奇點解消

在代數幾何學中，**奇點解消**問題探討代數簇是否有非奇異的模型（即：與之雙有理等價的非奇異代數簇）。在特徵為零的域上，廣中平祐已給出肯定答案，至於正特徵的域，四維以上的情形至今（2007 年）未解。

## 定義

對於一個域 $k$ 上的代數簇 $X$ ，若能找到一個完備非奇異代數簇與之雙有理等價（換言之：有相同的函數域），則稱 $X$ 有**弱奇點解消**。在實踐上常會要求更容易運用的條件：若存在非奇異代數簇 $X'$ 及真雙有理態射 $X'\to X$ ，使之在 $X$ 的奇點集 $\mathrm {Sing} (X)$ 之外為同構，則稱 $X$ 有**奇點解消**。真態射的條件意在排除平凡解，例如 $X'=X\setminus \mathrm {Sing} (X)\hookrightarrow X$ 。

一般而言，設 $X\hookrightarrow W$ ，其中 $W$ 是非奇異代數簇，此時一個實用的概念是 $X$ 在 $W$ 中的**強奇點解消**：這是一個真雙有理態射 $f:W'\to W$ ，滿足下述條件：

 1. $W'\to W$ 由一系列對非奇異閉子簇的拉開合成，每一步取的閉子簇都橫截已拉開的例外除數。
2. $X$ 的嚴格變換 $X'$ 是非奇異的，並與橫截拉開的例外除數；於是限制態射 $X'\to X$ 是 $X$ 的奇點解消。
3. $W'$ 的構造對平滑態射具函子性。
4. 態射 $X'\to X$ 與 $X$ 在 $W$ 中的嵌入方式無關。

廣中平祐證明了：當域 $k$ 的特徵為零，則存在滿足前兩個條件的強奇點解消。他的建構後經多位數學家改進，以滿足全部四個條件。

## 簡史

代數曲線的奇點解消較容易，在 19 世紀已廣為人知。證明方法不一：最常見的兩種是相繼拉開奇點，或取曲線的正規化。正規化消解的是所有餘維度為一的奇點，因此僅適用於曲線。

複代數曲面的奇點解消先後由 Beppo Levi（1899 年）、O. Chisini（1921 年）與 G. Albanese（1924 年）給出非正式的說明。第一個嚴謹證明由 Robert J. Walker 於 1935 年給出。對所有零特徵域均成立的代數證明由扎裡斯基於 1939 年給出。S. S. Abhyankar 證明正特徵域上的情形（1956 年）。所有二維優概形（包括所有算術曲面）的奇點解消由 Lipman 在 1978 年證出。

消解曲面奇點的通常辦法是不斷將曲面正規化（以消去餘維為一的奇點）並拉開奇點（以改善餘維為二的奇點，但是可能會增加新的餘維一的奇點）。

對於三維情形，零特徵域上首先由扎裡斯基證明（1944 年）；域特徵超過 5 的情形由 S. S. Abhyankar 於 1966 年證明。

零特徵域上任意維度的奇點消解首先由廣中平祐於 1964 年證出。他證明可以藉著相繼對非奇異閉子流形作拉開以消去奇點，其證明中對維度作了相當複雜的數學歸納法。簡化版的證明之後由許多數學家給出，包括 Bierstone 與 Milman（1997 年），Encinas 與 Villamayor（1998 年），Encinas 與 Hauser（ 2002 年）、Cutkosky（2004 年），Wlodarczyk（2005 年）及 Kollar（2007 年）。某些晚近證明的長度還不及廣中平祐證明的十分之一，並簡單到可以在研究所導論課程中給出。關於該定理的介紹，詳閱文獻中 Hauser 的著作（2003），歷史討論請見 Hauser（2000）。

A. J. de Jong 在 1996 年提出奇點解消的另種進路，這套進路被 Bogomolov 與 Pantev（1996 年）及 Abramovich 與 de Jong（1997 年）用於證明零特徵域上的奇點解消。De Jong 的方法對正特徵域上的代數簇給出較弱的結果，然而已足以替代奇點解消的許多角色。

De Jong 證明對任意域上的代數簇 $X$ ，存在滿的真態射 $X'\to X$ ，使得 $\dim X'=\dim X$ 且 $X'$ 非奇異。這不一定是雙有理等價， $X'$ 的函數域可能是有限擴張，故非奇點解消。De Jong 的想法是嘗試將 $X$ 表為一個較小空間 $Y$ 上的纖維化映射，使得纖維均為曲線（為此可能需要修改 $X$ ），然後藉著對維度作數學歸納法消去 $Y$ 的奇點，最後消去纖維上的奇點。

## 概形的情形

奇點解消的定義容易推廣到所有概形。並非所有概形都有奇點解消：格羅滕迪克（1965, **EGA IV 7.9**）證明了如果在一個局部諾特概形 $X$ 上有限的所有整概形都有奇點解消，則 $X$ 必然是擬優概形。格羅滕迪克猜測其逆為真，換言之：如果一個局部諾特概形 $X$ 是擬優且既約的，則可以消解奇點。當 $X$ 定義於一個零特徵的域上時，此陳述能由廣中平祐的定理導出；一般情形則化約到整完備局部環的奇點解消問題。

## 外部連結

* 一些奇點及其解消之圖片（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* SINGULAR（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）: 一套能處理奇點解消的軟體
* 2006 年 6 月的暑期學校 _Resolution of Singularities_ (Trieste, Italy) 的講義
* desing（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 另一套處理奇點解消的軟體

## 文獻

* Abhyankar, Shreeram _Local uniformization on algebraic surfaces over ground fields of characteristic_ p_≠0_ Ann. of Math. (2) 63 (1956), 491--526.
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* Abramovich, D., de Jong, A. J., _Smoothness, semistability, and toroidal geometry._（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） J. Algebraic Geom. 6 (1997), no. 4, 789-801.
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* Bierstone, Edward, Milman, Pierre D. _Canonical desingularization in characteristic zero by blowing up the maximum strata of a local invariant._ Invent. Math. 128 (1997), no. 2, 207-302.
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* O. Chisini, _La risoluzione delle singolarita di una superficie_, Mem. Acad. Bologna, 8 (1921).
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