raíz racional.

2. La continuidad viene acompañada de mapas sobre secciones

Se comprueba f⁻¹(D(a))=D(φ(a)): un primo q no contiene φ(a) si y solo si su contracción no contiene a. En esos abiertos se obtiene A_a→B_φ(a), que respeta las restricciones por la propiedad universal de la localización.

La aplicación sobre puntos no determina un morfismo de esquemas
A=k[ε]/(ε²)Dos mapas A→Aε ↦ εε ↦ 0El mismo mapa del único punto.Distinta acción sobre secciones.El haz forma parte del morfismo.
El anillo de números duales tiene un solo primo. La identidad y el homomorfismo que envía epsilon a cero inducen la misma función sobre ese único punto, pero actúan de modo distinto en las secciones. Ambos son homomorfismos de k-álgebras válidos. La contravarianza no se aprecia en el dibujo de un solo punto, pero sí en los mapas de anillos.

En general un morfismo consta de una aplicación continua f: X→Y y un mapa O_Y→f_*O_X que induce homomorfismos locales en tallos. Los puntos por sí solos no determinan cómo se transforman secciones, especialmente si hay nilpotentes.

Una inversa se transporta solo al abierto donde existe

Mapa al cuadrado, abierto D(t) del destino.

  1. Preimagen

    f⁻¹(D(t))=D(x²)=D(x).
  2. Secciones

    El mapa Q[t, t⁻¹]→Q[x, x⁻¹] envía t a x² y t⁻¹ a x⁻².
  3. Verificar

    La relación tt⁻¹=1 llega a x²x⁻²=1.
    En el punto x=0 esas expresiones no se usan.
Resultado

El mapa de abiertos y el de funciones concuerdan.

Lo comprobamos

No se pretende definir x⁻² en toda la recta afín.

Dos acciones infinitesimales pueden tener el mismo mapa continuo

A=k[ε]/(ε²), mapas A→A con ε↦ε o ε↦0.

  1. Puntos

    El único primo es (ε). La contracción vuelve a ser (ε) en ambos casos.

  2. Continuidad

    Las dos aplicaciones del espacio de un punto son la misma.

  3. Funciones

    La primera conserva ε no nulo y la segunda lo anula. Son morfismos de esquemas diferentes.

Resultado

El mapa de haces añade información que la función de puntos no muestra.

Lo comprobamos

Ambos homomorfismos fijan k y respetan ε²=0.

3. Un homomorfismo local debe respetar el maximal, además de las unidades

Si q de B contrae a p de A, el mapa de tallos A_p→B_q envía a/s a φ(a)/φ(s).
Si s∉p, su imagen no está en q y el denominador es válido.
Un homomorfismo α:(R, m)→(S, n) es local si α(m)⊆n.

Como toda unidad se envía a unidad, equivale a α⁻¹(n)=m y también a reflejar unidades. No todo mapa entre anillos que son locales cumple esa condición.

Un mapa de dos anillos locales puede no ser local

Z_(3)→Q por inclusión.

  1. Maximales

    En el origen es 3Z_(3); en Q es cero.

  2. Elemento de prueba

    Tres pertenece al maximal original, pero su imagen es el racional tres, no cero.

  3. Unidades

    La imagen de tres es unidad en Q aunque tres no lo sea en Z_(3). El mapa no es local.

Resultado

Ser anillos locales no convierte cualquier homomorfismo entre ellos en local.

Lo comprobamos

La condición se revisa sobre el mapa, no solo sobre los objetos.

La evaluación correcta sí induce un mapa local

Q[t]_(t−a)→Q, evaluar en un racional a.

  1. Denominadores

    Toda fracción permitida tiene denominador g con g(a)≠0, así que se puede evaluar.

  2. Maximal

    Las fracciones con numerador anulado en a se envían a cero.

  3. Contracción

    La preimagen del maximal cero de Q es exactamente (t−a)Q[t]_(t−a).

Resultado

Este mapa respeta las funciones cercanas y el valor del punto.

Lo comprobamos

Una función con valor no nulo en a es unidad en el anillo local.

4. Local en puntos, en el origen del morfismo o en el destino son condiciones diferentes

Una propiedad de morfismos puede comprobarse recubriendo el esquema origen, el destino o usando parejas de cartas afines compatibles. Cada afirmación de localidad necesita su criterio; poder restringir una fórmula no hace local cualquier propiedad global.

Localmente de tipo finito significa que, cerca de cada punto, hay cartas donde el anillo del origen es un álgebra de tipo finito sobre el del destino. No significa que el anillo de toda carta sea un anillo local: localmente afín y anillo local son nociones distintas.

Una carta afín no tiene por qué tener un solo maximal

U=Spec Q[x].

  1. Maximales

    (x) y (x−1) son dos ideales maximales distintos.

  2. Carta

    U es un esquema afín válido y puede ser una carta alrededor de cualquiera de sus puntos.

  3. Tallo

    Al estudiar el punto (x) se pasa a Q[x]_(x), que sí tiene un único maximal. No se reemplaza ese tallo por Q[x] entero.

Resultado

La palabra local requiere indicar qué construcción se está haciendo.

Lo comprobamos

La carta contiene más información que el germen en un punto.

Una condición alrededor de cada punto puede fallar globalmente

X es una unión disjunta infinita de copias de Spec k, con mapa a Spec k.

  1. Cada componente

    Es un abierto y su mapa es de tipo finito; allí el anillo es simplemente k.

  2. Recubrimiento

    Las infinitas componentes cubren X y ninguna subfamilia finita lo cubre.

  3. Global

    El mapa es localmente de tipo finito, pero no cuasicompacto y por tanto no de tipo finito.

Resultado

Una hipótesis global de cuasicompacidad no se obtiene revisando un punto cada vez.

Lo comprobamos

La infinitud del recubrimiento es la obstrucción concreta.

5. Finito como módulo es más fuerte que de tipo finito como álgebra

A→B es de tipo finito si B se genera con finitos elementos como A-álgebra. Es finito si B se genera como A-módulo. La segunda condición implica la primera e integralidad.

Un morfismo de tipo finito es localmente de tipo finito y cuasicompacto. Un morfismo finito exige que sobre cada afín del destino la preimagen sea afín y su anillo sea finito como módulo sobre el anillo del destino. Tener finitas fibras de puntos no sustituye esa condición.

Una sola variable da finita generación de álgebra y módulo infinito

Q→Q[x].

  1. Álgebra

    Basta el generador x, porque se permiten todos sus productos y sumas con coeficientes racionales.

  2. Módulo

    Una lista finita de polinomios tiene grados acotados. Sus combinaciones racionales no producen una potencia de grado mayor.

  3. Conclusión

    Es de tipo finito como álgebra y no finito como módulo.

Resultado

El tipo de coeficientes permitidos en la generación cambia la afirmación.

Lo comprobamos

Las potencias 1, x, x²,… son linealmente independientes sobre Q.

Fibras pequeñas no garantizan un morfismo finito

Inmersión abierta Spec k[t, t⁻¹]→Spec k[t].

  1. Fibras

    Es un isomorfismo sobre D(t) y tiene fibra vacía fuera; cada fibra tiene a lo sumo un punto.

  2. No integral

    Si 1/t satisficiera una ecuación mónica sobre k[t], multiplicar por tⁿ daría 1 más un múltiplo de t igual a cero.

    Reducir módulo t contradice 1≠0.
  3. No finito

    Una extensión finita como módulo sería integral. Así esta localización no es un morfismo finito, aunque tenga fibras finitas.

Resultado

La finitud se comprueba en funciones, además de en puntos.

Lo comprobamos

La localización sí es de tipo finito sobre k[t]: basta adjuntar el generador t⁻¹.

6. El mapa al cuadrado es plano porque su anillo es libre de rango dos

La planitud de f en x pide que O_X, x sea plano sobre O_Y, f(x), conservando exactitud al tensorizar. No es sinónimo de sobreyectividad, fibras reducidas ni un número constante de puntos.

Una familia plana puede tener dos puntos o un punto doble
x ↦ t=x² sobre Qt=1t=0−110Dos puntosUn puntoQ×QQ[ε]/(ε²)Ambas fibras: dimensión vectorial 2Plano no implica fibra reducida.
Para el mapa al cuadrado sobre los racionales, la fibra de uno tiene anillo Q por Q y dos puntos correspondientes a las raíces menos uno y uno. La fibra de cero tiene anillo Q de epsilon módulo epsilon al cuadrado y un punto con nilpotencia. Ambas son espacios vectoriales de dimensión dos sobre Q. El círculo extra del punto cero simboliza la estructura nilpotente y no un segundo punto.

Para k[t]→k[x], t↦x², cada polinomio se escribe de forma única a(x²)+x b(x²), separando exponentes pares e impares. Por tanto k[x] es libre sobre k[t] con base 1, x. Un módulo libre es plano, y además esta base finita prueba que el morfismo es finito.

Separar pares e impares da coordenadas de la base

f(x)=3+2x+5x²+7x³+x⁴.

  1. Parte par

    3+5x²+x⁴=a(x²), con a(t)=3+5t+t².
  2. Parte impar

    2x+7x³=x b(x²), con b(t)=2+7t.
  3. Unicidad

    Los exponentes pares e impares son distintos, de modo que una suma a(x²)+x b(x²)=0 obliga a a=b=0.

Resultado

La base 1, x se ha construido y comprobado, no solo contado.

Lo comprobamos

El argumento vale en cualquier característica.

La planitud permite una fibra doble

La fibra sobre t=0.

  1. Imponer valor

    Se toma k[x]/(x²).

  2. Tamaño algebraico

    Tiene base 1, x como espacio vectorial de dimensión dos, pero un único punto y un nilpotente no nulo.

  3. Comparar

    La fibra sobre t=1, en característica distinta de dos, tiene anillo k×k y dos puntos. El rango dos permanece, aunque cambien los puntos.

Resultado

Plano no significa que todas las fibras sean reducidas.

Lo comprobamos

La separación de x²−1 usa que uno y menos uno sean distintos.

7. La fibra se calcula cambiando la base al cuerpo residual del punto

Para f: Spec B→Spec A y p∈Spec A, la fibra es \operatorname{Spec}(B\otimes_A\kappa(p)). Primero se permite evaluar las funciones de la base en su cuerpo residual; las relaciones de B se conservan con esos coeficientes.

En un punto racional t=c del mapa al cuadrado, queda k[x]/(x²−c). El número de puntos depende de la factorización en ese cuerpo. La dimensión del álgebra y el número de puntos son medidas distintas.

Una fibra racional puede tener un punto con cuerpo residual mayor

Sobre Q, c=2.

  1. Anillo

    Q[x]/(x²−2).

  2. Irreducibilidad

    √2 no es racional, de modo que el polinomio cuadrático es irreducible.

  3. Espectro

    El cociente es Q(√2), un cuerpo de dimensión dos sobre Q. Su espectro tiene un punto, con ese cuerpo residual.

Resultado

Un punto de grado dos no se cuenta como dos puntos racionales.

Lo comprobamos

Tras extender a un cuerpo donde x²−2 se escinda, la descripción de la fibra cambia.

La factorización separable produce dos puntos

Sobre Q, c=1.

  1. Factores

    x²−1=(x−1)(x+1), con ideales comaximales porque dos es invertible.

  2. Cociente

    El teorema chino del resto da Q[x]/(x²−1)≅Q×Q.

  3. Puntos

    Hay dos, con residuos Q. Cada componente tiene dimensión uno y el álgebra completa dimensión dos.

Resultado

Las dos fibras anteriores tienen el mismo rango y distinta lista de puntos.

Lo comprobamos

La comparación no usa una raíz cuadrada elegida dentro de Q cuando no existe.

8. La lisura pide más que planitud y revisa también fibras geométricas

Una caracterización de lisura usa presentación finita local, planitud y fibras geométricamente regulares. La palabra geométricamente exige revisar las extensiones de cuerpos apropiadas, no solo la fibra sobre su cuerpo inicial. Estos son criterios estructurales con hipótesis, no consecuencias de una figura.

El mapa al cuadrado tiene presentación k[t, x]/(x²−t). En característica distinta de dos, la derivada respecto de x es 2x y es invertible en D(x). El criterio jacobiano da lisura allí. En el origen la fibra doble no es regular, por lo que no es liso en ese punto.

Revisar el punto x=1 en característica cero

La relación es x²−t=0 sobre Q.

  1. Derivada

    La derivada parcial respecto de x es 2x.

  2. Invertir localmente

    En el punto x=1 su valor es dos y no se anula.

    Es unidad en el anillo local.

  3. Criterio

    La presentación cumple el criterio jacobiano de lisura en ese entorno. En esta dimensión relativa cero se obtiene un mapa étale allí.

Resultado

El mismo mapa puede ser liso en un abierto y fallar en otro punto.

Lo comprobamos

La conclusión étale usa también la presentación y la dimensión relativa cero.

Cambiar la característica puede invalidar esa comprobación

Sobre F₂, mirar la fibra t=1.

  1. Derivada

    2x es cero en característica dos, así que el argumento anterior ya no sirve.

  2. Fibra

    x²−1=(x−1)² y el cociente es un punto doble no reducido.
  3. Fallo

    Esta fibra no es regular en su punto. El mapa, aunque sigue siendo finito y plano, no es liso allí.

Resultado

La base y la característica son parte de la hipótesis.

Lo comprobamos

No se deduce un criterio global solo de que una derivada escrita parezca la misma.

9. Las inmersiones abiertas y cerradas llevan acciones concretas sobre funciones

A→A/I induce una inmersión cerrada Spec(A/I)→Spec A con imagen V(I). Se conservan los primos que contienen I y se toman las funciones módulo todas las relaciones de I, no solo de su radical.

A→A_f induce una inmersión abierta con imagen D(f), cuyo haz es el restringido. En ambos casos se ha especificado el mapa de anillos que produce la inclusión geométrica.

La misma imagen cerrada puede llevar distinta estructura

En Spec k[x], comparar los cocientes por (x) y por (x²).

  1. Puntos

    Ambos tienen imagen el punto (x), porque los primos contienen x² si y solo si contienen x.

  2. Funciones

    El primero da k y el segundo k[x]/(x²).

  3. Diferencia

    La clase de x es cero en uno y nilpotente no nulo en el otro. Las inmersiones cerradas no llevan la misma estructura.

Resultado

La imagen topológica no reemplaza el ideal de definición.

Lo comprobamos

Se necesita conservar la potencia de la relación.

El abierto D(x) conserva el genérico y retira el origen

Spec k[x, x⁻¹]→Spec k[x].

  1. Origen

    El primo (x) contiene x y queda fuera de D(x).

  2. Genérico

    El primo cero no contiene x y permanece.

  3. Funciones

    La nueva sección x⁻¹ es regular en ese abierto. La inclusión está acompañada de la localización.

Resultado

Recortar un abierto no es imponer que x sea cero, sino permitir su inversa.

Lo comprobamos

Un cociente por (x) habría producido la operación cerrada opuesta.

10. Una comprobación completa separa mapa, fibras y criterio de cada propiedad

Se empieza escribiendo A→B y se invierte la dirección para los espectros. Se contraen los primos y se calculan mapas de tallos o fibras. Después se aplica el criterio de la propiedad concreta: finitud, planitud y lisura tienen obligaciones diferentes.

Las propiedades como no ramificado y étale incorporan condiciones de presentación y de comportamiento infinitesimal. No se sustituyen por un número de puntos o por una aplicación continua agradable. Los ejemplos permiten detectar varias inferencias falsas con cuentas pequeñas.

Reunir las conclusiones del cuadrado sobre Q

Q[t]→Q[x], t↦x².

  1. Finito y plano

    La base 1, x lo demuestra como módulo libre de rango dos.

  2. Fibras

    Sobre uno hay dos puntos; sobre cero hay un punto doble; sobre dos un punto de grado dos.

  3. Lisura

    Es liso y étale donde x≠0, y falla en el origen por la fibra doble.

Resultado

Una sola familia ilustra por qué esas propiedades no se identifican.

Lo comprobamos

Cada conclusión usa una comprobación distinta ya desarrollada.

Ver por qué una sección de la base y un punto no llevan la misma flecha

t+1 bajo el mapa al cuadrado y el punto x=−2.

  1. Función

    La sección t+1 se transforma en x²+1.

  2. Punto

    El punto −2 se envía a t=4.
  3. Compatibilidad

    Evaluar la función transformada en −2 da cinco, igual a evaluar t+1 en cuatro.

Resultado

El transporte de funciones y el de puntos son opuestos y compatibles.

Lo comprobamos

No se envía t+1 a una función del destino por una imagen directa de puntos.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Mapa al cuadrado

Sea φ:k[t]→k[x], t↦x². ¿Adónde va el punto (x−2)?

  1. Flechas

    φ: k[t]→k[x] induce Spec k[x]→Spec k[t].
  2. Punto origen

    q=(x−2) corresponde a evaluar x en el elemento dos del cuerpo k.

  3. Contraer

    Se buscan los f(t) tales que f(x²) pertenezca a (x−2).

  4. Evaluar

    Esto equivale a f(4)=0.
  5. Ideal

    Los polinomios anulados en cuatro forman (t−4).

  6. Comprobar

    El punto imagen es (t−4), consistente con x↦x², interpretando los enteros dentro de k.

Resultado

El punto imagen es (t−4).

Lo comprobamos

Geométricamente el mapa es x↦x².

EJEMPLO RESUELTO 2

Inclusión cerrada

Describe Spec(A/I)→Spec A.

  1. Homomorfismo

    Se usa la proyección A→A/I.
  2. Primos del cociente

    Cada primo de A/I corresponde por preimagen a un primo p de A que contiene I.

  3. Imagen

    El conjunto de esos primos es V(I).

  4. Topología

    La correspondencia respeta cerrados y da la topología de subespacio de V(I).

  5. Funciones

    Las funciones se toman módulo I y sus localizaciones; se conserva el ideal completo.

  6. Conclusión

    Es una inmersión cerrada con imagen V(I), también cuando I contiene relaciones nilpotentes.

Resultado

Es una inmersión cerrada con imagen V(I).

Lo comprobamos

La correspondencia de primos respeta inclusiones.

Los símbolos que hemos usado

φ:A→B
Homomorfismo de anillos con identidad que se usa para construir un morfismo afín.
Spec(φ)
Mapa Spec B→Spec A, dado por q↦φ⁻¹(q).
f♯
Mapa de haces que lleva funciones del destino a funciones del origen.
O_Y,y→O_X,x
Homomorfismo local de tallos para x∈X e y=f(x).
Morfismo local
Homomorfismo de anillos locales que envía el maximal de partida al maximal de llegada.
Tipo finito
Una álgebra generada por finitos elementos; para morfismos globales se añade cuasicompacidad a la condición local.
Plano
Un módulo cuyo tensor preserva sucesiones exactas.
X_y
Fibra sobre y: X×_Y Spec κ(y), donde κ(y)=O_Y,y/m_y es el cuerpo residual del punto.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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