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Seja S = k[x

0

, x

1

, ..., x

n

] com k corpo infinito. Seja M um S-m´odulo graduado finitamente

gerado qualquer e considere:

F : · · ·

//

F

n ϕn //

· · ·

//

F

1 ϕ1 //

F

0 //

M

//

0

a resolu¸c˜ao livre minimal de M . Escreva b

j

para o grau m´aximo dos geradores de F

j

.

Defini¸c˜ao 4.3.

Diremos que M ´e r-regular, onde r ´e um inteiro positivo, se r ≥ b

j

− j

para todo ´ındice j que aparece na resolu¸c˜ao livre minimal de M . A regularidade de M

ser´a o menor inteiro r para o qual M ´e r-regular. Usaremos a nota¸c˜ao reg(M ) para a

regularidade de M .

Exemplo 4.2.

Seja L ∈ S polinˆomio homogˆeneo de grau 1. Ent˜ao temos a resolu¸c˜ao

livre minimal para M = (L)

0

//

S(−1)

L //

(x)

//

0

O homomorfismo multiplica¸c˜ao por L ´e injetivo, pois L n˜ao ´e divizor de zeros, e claro,

´e sobrejetivo. Neste caso, temos b

0

= 1. Portanto para todo r ≥ 1 teremos que (L) ser´a

r-regular, al´em disso reg(L) = 1.

Exemplo 4.3.

Sejam M e N S-m´odulos finitamente gerados tais que, reg(M ) = r e

reg(N ) = s. ent˜ao reg(M ⊕ N ) = max{r, s}. De fato, sejam {m

1

, ...m

k

} base minimal

para M e {n

1

, ...n

k′

} base minimal para N. Tome:

F : F

n //

· · ·

//

F

1 //

F

0 //

M

resolu¸c˜ao livre minimal para M com b

j

o grau m´aximo dos geradores de F

j

. Da mesma

forma seja:

F

: F

n′ //

· · ·

//

F

′ 1 //

F

′ 0 //

N

resolu¸c˜ao livre minimal de N com b

j

o grau m´aximo dos geradores de F

j

. Como o con-

junto {(m

1

, 0), ..., (m

k

, 0), (0, n

1

), ..., (0, n

k′

)} forma uma base minimal para M ⊕ N e vale

grau(m

k

, 0) = grau(m

k

) e grau(0, n

k′

) = grau(n

k

), emt˜ao o gerador de grau m´aximo de

M ⊕ N ter´a grau exatamente max{grau(m

1

), ....grau(m

k

), grau(n

1

), ...., grau(n

k

)} desta

forma, para a resolu¸c˜ao livre minimal

F ⊕ F‘

: F

n

⊕ F

′ n //

· · ·

//

F

1

⊕ F

′ 1 //

F

0

⊕ F

′ 0 //

M ⊕ N

com b

j∗

o grau m´aximo dos geradores de F

j

⊕ F

j

, analogamente como foi feito com M e

N , temos que b

j∗

= max{b

j ′

, b

j

}. O que nos d´a reg(M ⊕ N ) = max{reg(M ), reg(N )}.

termos de cohomologia local e cohomologia de feixes. O teorema a seguir estabelece a

rela¸c˜ao entre a regularidade de um ideal e seu feixe associado.

Teorema 4.1.

Seja I um ideal homogˆeneo de S e seja eI o feixe coerente associado `a I.

Ent˜ao as seguintes condi¸c˜oes s˜ao equivalentes.

(a) O mapa natural I

r

−→ H

0

(P

n

, eI(r)) ´e um isomorfismo e H

i

(P

n

, eI(r − i)) = 0

para 0 ≤ i ≤ n.

(b) O mapa natural I

d

−→ H

0

(P

n

, eI(d)) ´e um isomorfismo para todo d ≥ r e

H

i

(P

n

, eI(d)) = 0 para d + i ≥ r, i ≥ 1.

(c) O ideal I ´e r-regular.

Defini¸c˜ao 4.4.

Seja M um m´odulo finitamente gerado graduado, tome a resolu¸c˜ao mi-

nimal de M

F : · · ·

//

F

n ϕn //

· · ·

//

F

1 ϕ1 //

F

0 //

M

//

0

Tomando Hom(F

j

, S) obtemos o complexo

F

: F

0∗ //

· · ·

//

F

n−1∗ //

F

n∗

.

Chamamos de Ext

j

(M, S) o j-´esimo grupo de cohomologia de F

.

A defini¸c˜ao de regularidade nos diz que, se M ´e m-regular ent˜ao em particular M

´e gerado por elementos de grau ≤ m. Podemos definir regularidade de M como o menor

inteiro m tal que para todo j, o j-´esimo grupo de sizigias de M ´e gerado por elementos

de grau ≤ m + j. Se M ´e m-regular, ent˜ao F

j

n˜ao possui geradores de grau ≥ m + j + 1,

assim, F

j∗

= Hom(M, S) ´e zero em grau ≤ −m − j − 1. Em particular Ext

j

(M, S)

tamb´em ´e zero em grau ≤ −m − j − 1

Proposi¸c˜ao 4.2.

M ´e m-regular se, e somente se, Ext

j

(M, S)

n

= 0 para todo j e para

todo n ≤ −m − j − 1

Prova

Se M for m-regular ´e imediato pela defini¸c˜ao que vale Ext

j

(M, S)

n

= 0. Reci-

procamente, seja m

a regularidade de M , provaremos que m ≥ m

. Seja j o maior inteiro

tal que, b

j

− j = m

(onde b

j

´e o grau m´aximo dos geradores de F

j

). Pela hip´otese em j

temo que F

j

possui S(m

+j) como um somando, ao passo que, F

j+1

n˜ao possui somandos

da forma S(n) com n ≥ m + j + 1. Como a resolu¸c˜ao livre tomada ´e minimal, S(m

+ j)

´e levado no 0 em F

j+1

. Novamente por minimalidade nenhum elemento de F

j−1∗

pode ser

levado no gerador de S(m

+ j), logo temos uma classe diferente de zero em Ext(M, S)

de grau −m

− j, assim −m

− j ≥ −m − j logo m

Proposi¸c˜ao 4.3.

Sejam A, B e C S-m´odulos finitamente gerados graduados e sejam

0

//

A

//

B

//

C

//

0

uma sequˆencia exata. Emt˜ao

(a) reg(A) ≤ max{reg(B), reg(C) + 1}

(b) reg(B) ≤ max{reg(A), reg(C)}

(c) reg(C) ≤ max{reg(A) − 1, reg(B)}

Veja [Eisenbud 1995, corol´ario 20.19].

Proposi¸c˜ao 4.4.

Seja S = k[x

0

, ...x

n

] onde k ´e um corpo qualquer, seja I um ideal gerado

por polinˆomios homogˆeneos de grau um. Ent˜ao a regularidade de I ´e igual `a 1.

Prova Usaremos indu¸c˜ao nos geradores de I. No caso I = (L) temos reg(L) = 1

pelo exemplo 3.1. Supondo que o resultado vale para n, vamos mostrar que o resultado

vale para n + 1. Considere a sequˆencia exata:

0

//

(L

0

)

//

I

//

I

//

0

Onde estamos tomando a classe m´odulo L

0

e o ideal I ´e gerado pelos polinˆomios ho-

mogˆeneos de grau um L

0

, ..., L

n

. Como L

i

tem grau um em

(LS0)

, pela hip´otese de indu¸c˜ao

(I possui regularidade igual `a 1. Portanto, pela proposi¸c˜ao 3.1.1 reg(I) ≤ 1. Por outro

lado, reg(I) ≥ grau(L

i

) = 1. Isto nos d´a o resultado desejado.

O lema a seguir ´e a base para o m´etodo de trabalhar indutivamente com regula-

ridade e desempenha um papel central na prova do resultado principal deste trabalho.

Lema 4.1.

Seja I ⊂ k[x

0

, ...., x

n

] ideal homogˆeneo, e suponha que x e uma forma linear

que n˜ao ´e divizor de zero m´odulo I

sat

. Ent˜ao

reg(I) = max{reg(I + (x)), sat(I)}

.

Prova Observe que o resultado seguir´a se mostrarmos que que I ´e r-regular se, e

somente se, I ´e saturado em grau maior ou igual `a r e I + (x) ´e r-regular. Afirmo que

I ∩ (x) = (I : x)x. De fato, se y ∈ I ∩ (x) ent˜ao y = ax ∈ I vamos mostrar que a ∈ (I : x),

para z ∈ (x) ent˜ao, az = a(cx) = c(ax) ∈ I. Portanto, y = ax ∈ (I : x)x. a inclus˜ao

(I : x) ⊂ I ∩ (x) ´e imediata. Esta igualdade ser´a muito importante a seguir. Se I

k

= I

ksat

para k ≥ r ent˜ao I

k

= (I : x)

k

. Como I ⊂ (I : x) temos I

l

⊂ (I : x)

l

para todo l. Tome

z ∈ (I : x)

k

= (I : x) ∩ S

k

com k ≥ r ent˜ao zx ∈ I ⊂ I

sat

, como x n˜ao ´e divisor de zero

m´odulo I

sat

ent˜ao z ∈ I

sat

. Do fato de z j´a pertencer `a S

Assuma que I ´e r-regular, como Γ

(eI) = I

sat

pela parte (b) do teorema 4.2 temos

que I

k

´e isomorfo `a H

0

(P

n

, eI(d)) = Γ(P

n

, eI(d)) para todo d ≥ r ou seja, I ´e saturado em

grau maior ou igual `a r. Para ver que I + (x) ´e r-regular, considere a sequˆencia exata

curta

0

//

I ∩ (x)

//

I ⊕ (x)

//

I + (x)

//

Como (I : x) ´e igual `a I em grau maior ou igual `a r, temos (I : x) ´e r-regular

donde, (I : x)x ´e (r + 1)-regular, pois seja

F

j ϕj //

. . .

//

F

0 ϕ0 //

(I : x)

A resolu¸c˜ao livre minimal de (I : x), se {a

1

, ..., a

n

} ´e o conjunto gerador minimal escolhido

para gerar a resolu¸c˜ao, ent˜ao {a

1

x, ...., a

n

x} ser´a uma base minimal para (I : x)x logo

podemos construir uma resolu¸c˜ao livre minimal para (I : x)x a partir da resolu¸c˜ao de

(I : x) da seguinte maneira.

F

j

x

(ϕj)x //

. . .

//

F

0

x

(ϕ0)x //

(I : x)x

Desta forma o grau dos geradores aumenta sempre uma unidade, portanto a regularidade

de (I : x)x aumenta uma unidade em rela¸c˜ao `a regularidade de (I : x). Como a regulari-

dade de I ⊕ (x) ´e o m´aximo entre {r, 1} e o ideal I ´e pr´oprio (pois x pertence `a S

1

e n˜ao

pertence `a I), isto ´e, I n˜ao possui geradores de grau zero, logo r ≥ 1. A regularidade de

I + (x) segue do ´ıtem (c) da proposi¸c˜ao 4.2.

Supondo agora I + (x) r-regular e I saturado em grau maior ou igual `a r. Pelo

teorema 4.2 a parte de grau r de I + (x) ´e isomorfa `a H

0

(P

n

, ^I + (x)(r)). Al´em disso, a

parte de grau r de I ⊕(x) vai injetivamente em H

0

(P

n

, ^I ⊕ (x)(r)) e sobrejeta em (I +(x))

r

.

Assim

H

0

(P

n

, ^I ⊕ (x)(r)) −→ H

0

(P

n

, ^I + (x)(r))

Tamb´em ´e uma sobreje¸c˜ao. Este sobreje¸c˜ao e a r regularidade de I + (x) implicam que

temos isomorfismos

H

i

(P

n

, eI(k − 1)) −→ H

i

(P

n

, eI(k)) ⊕ H

i

(P

n

, ex(k))

cohomologias

0 −→

H

0

(P

n

, ^(I : x)x(k))

−→

H

0

(P

n

, ^I ⊕ (x)(k))

−→

H

0

(P

n

, ^I + (x)(k))

−→

−→

H

1

(P

n

, ^(I : x)x(k))

−→

H

1

(P

n

, ^I ⊕ (x)(k))

−→

H

1

(P

n

, ^I + (x)(k))

−→ . . .

−→

H

i

(P

n

, ^(I : x)x(k))

−→

H

i

(P

n

, ^I ⊕ (x)(k))

−→

H

i

(P

n

, ^I + (x)(k))

−→

−→ H

i+1

(P

n

, ^(I : x)x(k)) −→ H

i+1

(P

n

, ^I ⊕ (x)(k)) −→ H

i+1

(P

n

, ^I + (x)(k)) −→ · · ·

Teremos isomorfimos entre H

i

(P

n

, ^(I : x)x(k)) −→ H

i

(P

n

, ^I ⊕ (x)(k)) pois

H

i

(P

n

, ^I + (x)(k)) = 0 para todo k ≥ r − i − 1 para i ≥ 1. O caso i = 0 se-

gue tamb´em da sobreje¸c˜ao nas cohomologias de ordem 0. Para chegar nos isomorfismos

desejados basta notar que, H

i

(P

n

, ^(I : x)x(k)) ´e isomorfo `a H

i

(P

n

, ^(I : x)(k − 1)) e que

cohomologia preserva soma direta. Agora, como a cohomologia se anula para k suficien-

temente grande, temos que, H

i

(P

, eI(r − i)) = 0 para todo i > 0, como I ´e saturado em

grau maior ou igual `a r por hip´otese, a condi¸c˜ao (a) do teorema 4.2 ´e satisfeita, portanto

I ´e r-regular.

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