Notes on Hartshorne‘s Algebraic Geometry

Chapter 2.1

一般范畴上的层:对预层 和开集 的一组开覆盖 ,考虑图表左边的映射是 ,右边两个映射分别是 作为 和 往 上限制。如果这个图表对任意 和 的开覆盖,左边映射都是右边的equalizer(或者说是右边双箭头的limit),则 是一个sheaf。具体的比如说对 , 和 的equalizer无非 ,所以 上截面相当于一组相容的 上截面,即得常见的sheaf定义。

关于层化sheafication:一个非层的预层例子是常值预层 ,考虑在两个连通分支 上各取不同的 ,则无法找到一个 同时限制在 上是 ,是也就是同时等于 。它的层化 则是连通分支那么多个份 的乘积(考虑stalk皆为 ,section的定义相当于要求是 的局部常值映射,所以在连通分支上有唯一取值)。

关于direct image sheaf与inverse image sheaf:关于 不是sheaf的例子,考虑取 为单点空间而 不连通(), 相当于 ,则我们得到了 上常值预层 ,它不是层。

回忆 的section被定义为 满足 且对任意 存在 的邻域 上 是某个 的函数芽,即 。而平展空间被定义为使得 都连续的最强拓扑。考虑到 皆为单射,且如果 和 在某点 处的函数芽相同,按定义它们在 的某个邻域上相同(从而有交意味着在某个开集上相同),所以一组拓扑基正是 ,这里 是任意开集。假设 是一个连续截面,如果 非空,相当于在 上 恒成立,于是知U到平展空间的continuous section与 的section是一个东西。

注:从平展空间定义层的话,比如说 上的sheaf,则需要一个拓扑空间 和底空间 ,以及一个局部同胚 ,也就是对任意 ,存在 的邻域 , 是同胚(在由 得到的层 中, 就是 ),而 被定义为 的continuous section全体。而局部同胚意味着对continuous section ,如果 那么 在 某个更小的邻域上重合。

而对比如取值 的sheaf,则还要求 都有abel群结构,且 上群运算(加法/取逆)连续。要求 上群运算连续相当于要求stalk的运算保持代表元或者 是一个abel群。现在说明一些关于等价的证明细节:群运算连续意味着 关于群运算封闭,从而 是Abel群;反过来若 总是abel群,现证明群运算连续:对加法 ,取一个点 ,,设 ,要证明 在 处连续,则只需证明 任意邻域的原像是 的邻域。而 的任意邻域都包含某个 , 是 的某个代表元,所以只需证明 的原像都是 的邻域。类似取 的代表元 ,对足够小的 , 中有 ,从而 在 作用下包含于 ,由此知加法连续。取逆的证明并无区别,不再赘述。

设 是连续映射, 分别是 上的层,记 为 ,至于 关于 的限制映射考虑到定义 的偏序集是定义 的偏序集之子集,从而由colimit的universal property自然给出。类似地 在 中不同预层间的态射也由于colimit的构造,且关于 具有函子性。

只需证明 是 的左伴随,有自然同构证明此事由层化的universal property自然得到 是 左伴随。先定义自然的映射 和 。事实上对应包含 的偏序集中正包含 ,所以colimit自带了 ;对 则是但对每个 都有 ,所以每个 到 的限制给出了 。

现在给定态射 ,用 作用之后再用 拉回得到 ;类似地,给定 ,用 作用后再以 推出得到 。验证它们是互逆的自然变换则大功告成: 由包含 的 构成, 就是这些 到 的一族相容同态,以 作用后只考虑诸 ,而由于 包含 故colimit的cone构造中自带了 ,复合起来正是 ;反过来 就是 ,每个满足 的 都有向 的限制,于是用 作用后以 推出相当于给定 ,所有 的 对应的 给出的 。

简而言之,两者作用分别是对 取出所有colimit构造中带有的 ,以及对 关于合适的 对 取colimit,只需注意到对 , 和 只差一个限制,则立即可知两者互逆。

对开集 , 记 , 将 中元素定义为满足以下条件的一族 : ,且(考虑到层在开子集上的限制无需层化显然直接是层)则对任意 都有 . 到 的限制将每个 限制为 , 由于 是层的态射, 所以上面的限制良定义, 且使 成为预层.

现在验证 是层:取 的开覆盖 ,如果 在一切 上限制相同,也就是每个 分量 在 上相同, 由于 是层所以 , 从而 , 粘合性质的证明也类似. 还需要构造同构 , 但考虑到对 , 中section由它在 上分量确定( 分量由 给出), 从而得到了 . 也立即可得。