¿Qué es una variedad tórica, en términos simples?

El AMS publica regularmente buenos artículos titulados ¿Qué es … [esto que he oído hablar] como geometría no conmutativa, gerbes, dessins d’enfants, base de Gröbner, madejas, variedad Shimura … Nunca me ha decepcionado uno de esos .

Aquí está el de variedades tóricas: ¿Qué es una variedad tórica?

Una variedad tórica X_P es una cierta variedad algebraica, o, sobre los números reales o complejos, una variedad diferenciable con algunas singularidades permitidas, modelada en un poliedro convexo P. Los ejemplos incluyen todos (productos de) espacios proyectivos, que se modelan en (productos de) simplificaciones estándar. Algebraicamente, la geometría tórica es el estudio de polinomios dispersos , cuyos coeficientes distintos de cero están unidos a monomios especificados.


Solo agregaré un glosario a esa cita, pero no a todo el artículo.

• La variedad algebraica es el conjunto de raíces de una ecuación (polinomio), como el conjunto de soluciones para (x² − 2) (x + 3) (x − 1) (x + 12) = 0. (la variedad sería {√2, −√2, −3,1, −12})


(recuerde que también puedo agregar una constante para “mover la varilla hacia arriba y hacia abajo” … y resaltar diferentes puntos … es por eso que estamos interactuando entre álgebra y geometría: puedo mover la varilla para “probar” la curva. Por cierto, usted puede También comprenda la multiplicidad de raíces de esta manera: mire los puntos morados, si elevo la barra un poco más arriba, los dos puntos morados se fusionarán en uno … lo cual es una justificación para contarlo dos veces (aunque, quizás, esto sea “feo” porque es una justificación de tipo perturbación / cálculo / análisis en lugar de una geometría más “pura” o directa)

(x² − y² − 1) • (x² − z² − 1) • (y² − z² − 1) = 0 • ver las cosas de manera diferente

raíces de x²⁶ • y + x • z⁶ + y¹³ • z + x⁹ • y¹³ + z²⁶ =… • ver las cosas de manera diferente

• la singularidad es como 1 / (x − 5) en x = 5 .. explota (dividir entre [matemáticas] 10 ^ {- 6} [/ matemáticas] es como multiplicar por un millón)

• (recuerde que debido a las series podemos cubrir muchas funciones usando polinomios, a menos que haya algo desagradable como, por ejemplo, una singularidad)

• el colector diferenciable tiene una forma suave, por ejemplo, la masa se puede formar en una interesante forma tridimensional

isomorfismos – MÚLTIPLES

• los poliedros son como dados

, convexo significa, básicamente, no se pliega sobre sí mismo


sino que es “redondo” o la “pared exterior” es como “volado lo suficiente” – como si fuera un globo no necesitaría estar completamente lleno pero no podría ser demasiado plano


(también allí en la plaza el globo o la fortaleza de la ciudad simplemente no tiene pared, esto tampoco se considera convexo)


(un ejemplo de una forma 2D no convexa serían las paredes de ciertos castillos. Si tienes dos lugares sobresalientes a los que pueden ir tus tropas, entonces si tal y tal está atacando tu pared entre la vee puedes dispararle desde tres lados)
(la condición convexa dice que no debería poder dibujar una línea recta entre estas dos torres redondeadas y salir de mi muro límite, pero en la guerra eso es exactamente lo que quiero: si puedo dibujar una línea recta hacia el exterior, entonces puedo señalar un arco al invasor en mi pared)




Y recuerda que esos no son convexos. Un globo razonablemente inflado es.

volviendo al resumen …

… Por cierto, mira esto [matemáticas / 9909177] Conferencias sobre 0/1-polytopes algunas cosas MUY sorprendentes allí … esencialmente sobre intuiciones erróneas en la forma más simple, no rizada / recta de mirar grandes dimensiones, por lo que todos los niños de Machine Learning deberían Descargalo

• el espacio proyectivo es el espacio de todas las líneas a través del origen (por lo que es como una esfera alrededor del origen, excepto … ¿qué es diferente?)
[[[¿Por qué el espacio proyectivo es importante?
o Elliptic Tales o, también se describe en otros lugares como Page en upenn.edu. Para mí, el deseo de hacer que cualquier línea interseque cualquier círculo dos veces (incluso si se oscula o falla en el plano real (x, y)) tiene un sentido intuitivo de por qué introducir estas otras geometrías.

• los simplices son triángulos / tetraedros de alta dimensión


Aquí está el índice: “¿Qué es …?” columna

Otros dos recursos útiles: el capítulo 3 de la página en mathstat.dal.ca

y Kevin Lin explicando sobre una entrevista de Vladimir Arnol’d aquí: sqrtnegative1., donde Arnol’d habla sobre el viejo hilo de “Dos trenes salen en X, Y veces viajando A, B velocidades …” e insinúa que este problema es uno de variedades tóricas.

Editar: además de los votos, esta respuesta está generando más odio del que he recibido en Quora. Me gustaría aclarar que mi respuesta no tiene nada que ver con la estupidez o la arrogancia de nadie. No hay vergüenza en no conocer la geometría algebraica o la teoría de la cohomología. Ninguna.

Como dije en un comentario, hay un gran valor en retratar, incluso más o menos, lo que la geometría algebraica es para un laico, o geometría simpléctica, o la teoría de los politopos convexos. Esas son preguntas desafiantes pero hermosas para abordar. En serio, honesta y respetuosamente, no veo ningún valor en pasar directamente del conocimiento de la escuela secundaria al tema muy especializado de las variedades tóricas, que es oscuro incluso para la mayoría de los expertos, y tratar de “explicarlas” con metáforas. Si no está de acuerdo, me encantaría saber por qué, pero no encuentro agradables los ataques personales y no creo que mi historial en Quora sea tal que los merezco.

La respuesta original sigue.

La gente no intentaría, y no debería, explicar qué son las variedades tóricas para alguien que no esté familiarizado con las matemáticas avanzadas. A menos que, por supuesto, solo presenten un Ph.D. tesis sobre el tema y se lo dedicó a su padre.

Si por “no familiarizado con las matemáticas avanzadas” te refieres a una persona con excelentes conocimientos de álgebra y cálculo de la escuela secundaria pero sin conocimientos de matemáticas de pregrado, entonces hay exactamente un valor cero al intentar explicar qué variedades tóricas son para ellos.

Los requisitos previos para apreciar el significado y la importancia de las variedades tóricas incluyen haber tomado al menos un buen curso en geometría algebraica o geometría simpléctica, y muy preferiblemente en ambos, además de una sólida comprensión de los poliedros convexos y un montón de otras cosas. Esos no son cursos que tomas en tu primer año, tampoco. Por lo general, los aprenderías en la escuela de posgrado.

Aquí está la primera oración de un resumen muy agradable y conciso publicado en los Avisos de la AMS:

Una variedad tórica [matemática] X_P [/ matemática] es una cierta variedad algebraica, o, sobre los números reales o complejos, una variedad diferenciable con algunas singularidades permitidas, modelada en un poliedro convexo [matemática] P [/ matemática].

Esto solo dice, más o menos, qué tipo de cosas son las variedades tóricas. Ni siquiera explica qué las convierte en variedades tóricas, solo que son “variedades algebraicas” (hay muchos tipos de variedades algebraicas) que de alguna manera están “modeladas” en “poliedros convexos”. Para las personas que no están familiarizadas con las matemáticas avanzadas, esta primera oración no tiene sentido. Las oraciones posteriores suponen que el lector ya sabe sobre espacios proyectivos, fibras y cohomología.


La única excepción a toda esta negatividad ocurre cuando Eve, una joven estudiante de posgrado en matemáticas que ama los duraznos, la nieve y la película “Ninotchka”, vuela a casa para visitar a sus padres con una copia nueva y encuadernada del Ph.D. tesis que acaba de presentar. Se titula “Syzygies of Toric Varieties” y está dedicado a papá (ella planea dedicar su primer libro a mamá). Ella sabe que él preguntará de qué se trata todo esto, y mentalmente está formando una respuesta mientras mordisquea distraídamente los pretzels servidos en clase económica. No le gustan mucho los pretzels.

Papá es farmacéutico. Puede hacer los números lo suficientemente bien, pero no sabe nada sobre el espacio afín, los semigrupos y los conjuntos de líneas amplias. Ella se da cuenta de que todo lo que puede hacer es hablar en general.

Ya ves, papá, hay estos politopos convexos. Son como cubos, pirámides y balones de fútbol, ​​solo que pueden ser mucho más multidimensionales y locos. Y a pesar de su aparente simplicidad, hay muchas preguntas sin respuesta sobre ellos.

Luego, por separado, existen estas cosas llamadas variedades algebraicas. Son lo que obtienes cuando tratas de hacer una imagen de ecuaciones.


También hay muchas preguntas sin respuesta sobre variedades algebraicas. Las personas han estado estudiando politopos convexos durante décadas y variedades algebraicas durante cientos de años. Y luego se dieron cuenta de que puedes tomar un politopo y hacer una variedad algebraica.

A las personas que estudian matemáticas les encanta cuando las cosas no relacionadas se unifican, y eso es lo que hacen las variedades tóricas. Son tipos especiales de variedades algebraicas que puedes hacer con politopos, y cuando lo haces, de repente tienes un nuevo y rico zoológico de variedades algebraicas para estudiar, e incluso puedes descubrir cosas sobre los politopos de esta manera. Entonces, sí, todo esto está muy bien. Tengo algunos pretzels sobrantes del vuelo, ¿te gustaría alguno?

1. Es más fácil estudiar ecuaciones polinómicas si permite soluciones de números complejos. Por ejemplo, cualquier ecuación [matemática] p (x) = 0 [/ matemática] tiene soluciones complejas. [No estoy contando números complejos como “avanzado”]

2. Desafortunadamente, una vez que llega a dos variables complejas, es difícil visualizar las cosas. Por lo tanto, sería bueno tratar con un estuche para bebés, donde puedes obtener intuición de algo más pequeño-dimensional real.

3. Un politopo [de nuevo, no “avanzado” – tira un dado alguna vez] en n dimensiones es algo con n coordenadas reales; pensemos en cada uno como la parte de “magnitud” [matemática] r [/ matemática] de un complejo [matemático] re ^ {i \ theta} [/ matemático], y ahora queremos hacer las cosas más complejas incluyendo cada [matemático] ] \ theta [/ math] coordinar también.

Entonces multiplique el politopo por los círculos [math] n [/ math]. Eso no es exactamente lo que hay que hacer alrededor del límite, donde tenemos que aplastar algunos de los círculos, dependiendo de las direcciones de los muros fronterizos.

El ejemplo para dar una idea: si [matemáticas] P = [0,1] [/ matemáticas], entonces un intervalo, entonces lo multiplicamos por un círculo y obtenemos un tubo de papel higiénico. Luego aplasta cada extremo circular hasta un punto. El resultado es una esfera, como la esfera de Riemann [math] \ mathbb C \ cup \ {\ infty \} [/ math].

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Una mentira: el politopo necesita tener vértices racionales. Y no te dije cómo aplastar en general. Tampoco lo que puedes entender sobre la variedad conociendo solo el politopo. Pero creo que este es el lugar razonable para declarar la victoria.

hmm .. No sé qué se entiende por “en términos simples” en este contexto. Realmente no creo que un laico esté interesado en la geometría algebraica y también en las variedades tóricas.

Bromas aparte, suponiendo que uno tenga “algunos” conocimientos de geometría algebraica (es decir, al menos sabe qué variedades son), puedo intentar explicarlo.

Dada una variedad algebraica G, se puede equipar con una estructura de grupo. Podemos definir los mapas de multiplicación y los mapas inversos para que sean morfismos de esta variedad. Esto nos dará un grupo algebraico afín .

Un grupo algebraico afín isomorfo a [matemáticas] (\ mathbb {C} ^ *) ^ n [/ matemáticas] se llama un toro algebraico sobre los números complejos.

Una variedad tórica es una variedad X irreducible que contiene un toro algebraico con las siguientes propiedades
1. T es un subconjunto abierto denso de Zariski de X
2. la acción de T sobre sí mismo se extiende a una acción de T sobre X.

Probablemente voy a dar un paso FUERA del foco de la pregunta sobre la variedad tórica y, en cambio, mencionar que con un Máster en Bellas Artes, no fui a ninguna parte cerca de las clases de matemáticas, PERO me encanta la teoría sobre cualquier cosa relacionada con las matemáticas, como física. Cuando alguien como Richard Feynman, cuyas obras he leído con entusiasmo, puede hacer que mi mente se eleve a otras dimensiones con imágenes artísticas esperanzadoras saliendo de mi cabeza y sobre el papel, entonces eso es para mí, alguien que ha capturado mi imaginación.

Y cuando sigues las aventuras de Feynman en el aprendizaje y cómo se enseñó a resolver problemas complejos, ¡eso también me abre la mente a mis propias posibilidades! ¿No es eso lo que las matemáticas deberían hacer?

¡Cualquier graduado de doctorado relacionado con las matemáticas que pueda llevar a casa la profundidad de su conocimiento y convertirlo en una aventura emocionante para su familia seguramente será un gran maestro y una inspiración para los demás!

Al hacer dibujos.

Dado el nivel de fondo necesario para comprender el tema, si está buscando un laico con solo ideas de nivel secundario en geometría coordinada y álgebra, le sugiero que obtenga resultados y teoremas especiales y muestre cómo pueden tener interpretaciones maravillosas En el mundo físico. Así es más o menos como explico los fractales o la relatividad o la mecánica cuántica a las personas, donde profundizar en los detalles solo los haría perder interés incluso antes de que termine la primera oración.