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Dmitri O. Orlov. Derived categories of coherent sheaves on Abelian varieties and equivalences between them. 阅读笔记

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Orlov 的凝聚层的导出范畴论文。

1 前言

这是本人在读 Orlov 的 论文《DERIVED CATEGORIES OF COHERENT SHEAVES ON ABELIAN VARIETIES AND EQUIVALENCES BETWEEN THEM》所记录的笔记。

2 预备知识

设 𝑋 是域 𝑘 上的代数簇,并且它的结构层设为 O𝑋. 对于任意簇我们知道其上的凝聚层构成的范畴是 Abel 范畴,记为 Coh(𝑋).

我们用 𝐷𝑏(𝑋) 来表示 Coh(𝑋) 的有界导出范畴。

Remark 1.

以后我们直接称 𝐷𝑏(𝑋) 为 𝑋 的有界导出范畴。

Definition 2.

设 D 是加性范畴。D 上的三角范畴结构为

(a) 加性自态射 𝑇:D→D, 称为平移函子。我们记 𝑋[𝑛]:=𝑇𝑛(𝑋),𝑓[𝑛]:=𝑇𝑛(𝑓). 三角定义为以下一组对象和态射

𝑋𝑢→𝑌𝑣→𝑍𝑤→𝑋[1].

不要求其为复形。三角之间的态射定义为使下图交换的 (𝑓,𝑔,ℎ,𝑓[1])

tikzcd diagram

如果 𝑓,𝑔,ℎ,𝑓[1] 都是同构,则称这两个三角同构。

(b) 一类好三角

并且要求满足以下四个条件:

(TR1) (a) 𝑋id⟶𝑋→0→𝑋[1] 是好三角。(b) 同构于好三角的三角是好三角。(c) 任意态射 𝑋𝑢→𝑌 都可以补成一个好三角

𝑋𝑢→𝑌𝑣→𝑍𝑤→𝑋[1].

(TR2) 一个三角

𝑋𝑢→𝑌𝑣→𝑍𝑤→𝑋[1]

是好三角当且仅当

𝑌𝑣→𝑍𝑤→𝑋[1]−𝑢[1]←←←←←←←←→𝑌[1]

是好三角。

(TR3) 如果我们有下图交换

tikzcd diagram

那么存在态射 ℎ:𝑍→𝑍′ 使得下图交换(即构成三角的态射)

tikzcd diagram

(TR4) 八面体图是如下两个图

[Uncaptioned image]

并且满足条件

𝑌→𝑍→𝑌′
𝑌→𝑍′→𝑌′

这两个态射相同

𝑌′→𝑋′→𝑌
𝑌′→𝑋→𝑌

这两个态射相同。(TR4) 是如果我们有一个 upper cap 图,那么我们就可以补全整个八面体图。

Definition 3.

设 𝐹:D→D′ 是两个三角范畴之间的函子。如果

(1) 𝐹 和平移函子 𝑇 交换。

(2) 𝐹 将 D 中的好三角映射到 D′ 中的好三角。

则称 𝐹 是三角范畴间的正合函子。(需要和我们之前接触的范畴间正合函子区分一下)。

我们下文提到的正合也都按照三角范畴意义下的正合。

所有导出范畴都具有三角范畴的结构。

假设所有簇都是光滑和射影的。任意光滑簇都可以诱导以下两个正合函子

𝑅∙𝑓∗:𝐷𝑏(𝑋)→𝐷𝑏(𝑌)𝐿∙𝑓∗:𝐷𝑏(𝑌)→𝐷𝑏(𝑋)

并且对于任意 F∈𝐷𝑏(𝑋), 我们还可以定义 tensor product 的正合函子如下

𝐿⨂F:𝐷𝑏(𝑋)→𝐷𝑏(𝑋)
Definition 4.

设 𝑋,𝑌 是域 𝑘 上的光滑射影簇。那么我们有以下交换图

tikzcd diagram

设 E∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌), 我们定义

ΦE:𝐷𝑏(𝑋)→𝐷𝑏(𝑌)H↦𝑅∙𝑞∗(E⊗𝐿𝑝∗H).
ΨE:𝐷𝑏(𝑌)→𝐷𝑏(𝑋)H↦𝑅∙𝑝∗(E⊗𝐿𝑞∗H).
Remark 5.

ΦE 的左伴随是

Ψ∗E≅ΨE∨⊗𝑞∗𝜔𝑌[dim⁡𝑌].

ΦE 的右伴随是

Φ!≅ΨE∨⊗𝑝∗𝜔𝑌[dim⁡𝑋].

其中 𝜔𝑋,𝜔𝑌 分别是 𝑋,𝑌 的典范层, E∨:=𝑅∙H𝑜𝑚(E,O𝑋×𝑌).

证明用到了 Grothedieck 对偶,张量积和 Hom 的对偶,Serre 对偶。

Definition 6.

设 𝑋,𝑌,𝑍 是三个光滑射影簇。设 E∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌),F∈𝐷𝑏(𝑌×𝑍),G∈𝐷𝑏(𝑋×𝑍).

我们有以下图

tikzcd diagram

我们定义

E⊠𝑌F:=𝑝∗12E⊗𝑝∗23F∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌×𝑍)
Proposition 7.

设 E∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌),F∈𝐷𝑏(𝑌×𝑍), 设

G=𝑅∙𝑝13∗(E⊠𝑌F).

那么我们有以下同构

ΦF∘ΦE≅ΦG.

Remark 8.

注意到其实 ΦE 和 ΨE 的区别并不是很大,所以上面的复合同构稍加修改就能用在 ΨE 上。

设 E∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌),G∈𝐷𝑏(𝑋×𝑍). 那么我们有以下同构

ΦG∘ΨE≅Φ𝑅∙𝑝23∗(E⊠𝑋G).
Problem 9.

(1) 两个光滑射影簇的有界导出范畴什么时候作为三角范畴是等价的?

(2) 给定光滑射影簇 𝑋, 𝑋 的有界导出范畴的正合自等价群是什么样的?

Theorem 10.

设 𝑋 是一个光滑射影簇,并且典范层是丰沛的。假设存在代数簇 𝑋′ 使得 𝐷𝑏(𝑋′) 和 𝐷𝑏(𝑋) 范畴等价,那么 𝑋′ 和 𝑋 是同构的。

Theorem 11.

设 𝑋 是光滑射影簇,并且典范层是丰沛的。那么 𝐷𝑏(𝑋) 的正合自等价群由以下生成

(1) 簇的自态射

(2) 线丛的 twists.

(3) 导出范畴的 shifts.

我们接下来描述一下 𝐷𝑏(𝑋) 的正合自等价群。

Corollary 12.

设 𝑋 是一个光滑射影簇并且典范层是丰沛的。那么 𝐷𝑏(𝑋) 的正合自等价群

Auteq 𝐷𝑏(𝑋)≅Aut 𝑋⋉(Pic(𝑋)⊕ℤ).

Theorem 13.

设 𝑋,𝑌 是光滑射影簇。假设 𝐹:𝐷𝑏(𝑋)∼⟶𝐷𝑏(𝑌) 是三角范畴间的正合等价函子。那么存在唯一(up to isomorphism)的对象 E∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌) 使得

𝐹≅ΦE.

Theorem 14.

设 𝑀,𝑋 是特征为 0 的代数闭域上的两个光滑射影簇。设 E∈𝐷𝑏(𝑀×𝑋). 那么 ΦE 是全忠实的当且仅当一下正交条件成立

(1) 对于任意 𝑖 和 𝑡1≠𝑡2, Hom𝑖𝑋⁡(ΦE(O𝑡1),ΦE(O𝑡2))=0.

(2) Hom0𝑋⁡(ΦE(O𝑡),ΦE(O𝑡))=𝑘.

(3) 对于 𝑖∉[0,dim⁡𝑋], Hom𝑖𝑋⁡(ΦE(O𝑡),ΦE(O𝑡))=0.

其中 𝑡,𝑡1,𝑡2∈𝑀, 其中 O𝑡𝑖 是摩天大楼层。也就是说

O𝑡𝑖(𝑈)={O𝑡𝑖,𝑡𝑖∈𝑈{0},𝑡𝑖∉𝑈.

Definition 15.

设 𝑋1,𝑋2,𝑋3,𝑋4 是光滑射影簇。我们考虑 E1∈𝐷𝑏(𝑋1×𝑌1),E2∈𝐷𝑏(𝑋2×𝑌2).

tikzcd diagram

我们定义

E1⊠E2:=𝑝∗13E1⊗𝑝∗24E2∈𝐷𝑏((𝑋1×𝑋2)×(𝑌1×𝑌2).

考虑 G∈𝐷𝑏(𝑋1×𝑋2) 并且我们记

H:=ΦE1⊠E2(G)∈𝐷𝑏(𝑌1×𝑌2).

那么我们得到以下两个函子

ΦG:𝐷𝑏(𝑋1)→𝐷𝑏(𝑋2)ΦH:𝐷𝑏(𝑌1)→𝐷𝑏(𝑌2).
Lemma 16.

我们有函子的同构

ΦH≅ΦE2∘ΦG∘ΨE1.

Proof.

利用命题 7 即可。 ∎

设 𝑍1,𝑍2 是两个光滑射影簇。设 F1∈𝐷𝑏(𝑌1×𝑍1),F2∈𝐷𝑏(𝑌2×𝑍2). 那么根据命题 7 , 可知存在 G1∈𝐷𝑏(𝑋1×𝑍1),G2∈𝐷𝑏(𝑋2×𝑍2), 使得

ΦG1≅ΦF1∘ΦE1ΦG2≅ΦF2∘ΦE2
Lemma 17.

我们有以下的同构

ΦF1⊠F2∘ΦE1⊠E2≅ΦG1⊠G2.

Theorem 18.

假设 ΦE1 和 ΦE2 都是全忠实的(范畴等价),那么函子

ΦE1⊠E2:𝐷𝑏(𝑋1×𝑋2)→𝐷𝑏(𝑌1×𝑌2)

也是全忠实的(范畴等价)。

Definition 19.

设 E∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌), 且 ΦE:𝐷𝑏(𝑋)→𝐷𝑏(𝑌) 是一个范畴等价。设 F∈𝐷𝑏(𝑋×𝑌) 满足 ΨF≅Φ−1E. 那么我们定义

AdE:=ΦF⊠E:𝐷𝑏(𝑋×𝑋)→𝐷𝑏(𝑌×𝑌).
Remark 20.

根据定理 18, AdE 是一个范畴等价。

根据引理 16, 对于任意 G∈𝐷𝑏(𝑋×𝑋), 有以下同构

ΦAdE(G)=ΦE∘ΦG∘Φ−1E.

3 Abel 簇上的导出范畴等价

参考对偶 Abel 簇:对偶 Abel 簇 - 任务优先

Definition 21.

设 𝐴 是域 𝑘 上的一个 Abel 簇,(ˆ𝐴,𝑃) 是对应的对偶 Abel 簇和 Poincaré 线丛, 𝑃 是 𝐴׈𝐴 上的线丛。设 𝛼 是 ˆ𝐴 上的 𝑘-point. 我们记

𝑃𝛼:=𝑃|𝐴×{𝛼}∈𝑃𝑖𝑐0(𝐴).

设 (𝛼1,…,𝛼𝑛) 是 ˆ𝐴1×⋯׈𝐴𝑛 上的一个𝑘-point, 所以我们有 𝑃𝛼𝑖∈𝑃𝑖𝑐0(𝐴𝑖). 我们定义

𝑃(𝛼1,…,𝛼𝑛):=𝑃𝛼1⊠𝑃𝛼2⊠⋯⊠𝑃𝛼𝑛

这是 𝐴1×⋯×𝐴𝑛 上的线丛。

Definition 22.

设 𝑓:𝐴→𝐵 是 Abel 簇间的同态。我们可以如下定义对偶同态

ˆ𝑓:ˆ𝐵→ˆ𝐴ˆ𝛽↦ˆ𝛼

需要满足 𝑓∗𝑃𝛽=𝑃𝛼.

考虑 𝑓:𝐴→ˆ𝐴,那么 ˆ𝑓:ˆˆ𝐴→ˆ𝐴. 因为我们有 𝜅:Id∼⟶ˆˆ , 所以我们得到对偶同态

ˆ𝑓:𝐴→ˆ𝐴

设 𝑓 对应矩阵 𝐹, ˆ𝑓 对应矩阵为 ˆ𝐹. 那么有

ˆ𝐹=−𝐹𝑡.

设有下图

tikzcd diagram

设 𝑃 是 𝐴׈𝐴 上的 Poincaré 线丛。那么根据 4, 可知

Φ𝑃(⋅)=𝑅∙𝑞∗(𝑃⊗𝑝∗(⋅))
Ψ𝑃(⋅)=𝑅∙𝑝∗(𝑃⊗𝑞∗(⋅))
Proposition 23.

设 𝑃 是 𝐴׈𝐴 上的 Poincaré 丛,那么 Φ𝑃:𝐷𝑏(𝐴)→𝐷𝑏(ˆ𝐴) 是正合范畴等价,并且存在函子间的同构

Ψ𝑃∘Φ𝑃≅(−1𝐴)∗[𝑛]

其中 (−1𝐴) 是 Abel 簇 𝐴 上的群逆映射。

Definition 24.

设 (𝑎,𝛼) 是 𝐴׈𝐴 上的 𝑘-point, 那么我们定义

Φ(𝑎,𝛼):𝐷𝑏(𝐴)→𝐷𝑏(𝐴)H↦𝑇𝑎∗(H)⊗𝑃𝛼=𝑇∗−𝑎(H)⊗𝑃𝛼
Lemma 25.

设 Φ(𝑎,𝛼) 如上定义,那么我们有

Φ𝑆(𝑎,𝛼)≅Φ(𝑎,𝛼)

其中 𝑆(𝑎,𝛼)=OΓ𝑎⊗𝑝∗2(𝑃𝛼) 是 𝐴׈𝐴 上的层,Γ𝑎 是 𝑇𝑎 的图,即 Γ𝑎:={(𝑡,𝑎+𝑡):𝑡∈𝐴}.

Φ𝑆(𝑎,𝛼):𝐷𝑏(𝐴)→𝐷𝑏(𝐴) 是自等价。

Definition 26.

设我们有下图

tikzcd diagram

我们记 Δ={(𝑎,𝑎):𝑎∈𝐴}.

设 P𝐴=𝑝∗14OΔ⊗𝑝∗23𝑃∈𝐷𝑏((𝐴׈𝐴)×(𝐴×𝐴)).

我们定义 𝜇𝐴:𝐴×𝐴→𝐴×𝐴,(𝑎1,𝑎2)↦(𝑎1,𝑚(𝑎1,𝑎2)).

我们定义

Φ𝑆𝐴=𝑅∙𝜇𝐴∗∘ΦP𝐴
Remark 27.

ΦP𝐴=ΦOΔ⊠𝑃:𝐷𝑏(𝐴׈𝐴)→𝐷𝑏(𝐴×𝐴) 根据 18 是范畴等价。

Lemma 28.

tikzcd diagram

𝑆𝐴=(𝑚∘𝑝13,𝑝4)∗OΔ⊗𝑝∗23𝑃𝐴, 其中 (𝑚∘𝑝13,𝑝4)(𝑎1,𝛼,𝑎3,𝑎4)=(𝑚(𝑎1,𝑎3),𝑎4).

Remark 29.

这个具体的 𝑆𝐴 后面没有用到。

Theorem 30.

Φ𝑆𝐴 是范畴等价,并且对于任意 𝑘-point (𝑎,𝛼)∈𝐴׈𝐴,

(a) Φ𝑆𝐴 将 the structure sheaf O(𝑎,𝛼) of the point 映射到了 𝑆(𝑎,𝛼).

(b) Φ𝑆𝐴 将 𝐴׈𝐴 上的线丛 𝑃(𝛼,𝑎) 映射到 O{−𝑎}×𝐴⊗𝑝∗2𝑃𝛼[𝑛].

Lemma 31.

设 𝑋 是一个光滑簇, ℱ 是 𝑋 上的凝聚层。假设我们有闭子簇 𝑗:𝑍↪――𝑋 和 𝑍 上的可逆层 L 使得

――𝐹≅𝑗∗ℒ.

那么我们可以找到一个闭子簇 𝑖:𝑌↪𝑋 和 𝑌 上的可逆层 M 使得

ℱ≅𝑖∗M

和 𝑗=――𝑖.

4 半齐次向量丛

Definition 32 (齐次向量丛).

设 𝐷 是一个 abel 簇,𝐸 是 𝐷 上的一个向量丛。我们称 𝐸 为 homogeneous (齐次) 如果对于任意点 𝑑∈𝐷, 𝑇∗𝑑(𝐸)≅𝐸.

Definition 33.

设 𝐷 是一个 abel 簇,𝐹 是 𝐷 上的一个向量丛。我们称 𝐹 为 unipotent, 如果存在一个 filtration

0=𝐹0⊂𝐹1⊂⋯⊂𝐹𝑛=𝐹

使得对于 𝑖=1,…,𝑛 有 𝐹𝑖/𝐹𝑖−1≅O𝐷.

Proposition 34.

设 𝐸 是 abel 簇 𝐷 上的向量丛。那么以下条件等价

  1. 1.

    向量丛 𝐸 是齐次的。

  2. 2.

    存在线丛 𝑃𝑖∈Pic0(𝐷) 和 unipotent 丛 𝐹𝑖 使得 𝐸≅⨁𝑖(𝐹𝑖⊗𝑃𝑖).

Definition 35 (半齐次向量丛).

设 𝐷 是一个 abel 簇,𝐸 是 𝐷 上的一个向量丛。我们称 𝐸 是 semihomogeneous (半齐次) 如果对于任意 𝑑∈𝐷, 存在一个 𝐷 上的一个线丛 𝐿 使得 𝑇∗𝑑(𝐸)≅𝐸⊗𝐿.

Proposition 36.

设 𝐸 是 abel 簇 𝐷 上的简单向量丛[1]。那么以下条件等价

  1. 1.

    对任意 𝑗=0,…,𝑛, dim⁡𝐻𝑗(𝐷,E𝑛𝑑(𝐸))=(𝑛𝑗).

  2. 2.

    𝐸 是一个半齐次向量丛

  3. 3.

    E𝑛𝑑(𝐸) 是一个齐次向量丛

  4. 4.

    存在 isogeny 𝜋:𝑌→𝐷 和 𝑌 上线丛 𝐿 使得 𝐸≅𝜋∗(𝐿).

设 𝐸 是一个 abel 簇 𝐷 上的向量丛。我们记

𝜇(𝐸):=[det(𝐸)]𝑟(𝐸)∈NS(𝐷)⊗ℤℚ,

其中 det(𝐸)=⋀𝑟𝐸 是一个秩 1 的局部自由层。

任意 𝜇=[𝐿]𝑙∈NS(𝐷)⊗ℤℚ 都决定了一个对应 Φ𝜇⊂𝐷×̂𝐷

Φ𝜇=Im[𝐷(𝑙,𝜑𝐿)←←←←←←←←←→𝐷×̂𝐷].

记 Φ𝜇 到 𝐷 和 ̂𝐷 的投影为 𝑞1 和 𝑞2. 特别的,当 𝐸 是一个线丛 𝐿, 那么我们就得到了 𝜑𝐿:𝐷→̂𝐷 的图。

Proposition 37.

设 𝜇=[𝐿]𝑙, 其中 [𝐿] 是 NS(𝐷) 里线丛的等价类并且 𝑙 是一个正整数。那么

  1. 1.

    存在一个具有斜率 𝜇(𝐸)=𝜇 的简单半齐次向量丛 𝐸.

  2. 2.

    任意具有斜率 𝜇(𝐸′)=𝜇 的简单半齐次向量丛 𝐸′ 都同构于某个 𝐸⊗𝑀, 其中线丛 𝑀∈Pic0(𝐷).

  3. 3.

    我们有方程 𝑟(𝐸)2=deg⁡(𝑞1) 和 𝜒(𝐸)2=deg⁡(𝑞2).

Proposition 38.

任意斜率为 𝜇 的半齐次向量丛 𝐹 admits a filtration

0=𝐹0⊂𝐹1⊂⋯⊂𝐹𝑛=𝐹

使得 𝐸𝑖=𝐹𝑖/𝐹𝑖−1 是具有相同斜率 𝜇 的简单半齐次向量丛。任意简单半齐次向量丛是 stable 的。

Lemma 39.

设 𝐸1,𝐸2 是两个具有相同斜率 𝜇 的简单 semihomogeneous 丛, 那么 𝐸1,𝐸2 要么同构,要么 orthogonal, 也就是说

𝐸1=𝐸2,

or 对于所有 𝑖,

Ext𝑖(𝐸1,𝐸2)=0,Ext𝑖(𝐸2,𝐸1)=0.
Lemma 40.

设 𝐸 是一个 Abel 簇上的简单半齐次向量丛。我们有

𝑇∗𝑑(𝐸)≅𝐸⊗𝑃𝛿⟺(𝑑,𝛿)∈Φ𝜇.
Proof.

∎

设 𝑓:𝐴×̂𝐴→𝐵×̂𝐵 是一个 isometric isomorphism 并且 Γ 是其 graph. 我们将 𝑓 写成矩阵:

𝑓=(𝑥𝑦𝑧𝑤).

假设 𝑦:̂𝐴→𝐵 是一个 isogeny. 那么 𝑓 决定了一个元素 𝑔∈Hom(𝐴×𝐵,̂𝐴×̂𝐵)⊗ℤℚ:

𝑔=(𝑦−1𝑥−𝑦−1−̂𝑦−1𝑤𝑦−1).

那么 𝑔 决定了一个 correspondence on (𝐴×𝐵)×(̂𝐴×̂𝐵).

References