找回密码
 快速注册
搜索
查看: 66|回复: 5

[几何] 每条平面实-有理曲线都可在实数上参数化

[复制链接]

3149

主题

8387

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65397
QQ

显示全部楼层

hbghlyj 发表于 2024-3-17 05:51 |阅读模式
本帖最后由 hbghlyj 于 2024-11-25 16:44 编辑
A really elementary proof of real Lüroth's theorem.

Real Lüroth's Theorem (Algebraic curves version).

Every real rational plane curve can be parametrized over the reals.

设$\mathcal{C}$为平面实-有理曲线,即:$\mathcal{C}$ 有无穷多个实点(故將$x^2+y^2+1=0$排除),且 $\mathcal{C}$ 具有复系数的有理参数化,我们要证明:它也具有实系数的有理参数化。

令 $\mathcal{P}(t)$ 为 $\mathcal{C}$ 的(除有限点外)一对一的复有理参数化,$t$是复数参数,那么我们将进行如下操作:

由 $\tilde{\mathcal{C}}$ 构造一条曲线 $\tilde{\mathcal{C}}$,用它来提供复数参数 $t$ 的值,这些值通过 $\mathcal{P}$ 能给出 $\mathcal {C}$ 上的实点;

之后,证明$\tilde{\mathcal{C}}$有一个实分支$\mathcal{C}^{\star}$,它要么是一个圆,要么是一条直线,

最后,如果 $\mathcal{M}=\left(m_1(t), m_2(t)\right)$ 是该实分支 $\mathcal{C}^{\star}$ 的任何实参数化 $\tilde{\mathcal{C}}$,

那么$\mathcal{P}\left(m_1(t)+i m_2(t)\right)$是$\mathcal{C}$的实参数化。

因此,由于 $\mathcal{C}^{\star}$ 可在 $\mathbf{R}$ 上参数化,得出 $\mathcal{C}$ 在 $\mathbf{R}$ 上可参数化。

3149

主题

8387

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65397
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2024-3-17 06:19

第一步:

hbghlyj 发表于 2024-3-16 21:51
令 $\mathcal{P}(t)$ 为 $\mathcal{C}$ 的(除有限点外)一对一的复有理参数化,

把复数$t$写成$t_1+it_2$,$t_1,t_2$是实数。就可以把$\mathcal{P}(t)$写成
$$\mathcal{P}(t)=\left(\frac{h_1\left(t_1, t_2\right)+i f_1\left(t_1, t_2\right)}{n_1\left(t_1, t_2\right)}, \frac{h_2\left(t_1, t_2\right)+i f_2\left(t_1, t_2\right)}{n_2\left(t_1, t_2\right)}\right)$$
其中 $n_1, n_2, h_1, h_2, f_1, f_2$ 是实系数二元多项式。
令 $\mathcal{F}_i(i=1,2)$ 为$\Bbb R^2$中的曲线 $\{(t_1,t_2)\inR^2:f_i=0\}$,
因 $\mathcal{C}$ 有无穷多个实点,这些点处 $f_1=f_2=0$,所以这些点是$\mathcal{F}_1$、$\mathcal{F}_2$的交点,有无穷多个,所以$\mathcal{F}_1$、$\mathcal{F}_2$有公共分支。
hbghlyj 发表于 2024-3-16 21:51
由 $\tilde{\mathcal{C}}$ 构造一条曲线 $\tilde{\mathcal{C}}$,用它来提供复数参数值,这些值通过 $\mathcal{P}$ 生成的 $\mathcal {C}$ 上的点是实点;

设$\tilde{\mathcal{C}}$ 为 $\mathcal{F}_1$、$\mathcal{F}_2$的公共分支之并,它是$\Bbb R^2$中的一条曲线。
设$T(x, y)=T_1(x, y)+i T_2(x, y) \in \mathbb{C}(x, y)$($T_1,T_2\inR[x,y]$)为$\mathcal{P}$的有理逆映射(即:除有限点外成立$T\circ\mathcal P=\text{Id}_{\Bbb C},\mathcal P\circ T=\text{Id}_{\Bbb C^2}$)。则$\mathcal{Q}(t)=\left(T_1(\mathcal{P}(t)), T_2(\mathcal{P}(t))\right)$为$\tilde{\mathcal{C}}$的一个实分支$\mathcal{C}^\star$的参数化。曲線$\mathcal{C}^\star$有无穷多实点,因$\mathcal{P}$为(除有限点外)一对一的。

3149

主题

8387

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65397
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2024-3-17 06:54

第二步

hbghlyj 发表于 2024-3-16 21:51
之后,证明$\tilde{\mathcal{C}}$有一个实分支$\mathcal{C}^{\star}$,它要么是一个圆,要么是一条直线,

为了证明 $\mathcal{C}^{\star}$ 是直线或圆,设 $g^{\star} \in \mathbb{R}[x, y]$ 为定义 $\mathcal{C}^{\star}$的不可约多项式(它是由参数化$\cal Q$消去参数得到的)。

那么 $m(t, y)=g^{\star}(-i y+t, y)$ 也是不可约的(注意 $m$ 是通过$g^{\star}$改变坐标得到的)。

此外,由于 $T\circ\mathcal{P}=\text{Id}_{\Bbb C}\Rightarrow T_1(\mathcal{P}(t))+i T_2(\mathcal{P}(t))=t$ 就有 $m\left(t, T_2(\mathcal{P}(t) ))\right)=0$,
因此 当$y=T_2(\mathcal{P}(t) ))$时$m\left(t, y\right)=0$,
因此 $y-T_2(\mathcal{P}(t))$ 整除 $m(t , y) \in \mathbb{C}(t)[y]$
但 $m$ 是不可约的,因此 $m$ 是$y$的一次多项式。

因此,对于几乎所有的$t_0 \in \mathbb{C}$,都有$\operatorname{deg}_y\left(m\left(t_0, y\right)\right)=1$。
由$m(t, y)=g^{\star}(-i y+t, y)$得:
对于几乎所有的$t_0 \in \mathbb{C}$,都有$\operatorname{deg}_y\left(g^{\star}(-i y+t_0, y)\right)=1$。
应用引理 1,并考虑到 $\mathcal{C}^{\star}$ 有无穷多实点故不可能是一对共轭虚直线,得出结论 $\mathcal{C}^{\star }$ 是一条直线或一个圆。

3149

主题

8387

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65397
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2024-3-17 06:59

最后一步

hbghlyj 发表于 2024-3-16 21:51
最后,如果 $\mathcal{M}=\left(m_1(t), m_2(t)\right)$ 是该实分支 $\mathcal{C}^{\star}$ 的任何实参数化 $\tilde{\mathcal{C}}$,

那么$\mathcal{P}\left(m_1(t)+i m_2(t)\right)$是$\mathcal{C}$的实参数化。

因此,由于 $\mathcal{C}^{\star}$ 可在 $\mathbf{R}$ 上参数化,得出 $\mathcal{C}$ 在 $\mathbf{R}$ 上可参数化。

上一步证了$\tilde{\mathcal{C}}$有实分支$\mathcal{C}^{\star}$,且$\mathcal{C}^{\star}$是直线或圆,所以在 $\mathbf{R}$ 上可有理参数化。
设$\mathcal{M}(t)=\left(m_1(t), m_2(t)\right)$是$\mathcal{C}^{\star}$的在 $\mathbf{R}$ 上的有理参数化,我们构造参数化$$\mathcal{R}(t)=\mathcal{P}\left(m_1(t)+i m_2(t)\right)$$
因為$m_1(t)+i m_2(t)$在$\mathcal{C}^{\star}$上,所以也在$\tilde{\mathcal{C}}$上,这样通过$\cal P$就能给出$\cal C$上的实点,因此 $\mathcal{C}$ 可在 $\mathbf{R}$ 上参数化。

3149

主题

8387

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65397
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2024-3-17 07:03
hbghlyj 发表于 2024-3-16 22:54
对于几乎所有的$t_0 \in \mathbb{C}$,都有$\operatorname{deg}_y\left(g^{\star}(-i y+t_0, y)\right)=1$。
应用引理 1,并考虑到 $\mathcal{C}^{\star}$ 有无穷多实点故不可能是一对共轭虚直线,得出结论 $\mathcal{C}^{\star }$ 是一条直线或一个圆。


引理 1:设$f \in \mathbb{R}[x, y]$,$a\inC\setminus\Bbb R$,满足对于所有(除有限个外)复数$ t $ 有$$\deg_y(f(ay + t,y))= 1 $$则$ f(x,y)$定义直线或二次曲线。在后一种情况(即$\deg f=2$),$f$必定义椭圆或一对共轭虚直线。
若$f$无奇点,则$f$必定义椭圆;进一步,$f$是圆当且仅当$a=\pm i$.

例如$f=x^2+y^2-1$定义一个圆,$f(iy+t,y)=2ity+t^2-1$是$y$的一次式,即$\deg_y(f(ay+t,y))=1$。

证明$d\le2$
将 $f$ 的各次项分别写出:$f=f_d+\cdots+f_0$,其中$f_j$为$j$次齐次多项式
将 $f_j$ 表示为$x-ay$ 的多项式$f_j(x)=\sum_{i=0}^{i=j} \frac{1}{i !} \frac{\partial f_j}{\partial x^i}(a y, y)(x-a y)^i$,
注意到$\frac{\partial f_j}{\partial x^i}(a y, y)$是关于$y$的$j-i$次齐次多项式,所以
\begin{aligned}
f(x, y) & =\sum_{j=0}^{j=d} f_j(x, y)\\&=\sum_{j=0}^{j=d} \sum_{i=0}^{i=j} \frac{1}{i !} \frac{\partial f_j}{\partial x^i}(a y, y)(x-a y)^i \\
& =\sum_{j=0}^{j=d} \sum_{i=0}^{i=j} \frac{1}{i !} \frac{\partial f_j}{\partial x^i}(a, 1)(x-a y)^i y^{j-i}
\end{aligned}把 $x$ 换为 $a y+t$ 得
\[
f(a y+t, y)=\sum_{j=0}^{j=d} \sum_{i=0}^{i=j} \frac{1}{i !} \frac{\partial f_j}{\partial x^i}(a, 1) t^i y^{j-i}
\]
改变求和指标$k=j-i$,
\[
f(a y+t, y)=\sum_{k=0}^{k=d} \sum_{i=0}^{i=d-k} \frac{1}{i !} \frac{\partial f_{k+i}}{\partial x^i}(a, 1) t^i y^k .
\]
Since for almost all $t \in \mathbb{C}$ the degree of $f(a y+t, y)$ w.r.t $y$ is one, it follows that for $k=2, \ldots, d$ the polynomials $\sum_{i=0}^{i=d-k} \frac{1}{i!} \frac{\partial f_{k+i}}{\partial x^i}(a, 1) t^i\in \mathbb{C}[t]$ vanish for infinitely many values of $t$. Hence, counting degrees, $\frac{\partial f_{k+i}}{\partial x^i}(a, 1)=0$ for $k=2, \ldots, d$ and $i=0, \ldots, d-k$. In particular, when $k+i=d$, one deduces that $\frac{\partial f_d}{\partial x^\ell}(a, 1)=0$ for $\ell=0, \ldots, d-2$. Therefore $(x-a)^{d-1}$ divides $f_d(x, 1)$. Now, since $a$ is a non-real complex number and $f_d(x, 1) \in \mathbb{R}[x]$, it follows that $(x-\bar{a})^{d-1}$ also divides $f_d(x, 1)$. Hence, $2(d-1) \leq d$, that is $d \leq 2$.

证明$d=2$时,$f$必定义椭圆或一对共轭虚直线
We now proceed to analyze the conic defined by $f$, so we assume $d=2$. Then, taking into account that $(x-a y)(x-\bar{a} y)$ divides $f_d(x, y)$, one deduces that $f$ can be written (up to a multiplicative constant) as
\[
x^2-2 a_0 x y+\left(a_0^2+a_1^2\right) y^2+b_0 x+b_1 y+b_2
\]
for some $b_0, b_1, b_2 \in \mathbf{R}$ ($a_0$ and $a_1$ denote the real and the imaginary part of $a$, respectively), and that $(a: 1: 0),(\bar{a}: 1: 0)$ are the points at infinity of the conic. Hence, since $a \notin \mathbf{R}, f$ is neither a parabola nor a hyperbola. Therefore, $f$ has to be either a pair of conjugate complex lines (clearly, the lines are then $(x-a y+k),(x-\bar{a} y+\bar{k})$ for some $k \in \mathbb{C})$ or an ellipse; depending on the reducibility of $f$.

证明当$f$定义一个椭圆时,$f$定义一个圆$\Leftrightarrow a=\pm i$
In order to distinguish between general ellipses and circles, we assume that $f$ is irreducible and we analyze the lengths of the axis of the conic, i.e. the eigenvalues of the matrix
\[
B=\left(\begin{array}{cc}
1 & -a_0 \\
-a_0 & a_0^2+a_1^2
\end{array}\right)
\]
Thus, since $(\operatorname{trace}(B))^2=4 \operatorname{det}(B)$ is the condition for coincident eigenvalues, it follows that $f$ is a circle if and only if $a_0^2+\left(a_1 \pm 1\right)^2=0$, i.e., if and only if $a= \pm i$.

很有用的引理

3149

主题

8387

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65397
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2024-3-17 07:20
还有一个elementary proof,
mathoverflow.net/a/117408/480608
Okay, I want to finally close the question: I've read Schinzel's book and there I found Ostrovski's elementary and constructive proof. Actually, A_H's answer is very similar to Ostrovski's proof.
见Andrzej Schinzel - Selected topics on polynomials 第6页

手机版|悠闲数学娱乐论坛(第3版)

GMT+8, 2025-3-4 18:33

Powered by Discuz!

× 快速回复 返回顶部 返回列表