גאומטריה אלגברית

גאומטריה אלגברית היא ענף במתמטיקה העוסק בשילוב של אלגברה מופשטת (בעיקר אלגברה קומוטטיבית) עם גאומטריה. גאומטריה אלגברית עוסקת בלימוד אוסף הפיתרונות של מערכת משוואות פולינומיליות. כאשר ישנו יותר ממשתנה אחד, שיקולים גאומטרים הופכים להיות חשובים לצורך הבנת התופעות השונות המתרחשות. הגאומטריה האלגברית עוסקת לרוב בניסיון להבין את מכלול הפתרונות של משוואות פולינומיליות, ולרוב אינה עוסקת בחיפוש פתרון מסוים. בענף זה נחקרים יריעות אלגבריות (algebraic varieties) והכללות שלהן: סכמות (schemes). ענף הגאומטריה האלגברית הוא אחד העמוקים ביותר בכל המתמטיקה, הן מבחינה רעיונית, והן מבחינת הטכניקות שמשתמשים בהן בתחום.

התאפסות בו זמנית של מספר פולינומים

בגאומטריה אלגברית קלאסית, האובייקטים המרכזיים שנחקרים הם קבוצות ההתאפסות של אוסף של פולינומים. לדוגמה, הספירה הדו-ממדית במישור האוקלידי התלת-ממדי  ניתנת להגדרה כאוסף הנקודות  המקיימות:
.
דוגמה נוספת היא קבוצת הפתרונות המשותפת של שני הפולינומים  ו-. קבוצה זו היא אוסף הנקודות מהצורה .

פונקציות רגולריות

בדומה לכך שההעתקות הטבעיות על מרחבים טופולוגים הן פונקציות רציפות, והעתקות הטבעיות על יריעות חלקות הן פונקציות חלקות, ישנה קבוצה של העתקות טבעיות על קבוצות אלגבריות, הנקראות פונקציות רגולריות. פונקציה רגולרית על תת-קבוצה אלגברית V של  מוגדרת להיות צמצום של פונקציה רגולרית על  במובן שהוגדר לעיל (כלומר צמצום של פולינום).
ייתכן שתחילה הדרישה שכל פונקציה רגולרית תהיה ניתנת להרחבה על המרחב כולו נראית לא טבעית, אך למעשה המצב דומה מאוד למרחבים טופולוגים נורמלים, שם משפט ההרחבה של טיצה מבטיח שפונקציה רציפה על קבוצה סגורה ניתנת להרחבה לפונקציה רציפה על המרחב כולו.
בדומה לכך שאוסף הפונקציות הרגולריות על  יוצרות חוג חילופי, כך גם אוסף הפונקציות הרגולריות על קבוצה אלגברית V כלשהי. חוג זה מסומן ב-, ונקרא חוג הקואורדינטות של V.
מכיוון שפונקציות רגולריות על V הן צמצומים של פונקציות רגולריות על המרחב כולו, הרי שקיים קשר בין חוגי הקואורדינטות שלהם. באופן מפורש, שתי פונקציות רגולריות f ו-g על V הן שוות אם הן מזדהות על V. כלומר, f=g אם לכל נקודה  מתקיים , או . לכן,  אם ורק אם  ולפיכך ניתן לזהות את חוג הקואורדינטות על V עם חוג המנה .

הקטגוריה של יריעות אפיניות

בעזרת פונקציות רגולריות מיריעות אפיניות ל נוכל להגדיר פונקציות רגולריות בין שתי יריעות אפיניות. תחילה נגדיר פונקציות רגולריות מיריעה אפינית למרחב האפיני: נניח כי V היא יריעה אפינית ב. נבחר m פונקציות רגולריות על V ונסמנן ב-. נאמר שפונקציה f מ-V ל- היא פונקציה רגולרית אם לכל  מתקיים
.
אם W היא יריעה אפינית ב, נאמר ש f היא פונקציה רגולרית מ-V ל-W אם התמונה של f מוכלת ב-W.
הקטגוריה של יריעות אפיניות מוגדרת להיות הקטגוריה שהאובייקטים שלה הם יריעות אפיניות והמורפיזמים הם פונקציות רגולריות. המשפט הבא מאפיין את הקטגוריה של יריעות אפיניות:
הקטגוריה של יריעות אפיניות היא הקטגוריה ההפוכה (כלומר אותם אובייקטים ומורפיזמים הפוכים) לקטגוריה של k-אלגבראות נוצרות סופית שהן תחומי שלמות.

נקודת המבט המודרנית

הגישה המודרנית לגאומטריה האלגברית מגדירה מחדש את האובייקטים הבסיסיים בתחום. יריעות (אפיניות או פרויקטיביות) מהוות מקרה פרטי של מושג הסכמה שהומצא על ידי אלכסנדר גרותנדיק. תורת הסכמות מתחילה בהבחנה שאם k-אלגבראות נוצרות סופית שהן תחומי שלמות מהוות אובייקטים גאומטריים, אז אולי ניתן לראות בחוגים קומוטטיביים כלשהם מבנים גאומטרים. בכך מהוות סכמות מבנים גאומטרו-אלגבריים כלליים יותר, ודרך נוחה לעבודה עם חוגים קומוטטיביים. שפת הסכמות הוכחה כשפה יעילה מאוד לעבודה עם אובייקטים גאומטריים והפכה לאבן פינה בגאומטריה האלגברית המודרנית.

היסטוריה והערות נוספות

המתמטיקאי הפרסי עומר ח'יאם (נולד ב־1048) המציא שיטות כללית לפתרון משוואות ממעלה שלישית על ידי חיתוך של פרבולה ומעגל. עומר ח'יאם אף שילב את השימוש בטריגונומטריה ותורת הקירובים על מנת למצוא פיתרונות למשוואות אלגבריות באמצעות כלים גאומטריים.
העיסוק המודרני בגאומטריה אלגברית החל באמצע המאה ה-19, עם תוצאות של יוליוס פלוקר  ואחרים. פלוקר הוכיח (ב-1839) שלכל עקום ב- המוגדר על ידי פולינום הומוגני ממעלה רביעית, כדוגמת עקום פרמה , יש בדיוק 28 ישרים המשיקים אליו פעמיים. תוצאה דומה מאותו זמן: לכל עקום ב- המוגדר על ידי פולינום הומוגני ממעלה שלישית, יש בדיוק תשעה ישרים המשיקים לו השקה משולשת (ישר משיק השקה משולשת למשטח, אם לצמצום של משוואת המשטח אל הישר יש שורש משולש). ארתור קיילי הראה ב-1849 שכל משטח חלק ב- המוגדר על ידי פולינום הומוגני ממעלה שלישית (כגון ) מכיל בדיוק 27 ישרים. קבוצת חוקרים איטלקים המשיכה את המחקר של עקומים ומשטחים במחצית הראשונה של המאה ה-20. סגנונם היה אינטואיטיבי ולא עמד בדרישות הריגורוזיות של המתמטיקה המודרנית.
בשנות ה-30 וה-40 של המאה ה-20, הבינו אוסקר זריצקי, אנדרה וייל ואחרים שיסודות הגאומטריה האלגברית צריכות להיבנות על אלגברה קומוטטיבית ותורת ההערכות.
אלגברה קומוטטיבית פותחה על ידי דויד הילברט, מקס נתר, עמנואל לסקר, אמי נתר, וולפגנג קרול ואחרים. במשך זמן רב לא היו יסודות אחידים לגאומטריה האלגברית.
בשנות ה-50 וה-60 ז'אן-פייר סר ואלכסנדר גרותנדיק בנו את היסודות מחדש בעזרת תורת האלומות. לאחר מכן, בשנות ה-60, רעיון הסכמה נולד, ובצמידות לו השימוש בשיטות הומולוגיות. לאחר עשור של התפתחות מאסיבית, התחום התייצב בשנות ה-70, ושימושים חדשים נמצאו, הן בתורת המספרים והן לשאלות קלאסיות על יריעות אלגבריות.
אחת מקבוצות היריעות אשר לא ניתן להבין ישירות מהמשוואות המגדירות אותן היא היריעות האבליות, שהן יריעות פרויקטיביות שהנקודות שלהן הן גם חבורות אבליות. הדוגמאות הידועות ביותר ליריעות אבליות הן עקומים אליפטים, שהם בעלי תאוריה עשירה מאוד, והיוו כלי חשוב בהוכחת המשפט האחרון של פרמה, ובעלי שימושים גם בקריפטוגרפיה (ראו גם - הצפנה מבוססת עקומים אליפטיים).
רובה של הגאומטריה האלגברית עוסקת בטענות מופשטות לגבי יריעות, אך שיטות אפקטיביות לביצוע חישובים קונקרטים בפולינומים תוך שימוש בטכניקות של גאומטריה אלגברית פותחו אף הן. הטכניקה החשובה ביותר היא בסיסי גרובנר הממומשים בכל המערכות האלגבריות הממוחשבות.