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대수기하학

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1. 개요2. 상세3. 학습 시 특징4. 내용
4.1. 대수다양체
5. 교재6. 관련 문서

1. 개요

/ Algebraic geometry

곡선이나 곡면 등의 기하학적 대상을 다항식 등의 대수적 성질을 이용해 다루는 기하학대수학의 하위 학문이다.

2. 상세

대수기하학의 주된 연구대상인 대수다양체(algebraic variety)는 다항 방정식의 해로 나타나는 도형들이다. 고교 교과과정에 있던 기하와 벡터 영역의 '도형의 방정식' 부분, 즉 직선이나 원의 방정식, 이차곡선, 공간도형의 방정식 등에 나오는 모든 도형들이 다 대수다양체이다. 해석기하학의 확장판이라고 볼 수도 있지만, 현대 대수기하학의 범위는 여러 영역에 걸쳐 상당히 포괄적이므로 이렇게 단정 짓기에는 무리가 있다.

르네 데카르트가 좌표를 정립하여 많은 도형을 다항식으로 나타낼 수 있게 된 이후, 사람들은 역으로 다항식의 성질을 탐구해 도형의 성질을 밝혀 냈다. 고교과정에서의 예시를 들면 방정식을 표준형, 일반형 등으로 변형하는 것이 도형을 이동하거나 변환하는 것과 대응한다는 것이다. 여기서 좀더 나아가, [math(f(x,y)=0)] 위의 좌표 [math((x_0,y_0))]에서 접선의 방정식을 [math(\partial_x f \cdot (x-x_0) + \partial_y f \cdot (y-y_0) = 0)] 처럼 미분을 이용해서 구할 수 있다는 것도 한 예시가 된다.

본격적인 출발은 3대 작도 불능 문제를 대수학적으로 접근한 것으로 본다. 이를 증명한 이탈리아 학파를 중심으로 한 19세기 중엽의 고전적 대수기하학의 발전 시기에는 사영기하학(projective geometry; projective variety)이 대수기하학에 완전히 흡수되었다. 또, 파스칼 정리 같은 논증 기하학의 정리들도 이 대수기하학으로 설명할 수 있는 등 많은 발전이 이루어졌다.

20세기 전후를 기점으로 하여 대수기하학은 몇 가지 극적인 변화를 겪게 된다. 그 중 하나는 복소해석학, 특히 리만 곡면(Riemannsche Fläche) 이론이다. 수학자들이 복소함수를 묘사하는(즉, 분기(branch)와 관련이 있는) 복소평면과 국소적으로 닮은 대상을 연구하고 보니, 이들이 대수기하학의 곡선의 성질을 따른다는 것을 알게 되었다. 이로 인해 적게는 대수기하학에 주기 적분(period integral)이나 야코비안(Jacobian) 등이 들어 왔고, 많게는 복소다양체를 연구하는 복소기하학 자체가 대수기하학에 많은 부분이 통합되었다. 또 하나는 다비드 힐베르트 등이 주도한 추상대수학의 발전이었다. 정확히는 대수기하학을 통해 가환대수(commutative algebra)가 정립된 것에 가깝다. 물론 가장 급진적인 변화는 대수기하학을 처음부터 다시 썼다고 볼 수 있는 알렉산더 그로텐디크스킴(scheme) 이론이 등장한 것이다. 스킴이 가져온 패러다임 전환으로 대수기하학이 대수학기하학은 물론이요 정수론(특히 대수적 정수론), 심지어 이산수학이나 논리학에도 영향을 미치게 되었다. 이후 대수기하학 연구자들이 필즈상을 가장 많이 수상했다.

대수기하를 배우면 다음과 같은 질문들에 답할 수 있다.
복소수체 위에서 변수 세 개인 세 d차 동차다항식[1] [math(F_1,F_2,F_3)]이 있다고 하자. 그렇다면 다음과 같은 연립방정식
[math(\displaystyle \begin{cases} F_1\left(x_1,x_2,x_3\right)=x_1 \\ F_2\left(x_1,x_2,x_3\right)=x_2 \\ F_3\left(x_1,x_2,x_3\right)=x_3 \end{cases})]
의 해는 (0 빼고)총 몇 개일까?
이는 교차 이론(intersection theory)을 이용하면 쉽게 답할 수 있으며 정답은 [math( d^2+d+1)]개다. 이렇게 쉽게 계산할 수 있는 이유는 사영공간의 저우 환(Chow ring)이 용이하게 계산되기 때문이다.
평면 위 차수 d의 곡선의 특이점은 최대 몇 개가 나올까?
곡선의 종수(genus) 공식을 이용하면 d개의 직선이 서로 교차하는 경우에 최대값 [math(d(d-1)/2)]가 나옴을 증명할 수 있다.
평면의 3차식 곡선 위에 점 아홉 개 [math(E_{ij})]([math(1 \le i,j \le 3)])가 있을 때, [math(E_{11},E_{12},E_{13})]/[math(E_{21},E_{22},E_{23})]/[math(E_{31},E_{32},E_{33})]/[math(E_{11},E_{21},E_{31})]/[math(E_{12},E_{22},E_{32})] 이렇게가 일직선 위에 있다고 하자. 그러면 [math(E_{13},E_{23},E_{33})] 이 세 점도 일직선 위에 있다는 것을 증명하라.
사실 이건 타원곡선의 곱셈이 결합법칙을 만족함을 보이는 것과 동치인 문제이다. 베주의 정리 혹은 이와 동치인 막스 뇌터(Max Noether)의 AF+BG 정리를 이용해 증명할 수 있는 문제로, 여기 세 문제 중에선 가장 고전적인 내용이라 할 수 있다.

3. 학습 시 특징

주관적인 내용이므로 주의바람.

4. 내용

대학원 대수기하학 첫 과정에는 공통적으로 배경지식인 범주론과 위상 공간 위의 층(sheaf)이론, 스킴(scheme)과 그 위의 사상(morphism), 아핀/사영 대수다양체, 기하학적 대상(차원, 매끄러움, 미분형식), 코호몰로지 등이 소개된다. 고전적 관점인 대수다양체를 먼저 소개하고 스킴을 나중에 등장시키는 방식과, 스킴을 먼저 소개하고 그 특수한 경우로 대수다양체를 생각하는 방식이 있다. 교과서나 커리큘럼에 따라서 곡선이나 곡면 등의 간단한 분류 예시, 다양한 코호몰로지 이론, 유도 범주(derived category) 등의 범주론 심화과정, 아래 주제들의 소개 등등이 추가될 수도 있다. 학부 과정에서 대수기하가 소개된다면 그로텐디크 이전의 대수다양체 이론이 나오는 것이 대부분이다.

이후에 등장하는 대수기하학의 주제 또는 사고방식들 중 일부로 다음 등등이 있다.

4.1. 대수다양체

자세한 내용은 대수 다양체 문서 참조

대수적인 방정식으로 정의되는 다양체이며 대수 기하학의 가장 중심적인 연구 대상 중 하나이다.

5. 교재

6. 관련 문서



[1] 다항식을 이루는 모든 단항식들이 같은 차수 [math(d)]를 가지고 있는 다항식. 사영공간을 생각할 때 쓰는 사영 대수다양체(projective variety)는 이들 동차다항식의 근으로 이루어진 집합을 생각하고, 이들은 보통 기존 아핀 다양체의 '완전판'으로 생각된다. 즉 방정식의 해를 볼 때는 이들 동차다항식을 생각하는 것이 '전부' 볼 수 있다.[2] 예를 들어, 미분 형식은 켈러 미분(Kähler differential)을 사용하는데 이게 일반적으로 생각하는 미분과 달리, 미분을 정의하는 대상이 애초에 함수가 아니어도 된다! 거기다가 쓰임새 또한 일반 미분과는 다르다.[3] 다항식의 집합 V에 대해서 V(S)=0이 되는 원소들의 집합을 닫힌집합으로 정의한 위상이다. 다만 이건 고전적인 정의이고 현대에는 환 R의 아이디얼 a에 대해서 a를 포함하는 소 아이디얼들의 집합을 닫힌집합으로 정의한다. 전혀 다른 정의 같지만 두 정의는 동치라는 내용이 학습하다 보면 나온다.[4] 전문적인 예시를 들자면 대수학에서는 단순히 텐서곱의 유도함자(derived functor)가 사라지는 것으로만 보였던 평탄성(flatness)이, 대수기하학에서는 연속적인 매개변수에 따라 변하는 조건을 묘사하는 필수 조건으로 해석된다. 매끄러움을 묘사하는 데에 접평면과 함께 필수적이고, 평탄 사상(flat morphism)의 자체 범주만으로도 새로운 불변량을 만들어내는 의미가 있다.[5] 공간과 위상이 같아도 미분다양체의 부드러운 구조(smooth structure)가 다를 수 있다던지 등등의 사례가 있다.[6] 예를 들어 마일스 리드(Miles Reid)가 지은 학부 대수기하학 교과서에서는 "사상도 함수가 아닐 수 있다. 못 믿겠거든 이 책 때려치고 범주론 책이나 읽고 와라!"라는 엄포를 놓는다.[7] 물론 여기서 말하는 전공자/비전공자 구분은 함수해석학, 해석적 정수론, 대수적 정수론, 표현론, 조합론, 심플렉틱 기하학 같은 수학과 박사과정 이상 레벨에서의 구분이다. 화공기사 시험을 준비하던 학생이 화공유체역학을 공부하다가 스킴에 대해 공부해야 한다는 말은 아니다.[8] 동형(isomorphic)이나 쌍유리형(birational) 등이 있다.[9] 대표적으로 Griffiths와 Harris의 Principles of Algebraic Geometry.[10] 곡선의 종수(genus)가 2 이상이면 유리점이 유한하다는 사실이 게르트 팔팅스(Gerd Faltings)에 의해 증명되었다. 종수 0은 이차곡선, 종수 1은 타원곡선에 대응된다. 이차곡선이 초등적으로 풀리는 이상 타원곡선이 주목을 받고 있는 다른 이유다.