בגאומטריה אלגברית, הממד הוא פונקציה המתאימה לכל יריעה אלגברית מספר שלם ואי שלילי המתאר את מספר דרגות החופש של היריעה; למשל יריעה מממד אפס היא אוסף סופי של נקודות, ממד של עקום הוא אחד ואילו הממד של היריעה האפינית - והיריעה הפרויקטיבית - הוא - . מושג הממד קיים גם בסכימות ומבנים כלליים יותר של הגאומטריה האלגברית.
ניתן להגדיר את הממד באופן אקסיומטי על ידי שלוש הנחות המשקפות את התכונות הטבעיות שעל הממד לקיים. הנחות אלו יחד עם התכונות של יריעה אלגברית גוררות את יחידות הממד. קיומו של הממד מוכח על ידי בנייה מפורשת של פונקציית ממד, למשל ממד קרול, דרגת טרנסצנדנטיות וממד הילברט.
נביא כמה דוגמאות מפורשות לבניית פונקציית ממד המקיימת את התכונות הנ"ל. כל אחת מהדוגמאות מספקת הוכחת קיום.
ממד קרול
- ערך מורחב – ממד קרול
ממד קרול של מרחב טופולוגי הוא אורך השרשרת הארוכה ביותר של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות המוכלות ב- פחות אחת:.
הגדרה זו מתאימה גם לגאומטריה אלגברית מאחר שכל יריעה אלגברית היא בפרט מרחב טופולוגי. נוכיח כי פונקציית ממד קרול עונה על שלוש התכונות הנדרשות לממד של יריעה אלגברית:
- נניח יריעה אלגברית כך ש - כיסוי פתוח של יריעות אפיניות ונניח כי , כלומר קיימת שרשרת מאורך מקסימלי של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות. מאחר ש- קיים כך ש - אז היא שרשרת של קבוצות סגורות לא ריקות ואי פריקות ב - , אז מתקיים . מאחר לכל וכל שרשרת של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות ב - ניתן להרים לשרשרת כנ"ל ב - , נובע כי . ביחד עם אי השוויון הקודם נקבל .
- נסמן ונגדיר , מאחר שלכל מתקיים אז היא שרשרת עולה ממש של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות, לכן, . כעת נניח כי היא שרשרת עולה ממש של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות. מאחר ש- מוכלת ממש ב - וסגורה קיימת פונקציה רגולרית כך ש , מוכלת בקבוצת האפסים של הפונקציה המסומנת על ידי . ממסקנה ממשפט הנורמליזציה של נתר נובע כי ניתן למצוא מורפיזם על וסופי , מ-3 נקבל כי ומכאן .
- נניח הוא מורפיזם סופי ועל בין יריעות אלגבריות. נניח כי . היא שרשרת עולה של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות ב-, נסמן אז היא שרשרת של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות ב, מאחר ש- הוא מורפיזם סופי ניתן להוכיח כי זוהי שרשרת עולה לכן . לחלופין, תהא שרשרת כנ"ל נרצה למצוא שרשרת מתאימה ב-. נפרק לרכיבי אי פריקות את תת-היריעה נשים לב שמאחר על מתקיים ומאחר ו- אי פריקה קיים כך ש . נסמן אז הוא מורפיזם על וסופי בין תת-יריעות בלתי פריקות, על ידי אינדוקציה על ניתן להשלים את לשרשרת עולה של קבוצות סגורות, לא ריקות ואי פריקות ב-, ונקבל . ביחד עם אי השוויון הקודם נקבל .
- חישוב הממד של היריעה האפינית
תהי היריעה האפינית ב-. נשים לב שמאחר ו- מוגדרת על ידי משוואה אחת ו- נקבל כי . בנוסף, מאחר ש- הוא פולינום אי פריק, גם הוא יריעה אי פריקה. דרך נוספת לחשב את ממד היא בעזרת מורפיזם בירציונלי: נגדיר מפה :\mathbb {A} ^{1}\rightarrow X}
על ידי זוהי מפה בי רציונלית עם המפה ההפוכה כאשר היא הקבוצה הפתוחה והצפופה ב- אשר איזומורפית לקבוצה הפתוחה והצפופה ב- . ונקבל .
- חישוב הממד של היריעה האפינית
תהי היריעה האפינית ב-. נשים לב שמאחר ו- מוגדרת על ידי משוואה אחת ו- נקבל כי . בנוסף, מאחר שרכיבי הפריקות של הפולינום הם נקבל בהתאמה את רכיבי אי הפריקות של הם ונשים לב שחוג הפונקציות הרגולריות על , המסומן ב- איזומורפי לחוג הפולינומים במשתנה אחד , כלומר ובאופן דומה . בפרט, דרגת הטרנצסדנטיות של שדה השברים היא 1, ניתן למשל לבחור את המונום כאיבר בלתי תלוי אלגברית מעל , באופן דומה דרגת הטרנצסדנטיות של שדה השברים היא 1. על ידי שימוש בממד קרול נקבל באופן שקול לחישוב הקודם - .
- חישוב הממד של הגרסמניאן
תהיי היריעה המוגדרת על ידי החבורה הליניארית הכללית, על מנת לחשב את הממד של יריעת גרסמן נבנה מורפיזם על באופן הבא - יהי מרחב וקטורי ממדי, כל מטריצה תעבור תחת המפה למרחב הליניארי הנפרש על ידי הפעולה של על המרחב , כלומר . נשים לב ש- על, משום שכל שני תתי מרחבים ליניאריים מממד זהה צמודים על ידי מטריצת מעבר בסיס (כלומר איבר ב- ).
ניתן לזהות את עם אוסף הווקטורים מממד - עם קואורדינטות אחרונות שוות לאפס, כלומר . לכן לכל מתקיים אם״ם , אוסף המטריצות ב המקיים תנאי זה הוא המטריצות מהצורה כאשר הוא מטריצת אפס מממד . מכאן נקבל שלכל מתקיים , ממסקנה ממשפט שבאלה נקבל כי כלומר.
- G.Kempf (1993), Algebraic Varieties, chapter 2.5 - Dimension