椭圆曲线、除子和直线

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椭圆曲线、除子和直线

拉尔斯·A·瓦伦博恩

2010年6月21日 - 7月19日

目录

1 符号和全局定义

2 椭圆曲线

3 多项式和有理函数

4 零点和极点

5 除子和直线

摘要

该脚本是基于2010年夏季学期由Prof. Nitin Saxena在“计算复杂性中的代数方法”研讨会上所做的报告的基础。它大量借鉴了Leonard S. Charlap和David P. Robbins于1988年的论文[CRD]。我们将给出椭圆曲线在有限域上所有常见的定义、结果以及这些结果的证明。

1 符号和全局定义

对于一个域 K,nNK,n \in \mathbb{N}kKk \in K,我们定义

nk:=k++kn times n \cdot k \mathrel{\text{:=}} \underset{n - \text{ times }}{\underbrace{k + \ldots + k}}

一个域 KK 的特征定义为

char(K):={0 for Ck=min(CK) else \operatorname{char}\left( K\right) \mathrel{\text{:=}} \left\{ \begin{matrix} 0 & \text{ for }{C}_{k} = \varnothing \\ \min \left( {C}_{K}\right) & \text{ else } \end{matrix}\right.

伴随 Ck:={pN>0p1=0,1Kadditive neutral}{C}_{k} \mathrel{\text{:=}} \left\{ {p \in {\mathbb{N}}_{ > 0} \mid p \cdot 1 = 0,1 \in K\text{additive neutral}}\right\}

命题 1.1. char(K) 要么是 0 要么是素数。

全局定义/符号 1.2. 从现在起让

  • KK 是一个代数闭域,带有 char(K){2,3}\operatorname{char}\left( K\right) \notin \{ 2,3\}

  • 字母 XXYY 是变量

  • K[X]K\left\lbrack X\right\rbrackK[X,Y]K\left\lbrack {X,Y}\right\rbrack 是一个 respective 两个变量的多项式环

  • K(X)K\left( X\right)K(X,Y)K\left( {X,Y}\right) 是一个 respective 两个变量的有理函数域

2 椭圆曲线

定义2.1(消失集)。对于 fK[X,Y]f \in K\left\lbrack {X,Y}\right\rbrack 我们定义

V(f):={(a,b)K2f(a,b)=0}V\left( f\right) \mathrel{\text{:=}} \left\{ {\left( {a,b}\right) \in {K}^{2} \mid f\left( {a,b}\right) = 0}\right\}

定义2.2(椭圆曲线)。对于 A,BKA,B \in K 该集合

E:=EA,B:=V(Y2X3AXB){O}E \mathrel{\text{:=}} {E}_{A,B} \mathrel{\text{:=}} V\left( {{Y}^{2} - {X}^{3} - {AX} - B}\right) \cup \{ \mathcal{O}\}

称为 KK 上的椭圆曲线,如果 s(x):=sA,B(x):=x3+Ax+Bs\left( x\right) \mathrel{\text{:=}} {s}_{A,B}\left( x\right) \mathrel{\text{:=}} {x}^{3} + {Ax} + B 有三个不同的根。元素 OE\mathcal{O} \in E 被称为单位元或无穷远点,以及 E{O}\in E \smallsetminus \{ \mathcal{O}\} 的有限元素。对于有限点 P=(a,b)EP = \left( {a,b}\right) \in E 我们将 (a, - b) 缩写为 P- P 。术语

Δ(EA,B):=4A327B2\Delta \left( {E}_{A,B}\right) \mathrel{\text{:=}} - 4{A}^{3} - {27}{B}^{2}

被称为判别式。

备注2.3。有时人们将 EA,B{E}_{A,B} 定义为椭圆曲线,并称其为非奇异的当且仅当 sA,B{s}_{A,B} 有三个不同的根。否则,它被称为奇异的。我们将非奇异性包含在椭圆曲线的定义中,因为我们只想要处理非奇异的曲线。

定义2.4(二阶点)。设 EA,B{E}_{A,B} 是一条椭圆曲线,ω1,ω2,ω3{\omega }_{1},{\omega }_{2},{\omega }_{3}sA,B(x){s}_{A,B}\left( x\right) 的三个不同的根。这三个点 Ωi:=(ωi,0)EA,B{\Omega }_{i} \mathrel{\text{:=}} \left( {{\omega }_{i},0}\right) \in {E}_{A,B} 被称为二阶点。

命题2.5。对于任意的 f(x)=x3+Ax+Bf\left( x\right) = {x}^{3} + {Ax} + BA,BKA,B \in K 有根 ω1,ω2{\omega }_{1},{\omega }_{2}ω3{\omega }_{3} ,则成立:

  1. 0=ω1+ω2+ω30 = {\omega }_{1} + {\omega }_{2} + {\omega }_{3}

  2. A=ω2ω3+ω1ω3+ω1ω2A = {\omega }_{2}{\omega }_{3} + {\omega }_{1}{\omega }_{3} + {\omega }_{1}{\omega }_{2}

  3. B=ω1ω2ω3B = - {\omega }_{1}{\omega }_{2}{\omega }_{3}

证明。由于 KK 是代数闭域,我们可以写出

f(x)=(xω1)(xω2)(xω3)f\left( x\right) = \left( {x - {\omega }_{1}}\right) \left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right)
=x3+x2(ω1ω2ω3)+x(ω2ω3+ω1ω3+ω1ω2)ω1ω2ω3= {x}^{3} + {x}^{2}\left( {-{\omega }_{1} - {\omega }_{2} - {\omega }_{3}}\right) + x\left( {{\omega }_{2}{\omega }_{3} + {\omega }_{1}{\omega }_{3} + {\omega }_{1}{\omega }_{2}}\right) - {\omega }_{1}{\omega }_{2}{\omega }_{3}

将系数与 x3+Ax+B{x}^{3} + {Ax} + B 比较,得到结果。

命题2.6(椭圆曲线准则)。集合 EA,B{E}_{A,B} 是椭圆曲线当且仅当 Δ(EA,B)0\Delta \left( {E}_{A,B}\right) \neq 0

证明。我们将证明如果 EA,B{E}_{A,B} 不是椭圆曲线(根据定义2.2,这意味着 sA,B{s}_{A,B} 有一个重根或三重根)当且仅当 Δ(EA,B)=0\Delta \left( {E}_{A,B}\right) = 0

假设 sA,B{s}_{A,B} 有一个重根,不失一般性,设这个根为 ω1{\omega }_{1} 。由命题 2.5 我们得到三个关系

0=2ω1+ω20 = 2{\omega }_{1} + {\omega }_{2}
A=2ω1ω2+ω12A = 2{\omega }_{1}{\omega }_{2} + {\omega }_{1}^{2}
B=ω12ω2B = - {\omega }_{1}^{2}{\omega }_{2}

从第一个关系中我们得到 ω2=2ω1{\omega }_{2} = - 2{\omega }_{1} 。将这个结果代入第二个和第三个关系得到

A=2ω1(2ω1)+ω12=4ω12+ω12=3ω12\begin{matrix} A & = & 2{\omega }_{1}\left( {-2{\omega }_{1}}\right) + {\omega }_{1}^{2} = - 4{\omega }_{1}^{2} + {\omega }_{1}^{2} = - 3{\omega }_{1}^{2} \end{matrix}
B=ω12(2ω1)=2ω13\begin{matrix} B & = & - {\omega }_{1}^{2}\left( {-2{\omega }_{1}}\right) = 2{\omega }_{1}^{3} \end{matrix}

最后我们得到

Δ(EA,B)=27B24A3=27(2ω13)24(3ω12)3=108ω16+108ω16=0\Delta \left( {E}_{A,B}\right) = - {27}{B}^{2} - 4{A}^{3} = - {27}{\left( 2{\omega }_{1}^{3}\right) }^{2} - 4{\left( -3{\omega }_{1}^{2}\right) }^{3} = - {108}{\omega }_{1}^{6} + {108}{\omega }_{1}^{6} = 0

假设 sA,B{s}_{A,B} 有一个三重根,那么之前的证明同样适用。

假设 Δ(EA,B)=0\Delta \left( {E}_{A,B}\right) = 0 :

0=Δ(E)=27B24A30 = \Delta \left( E\right) = - {27}{B}^{2} - 4{A}^{3}
  27B28A3=12\Leftrightarrow \;\frac{-{27}{B}^{2}}{8{A}^{3}} = \frac{1}{2}
  0=27B28A312\Leftrightarrow \;0 = \frac{-{27}{B}^{2}}{8{A}^{3}} - \frac{1}{2}
  0=(27B28A312)B=27B38A33B2+B=sA,B(3B2A)\Rightarrow \;0 = \left( {\frac{-{27}{B}^{2}}{8{A}^{3}} - \frac{1}{2}}\right) B = \frac{-{27}{B}^{3}}{8{A}^{3}} - \frac{3B}{2} + B = {s}_{A,B}\left( \frac{-{3B}}{2A}\right)

所以我们知道 x1:=3B2A{x}_{1} \mathrel{\text{:=}} \frac{-{3B}}{2A}sA,B{s}_{A,B} 的根,并且多项式除法得到

(x3+Ax+B):(x+3B2A)=x23B2Ax+(A+9B24A2)\left( {{x}^{3} + {Ax} + B}\right) : \left( {x + \frac{3B}{2A}}\right) = {x}^{2} - \frac{3B}{2A}x + \left( {A + \frac{9{B}^{2}}{4{A}^{2}}}\right)

pp -q 公式得到另外两个根:

x2,3=3B2A2±(3B2A)24(A+9B24A2){x}_{2,3} = - \frac{-\frac{3B}{2A}}{2} \pm \sqrt{\frac{{\left( \frac{3B}{2A}\right) }^{2}}{4} - \left( {A + \frac{9{B}^{2}}{4{A}^{2}}}\right) }
=  3B4A±9B216A2A36B216A2= \; - \frac{3B}{4A} \pm \sqrt{\frac{9{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} - A - \frac{{36}{B}^{2}}{{16}{A}^{2}}}
=  3B4A±27B216A2A= \; - \frac{3B}{4A} \pm \sqrt{\frac{-{27}{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} - A}

现在假设 sA,B{s}_{A,B} 有一个重根。那么

-x2=x3or\text{-}{x}_{2} = {x}_{3}\text{or}
-x1=x2orx1=x3\text{-}{x}_{1} = {x}_{2}\text{or}{x}_{1} = {x}_{3}

第一种情况意味着根号下的项为零:

27B216A2A=027B216A3=0\frac{-{27}{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} - A = 0 \Leftrightarrow - {27}{B}^{2} - {16}{A}^{3} = 0

结合 27B24A3=0- {27}{B}^{2} - 4{A}^{3} = 0 这意味着 A=B=0A = B = 0

对于后两种情况,我们计算:

3B2A=3B4A±27B216A2A\begin{matrix} - \frac{3B}{2A} & = & - \frac{3B}{4A} \pm \sqrt{\frac{-{27}{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} - A} \end{matrix}
3B4A=±27B216A2A\begin{matrix} - \frac{3B}{4A} & = & \pm \sqrt{\frac{-{27}{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} - A} \end{matrix}
9B216A2=27B216A2A\begin{matrix} \frac{9{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} & = & \frac{-{27}{B}^{2}}{{16}{A}^{2}} - A \end{matrix}
9B2=27B216A39{B}^{2} = - {27}{B}^{2} - {16}{A}^{3}
0=36B216A30 = - {36}{B}^{2} - {16}{A}^{3}
0=9B24A30 = - 9{B}^{2} - 4{A}^{3}

27B24A3=0- {27}{B}^{2} - 4{A}^{3} = 0 一起再次暗示 A=B=0A = B = 0

命题 2.7。椭圆曲线是无限的。

证明。假设 EA,B{E}_{A,B} 是有限的。因为 KK 是一个代数闭域,是无限的,我们可以找到 aKa \in K 使得 bK:(a,b)EA,B\forall b \in K : \left( {a,b}\right) \notin {E}_{A,B} bK:(a,b)EA,B\forall b \in K : \left( {a,b}\right) \notin {E}_{A,B} ,因此 bK:b2=c\nexists b \in K : {b}^{2} = c 对于 c=a3+Aa+Bc = {a}^{3} + {Aa} + B 成立。但是因为 KK 是代数闭域,多项式 X2c{X}^{2} - c 需要有一个根。

定义 2.8。对于一个子域 kKk \subseteq KA,BkA,B \in k

E(k):={(a,b)EA,Ba,bk}{O}E\left( k\right) \mathrel{\text{:=}} \left\{ {\left( {a,b}\right) \in {E}_{A,B} \mid a,b \in k}\right\} \cup \{ \mathcal{O}\}

被称为 kk -有理点。

注释 2.9。当 char(K){2,3}\operatorname{char}\left( K\right) \in \{ 2,3\} 时,椭圆曲线的定义方程可以更一般:

k2+a1hk+a3k=h3+a2h2+a4h+a6{k}^{2} + {a}_{1}{hk} + {a}_{3}k = {h}^{3} + {a}_{2}{h}^{2} + {a}_{4}h + {a}_{6}

但在我们的情况下 (char(K){2,3})\left( {\operatorname{char}\left( K\right) \notin \{ 2,3\} }\right) 可以证明我们的方程可以定义每一个可以由这个看起来更一般的方程定义的椭圆曲线。 [WER, Prop. 2.3.2]

3 多项式和有理函数

定义 3.1(椭圆曲线上的多项式)。对于一个椭圆曲线 E=EA,BE = {E}_{A,B} 我们用 EE 表示 E=EA,BE = {E}_{A,B} 上的多项式集合。

K[E]:=K[X,Y]/Y2X3AXBK\left\lbrack E\right\rbrack \mathrel{\text{:=}} K\left\lbrack {X,Y}\right\rbrack /\left\langle {{Y}^{2} - {X}^{3} - {AX} - B}\right\rangle

全局定义/符号 3.2。现在起让小写字母 xxyy 表示坐标函数,由 x(a,b):=ax\left( {a,b}\right) \mathrel{\text{:=}} ay(a,b):=by\left( {a,b}\right) \mathrel{\text{:=}} b 在椭圆曲线 EE 上定义,因此满足方程 y2=s(x){y}^{2} = s\left( x\right) 。有了这个符号,我们也可以说 K[E]=K[x,y]K\left\lbrack E\right\rbrack = K\left\lbrack {x,y}\right\rbrack

注释 3.3。通过取商意味着我们可以用一个项 X3+AX+B{X}^{3} + {AX} + B 替换多项式 fK[X,Y]f \in K\left\lbrack {X,Y}\right\rbrack 中的每一个 Y2{Y}^{2} 而不改变 ff 的等价类。因此 ff 可以写成 f(x,y)=v(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right) ,其中 v,wK[X]v,w \in K\left\lbrack X\right\rbrack 即一个变量的多项式。

记号 3.4(规范形式)。一个多项式 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack 被称为写成规范形式,当我们写作 f(x,y)=v(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right)

备注 3.5。规范形式是唯一的。

证明。设 f(x,y)=v~~(x)+yw~~(x)=v~(x)+yw~(x)f\left( {x,y}\right) = \widetilde{\widetilde{v}}\left( x\right) + y\widetilde{\widetilde{w}}\left( x\right) = \widetilde{v}\left( x\right) + y\widetilde{w}\left( x\right) 为两个规范形式。我们得到 v~(x)v~(x))+y(w~~(x)w~(x))=0\overline{\widetilde{v}}\left( x\right) - \widetilde{v}\left( x\right) ) + y\left( {\widetilde{\widetilde{w}}\left( x\right) - \widetilde{w}\left( x\right) }\right) = 0 ,所以设置 v(x)=v~~(x)v~(x)v\left( x\right) = \widetilde{\widetilde{v}}\left( x\right) - \widetilde{v}\left( x\right)w(x)=w~~(x)w~(x)w\left( x\right) = \widetilde{\widetilde{w}}\left( x\right) - \widetilde{w}\left( x\right) 之后,只需证明从 v(x)+yw(x)=0v\left( x\right) + {yw}\left( x\right) = 0 推导出 v(x)=w(x)=0v\left( x\right) = w\left( x\right) = 0 。我们计算

0=0(v(x)yw(x))0 = 0 \cdot \left( {v\left( x\right) - {yw}\left( x\right) }\right)
=(v(x)+yw(x))(v(x)yw(x))= \left( {v\left( x\right) + {yw}\left( x\right) }\right) \cdot \left( {v\left( x\right) - {yw}\left( x\right) }\right)
=v2(x)y2w2(x)= {v}^{2}\left( x\right) - {y}^{2}{w}^{2}\left( x\right)
=v2(x)+(s(x))w2(x)= {v}^{2}\left( x\right) + \left( {-s\left( x\right) }\right) {w}^{2}\left( x\right)

由于 degx(s){\deg }_{x}\left( s\right) 是奇数且 degx(v2){\deg }_{x}\left( {v}^{2}\right)degx(w2){\deg }_{x}\left( {w}^{2}\right) 是偶数,多项式 ww 必须为零,因此多项式 vv

定义 3.6(共轭和范数)。将 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack 写成规范形式 f(x,y)=v(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right)f\underline{f} 的共轭定义为 fˉ(x,y):=v(x)yw(x)\bar{f}\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} v\left( x\right) - {yw}\left( x\right)f\underline{f} 的范数由 Nf:=ffˉ{N}_{f} \mathrel{\text{:=}} f \cdot \bar{f} 定义。

备注 3.7。

  1. 可以计算 Nf=v2(x)s(x)w2(x){N}_{f} = {v}^{2}\left( x\right) - s\left( x\right) {w}^{2}\left( x\right) ,因此 NfK[X]{N}_{f} \in K\left\lbrack X\right\rbrack ,即仅含有一个变量的多项式。

  2. 因为我们可以轻易看出 fg=fˉgˉ\overline{fg} = \bar{f}\bar{g} ,所以得出 Nfg=NfNg{N}_{fg} = {N}_{f}{N}_{g}

定义 3.8(椭圆曲线上的有理函数)。对于椭圆曲线 EE ,我们用以下符号表示 EE 上的有理函数集合

K(E):=K[E]2/K\left( E\right) \mathrel{\text{:=}} K{\left\lbrack E\right\rbrack }^{2}/ \sim

满足以下等价关系:对于 (f,g),(h,k)K[E]2\left( {f,g}\right) ,\left( {h,k}\right) \in K{\left\lbrack E\right\rbrack }^{2}

(f,g)(h,k):fk=gh\left( {f,g}\right) \sim \left( {h,k}\right) : \Leftrightarrow f \cdot k = g \cdot h

(为了检查相等性,可以将 fkf \cdot kghg \cdot h 写成规范形式并比较系数)。我们用 fg\frac{f}{g} 表示 (f,g)K(E)\left( {f,g}\right) \in K\left( E\right) 的等价类。对于 rK(E)r \in K\left( E\right) 和有限点 PEP \in E ,如果存在一个表示 r=fgr = \frac{f}{g} 使得 f,gK[E]f,g \in K\left\lbrack E\right\rbrackg(P)0g\left( P\right) \neq 0 ,则我们说 rr 在点 PP 处是有限的,在这种情况下我们定义 r(P):=f(P)g(P)r\left( P\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{f\left( P\right) }{g\left( P\right) } 。如果 rr 在点 PP 处不是有限的,我们写作 r(P)=r\left( P\right) = \infty

注释 3.9(有理函数的规范形式)。可以计算

r=fgK(E):r = \frac{f}{g} \in K\left( E\right) :

fg=fgˉggˉ=fgˉNg\frac{f}{g} = \frac{f\bar{g}}{g\bar{g}} = \frac{f\bar{g}}{{N}_{g}}

(fgˉ)(x,y)=v(x)+yw(x)\left( {f\bar{g}}\right) \left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right) 写成规范形式得到

fg=v(x)+yw(x)Ng=v(x)Ng+yw(x)Ng\frac{f}{g} = \frac{v\left( x\right) + {yw}\left( x\right) }{{N}_{g}} = \frac{v\left( x\right) }{{N}_{g}} + y\frac{w\left( x\right) }{{N}_{g}}

因此每个有理函数也可以写成规范形式。

命题 3.10。在 PEP \in E 处有限的有理函数构成一个环。

证明。我们想要证明

RP:={rK(E)r is finite at P}{R}_{P} \mathrel{\text{:=}} \{ r \in K\left( E\right) \mid r\text{ is finite at }P\}

以及逐点加法和乘法构成一个环。加法和乘法的结合性和交换性以及分配性继承自基础字段。元素 01,11RP\frac{0}{1},\frac{1}{1} \in {R}_{P} 是中性元素,显然在 PP 处是有限的。我们可以通过以下方式给出加法逆元素

fg=fg.- \frac{f}{g} = \frac{-f}{g}.

在下面的内容中,我们想要定义有理函数在 O\mathcal{O} 处的值。在微积分中,以及只有一个变量(即 fK(X)f \in K\left( X\right) )的情况下,通常比较分子和分母的次数以获得在 \infty 处的值,但在我们的情况下有两个变量。关系 y2=x3+Ax+B{y}^{2} = {x}^{3} + {Ax} + B 表明 yy 的次数应该是 xx 次数的 23\frac{2}{3} 。由于我们希望避免分数次数,我们给 yy 分配次数 3,给 xx 分配次数 2。多项式 fK[X]f \in K\left\lbrack X\right\rbrack 的经典次数将表示为 degx(f){\deg }_{x}\left( f\right)

定义 3.11(多项式的次数)。设 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack 并将其写成规范形式 f(x,y)=v(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right)ff 的次数定义为:

deg(f):=max{2degx(v),3+2degx(w)}\deg \left( f\right) \mathrel{\text{:=}} \max \left\{ {2 \cdot {\deg }_{x}\left( v\right) ,3 + 2 \cdot {\deg }_{x}\left( w\right) }\right\}

备注 3.12。回顾 degx(0)={\deg }_{x}\left( 0\right) = - \inftydegx(c)=0cK{0}{\deg }_{x}\left( c\right) = 0\forall c \in K \smallsetminus \{ 0\}

多项式的经典次数与多项式在 EE 上的次数通过范数联系起来:

定理3.13(度数与经典度数的连接)。对于 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack

deg(f)=degx(Nf)\deg \left( f\right) = {\deg }_{x}\left( {N}_{f}\right)

证明。将 ff 写成规范形式 f(x,y)=v(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right),然后 Nf=v2(x){N}_{f} = {v}^{2}\left( x\right) - s(x)w2(x)s\left( x\right) \overline{{w}^{2}\left( x\right) }。由于 degx(v2){\deg }_{x}\left( {v}^{2}\right)degx(w2){\deg }_{x}\left( {w}^{2}\right) 是偶数,而 degx(s){\deg }_{x}\left( s\right) 是奇数,因此得出

那就是

degx(Nf)=degx(v2(x)s(x)w2(x)){\deg }_{x}\left( {N}_{f}\right) = {\deg }_{x}\left( {{v}^{2}\left( x\right) - s\left( x\right) {w}^{2}\left( x\right) }\right)
=max{degx(v2),degx(s)+degx(w2)}= \max \left\{ {{\deg }_{x}\left( {v}^{2}\right) ,{\deg }_{x}\left( s\right) + {\deg }_{x}\left( {w}^{2}\right) }\right\}
=max{2degx(v),3+2degx(w)}= \max \left\{ {2 \cdot {\deg }_{x}\left( v\right) ,3 + 2 \cdot {\deg }_{x}\left( w\right) }\right\}
=deg(f)= \deg \left( f\right)

此外,在3.11中定义的度数具有我们期望度数应具有的基本性质:

命题3.14(多项式次数的性质)。对于 f,gK[E]f,g \in K\left\lbrack E\right\rbrack

deg(fg)=deg(f)+deg(g)\deg \left( {f \cdot g}\right) = \deg \left( f\right) + \deg \left( g\right)

证明。我们可以轻松计算:

degx(Nf)+degx(Ng){\deg }_{x}\left( {N}_{f}\right) + {\deg }_{x}\left( {N}_{g}\right)

谈及“有理函数在 Eu{E}^{u} 中的分子(或分母)的次数”是没有意义的,因为当表示改变时,它可能会改变:

x+1xy2=x2+xx2y2x\frac{x + 1}{{xy} - 2} = \frac{{x}^{2} + x}{{x}^{2}y - {2x}}

但根据命题3.14,我们得到对于 r=fg=hkK(E)r = \frac{f}{g} = \frac{h}{k} \in K\left( E\right) ,总是有 deg(f)deg(g)=deg(h)deg(k)\deg \left( f\right) - \deg \left( g\right) = \deg \left( h\right) - \deg \left( k\right) ,因为 fk=gh{fk} = {gh} 。因此,我们可以对有理函数在 O\mathcal{O} 处的值给出以下定义:

定义 3.15(在 O\mathcal{O} 处评估有理函数)。设 r=fgK(E)r = \frac{f}{g} \in K\left( E\right) 并区分以下情况:

deg(f)<deg(g):setr(O)=0\deg \left( f\right) < \deg \left( g\right) : \operatorname{set}r\left( \mathcal{O}\right) = 0

deg(f)>deg(g)\deg \left( f\right) > \deg \left( g\right) :如果 rrO\mathcal{O} 处不是有限的。

deg(f)=deg(g)\deg \left( f\right) = \deg \left( g\right)deg(f)\deg \left( f\right) 是偶数:将 ffgg 都写成规范形式,它们都有首项 axda{x}^{d}bxdb{x}^{d}(对于某些 a,bKa,b \in Kd=d = deg(f)2)\left. \frac{\deg \left( f\right) }{2}\right) 并设 r(O)=abr\left( \mathcal{O}\right) = \frac{a}{b} )。deg(f)=deg(g)\deg \left( f\right) = \deg \left( g\right)deg(f)\deg \left( f\right) 是奇数:将 ffgg 都写成规范形式,它们都有首项 ay xd{x}^{d} 和 by xd{x}^{d}(对于某些 a,bKa,b \in Kd=deg(f)32d = \frac{\deg \left( f\right) - 3}{2} )并再次设 r(O)=abr\left( \mathcal{O}\right) = \frac{a}{b}

注释 3.16。似乎很自然地定义有理函数 r=fgr = \frac{f}{g} 的次数为 deg(f)deg(g)\deg \left( f\right) - \deg \left( g\right) 。然后 O\mathcal{O} 处的值取决于这个次数的符号。但这与代数几何中通常的有理函数次数定义不同。所以我们根本不定义有理函数的次数。

示例 3.17。对于

r(x,y)=x3+2x+y+2x4yx+x2+5xy3r\left( {x,y}\right) = \frac{{x}^{3} + {2x} + y + 2{x}^{4}y}{x + {x}^{2} + {5x}{y}^{3}}

可以写成

r(x,y)=x3+2x+y+2x4yx+x2+5xy(x3+Ax+B)=(x3+2x)+y(1+2x4)(x+x2)+y(5x4+5Ax2+5Bx)r\left( {x,y}\right) = \frac{{x}^{3} + {2x} + y + 2{x}^{4}y}{x + {x}^{2} + {5xy}\left( {{x}^{3} + {Ax} + B}\right) } = \frac{\left( {{x}^{3} + {2x}}\right) + y\left( {1 + 2{x}^{4}}\right) }{\left( {x + {x}^{2}}\right) + y\left( {5{x}^{4} + {5A}{x}^{2} + {5Bx}}\right) }

这个代表具有分子次数 max{23,3+24}=11\max \{ 2 \cdot 3,3 + 2 \cdot 4\} = {11} 和分母次数 max{22,3+24}=11\max \{ 2 \cdot 2,3 + 2 \cdot 4\} = {11},它们都是奇数。所以 r(O)=25r\left( \mathcal{O}\right) = \frac{2}{5}

命题 3.18。对于 r,sK(E)r,s \in K\left( E\right) 使得 r(O)r\left( \mathcal{O}\right)s(O)s\left( \mathcal{O}\right) 是有限的,则有以下结论:

(rs)(O)=r(O)s(O)\left( {r \cdot s}\right) \left( \mathcal{O}\right) = r\left( \mathcal{O}\right) s\left( \mathcal{O}\right)

(r+s)(O)=r(O)+s(O)\left( {r + s}\right) \left( \mathcal{O}\right) = r\left( \mathcal{O}\right) + s\left( \mathcal{O}\right)

4 零点和极点

定义 4.1(零点和极点)。设 rK(E)r \in K\left( E\right) 。我们说 rrPEP \in E 处有一个零点如果 r(P)=0r\left( P\right) = 0 ,并且如果 r(P)r\left( P\right) 是无限的,则它在 PP 处有一个极点。

在以下内容中,我们将定义零点和极点的重数。这是由单变量函数分析中零点的重数所启发的:考虑椭圆曲线 E=E1,0E = {E}_{1,0},因此它由以下方程给出

Y2=X3+X{Y}^{2} = {X}^{3} + X

然后 P=(0,0)EP = \left( {0,0}\right) \in E。首先注意到,PP 是函数 xxyy 的零点。但是在这两个函数之间,存在关系 x=y2x3x = {y}^{2} - {x}^{3}。在分析意义上,当 x0x \rightarrow 0 时,项 x3{x}^{3} 可以被忽略,所以我们可能会说“函数 xxPP 处有一个零点,其重数是 yyP{P}^{\prime \prime } 处零点重数的两倍”。所以我们来形式化:


保持不变

" ff f&nz" :: \Leftrightarrow ff 是有限且非零的


定义 4.2(统一化子)。对于椭圆曲线 EE,设 PEP \in E 为一个点。uK(E)u \in K\left( E\right)u(P)=0u\left( P\right) = 0 被称为在 PP 处的统一化子,如果它具有以下性质:rK(E){0}:dZ,sK(E)\forall r \in K\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\} : \exists d \in \mathbb{Z},s \in \overline{K\left( E\right) }Pˉ\bar{P} 处有限,满足 s(P)0s\left( P\right) \neq 0 s.t.

r=udsr = {u}^{d} \cdot s

引理 4.3(一般情况下的统一化子)。设 EE 为一条椭圆曲线,PEP \in E 是有限且不是二阶的。那么对于 P=(a,b)P = \left( {a,b}\right),函数 u(x,y):=xau\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} x - a 是在 PP 处的统一化子。

证明。首先注意到 u(a,b)=0u\left( {a,b}\right) = 0 。现在让 rK(E){0}r \in K\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\} 是任意的。如果 rrPP 处既没有零点也没有极点,我们可以取 d=0d = 0s=rs = r ,并且看到 uu 是不重要的。所以首先让 r(P)=0r\left( P\right) = 0 。现在我们可以写出 r=fgr = \frac{f}{g} ,其中 f(P)=0f\left( P\right) = 0g(P)0g\left( P\right) \neq 0 。如果我们能像上面那样分解 f=udsf = {u}^{d}s ,那么我们可以计算

r=fg=udsg=udsg=uds~(x)r = \frac{f}{g} = \frac{{u}^{d}s}{g} = {u}^{d}\frac{s}{g} = {u}^{d}\widetilde{s}\left( x\right)

并且我们找到了所需的 s~:=sqK(E)\widetilde{s} \mathrel{\text{:=}} \frac{s}{q} \in K\left( E\right)

s0(x,y):=f(x,y){s}_{0}\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} f\left( {x,y}\right) 放入,并重复以下过程(从 i=0i = 0 开始),直到 si(P)=0{s}_{i}\left( P\right) = 0 :将 si(x,y)=vi(x)+ywi(x){s}_{i}\left( {x,y}\right) = {v}_{i}\left( x\right) + y{w}_{i}\left( x\right) 写成规范形式。区分 si(P)=0\overline{{s}_{i}}\left( P\right) = 0si(P)0\overline{{s}_{i}}\left( P\right) \neq 0 的情况:

情况 si(P)=0\overline{{s}_{i}}\left( P\right) = 0 :由于 y(P)=b0y\left( P\right) = b \neq 0 ,线性方程组

vi(a)+bwi(a)=0{v}_{i}\left( a\right) + b{w}_{i}\left( a\right) = 0
vi(a)bwi(a)=0{v}_{i}\left( a\right) - b{w}_{i}\left( a\right) = 0

的秩为2(小于特征值),因此产生 vi(a)=wi(a)=0{v}_{i}\left( a\right) = {w}_{i}\left( a\right) = 0 。现在我们可以写出

si(x,y)=vi(x)+ywi(x)=(xa)vi+1(x)+(xa)ywi+1(x)=(xa)si+1(x,y){s}_{i}\left( {x,y}\right) = {v}_{i}\left( x\right) + y{w}_{i}\left( x\right) = \left( {x - a}\right) {v}_{i + 1}\left( x\right) + \left( {x - a}\right) y{w}_{i + 1}\left( x\right) = \left( {x - a}\right) {s}_{i + 1}\left( {x,y}\right)

对于 si+1(x,y)=vi+1(x)+ywi+1(x){s}_{i + 1}\left( {x,y}\right) = {v}_{i + 1}\left( x\right) + y{w}_{i + 1}\left( x\right) 和可行的多项式 vi+1,wi+1{v}_{i + 1},{w}_{i + 1} \in K[E]K\left\lbrack E\right\rbrack

情况 si(P)0:\underline{\overline{{s}_{i}}\left( P\right) \neq 0 : }si{s}_{i} 乘以 1=sisi1 = \frac{\overline{{s}_{i}}}{\overline{{s}_{i}}} 得到

si(x,y)=Nsi(x)si(x,y){s}_{i}\left( {x,y}\right) = \frac{{N}_{{s}_{i}}\left( x\right) }{\overline{{s}_{i}}\left( {x,y}\right) }

现在 si(P)=0{s}_{i}\left( P\right) = 0si(P)0\overline{{s}_{i}}\left( P\right) \neq 0 意味着 Nsi(a)=0{N}_{{s}_{i}}\left( a\right) = 0 ,因此我们可以写出 Nsi(x)=(xa)n(x){N}_{{s}_{i}}\left( x\right) = \left( {x - a}\right) n\left( x\right) ,并且由于 si+1(x,y):=n(x)si(x,y){s}_{i + 1}\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{n\left( x\right) }{\overline{{s}_{i}}\left( {x,y}\right) } (在 PP 处是有限的),我们再次得到

si(x,y)=Nsi(x)si(x,y)=(xa)ni+1(x)si(x,y)=(xa)si+1(x,y){s}_{i}\left( {x,y}\right) = \frac{{N}_{{s}_{i}}\left( x\right) }{\overline{{s}_{i}}\left( {x,y}\right) } = \frac{\left( {x - a}\right) {n}_{i + 1}\left( x\right) }{\overline{{s}_{i}}\left( {x,y}\right) } = \left( {x - a}\right) {s}_{i + 1}\left( {x,y}\right)

如果这个过程终止,我们最终得到

f(x,y)=(xa)isi(x,y)f\left( {x,y}\right) = {\left( x - a\right) }^{i}{s}_{i}\left( {x,y}\right)

其中 s:=sis \mathrel{\text{:=}} {s}_{i} 是有限且非零的。有了 xa=u(x,y)x - a = u\left( {x,y}\right)d:=id \mathrel{\text{:=}} i ,这就是所需的分解:f=udsf = {u}^{d}s

由于 si{s}_{i} 是一个有理函数,而不是多项式,这个过程是否会终止尚不清楚。无论如何,为了证明它,我们计算:

Nf(x)=Nuisi(x){N}_{f}\left( x\right) = {N}_{{u}^{i}{s}_{i}}\left( x\right)
=((xa)ivi(x))2s(x)((xa)iwi(x))2= {\left( {\left( x - a\right) }^{i}{v}_{i}\left( x\right) \right) }^{2} - s\left( x\right) {\left( {\left( x - a\right) }^{i}{w}_{i}\left( x\right) \right) }^{2}
=(xa)2i(vi2(x)s(x)wi2(x))\begin{matrix} & = & {\left( x - a\right) }^{2i}\left( {{v}_{i}^{2}\left( x\right) - s\left( x\right) {w}_{i}^{2}\left( x\right) }\right) \end{matrix}
=(xa)2iNsi(x)= {\left( x - a\right) }^{2i}{N}_{{s}_{i}}\left( x\right)

因此我们得到 degx(Nf)=2i+degx(Nsi){\deg }_{x}\left( {N}_{f}\right) = {2i} + {\deg }_{x}\left( {N}_{{s}_{i}}\right) 并且由于 degx(Nsi)>0{\deg }_{x}\left( {N}_{{s}_{i}}\right) > 0 这意味着 degx(Nf)>2i{\deg }_{x}\left( {N}_{f}\right) > {2i} ,所以 2i{2i} 被一个有限数限制。

因此如果 rrPP 处有一个零点,我们就完成了。如果 rr 没有零点和极点,我们也完成了;在 rrP,1rP,\frac{1}{r} 处有一个极点且 uu 有一个零点的情况下,我们可以用带有负 dd 的相同 uu ,也完成了。

引理 4.4(二阶点处的统一化子)。设 EE 是一条椭圆曲线,且 P:=ΩiEP \mathrel{\text{:=}} {\Omega }_{i} \in E 的阶为二,那么 u(x,y):=yu\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} yΩi{\Omega }_{i} 处的统一化子。

证明。不失一般性,我们可以取 i=1i = 1 。然后注意到 u(P)=0u\left( P\right) = 0 ,设 rK(E){0}r \in K\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\} 是任意的,且 r(P)=0r\left( P\right) = 0 ,因此它具有形式 r=fgr = \frac{f}{g} ,其中 f(P)=0f\left( P\right) = 0 ,这意味着 v(ω1)=0v\left( {\omega }_{1}\right) = 0 ,其中 f(x,y)=v(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = v\left( x\right) + {yw}\left( x\right) 是规范形式。因此 vv 有一个线性因子:v(x)=(xω1)v1(x)v\left( x\right) = \left( {x - {\omega }_{1}}\right) {v}_{1}\left( x\right) 对于某个多项式 v1{v}_{1} 。由于 ss 的三个根是不同的,我们可以写出

f(x,y)=(xω1)v1(x)+yw(x)f\left( {x,y}\right) = \left( {x - {\omega }_{1}}\right) {v}_{1}\left( x\right) + {yw}\left( x\right)
=(xω1)(xω2)(xω3)v1(x)+yw1(x)(xω2)(xω3)= \frac{\left( {x - {\omega }_{1}}\right) \left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) {v}_{1}\left( x\right) + y{w}_{1}\left( x\right) }{\left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) }
=  y2v1(x)+yw1(x)(xω2)(xω3)= \;\frac{{y}^{2}{v}_{1}\left( x\right) + y{w}_{1}\left( x\right) }{\left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) }
=yyv1(x)+w1(x)(xω2)(xω3)= y \cdot \frac{y{v}_{1}\left( x\right) + {w}_{1}\left( x\right) }{\left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) }
=u(x,y)W(x,y)= u\left( {x,y}\right) \cdot W\left( {x,y}\right)

其中 w1(x):=w(x)(xω2)(xω3){w}_{1}\left( x\right) \mathrel{\text{:=}} w\left( x\right) \left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right)W(x,y):=yv1(x)+w1(x)(xω2)(xω3)W\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{y{v}_{1}\left( x\right) + {w}_{1}\left( x\right) }{\left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) } 。如果 W(P)0W\left( P\right) \neq 0 ,我们就完成了,否则我们可以重复这个过程,但只对 WW 进行有限次,因为 vv 只能包含有限多个因子。 \square

引理 4.5(在 O\mathcal{O} 处的统一化子)。设 EE 是一条椭圆曲线,那么函数 u(x,y):=xyu\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{x}{y}OE\mathcal{O} \in E 处的统一化子。

证明。由于 deg(y)=3>2=deg(x)\deg \left( y\right) = 3 > 2 = \deg \left( x\right) 由此得出 u(O)=0u\left( \mathcal{O}\right) = 0 。现在让 r=gK(E){0}r = \overline{g \in K}\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\} 是任意的,且 r(O)=0r\left( \mathcal{O}\right) = 0 或者 O\mathcal{O} 处无限,这意味着 d:=deg(g)deg(f)0d \mathrel{\text{:=}} \deg \left( g\right) - \deg \left( f\right) \neq 0 。我们想要取 s(x,y)=(yx)dr(x,y)s\left( {x,y}\right) = {\left( \frac{y}{x}\right) }^{d}r\left( {x,y}\right) ,现在需要在 O\mathcal{O} 处有限且非零,因为这样我们可以看到

r(x,y)=(xy)d((yx)dr(x,y))=ud(x,y)s(x,y)r\left( {x,y}\right) = {\left( \frac{x}{y}\right) }^{d}\left( {{\left( \frac{y}{x}\right) }^{d}r\left( {x,y}\right) }\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right)

但因为

\begin{array}{lll} & \deg \left( {{y}^{d}f\left( {x,y}\right) }\right) - \deg \left( {{x}^{d}g\left( {x,y}\right) }\right) & \\ \text{ Prop_ 3.14 } & \left( {\deg \left( {y}^{d}\right) + \deg \left( f\right) }\right) - \left( {\deg \left( {x}^{d}\right) + \deg \left( g\right) }\right) & \\ {}^{\text{Def }} = & {3.11} & {3d} + \deg \left( f\right) - {2d} - \deg \left( g\right) \\ = & d + \left( {\deg \left( f\right) - \deg \left( g\right) }\right) = 0 & \end{array}

这意味着 s(x,y)=ydf(x,y)xdg(x,y)s\left( {x,y}\right) = \frac{{y}^{d}f\left( {x,y}\right) }{{x}^{d}g\left( {x,y}\right) } 确实是有限且非零的。

定理 4.6(整除化定理)。椭圆曲线上的每一点都有一个整除化元素,且定义 4.2 中的数 d 不依赖于其选择。

证明。引理 4.3、4.4 和 4.5 一起得出每个点都存在整除化元素。所以只剩下要证明 dd 不依赖于其选择:设 uuu~\widetilde{u}PP 处的整除化元素,那么我们可以特别写出 u=u~aqu = {\widetilde{u}}^{a}qu~=ubp\widetilde{u} = {u}^{b}p 对于 a,bZa,b \in \mathbb{Z}q,pK(E)q,p \in K\left( E\right)PP 处都是有限且非零的。计算之后

u=u~aq=(ubp)aq=uab(paq)u = {\widetilde{u}}^{a}q = {\left( {u}^{b}p\right) }^{a}q = {u}^{ab}\left( {{p}^{a}q}\right)

我们假设 ab1{ab} \neq 1 ,除以 uu 并得到 1=uab1(paq)1 = {u}^{{ab} - 1}\left( {{p}^{a}q}\right) ,这在 PP 处求值后导致 1=01 = 0 ,所以 ab=1{ab} = 1a=b=±1a = b = \pm 1 。如果 a=b=1a = b = - 1 我们得到

u=u~1quu~=qu = {\widetilde{u}}^{-1}q \Leftrightarrow u\widetilde{u} = q

这在 PP 处求值后产生 0=u(P)u~(P)=q(P)00 = u\left( P\right) \widetilde{u}\left( P\right) = q\left( P\right) \neq 0 。所以成立 a=b=1a = b = 1 。现在让 rK(E){0}r \in K\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\} 是任意的,因为 uuu~\widetilde{u} 是整除化元素,存在 d,d~Zd,\widetilde{d} \in \mathbb{Z}s,tK(E)s,t \in K\left( E\right)PP 处有限且非零,且 r=udsr = {u}^{d}sr=u~d^tr = {\widetilde{u}}^{\widehat{d}}t

现在我们计算

uds=u~d~t=(up)d~t=ud~(pd~t){u}^{d}s = {\widetilde{u}}^{\widetilde{d}}t = {\left( up\right) }^{\widetilde{d}}t = {u}^{\widetilde{d}}\left( {{p}^{\widetilde{d}}t}\right)

这产生

udd~=pd~ts{u}^{d - \widetilde{d}} = \frac{{p}^{\widetilde{d}}t}{s}

在右侧仅有有理函数,它们在 PP 处是有限且非零的,但如果 dd~0d - \widetilde{d} \neq 0 左侧在 PP 处为零 d=d~d = \widetilde{d}

现在我们知道,一个点上的均匀化子总是产生相同的 dd ,我们可以给出以下定义:

定义 4.7(有理函数的阶)。对于一个椭圆曲线 EE ,设 PEP \in E 为一个点,uuPP 处的均匀化子。对于 rK(E){0}r \in K\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\} ,其中 r=udsr = {u}^{d} \cdot s ,我们称 ddrrPP 处的阶,并写作:

ordP(r)=:d{\operatorname{ord}}_{P}\left( r\right) = : d

零点的重数是该点的阶数,极点的重数

是阶数的相反数。machen!

注释 4.8。这个零点阶数的定义与单变量多项式零点阶数的已知定义一致,前提是该零点不对应于阶数为二的点:设 fK[X]f \in K\left\lbrack X\right\rbrack ,其中

f(x)=g(x)(xa)kf\left( x\right) = g\left( x\right) \cdot {\left( x - a\right) }^{k}

对于 gK[X]g \in K\left\lbrack X\right\rbrack ,其中 g(a)0,kN>0g\left( a\right) \neq 0,k \in {\mathbb{N}}_{ > 0}aKa \in K 。我们现在应该说是 ff 在 a 处有一个阶数为 kk 的零点。现在将 ff 视为一个多项式 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack ,并在 P=(a,s(a))P = \left( {a,s\left( a\right) }\right) 处选择一个均匀化子 uu(根据假设,这是 EE 上的一个点,不是二阶点且是 ff 的根),例如 u(x,y)=xau\left( {x,y}\right) = x - a ,并将 ff 写作:

f(x,y)=ud(x,y)s(x,y)=(xa)dg(x)f\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) \cdot s\left( {x,y}\right) = {\left( x - a\right) }^{d} \cdot g\left( x\right)

这意味着 k=d=ordP(f)k = d = {\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right)

然而,当 a=ωia = {\omega }_{i}(不妨设 i=1i = 1 )时,我们发现 P=(a,s(a))=(a,0)P = \left( {a,s\left( a\right) }\right) = \left( {a,0}\right)ff 的一个阶数为 2k{2k} 的零点,因为使用 PP 处的均匀化子 u(x,y)=yu\left( {x,y}\right) = y 和有理函数 s(x,y):=g(x)(xω2)k(xω3)ks\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{g\left( x\right) }{{\left( x - {\omega }_{2}\right) }^{k}{\left( x - {\omega }_{3}\right) }^{k}} ,我们写作:

f(x,y)=ud(x,y)s(x,y)f\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) \cdot s\left( {x,y}\right)
=ydg(x)(xω2)k(xω3)k= {y}^{d} \cdot \frac{g\left( x\right) }{{\left( x - {\omega }_{2}\right) }^{k}{\left( x - {\omega }_{3}\right) }^{k}}
=yd(xa)kg(x)(xω1)k(xω2)k(xω3)k= {y}^{d} \cdot \frac{{\left( x - a\right) }^{k}g\left( x\right) }{{\left( x - {\omega }_{1}\right) }^{k}{\left( x - {\omega }_{2}\right) }^{k}{\left( x - {\omega }_{3}\right) }^{k}}
=yd(xa)kg(x)y2k= {y}^{d} \cdot \frac{{\left( x - a\right) }^{k}g\left( x\right) }{{y}^{2k}}

因此 (xa)kg(x)=f(x,y)=yd(xa)kg(x)y2k{\left( x - a\right) }^{k} \cdot g\left( x\right) = f\left( {x,y}\right) = {y}^{d} \cdot \frac{{\left( x - a\right) }^{k}g\left( x\right) }{{y}^{2k}} 这意味着 d=2kd = {2k}

命题 4.9(有限非根处的阶)。设 rK(E)r \in K\left( E\right)PEP \in E 满足 r(P)0r\left( P\right) \neq 0rrPP 处有限,那么:

ordP(r)=0{\operatorname{ord}}_{P}\left( r\right) = 0

证明。在 PP 处取一个均匀化子,取 s(x,y)=r(x,y)s\left( {x,y}\right) = r\left( {x,y}\right)(在 PP 处有限且非零)并写为

r(x,y)=u0(x,y)r(x,y)=ud(x,y)s(x,y)r\left( {x,y}\right) = {u}^{0}\left( {x,y}\right) r\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right)

ordP(f)=d=0{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right) = d = 0

命题 4.10(非根处多项式的阶)。设 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrackPP \in E{O}E \smallsetminus \{ \mathcal{O}\} 满足 f(P)0f\left( P\right) \neq 0 那么:

ordP(f)=0{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right) = 0

证明。由于多项式没有有限根,这由命题 4.9 推出。

\square

命题 4.11(多项式在 O\mathcal{O} 处的阶)。对于 fK[E]{0}f \in K\left\lbrack E\right\rbrack \smallsetminus \{ 0\}

ordO(f)=deg(f){\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( f\right) = - \deg \left( f\right)

证明。根据引理 4.5,u(x,y)=xyu\left( {x,y}\right) = \frac{x}{y}O\mathcal{O} 处的均匀化子。取 k:=deg(f)k \mathrel{\text{:=}} \deg \left( f\right) 时的 s(x,y)=xkykf(x,y)s\left( {x,y}\right) = \frac{{x}^{k}}{{y}^{k}}f\left( {x,y}\right) 。因为 deg(xkf(x,y))= Prop. 3.14 2k+deg(f)=3k\deg \left( {{x}^{k} \cdot f\left( {x,y}\right) }\right) \overset{\text{ Prop. 3.14 }}{ = }{2k} + \deg \left( f\right) = {3k}deg(yk)=3k\deg \left( {y}^{k}\right) = {3k} 我们知道 ss 是有限且非零的,可以写为

f(x,y)=ud(x,y)s(x,y)=(xy)dxkykf(x,y)f\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right) = {\left( \frac{x}{y}\right) }^{d}\frac{{x}^{k}}{{y}^{k}}f\left( {x,y}\right)

这意味着 d=k=deg(f)d = - k = - \deg \left( f\right)

命题 4.12(有理函数阶数的性质)。对于 r1,r2K(E){r}_{1},{r}_{2} \in K\left( E\right)PEP \in E

ordP(r1r2)=ordP(r1)+ordP(r2){\operatorname{ord}}_{P}\left( {{r}_{1} \cdot {r}_{2}}\right) = {\operatorname{ord}}_{P}\left( {r}_{1}\right) + {\operatorname{ord}}_{P}\left( {r}_{2}\right)

证明。设 PEP \in E 并在 PP 处取一个均匀化子 uu 。我们现在得到 d,d1,d2Zd,{d}_{1},{d}_{2} \in \mathbb{Z} 和在 PP 处有限且非零的有理函数 s,s1,s2K(E)s,{s}_{1},{s}_{2} \in K\left( E\right) 满足 [latex5] s.t.

r1r2=uds{r}_{1} \cdot {r}_{2} = {u}^{d} \cdot s
r1=ud1s1{r}_{1} = {u}^{{d}_{1}} \cdot {s}_{1}
r2=ud2s2{r}_{2} = {u}^{{d}_{2}} \cdot {s}_{2}

并且可以计算

uds=r1r2=(ud1s1)(ud2s2)=ud1+d2s1s2{u}^{d} \cdot s = {r}_{1} \cdot {r}_{2} = \left( {{u}^{{d}_{1}} \cdot {s}_{1}}\right) \cdot \left( {{u}^{{d}_{2}} \cdot {s}_{2}}\right) = {u}^{{d}_{1} + {d}_{2}} \cdot {s}_{1} \cdot {s}_{2}

由于定理 4.6,因此得出

ordP(r1r2)=d=d1+d2=ordP(r1)+ordP(r2){\operatorname{ord}}_{P}\left( {{r}_{1} \cdot {r}_{2}}\right) = d = {d}_{1} + {d}_{2} = {\operatorname{ord}}_{P}\left( {r}_{1}\right) + {\operatorname{ord}}_{P}\left( {r}_{2}\right)

示例 4.13。设 P=(a,b)EP = \left( {a,b}\right) \in Eb0b \neq 0PP 有限且阶数不是 2。我们现在想要计算 r(x,y)=xar\left( {x,y}\right) = x - a 在所有 QEQ \in E 不为有限或零的点上的阶数(在所有其他点上 ordQ(r)=0{\operatorname{ord}}_{Q}\left( r\right) = 0 成立):

Q=PQ = PQ=P:=(a,b)PQ = {P}^{\prime } \mathrel{\text{:=}} \left( {a, - b}\right) \neq P:在 QQ 处取一个均匀化器 uu,因为 rr 本身是一个

均匀化器,因此得出 r=uds=r11r = {u}^{d} \cdot s = {r}^{1} \cdot 1ordQ(r)=d=1{\operatorname{ord}}_{Q}\left( r\right) = d = 1

Q=O\underline{Q = \mathcal{O}}:在 QQ 处取一个均匀化器 u(x,y)=xyu\left( {x,y}\right) = \frac{x}{y}s(x,y)=x3ax2y2s\left( {x,y}\right) = \frac{{x}^{3} - a{x}^{2}}{{y}^{2}}(注意 s(Q)=1s\left( Q\right) = 1

ud(x,y)s(x,y)=(xy)2s(x,y)=y2x2x3ax2y2=xa=r(x,y){u}^{d}\left( {x,y}\right) \cdot s\left( {x,y}\right) = {\left( \frac{x}{y}\right) }^{-2}s\left( {x,y}\right) = \frac{{y}^{2}}{{x}^{2}}\frac{{x}^{3} - a{x}^{2}}{{y}^{2}} = x - a = r\left( {x,y}\right)

以及 ordQ(r)=d=2{\operatorname{ord}}_{Q}\left( r\right) = d = - 2。总结起来,我们看出 rr 有两个简单零点和单个双重极点。

示例 4.14。现在考虑 r(x,y):=yr\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} y,因为 u(x,y)=yu\left( {x,y}\right) = y 是三个阶数为 2 的点上的均匀化器,所以我们有 ordΩi(r)=1{\operatorname{ord}}_{{\Omega }_{i}}\left( r\right) = 1。在所有其他有限点上 rr 的阶数为零。在 O\mathcal{O} 中,我们可以取 u(x,y)=xyu\left( {x,y}\right) = \frac{x}{y} 作为均匀化器,并且由于 s(x,y)=x3yy3s\left( {x,y}\right) = \frac{{x}^{3}y}{{y}^{3}}(在 O\mathcal{O} 处是有限的),因此得出:

ud(x,y)s(x,y)=(xy)3s(x,y)=y3x3x3yy3=y=r(x,y){u}^{d}\left( {x,y}\right) \cdot s\left( {x,y}\right) = {\left( \frac{x}{y}\right) }^{-3} \cdot s\left( {x,y}\right) = \frac{{y}^{3}}{{x}^{3}} \cdot \frac{{x}^{3}y}{{y}^{3}} = y = r\left( {x,y}\right)

以及 ordO(r)=d=3{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( r\right) = d = - 3。总结起来,我们看出 rr 有三个简单零点和单个三重极点。

示例 4.15。r(x,y)=xyr\left( {x,y}\right) = \frac{x}{y} 怎么样?因为 deg(x)=2<3=deg(y)\deg \left( x\right) = 2 < 3 = \deg \left( y\right),所以 r(O)=0r\left( \mathcal{O}\right) = 0 成立,为了得到阶数,我们在 O\mathcal{O} 处取 u(x,y)=xyu\left( {x,y}\right) = \frac{x}{y} 作为均匀化器,并计算 s(x,y)=1s\left( {x,y}\right) = 1 使得

ud(x,y)s(x,y)=(xy)11=r(x,y){u}^{d}\left( {x,y}\right) \cdot s\left( {x,y}\right) = {\left( \frac{x}{y}\right) }^{1} \cdot 1 = r\left( {x,y}\right)

并得到 ordO(r)=1{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( r\right) = 1。现在区分两种情况:

B0B \neq 0 :两个点 P±:=(0,±B){P}_{ \pm } \mathrel{\text{:=}} \left( {0, \pm \sqrt{B}}\right)rr 的零点。为了计算重数,我们在 P±,s(x,y):=1y{P}_{ \pm },s\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{1}{y} 处取 u(x,y)=xu\left( {x,y}\right) = x 作为均匀化器(对于 y=±By = \pm \sqrt{B} 是有限且非零的),并进行计算

xy=r(x,y)=ud(x,y)s(x,y)=xd1y\frac{x}{y} = r\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right) = {x}^{d}\frac{1}{y}

为了获得 ordP±(r)=d=1{\operatorname{ord}}_{{P}_{ \pm }}\left( r\right) = d = 1 。此外,rr 在所有二阶点 Ωi{\Omega }_{i} 上都不是有限的:我们在 Ωi,s(x,y):=x{\Omega }_{i},s\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} x 处取一个均匀化器 u(x,y)=yu\left( {x,y}\right) = y(由于 B0B \neq 0 ,在 Ωi{\Omega }_{i} 处是有限且非零的),命题 2.5 意味着 ωi0{\omega }_{i} \neq 0

并进行计算

xy=r(x,y)=ud(x,y)s(x,y)=ydx\frac{x}{y} = r\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right) = {y}^{d}x

以得到 ordΩi(r)=d=1{\operatorname{ord}}_{{\Omega }_{i}}\left( r\right) = d = - 1 。所以总结一下,我们得到三个一阶零点和三个一阶极点。

B=0:  B = 0 : \; 椭圆曲线 EA,0{E}_{A,0} 由以下方程给出

y2=x3+Ax=x(xA)(x+A){y}^{2} = {x}^{3} + {Ax} = x\left( {x - \sqrt{-A}}\right) \left( {x + \sqrt{-A}}\right)

因此我们得到 ω1=0,ω2=A{\omega }_{1} = 0,{\omega }_{2} = \sqrt{-A}ω3=A{\omega }_{3} = \sqrt{A} 作为三个二阶点。首先注意,Ω2{\Omega }_{2}Ω3{\Omega }_{3}rr 的极点,因为 ω20{\omega }_{2} \neq 0ω30{\omega }_{3} \neq 0 。为了获得阶数,我们取 u(x,y)=yu\left( {x,y}\right) = y 作为均匀化器,s(x,y)=xs\left( {x,y}\right) = x(是有限且非零的)并计算:

xy=r(x,y)=ud(x,y)s(x,y)=ydx\frac{x}{y} = r\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right) = {y}^{d}x

以获得 ordΩ2(r)=ordΩ3(r)=d=1{\operatorname{ord}}_{{\Omega }_{2}}\left( r\right) = {\operatorname{ord}}_{{\Omega }_{3}}\left( r\right) = d = - 1 。此外我们计算

r(x,y)=xy=xyy2=xyx(xA)(x+A)=y(xA)(x+A)r\left( {x,y}\right) = \frac{x}{y} = \frac{xy}{{y}^{2}} = \frac{xy}{x\left( {x - \sqrt{-A}}\right) \left( {x + \sqrt{-A}}\right) } = \frac{y}{\left( {x - \sqrt{-A}}\right) \left( {x + \sqrt{-A}}\right) }

因此得到,(0,0) 是 rr 的零点。为了获得 (0,0) 处的阶数,我们取均匀化器 u(x,y)=yu\left( {x,y}\right) = y 并计算

y(xA)(x+A)=r(x,y)=ud(x,y)s(x,y)=yd1(xA)(x+A)\frac{y}{\left( {x - \sqrt{-A}}\right) \left( {x + \sqrt{-A}}\right) } = r\left( {x,y}\right) = {u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right) = {y}^{d}\frac{1}{\left( {x - \sqrt{-A}}\right) \left( {x + \sqrt{-A}}\right) }

使用 s(x,y)=1(xA)(x+A)s\left( {x,y}\right) = \frac{1}{\left( {x - \sqrt{-A}}\right) \left( {x + \sqrt{-A}}\right) } 并得到 ord(0,0)(r)=d=1{\operatorname{ord}}_{\left( 0,0\right) }\left( r\right) = d = 1 。所以总结一下

我们得到两个简单零点和两个简单极点。

例子 4.13、4.14 和 4.15 表明所有点的阶数之和为零,这有点像初等的黎曼-罗赫定理。为了证明这一点,我们需要以下引理:

定理4.16(根的重数之和等于次数)。对于 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack

deg(f)=PEf(P)=0ordP(f)\deg \left( f\right) = \mathop{\sum }\limits_{\substack{{P \in E} \\ {f\left( P\right) = 0} }}{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right)

证明。定义 n:=deg(f)n \mathrel{\text{:=}} \deg \left( f\right) 。根据定理3.13,可得 n=degx(Nf)n = {\deg }_{x}\left( {N}_{f}\right)

我们可以写成

(ffˉ)(x)=Nf(x)=i=1n(xai)\left( {f\bar{f}}\right) \left( x\right) = {N}_{f}\left( x\right) = \mathop{\prod }\limits_{{i = 1}}^{n}\left( {x - {a}_{i}}\right)

其中 ai  s{a}_{i}\mathrm{\;s} 不一定互不相同。根据备注4.8,可以得出,根据 (ai,0)\left( {{a}_{i},0}\right) 是否是二阶的,因子 (xai)\left( {x - {a}_{i}}\right)EE 上有两个不同的根(即 (ai,±sA,B(ai))\left( {{a}_{i}, \pm \sqrt{{s}_{A,B}\left( {a}_{i}\right) }}\right) )或者一个重根。因此,计算重数,我们得到 ffˉf\bar{f}EE 上恰好有 2n{2n} 个根。由于 fffˉ\bar{f}E,fE,f 上具有相同数量的根,E,fE,f 恰好有 nn 个根(同样计算重数),这是上述方程右侧的同义词。

定理4.17(阶之和为零)。对于 rK(E)r \in K\left( E\right)

PEordP(r)=0\mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\operatorname{ord}}_{P}\left( r\right) = 0

证明。由于对于 r=hgK(E)r = \frac{h}{g} \in K\left( E\right) ,它满足

PEordP(r)=PEordP(h)PEordP(g)\mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\operatorname{ord}}_{P}\left( r\right) = \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\operatorname{ord}}_{P}\left( h\right) - \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\operatorname{ord}}_{P}\left( g\right)

对于任何 PEP \in E ,只需证明对于多项式 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack 的结果。可以计算

PE{O}ordP(f)= Prop. 4.10PEf(P)=0ordP(f)= Lemma 4.16deg(f)\mathop{\sum }\limits_{{P \in E\smallsetminus \{ \mathcal{O}\} }}{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right) \overset{\text{ Prop. }{4.10}}{ = }\mathop{\sum }\limits_{\substack{{P \in E} \\ {f\left( P\right) = 0} }}{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right) \overset{\text{ Lemma }{4.16}}{ = }\deg \left( f\right)

另一方面,根据命题4.11,ffO\mathcal{O} 处的阶是 deg(f)- \deg \left( f\right) ,这得出了结果。

定理4.18。设 ffEE 上的一个非常数多项式,那么 ff 必须在 EE 的有限点处至少有两个简单零点或一个重根。

证明。由于 ff 不是常数,它包含一个 xx 或一个 yy 。由于 deg(x)=2\deg \left( x\right) = 2deg(y)=3\deg \left( y\right) = 3 ,结果由定理4.16得出。

引理 4.19. 如果两个有理函数在 EE 的无限多个点(由于 EE 由命题 2.7 知为无限)上相等,那么它们是相等的。

证明. 设 f,gK(E)f,g \in K\left( E\right) 对于无限多个 PEP \in Ef(P)=g(P)f\left( P\right) = g\left( P\right),并定义 h:=fgh \mathrel{\text{:=}} f - g,因此它有无限多个零点。由于对于零 PEP \in EordP(h)>0{\operatorname{ord}}_{P}\left( h\right) > 0,这个和

PEf(P)=0ordP(f)\mathop{\sum }\limits_{\substack{{P \in E} \\ {f\left( P\right) = 0} }}{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right)

不是有限的。但是,如果 hh 不是零多项式,deg(h)\deg \left( h\right) 是有限的,这将与引理 4.16 矛盾。

引理 4.20. 没有有限极点的有理函数是多项式。

证明. 将没有极点的 rK(E)r \in K\left( E\right) 写成标准形式 r(x,y)=r\left( {x,y}\right) = a(x)+yb(x)a\left( x\right) + {yb}\left( x\right) ,其中 a,bK(x)a,b \in K\left( x\right)(见备注 3.9)。

rr 没有有限极点

  rˉ=ayb\Rightarrow \;\bar{r} = a - {yb} 没有有限极点

  r+rˉ=2a\Rightarrow \;r + \bar{r} = {2a} 没有有限极点

  yb=ra\Rightarrow \;{yb} = r - a 没有有限极点

  (yb)2=sb2\Rightarrow \;{\left( yb\right) }^{2} = s{b}^{2} 没有有限极点

如果 bb 有极点,b2{b}^{2} 有双重极点。但是 sb2s{b}^{2} 没有有限极点,因此 ss 有双重零点,这与椭圆曲线的定义 2.2 矛盾。

定义 4.21(有理映射)。一对有理函数 (u,v)K(EA,B)\left( {u,v}\right) \in K\left( {E}_{A,B}\right) 被称为有理映射,如果

v2=u3+Au+B{v}^{2} = {u}^{3} + {Au} + B

备注 4.22。由于有理映射 F=(u,v)F = \left( {u,v}\right)uuvv 之间的关系,对于每一个 PEP \in E 都成立:

u(P)is (not) finitev(P)is (not) finiteu\left( P\right) \text{is (not) finite} \Leftrightarrow v\left( P\right) \text{is (not) finite}

当我们约定 F(P)=OF\left( P\right) = \mathcal{O} 如果 uuvvPP 处不是有限的,我们可以看到 FF 通过 P(u(P),v(P))P \mapsto \left( {u\left( P\right) ,v\left( P\right) }\right) 定义了一个映射 EEE \rightarrow E

备注 4.23。给定一个域 KK,使用定义 2.2 中的方程形成椭圆曲线 EE

Y2=X3+AX+B{Y}^{2} = {X}^{3} + {AX} + B

并考虑 EE 上的有理函数域,即 K(E)K\left( E\right),并使用相同的方程来定义该域上的椭圆曲线,记为 E(K(E))E\left( {K\left( E\right) }\right)。由于 K(E)K\left( E\right) 可能不是代数闭域,E(K(E))E\left( {K\left( E\right) }\right) 的点可能有 K(E)K\left( E\right) 的代数闭包中的坐标。E(K(E))E\left( {K\left( E\right) }\right)K(E)K\left( E\right) -有理点(定义 2.8)正好是有理映射。我们将这条曲线的身份,称之为 OM{\mathcal{O}}_{M},视为具有常值 O\mathcal{O} 的映射。

5 除子和直线


几乎所有上一个讲座的结果仅适用于非零函数


为了存储有理函数的零点和极点(以及它们的度数),我们将使用形式和。为此,我们回顾自由阿贝尔群的定义:

定义 5.1(自由阿贝尔群)。设 SS 为一个集合。由 SS 生成的自由阿贝尔群 FS{\mathcal{F}}_{S} 是形式线性组合的集合

sSλ(s)s\mathop{\sum }\limits_{{s \in S}}\lambda \left( s\right) \cdot \langle s\rangle

其中 λ:SZ\lambda : S \rightarrow \mathbb{Z}λ(s)=0\lambda \left( s\right) = 0 对于几乎所有 sSs \in S(即除了有限多个 sSs \in S 之外的所有 sSs \in S)一起,以及两个此类形式线性组合的正式相加。

定义 5.2(除数)。对于椭圆曲线 EE,我们定义 EE 的除子群为

Div(E):=FE\operatorname{Div}\left( E\right) \mathrel{\text{:=}} {\mathcal{F}}_{E}

对于一个除子 Δ=PEλ(P)PDiv(E)\Delta = \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}\lambda \left( P\right) \cdot \langle P\rangle \in \operatorname{Div}\left( E\right),我们定义 Δ\Delta 的度为

deg(Δ):=PEλ(P)\deg \left( \Delta \right) \mathrel{\text{:=}} \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}\lambda \left( P\right)

以及 Δ\Delta 的范数为

Δ:=PE{O}λ(P)\left| \Delta \right| \mathrel{\text{:=}} \mathop{\sum }\limits_{{P \in E\smallsetminus \{ \mathcal{O}\} }}\left| {\lambda \left( P\right) }\right|

事实 5.3。范数为 1 的除子具有形式 ±P+nO\pm \langle P\rangle + n\langle \mathcal{O}\rangle 对于 nZn \in Z


不做


命题 5.4(除数度的性质)。对于 Δ1,Δ2Div(E){\Delta }_{1},{\Delta }_{2} \in \operatorname{Div}\left( E\right)

deg(Δ1+Δ2)=deg(Δ1)+deg(Δ2)\deg \left( {{\Delta }_{1} + {\Delta }_{2}}\right) = \deg \left( {\Delta }_{1}\right) + \deg \left( {\Delta }_{2}\right)

证明。注意对于 Δi=PEλi(P)P{\Delta }_{i} = \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\lambda }_{i}\left( P\right) \langle P\rangle 来说,和 Δ1+Δ2{\Delta }_{1} + {\Delta }_{2} 仍然是一个形式和,因此是一个除子,可以计算:

λ1+Δ2)  =  deg(PEλ1(P)P+PEλ2(P)P){\lambda }_{1} + {\Delta }_{2})\; = \;\deg \left( {\mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\lambda }_{1}\left( P\right) \langle P\rangle + \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\lambda }_{2}\left( P\right) \langle P\rangle }\right)
PE(λ1(P)+λ2(P))\mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}\left( {{\lambda }_{1}\left( P\right) + {\lambda }_{2}\left( P\right) }\right)
PEλ1(P)+PEλ2(P)\mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\lambda }_{1}\left( P\right) + \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\lambda }_{2}\left( P\right)

定义 5.5(相关除子)。对于一个有理函数 rK(E){0}r \in K\left( E\right) \smallsetminus \{ 0\},我们定义相关的除子为

div(r)=PEordP(r)P\operatorname{div}\left( r\right) = \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}{\operatorname{ord}}_{P}\left( r\right) \cdot \langle P\rangle

注解 5.6。根据引理 4.16,有理函数具有有限个零点和极点,因此相关除子是良定义的。

事实 5.7。常数非零函数的除子为 0。

有理函数的除数是记录有理函数的所有极点和零点信息的一种方式,即位置和重数。

事实 5.8。对于 fK[E]f \in K\left\lbrack E\right\rbrack 的情况]:

div(f)=DefPE{O}ordP(f)= Prop. 4.10PEf(P)=0ordP(f)= Lemma 4.16deg(f)\left| {\operatorname{div}\left( f\right) }\right| \overset{{De}{f}_{ - }}{ = }\mathop{\sum }\limits_{{P \in E\smallsetminus \{ \mathcal{O}\} }}{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right) \overset{\text{ Prop. }{4.10}}{ = }\mathop{\sum }\limits_{\substack{{P \in E} \\ {f\left( P\right) = 0} }}{\operatorname{ord}}_{P}\left( f\right) \overset{\text{ Lemma }{4.16}}{ = }\deg \left( f\right)

定义 5.9。令 rK(E)r \in K\left( E\right),那么首项系数由 weg lassen 定义。

lc(r):=[(xy)ordO(r)r](O)\operatorname{lc}\left( r\right) \mathrel{\text{:=}} \left\lbrack {{\left( \frac{x}{y}\right) }^{{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( r\right) } \cdot r}\right\rbrack \left( \mathcal{O}\right)

示例 5.10。令 r(x,y)=2x2+7x3yx+2r\left( {x,y}\right) = \frac{2{x}^{2} + {7x}}{{3yx} + 2}。在 O\mathcal{O} 处的均匀化子 xy\frac{x}{y}(引理 4.5)。

并且

(xy)1r(x,y)=2yx2+7yx3yx2+2x{\left( \frac{x}{y}\right) }^{-1}r\left( {x,y}\right) = \frac{{2y}{x}^{2} + {7yx}}{{3y}{x}^{2} + {2x}}

我们得到 degO(r)=1{\deg }_{\mathcal{O}}\left( r\right) = - 1。在 O\mathcal{O} 处求值产生 lc(r)=23\operatorname{lc}\left( r\right) = \frac{2}{3},这与我们对首项系数的直观理解完全一致。

命题 5.11。如果两个有理函数具有相同的除数,那么它们的商是常数。

证明。令 r1,r2K(E){r}_{1},{r}_{2} \in K\left( E\right)div(r1)=div(r2)\operatorname{div}\left( {r}_{1}\right) = \operatorname{div}\left( {r}_{2}\right),所以它们具有相同的根和相同的极点(具有相同的重数)。如果 div (r1)\left( {r}_{1}\right)(因此 div(r2)\operatorname{div}\left( {r}_{2}\right))没有有限极点,引理 4.20 推出 r1{r}_{1}r2{r}_{2} 是多项式,此外它们具有相同的次数(由引理 4.16)和相同的根,这意味着它们相等且商为 1,这是常数。现在假设 div(r1)\operatorname{div}\left( {r}_{1}\right) 有一个有限极点,比如说 PEP \in E 的阶数为 mm。在 PP 处取一个均匀化子 uu

并写出

r1r2=ums1ums2=s1s2\frac{{r}_{1}}{{r}_{2}} = \frac{{u}^{m}{s}_{1}}{{u}^{m}{s}_{2}} = \frac{{s}_{1}}{{s}_{2}}

对于 s1,s2K(X,Y){s}_{1},{s}_{2} \in K\left( {X,Y}\right)PP 处是有限且非零的。因此 s1s2\frac{{s}_{1}}{{s}_{2}}PP 处是有限且非零的,所以 r1r2\frac{{r}_{1}}{{r}_{2}} 也是。由于这对于每个有限极点 PP 都成立(再次由引理 4.20),r1r2\frac{{r}_{1}}{{r}_{2}} 是一个多项式,这只有在 r1{r}_{1}r2{r}_{2} 的倍数时才可能。

因此,我们可以检查两个有理函数是否相等,如果它们具有相同的分母,并且在 EE 上的任何点都相等,例如 O\mathcal{O}。如果两个函数在 O\mathcal{O} 处有极点,我们可以比较它们的最高次项系数:

引理 5.12。具有相同分母和最高次项系数的两个有理函数是相等的。

证明。设 r1,r2K(E){r}_{1},{r}_{2} \in K\left( E\right) 是两个具有相同分母和最高次项系数的有理函数。我们知道

由于命题 5.11,我们有 r1=cr2{r}_{1} = c \cdot {r}_{2},这意味着

= Prop. 3.18(c1)[(xy)dr2](O)\overset{\text{ Prop. }{3.18}}{ = }\left( {c - 1}\right) \left\lbrack {{\left( \frac{x}{y}\right) }^{d} \cdot {r}_{2}}\right\rbrack \left( \mathcal{O}\right)

这意味着 c=1c = 1 并且因此 r1=r2{r}_{1} = {r}_{2}

示例 5.13。1. 设 P=(a,b),P=(a,b)EP = \left( {a,b}\right) ,{P}^{\prime } = \left( {a, - b}\right) \in E ,其中 b0b \neq 0 并且 r(x,y)=r\left( {x,y}\right) = xax - a。根据示例 4.13,我们看到

div(r)=P+P2O\operatorname{div}\left( r\right) = \langle P\rangle + \left\langle {P}^{\prime }\right\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle
  1. Pi=(ωi,0)E{P}_{i} = \left( {{\omega }_{i},0}\right) \in Er(x,y)=yr\left( {x,y}\right) = y。根据示例 4.14,我们看到
div(r)=P1+P2+P33O\operatorname{div}\left( r\right) = \left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle + \left\langle {P}_{3}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle
  1. Q=(0,B),Q=(0,B)EA,BQ = \left( {0,\sqrt{B}}\right) ,{Q}^{\prime } = \left( {0, - \sqrt{B}}\right) \in {E}_{A,B}r=xyr = \frac{x}{y}。根据示例 4.15,我们看到对于 B0B \neq 0
div(r)=Q+QP1P2P3+O\operatorname{div}\left( r\right) = \langle Q\rangle + \left\langle {Q}^{\prime }\right\rangle - \left\langle {P}_{1}\right\rangle - \left\langle {P}_{2}\right\rangle - \left\langle {P}_{3}\right\rangle + \langle \mathcal{O}\rangle

定义 5.14(主分母)。ΔDiv(E)\Delta \in \operatorname{Div}\left( E\right) 被称为主分母,如果:

rK(E):Δ=div(r)\exists r \in K\left( E\right) : \Delta = \operatorname{div}\left( r\right)

此外,我们说 Δ1,Δ2Div(E){\Delta }_{1},{\Delta }_{2} \in \operatorname{Div}\left( E\right) 是线性等价的,或者属于同一分母类,如果 Δ1Δ2{\Delta }_{1} - {\Delta }_{2} 是主分母。那么我们写作 Δ1Δ2{\Delta }_{1} \sim {\Delta }_{2}

以下命题和推论表明 \sim 确实是一个等价关系,并且主分母的集合是 Div(E) 的一个子群:

事实 5.15。对于 r1,r2K(E){r}_{1},{r}_{2} \in K\left( E\right) 成立:

div(r1r2)=div(r1)+div(r2)\operatorname{div}\left( {{r}_{1} \cdot {r}_{2}}\right) = \operatorname{div}\left( {r}_{1}\right) + \operatorname{div}\left( {r}_{2}\right)

推论 5.16。对于 rK(E)r \in K\left( E\right)

  1. div(r)=div(r)\operatorname{div}\left( {-r}\right) = \operatorname{div}\left( r\right)

  2. div(r)=div(1r)- \operatorname{div}\left( r\right) = \operatorname{div}\left( \frac{1}{r}\right)

证明。

  1. div(r)=div((1)r)= Fact 5.15div(1)+div(r)= Fact 5.7div(r)\operatorname{div}\left( {-r}\right) = \operatorname{div}\left( {\left( {-1}\right) \cdot r}\right) \overset{\text{ Fact }}{ = }{5.15}\operatorname{div}\left( {-1}\right) + \operatorname{div}\left( r\right) \overset{\text{ Fact }}{ = }{5.7}\operatorname{div}\left( r\right)

  2. 0Fact 5.7div(1)=div(rr)=div(1rr)Fact 5.15div(1r)+div(r){0}^{\text{Fact }}{}^{5.7}\operatorname{div}\left( 1\right) = \operatorname{div}\left( \frac{r}{r}\right) = \operatorname{div}\left( {\frac{1}{r} \cdot r}\right) {}^{\text{Fact }}{}^{5.15}\operatorname{div}\left( \frac{1}{r}\right) + \operatorname{div}\left( r\right)

定义 5.17。我们定义以下两个 Div(E)\operatorname{Div}\left( E\right) 的子群:

Prin(E):={ΔDiv(E)Δ is principal }\operatorname{Prin}\left( E\right) \mathrel{\text{:=}} \{ \Delta \in \operatorname{Div}\left( E\right) \mid \Delta \text{ is principal }\}

以及

Div0(E):={ΔDiv(E)degΔ=0}{\operatorname{Div}}_{0}\left( E\right) \mathrel{\text{:=}} \{ \Delta \in \operatorname{Div}\left( E\right) \mid \deg \Delta = 0\}

以及所谓的 Picard 群 E\underline{E} 或除子类群 E\underline{E}

Pic(E):=Div(E)/Prin(E)\operatorname{Pic}\left( E\right) \mathrel{\text{:=}} \operatorname{Div}\left( E\right) /\operatorname{Prin}\left( E\right)

由于定理 4.17,我们知道 Prin(E)Div0(E)\operatorname{Prin}\left( E\right) \subseteq {\operatorname{Div}}_{0}\left( E\right) 并且能够定义 Picard 群的零次部分:

Pic0(E):=Div0(E)/Prin(E){\operatorname{Pic}}_{0}\left( E\right) \mathrel{\text{:=}} {\operatorname{Div}}_{0}\left( E\right) /\operatorname{Prin}\left( E\right)

本章的目标将证明 Pic0(E){\operatorname{Pic}}_{0}\left( E\right)EE 本身是一一对应的。

定义 5.18(直线)。在 E\underline{E} 上的直线是形如的多项式

l(x,y)=αx+βy+γl\left( {x,y}\right) = {\alpha x} + {\beta y} + \gamma

其中 α,β,γK\alpha ,\beta ,\gamma \in Kα0\alpha \neq 0 或者 β0\beta \neq 0。如果 PEP \in Ell 的零点,我们说 ll 经过 P\underline{P} 并且 P\underline{P}ll 上。

命题 5.19。对于 P1,P2E{P}_{1},{P}_{2} \in E 有限且 P1P2{P}_{1} \neq {P}_{2},存在一条经过 P1{P}_{1}P2{P}_{2} 的直线。

证明。通过 Pi=(ai,bi){P}_{i} = \left( {{a}_{i},{b}_{i}}\right) 我们发现

l(x,y)={b2b1a2a1(xa1)(yb1) if a1a2xa1 else l\left( {x,y}\right) = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{{b}_{2} - {b}_{1}}{{a}_{2} - {a}_{1}}\left( {x - {a}_{1}}\right) - \left( {y - {b}_{1}}\right) & \text{ if }{a}_{1} \neq {a}_{2} \\ x - {a}_{1} & \text{ else } \end{array}\right.

定义了以 P1{P}_{1}P2{P}_{2} 为根的直线。

通过任意点绘制的以下特殊直线将非常有用:

命题 5.20。对于 P=(a,b)EP = \left( {a,b}\right) \in E 有限且不是二次的直线,

l(x,y)=m(xa)(yb)l\left( {x,y}\right) = m\left( {x - a}\right) - \left( {y - b}\right)

m=3a2+A2bm = \frac{3{a}^{2} + A}{2b} 为系数的直线在 PP 处有一个二重零点,并且还有另一个有限零点。换句话说:

QE:div(l)=2P+Q3O\exists Q \in E : \operatorname{div}\left( l\right) = 2\langle P\rangle + \langle Q\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

证明。我们明显看到,l(P)=0l\left( P\right) = 0,我们现在要证明的是,在 PP 处的阶是 2:设 u(x,y)=xau\left( {x,y}\right) = x - aPP 处的统一化元素,并写为:

l(x,y)=(xa)2s(x,y)l\left( {x,y}\right) = {\left( x - a\right) }^{2}s\left( {x,y}\right)

并且 s(x,y)=l(x,y)(xa)2s\left( {x,y}\right) = \frac{l\left( {x,y}\right) }{{\left( x - a\right) }^{2}}PP 处必须是有限且非零的。设 g(x,y):=ybxag\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} \frac{y - b}{x - a}。通过多项式除法和 b2=a3+Aa+B{b}^{2} = {a}^{3} + {Aa} + B 的事实得到:

g(x,y)=ybxa=y2b2(xa)(y+b)g\left( {x,y}\right) = \frac{y - b}{x - a} = \frac{{y}^{2} - {b}^{2}}{\left( {x - a}\right) \left( {y + b}\right) }
=x3+Ax+Bb2(xa)(y+b)= \frac{{x}^{3} + {Ax} + B - {b}^{2}}{\left( {x - a}\right) \left( {y + b}\right) }
=x2+ax+A+a2y+b= \frac{{x}^{2} + {ax} + A + {a}^{2}}{y + b}
g(a,b)=3a2+A2b=mg\left( {a,b}\right) = \frac{3{a}^{2} + A}{2b} = m

现在我们使用 2mb=3a2+A{2mb} = 3{a}^{2} + A 进行计算:

s(x,y)=m(xa)(yb)(xa)2s\left( {x,y}\right) = \frac{m\left( {x - a}\right) - \left( {y - b}\right) }{{\left( x - a\right) }^{2}}
=mxag(x,y)xa= \frac{m}{x - a} - \frac{g\left( {x,y}\right) }{x - a}
=mxax2+ax+A+a2xay+b= \frac{m}{x - a} - \frac{\frac{{x}^{2} + {ax} + A + {a}^{2}}{x - a}}{y + b}
=my+bxay+bx+2a+A+3a2xay+b= \frac{m\frac{y + b}{x - a}}{y + b} - \frac{x + {2a} + \frac{A + 3{a}^{2}}{x - a}}{y + b}
=my+bxax2a2mbxay+b= \frac{m\frac{y + b}{x - a} - x - {2a} - \frac{2mb}{x - a}}{y + b}
=mybxax2ay+b= \frac{m\frac{y - b}{x - a} - x - {2a}}{y + b}
=mg(x,y)x2ay+b= \frac{m \cdot g\left( {x,y}\right) - x - {2a}}{y + b}

这在 PP 处求值得到:s(a,b)=m23a2bs\left( {a,b}\right) = \frac{{m}^{2} - {3a}}{2b},这在 PP 处是有限且非零的。

\square

引理 5.21(直线的除数)。设 ll 是一条直线:

div(l){2,3}\left| {\operatorname{div}\left( l\right) }\right| \in \{ 2,3\}

证明。 l(x,y)=αx+βy+γl\left( {x,y}\right) = {\alpha x} + {\beta y} + \gamma 是二次(如果 β=0\beta = 0)或三次(如果 β0\beta \neq 0)多项式。因此根据引理 4.16,ll 的零点的重数之和是 2 或 3,根据事实 5.8,这是 div(l)\left| {\operatorname{div}\left( l\right) }\right|

命题5.22。设 ll 为一条直线,P1,P2,P3E{P}_{1},{P}_{2},{P}_{3} \in Ell 上的两两不同的点,则以下之一成立:

  1. div(l)=P1+P2+P33O\operatorname{div}\left( l\right) = \left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle + \left\langle {P}_{3}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

  2. div(l)=2P1+P23O\operatorname{div}\left( l\right) = 2\left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

  3. div(l)=3P13O\operatorname{div}\left( l\right) = 3\left\langle {P}_{1}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

  4. div(l)=P1+P22O\operatorname{div}\left( l\right) = \left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle

  5. div(l)=2P12O\operatorname{div}\left( l\right) = 2\left\langle {P}_{1}\right\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle

反之,每个这样的除数都有一条直线。

证明。首先我们证明所有可能的除数都由1-5给出。因为 ll 是一个多项式,它在 O\mathcal{O} 处有一个极点,且 O\mathcal{O} 是唯一的极点。由命题4.11 ordO(l)=deg(l){2,3}{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( l\right) = - \deg \left( l\right) \in \{ - 2, - 3\} 。通过定理4.17和组合论证,我们得到对于

情况 ordO(l)=3{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( l\right) = - 3 :只能有

  • 三个单根 (1. div(l)=P1+P2+P33O)\left( {1\text{. div}\left( l\right) = \left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle + \left\langle {P}_{3}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle }\right)

  • 一个单根和一个双根(2. div(l)=2P1+P23O\operatorname{div}\left( l\right) = 2\left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

  • 一个三重根(3. div(l)=3P13O\operatorname{div}\left( l\right) = 3\left\langle {P}_{1}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

情况 ordO(l)=2{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( l\right) = - 2 :只能有

  • 两个单根 (4. div(l)=P1+P22O)\left( {4\text{. div}\left( l\right) = \left\langle {P}_{1}\right\rangle + \left\langle {P}_{2}\right\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle }\right)

  • 一个双根(5. div(l)=2P12O\operatorname{div}\left( l\right) = 2\left\langle {P}_{1}\right\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle

现在我们证明所有这些除数都是可能的。

情况 ordO(l)=3{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( l\right) = - 3 :

三个单根 对于 l(x,y)=yl\left( {x,y}\right) = y 我们得到:

div(l)=Ω1+Ω2+Ω33O\operatorname{div}\left( l\right) = \left\langle {\Omega }_{1}\right\rangle + \left\langle {\Omega }_{2}\right\rangle + \left\langle {\Omega }_{3}\right\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle

一个单根和一个双根 Prop. 5.20

一个三重根 我们知道 P=(0,B)EP = \left( {0,\sqrt{B}}\right) \in El(x,y)=l\left( {x,y}\right) = 上的一个点

Axy+B{Ax} - y + \sqrt{B} 。如果 B0B \neq 0(这意味着 PP 不是二重的)我们

可以取均匀化子 u(x,y)=xu\left( {x,y}\right) = x 并计算 TODO

情况 ordO(l)=2:LetP=(a,b)E{\operatorname{ord}}_{\mathcal{O}}\left( l\right) = - 2 : \operatorname{Let}P = \left( {a,b}\right) \in E 是有限的且 l(x,y):=xal\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} x - a

PP 不是二重的 例 4.13 说明 PP 和 (a, - b) 是 LL 的两个单根

PP 是二重的 无损失一般性 P=Ω1P = {\Omega }_{1} 。在 PP 处取均匀化子 u(x,y)=yu\left( {x,y}\right) = y 。然后我们得到 d=2d = 2s(x,y)=1(xω2)(xω3)s\left( {x,y}\right) = \frac{1}{\left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) }(在 PP 处是有限且非零的):

ud(x,y)s(x,y)=y2(xω2)(xω3)=xω1=r(x,y){u}^{d}\left( {x,y}\right) s\left( {x,y}\right) = \frac{{y}^{2}}{\left( {x - {\omega }_{2}}\right) \left( {x - {\omega }_{3}}\right) } = x - {\omega }_{1} = r\left( {x,y}\right)

这说明 llPP 处有一个双零点。

记号 5.23。无论何时我们在除子中写一个 ? 作为系数,意味着该除子出现的陈述应该用“存在一个整的 ?”来量化。换句话说:我们不对系数的特殊值感兴趣。

定理 5.24(线性约化)。设 ΔDiv(E)\Delta \in \operatorname{Div}\left( E\right) 。那么存在 Δ~\widetilde{\Delta } \in Div(E) 使得:

-Δ~Δ\text{-}\widetilde{\Delta } \sim \Delta
-deg(Δ~)=deg(Δ)\text{-}\deg \left( \widetilde{\Delta }\right) = \deg \left( \Delta \right)
-Δ~1\text{-}\left| \widetilde{\Delta }\right| \leq 1

证明。想法是,给定任意的除数 Δ\Delta ,我们可以添加或减去命题 5.22 中列出的直线的相关除数,以获得除数 Δ1{\Delta }_{1} 。这个操作不会改变线性等价类,因为

[Δ1=Δ±div(l)][Δ1Δ=div(l) or ΔΔ1=div(l)][ΔΔ1]\left\lbrack {{\Delta }_{1} = \Delta \pm \operatorname{div}\left( l\right) }\right\rbrack \Leftrightarrow \left\lbrack {{\Delta }_{1} - \Delta = \operatorname{div}\left( l\right) \text{ or }\Delta - {\Delta }_{1} = \operatorname{div}\left( l\right) }\right\rbrack \Leftrightarrow \left\lbrack {\Delta \sim {\Delta }_{1}}\right\rbrack

并得到 Δ\Delta 的度数,因为

deg(Δ1)= Prop. 5.4deg(Δ)+deg(l)= Thm. 4.17deg(Δ)\deg \left( {\Delta }_{1}\right) \overset{\text{ Prop. }{5.4}}{ = }\deg \left( \Delta \right) + \deg \left( l\right) \overset{\text{ Thm. }{4.17}}{ = }\deg \left( \Delta \right)

我们尝试以规范减小的的方式进行。

所以写出 Δ=PEλ(P)P\Delta = \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}\lambda \left( P\right) \langle P\rangle 。我们首先想要将 Δ\Delta 减少到相同度数的线性等价除数 Δ{\Delta }^{\prime } ,其规范等于或小于可以写成如下形式的除数:

Δ=n1Pn2Q+?O(1){\Delta }^{\prime } = {n}_{1}\langle P\rangle - {n}_{2}\langle Q\rangle + ?\langle \mathcal{O}\rangle \tag{1}

其中 n1,n2N>0{n}_{1},{n}_{2} \in {\mathbb{N}}_{ > 0}

假设 Δ\Delta 不是这种形式。如果 Δ\Delta 只包含一个有限点,比如说 P\langle P\rangle ,并且这个点 P=(ω,0)P = \left( {\omega ,0}\right) 的阶数为二,我们可以减去或加上(取决于 P\langle P\rangleΔ)\Delta ) 中的符号)除数 l(x,y):=xωl\left( {x,y}\right) \mathrel{\text{:=}} x - \omega ,即 l=2P2O\langle l\rangle = 2\langle P\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle ,这样就完成了。如果 PP 的阶数不是二,我们可以通过 PP 减去或加上命题 5.20 中的除数 ll ,得到一个规范减小的除数,其形式为方程 1 或者包含至少两个具有相同符号的不同点。

现在假设我们可以取有限的 QQRR ,使得 QRQ \neq R 使得 Q\langle Q\rangleR\langle R\rangle 以相同符号的非零系数出现。设 ll 是通过 QQRR 的直线(命题 5.19)。这条直线有两个或三个不同的根。

如果 λ(Q),λ(R)<0:  \lambda \left( Q\right) ,\lambda \left( R\right) < 0 : \;Δ1:=Δ+div(l){\Delta }_{1} \mathrel{\text{:=}} \Delta + \operatorname{div}\left( l\right)

如果 λ(Q),λ(R)>0:  \lambda \left( Q\right) ,\lambda \left( R\right) > 0 : \;Δ1:=Δdiv(l){\Delta }_{1} \mathrel{\text{:=}} \Delta - \operatorname{div}\left( l\right)

对于 Δ1=PEμ(P)P{\Delta }_{1} = \mathop{\sum }\limits_{{P \in E}}\mu \left( P\right) \langle P\rangle 我们得到 μ(Q)=λ(Q)1\left| {\mu \left( Q\right) }\right| = \left| {\lambda \left( Q\right) }\right| - 1μ(R)=λ(R)1\left| {\mu \left( R\right) }\right| = \left| {\lambda \left( R\right) }\right| - 1,即 Q\langle Q\rangleR\langle R\rangle 系数的范数各自减少一个。

ll 有三个不同根的情况下,我们改变了另一个 S\langle S\rangleSES \in E 中有限点的系数 1。因此,总结起来,两个系数减少一个,最大的系数增加一个,这意味着 Δ1<Δ\left| {\Delta }_{1}\right| < \left| \Delta \right|

我们可以重复这个过程有限次,直到我们得到除数 Δ{\Delta }^{\prime },它与 Δ\Delta 线性等价且具有相同的次数,形式为:

Δ=n1Pn2Q+?O{\Delta }^{\prime } = {n}_{1}\langle P\rangle - {n}_{2}\langle Q\rangle + ?\langle \mathcal{O}\rangle

其中 n1,n2N>0{n}_{1},{n}_{2} \in {\mathbb{N}}_{ > 0}

假设 n1>1{n}_{1} > 1

PP 不是二次的。设 ll 是从 5.20div(l)=2P+S3O{5.20} \Rightarrow \operatorname{div}\left( l\right) = 2\langle P\rangle + \langle S\rangle - 3\langle \mathcal{O}\rangle 的直线。

P=(ω,0)P = \left( {\omega ,0}\right) 是二次的 l(x,y)=xωl=2P2Ol\left( {x,y}\right) = x - \omega \Rightarrow \langle l\rangle = 2\langle P\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle

减法减少了 n1{n}_{1}Δ\left| {\Delta }^{\prime }\right|,并使我们回到了具有降低范数的起始形式。相同的算法适用于 n2{n}_{2},最终我们得到一个形式为除数的形式。

PQ+?O\langle P\rangle - \langle Q\rangle + ?\langle \mathcal{O}\rangle

其中 P=(a,b)P = \left( {a,b}\right)。直线 l(x,y)=xal\left( {x,y}\right) = x - a 有除数 div(l)=P+R2O\operatorname{div}\left( l\right) = \langle P\rangle + \langle R\rangle - 2\langle \mathcal{O}\ranglediv(l)=2P2O\operatorname{div}\left( l\right) = 2\langle P\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle,减法使我们回到了之前的情况。

推论 5.25。对于每个 ΔDiv0(E)\Delta \in {\operatorname{Div}}_{0}\left( E\right) 都存在唯一的 PEP \in E 使得:

ΔPO\Delta \sim \langle P\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle

证明。定理 5.24 告诉我们 Δ\Delta 等价于范数为 1 的除数,即除数 Δ1=±P+?O{\Delta }_{1} = \pm \langle P\rangle + ?\langle \mathcal{O}\rangle。我们可以假设 P\langle P\rangle 的符号为正,因为否则对于 P=(a,b)P = \left( {a,b}\right),我们为 div(l)\operatorname{div}\left( l\right) 添加 l(x,y)=xal\left( {x,y}\right) = x - a,由于命题 5.22,这是。

div(l)={P+Q if P not of order tw 2P2O if P of order two \operatorname{div}\left( l\right) = \begin{cases} \langle P\rangle + \langle Q\rangle & \text{ if }P\text{ not of order tw } \\ 2\langle P\rangle - 2\langle \mathcal{O}\rangle & \text{ if }P\text{ of order two } \end{cases}

为了获得 Δ1Q+?O{\Delta }_{1} \sim \langle Q\rangle + ?\langle \mathcal{O}\rangle 并且在重命名后:P+?OΔ1\langle P\rangle + ?\langle \mathcal{O}\rangle \sim {\Delta }_{1} 。但是给定 ΔDiv0(E)\Delta \in {\operatorname{Div}}_{0}\left( E\right)0=degΔ=degΔ10 = \deg \Delta = \deg {\Delta }_{1} ,因此我们得出结论,O\langle \mathcal{O}\rangle 的系数是 -1 即 ΔΔ1=PO\Delta \sim {\Delta }_{1} = \langle P\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle

所以剩下要证明 PP 是唯一的。假设

POΔQO\langle P\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle \sim \Delta \sim \langle Q\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle

那么 QΔ+OP\langle Q\rangle \sim \Delta + \langle \mathcal{O}\rangle \sim \langle P\rangle ,这意味着 QP\langle Q\rangle - \langle P\rangle 是主理想,即存在一个有理函数 rK(E)r \in K\left( E\right) 使得 div(r)=PQ\operatorname{div}\left( r\right) = \langle P\rangle - \langle Q\rangle 。类似于上面的情况,只要 PQP \neq Q ,我们就添加和减去行,直到我们得到一个有理函数 rr ,其 div(r)=SO\operatorname{div}\left( r\right) = \langle S\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle 。这表明 rr 没有有限极点,并且由于引理 4.20 而是一个多项式。但它只有一个单零点,这由于引理 4.18 是不可能的。所以我们得出结论 P=QP = Q

定义一个映射 σˉ:Div0(E)E\bar{\sigma } : {\operatorname{Div}}_{0}\left( E\right) \rightarrow E 通过 σˉ(Δ)=P\bar{\sigma }\left( \Delta \right) = P ,其中 PP 是唯一具有 ΔPO\Delta \sim \langle P\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle 的点。由于 div(r)0\operatorname{div}\left( r\right) \sim 0 ,因此 σˉ(r)=O\bar{\sigma }\left( {\langle r\rangle }\right) = \mathcal{O} ,并且我们看到 σˉ\bar{\sigma } 引导出一个映射 σ:Pic0(E)E\sigma : {\operatorname{Pic}}_{0}\left( E\right) \rightarrow E

推论 5.26。 σ\sigma 是一个双射。

证明。

满射。设 PEP \in E ,那么 σ(PO)=P\sigma \left( {\langle P\rangle -\langle \mathcal{O}\rangle }\right) = P

单射。设 P,QE,ΔPic0(E)P,Q \in E,\Delta \in {\operatorname{Pic}}_{0}\left( E\right) 使得 σ(Δ)=P\sigma \left( \Delta \right) = P 并且 σ(Δ)=Q\sigma \left( \Delta \right) = Q 。由于推论 5.25 我们知道 !SE\exists !S \in E 使得 ΔSO\Delta \sim \langle S\rangle - \langle \mathcal{O}\rangle ,这进而意味着

P=S=Q.P = S = Q.

参考文献

[CRD] Leonard S. Charlap, David P. Robbins, CRD Expository Report 31 "An Elementary Introduction to Elliptic Curves", December 1988

[WER] Anette Werner, "Elliptische Kurven in der Kryptographie", Springer Verlag 2002, ISBN 3-540-42518-7