TÍTULO DE LA TESIS DOCTORAL Ideales Tóricos Intersección Completa y Algoritmos que provienen de Estructuras Geométricas y Combinatorias AUTOR/A IGNACIO GARCIA MARCO DIRECTOR/A MARIA ISABEL BERMEJO DIAZ CODIRECTOR/A DEPARTAMENTO O INSTITUTO UNIVERSITARIO FECHA DE LECTURA 09/07/13 Curso 2012/13 CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS/28 I.S.B.N.: 978-84-15910-98-5 IGNACIO GARCÍA MARCO Ideales tóricos intersección completa y algoritmos que provienen de estructuras geométricas y combinatorias Directora ISABEL BERMEJO DÍAZ SOPORTES AUDIOVISUALES E INFORMÁTICOS Serie Tesis Doctorales ciencias 28 (Ignacio García Marco).indd 1 24/02/2014 12:24:56 Agradecimientos Durantelarealizacióndeestatesishetenidolasuertedeconvivirconmuchaspersonasque se han preocupado por mi, que han aportado para que esto saliera adelante y que me han ayudadodeunau otraforma, atodos¡MUCHASGRACIAS!. En primer lugar, tengo que agradecerle a mi directora, Leli, su tiempo, su paciencia y susganas. Muchasgraciasporenseñarmecómohayque"darsedetortas"conunproblema paraobteneralgúnresultado,pornodesesperaralverlopocoqueluzconuestrosresultados al contarlos y por la posibilidad de dar clases con ella, fue muy divertido y enriquecedor. Sobre todo, le tengo que agradecer que en todo momento ha buscado lo mejor para mi formación y siempre se ha mostrado ilusionada con esta tesis, incluso cuando yo no lo estabatanto. A Enrique Reyes por los buenos ratos que pasamos en Brasil y en La Laguna jugando con "palitos y bolitas", porque siempre contesta mis dudas con presteza y por enseñarme quenohacefaltaestarenlafacultad parapensarenmatemáticasyqueenunaservilletade papelsepuedeenunciarun teoremadeestructura. A JuanJoséSalazar porsuamabilidady colaboración,porquefuemifácil trabajarcon él yaprender deél. APhilippeGimenez,porhaberseguidoconinteréselprogresodeestatesis,porlascon- versacionesmatemáticasylaamabilidadconlaquesiemprehaarregladotodalaburocracia relativaal proyecto. ARafaelVillarreal,porqueeltemadeestatesiseselqueesgraciasasuoportunavisita aLaLagunaydesusconversacionesmatemáticascon Leli. A Aron Simis,porescucharmey aportarvaliosasideas aestatesis. A Abhyankar,porenseñarmelo quees tenerverdaderapasiónporlas matemáticas. A toda esa gente que he conocido en los congresos y que me ha hecho sentirmeacom- pañadoenestaaventura. AAnaRomero,DumitruStamate,GemmaColomé,LukeOeding, MichelMarco,GuadalupeMárquez, JorgeOrtigas,MontseManubensy,sobretodo,aEdu y Óscar, porque cada vez que me inscribía a un congreso y veía alguno de estos nombres entrelosparticipantessabíaqueiban aserunosdías geniales. 5 A losprofes dematemáticasquehetenidoy mehanmetidoel gusanilloen el cuerpo. A los miembros del Departamento de Matemática Fundamental, que me han ayudado siemprequehanpodido. Aesosamigosquecadavezquevenunacuriosidadmatemáticaounnuevoproblemade lógicacorren acontármelo,gracias a ellosno semeolvidaloquemegustanlas matemáti- cas. A todos esos amigos a los que no les interesan los ideales tóricos pero que me han acompañado durante toda la tesis y que siempre han "remado en mi dirección", animán- dome y estando cerca en los desánimos y disfrutando en los buenos momentos. Gracias a ustedes cuando recuerdo la tesis no solo pienso en la facultad, sino que también me acuerdo de muchos de los momentos más divertidos de mi vida: viajes, dardos, cafés, cervezas, chuletadas/asaderos, romerías, playas, caminatas, guateques, carreras, fiestas y muchasotrascosasmás. En estegrupoincluyoalagentedelparquerojo(David,Roberto, Victor el chico y el grande), los amigos de clase (Aimán, Cris, David, Elena, Fran, Leti, María,Sergio),losdelaula(Abilio,Alan,Alex,Bonsi,Bruno,Gustavo,los2Manu,Rafa), los matemáticos (Alfredo, Cris, Carol, Froi, Irene, Mapi), los de la resi (Chema, Gilberto, Humberto,JaviGómez, Ricar, Rober), losdelpiso(Charly, Josa,Julio,Pato, Pamplo,Rei- mon),loscompañerosdedespacho(AnayJosé),losamigosdeLaLaguna(Andrea,Berta, Irantzu, Pablo y Toni), los compis de beca (Ana, Dani y María), la familia del Famegonza y,deunaformaespecial Anna, Bego,Cúper, Jessi,Jonay,Juanan y,porsupuesto,Sandra. AEva,laprincipalsufridoradeldíaadíadeestatesis. Eslaprimeraconlaquecelebro cada demostración y la que mejor sabe la mala leche que se me pone cuando hay un con- traejemplo a lo que creía cierto. Ella siempre está cuando hace falta, basta con tocar en su despachoy preguntar: "¿Piti?". A mi familia también mil gracias. A Quique y Maite, que siendo mis hermanos pe- queños me enseñan muchas cosas y que siempre ponen su toque de alegría a todo. Y por último a mis padres, que estoy seguro de que son las personas que están más contentas de que esta tesis vea la luz. Desde que "12 por 12 son 144" hasta hoy siempre me han animado y ayudado a hacer lo que más me gustaba. Además, durante el desarrollo de esta tesissiemprehanestadopendientesdesdeelotroladodelteléfonoapoyándomeydándome todolosánimosquenecesitaba. Estatesisvadedicadaaustedes. Índice Introducción 9 1 Ideales tóricos 17 1.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2 Ideales tóricosintersección completa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.1 Del idealtórico I aI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 A Ared 1.2.2 Del idealtórico I aI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 A A(i,j) 2 Ideales tóricos simplicialesintersección completa 39 2.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2 AlgoritmoIC-simplicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3 Idealestóricossimplicialeshomogéneosinterseccióncompletaysusvarie- dades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4 cisimplicial.lib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.4.1 El problemadepertenenciaaunsemigrupo . . . . . . . . . . . . . 58 2.4.2 El cálculodeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 i 2.4.3 Comprobandosiexisteni,j : m a = m a . . . . . . . . . . . . . 60 i i j j 2.4.4 El cálculodem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 i 2.4.5 Comportamientodelaimplementación . . . . . . . . . . . . . . . 69 3 Intersecciones completas en curvas monomialesafines y proyectivas 71 3.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2 AlgoritmoIC-curva-monomial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.3 Intersecciones completasen ciertas curvasmonomialesafines . . . . . . . . 85 3.3.1 Intersecciones completasysucesionesaritméticas generalizadas . . 87 3.3.2 Intersecciones completasysucesionesdeFibonacci. . . . . . . . . 90 3.3.3 Intersecciones completasysucesionesdeLucas . . . . . . . . . . . 95 3.4 Intersecciones completasen ciertas curvasmonomialesproyectivas . . . . . 99 4 Intersecciones completas en idealestóricos de grafos 105 4.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2 El idealtórico deungrafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3 Unacotasuperiorparaelnúmerodearistasdeungrafointerseccióncompleta110 4.4 AlgoritmoIC-grafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.5 Grafos thetaeinterseccionescompletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.6 Teoremas deestructuradegrafos interseccióncompleta . . . . . . . . . . . 126 Bibliografía 144 7 Introducción "When teaching algebraic geometry and illustrating simple sin- gularities,varieties,andmorphisms,onealmostinvariablytends to chooseexamplesofa "monomialtype": i.e., varietiesdefined by equations xa1···xar = xar+1···xan and morphisms f for 1 r r+1 n whichf(y )=xa1···xan." Mumfordetal. [66](1973) i 1 n Los ideales tóricos son un tipo particular de ideales del anillo de polinomiosque están generados por diferencias de monomios (binomios), son primos y graduados. Su estudio es una parte importante del álgebra conmutativa y de la geometría algebraica. Desde el nacimientodelageometríatóricaenlosaños70elinterésenelestudiodeestetipodeide- alessehaidoincrementandonotablementeyactualmenteesunáreafértildeinvestigación. Elestudiodeestosidealesestaprofundamenteconectadoconlacombinatoria,lageometría depoliedros,el estudiodesemigrupos... entreotrasmuchas ramasdelas matemáticas. Elobjetivodeestatesiseselestudioycaracterizacióndelosidealestóricosquesonin- tersección completa; concretamente, la obtención de métodos efectivos para determinar si unidealtóricoesinterseccióncompletaquenoprecisendelcálculoexplícitodeunsistema minimal de generadores del ideal. El estudio de la propiedad de ser intersección completa en ideales tóricos fue iniciado por Herzog en 1970 ([53]), quien resolvió satisfactoria- mente el primer caso no trivial, esto es, proporcionó un criterio aritmético que caracteriza cuándo el ideal tórico asociado a una curva monomial afín en el espacio tridimensional es intersección completa. Además, en ese mismo trabajo, Herzog conjeturó cómo se podría generalizarestecriterioparacurvasmonomialesenelespacioafínn-dimensionalparatodo n ≥ 3. Si bien laconjeturano eracierta, como mostróDelorme[30]en 1976,esteartículo suscitóelinterésdemuchosautoresysurgieronvariosartículosdandorespuestasalmismo problema en contextos más generales, hasta que Fischer, Morris y Shapiro [38] en 1997 consiguen caracterizar los ideales tóricos queson intersección completapormedio del de- nominado gluing de semigrupos. Una característica común a todos estos trabajos es que tienenunmarcadocarácterteóricoynosecentranenlaobtencióndealgoritmoseficientes. Laprincipalaportacióndeestatesisdoctoraleslaobtenciónderesultadosqueconducen al diseño, la demostración de la corrección e implementación de métodos efectivos que reciben como entrada un conjunto A = {a ,...,a } ⊂ Nm y determinan si el ideal tórico 1 n I es intersección completa o no, perteneciendo I a diversas familias de ideales tóricos. A A Losmétodospropuestossontodosdenaturalezaeminentementearitmética-combinatoriay 9 evitan tanto el cálculo de bases de Gröbner como la obtención explícita de sistemas mini- males de generadores del ideal. No obstante, en los casos en los que el ideal tórico I es A interseccióncompleta,todoslosalgoritmospropuestosproporcionan,sintenerqueefectuar ningúntipode cálculo adicional,un sistemaminimalde generadores del ideal. Muchos de losalgoritmosobtenidossehanimplementadoenANSICyenSINGULAR [29]. Asimismo y como consecuencia no trivial de la aplicación teórica de los algoritmos propuestos, se aportanejemplosdefamiliasdeidealestóricosquesonintersección completa. Si bien en este trabajo no se consigue el ambicioso objetivo de caracterizar con algo- ritmos eficientes la propiedad de ser intersección completa para la totalidad de los ideales tóricos, cuestión que sigue abierta, lo que sí se consigue es caracterizarlo en dos impor- tantessubfamilias: ladelosidealestóricossimplicialesyladelosidealestóricosdegrafos. Estos objetivos se alcanzan con el Algoritmo IC-simplicial y con el Algoritmo IC-grafos respectivamente. En esta memoria se sigue un esquema que va de lo general a lo particular, a pesar de que esta forma de exposición altera el orden cronológico en el que se han obtenido los resultados de la tesis. Se ha preferido hacer así porque creemos que su explicación se hace más concisa. De esta forma, en cada momento podemos aplicar los resultados generalesobtenidospreviamentejuntoconlasespecificidadespropiasdecadacaso. Asípor ejemplo, al comienzo de esta tesis se estudió el caso de ideales tóricos asociados a curvas monomiales afines y se obtuvo el Algoritmo IC-curva-monomial para determinar si un ideal de esta familia es intersección completa. Posteriormente se obtuvo el Algoritmo IC- simplicialcomounageneralización no trivialdelanteriorpara ideales tóricossimpliciales. No obstante, en el Capítulo 2 de esta memoria se trata la propiedad intersección completa en ideales tóricos simpliciales finalizando con la obtención del Algoritmo IC-simplicial, para posteriormente en el Capítulo 3 obtener el Algoritmo IC-curva-monomial como caso particulardel otro. Siguiendoestaformadeexposición,comenzamoslamemoriatratandolosidealestóri- cos en general y aportamos técnicas y resultados aplicables a cualquier ideal tórico. Tras estonoscentramosenlafamiliadelosidealestóricossimpliciales,dondeutilizamoslosre- sultadosgenerales previamenteobtenidosjuntocon otrosespecíficos paracaracterizar, por medio del Algoritmo IC-simplicial, los ideales tóricos simpliciales que son intersección completa. Dentro de los ideales tóricos simpliciales estudiamos con más detalle y pro- porcionamos algoritmos específicos para dos subfamilias importantes: los ideales tóricos simplicialeshomogéneosylosidealestóricosasociadosacurvasmonomialesafines. Tam- bién estudiamos en detalle la propiedad de intersección completa para los ideales tóricos asociadosacurvasmonomialesproyectivas. Entodosestoscasosaportamosversionesmás simplesdelAlgoritmoIC-simplicialquesonespecíficasparacadaunadelasfamilias. Pos- teriormente caracterizamos la propiedad de intersección completa para los ideales tóricos asociados a curvas monomiales afines cuando los elementos de A son parte de sucesiones numéricas conocidas. También para los cierres proyectivos de estas curvas monomiales. Finalmente, nos dedicamos al estudio de otra familia de ideales tóricos independiente de losideales tóricos simpliciales,lade losideales tóricos degrafos y caracterizamos cuándo 10 soninterseccióncompletapormediodel AlgoritmoIC-grafo. Ideales tóricos Ideales tóricos Ideales tóricos de grafos simpliciales Ideales tóricos Ideales tóricos asociados a curvas simpliciales homogéneos monomiales afines Ideales tóricos asociados a curvas monomiales proyectivas homogeneización EnelCapítulo1comenzamosporintroducirlosconceptosdeconjuntotóricoΓ ,ideal A tórico I y variedad tórica afín V(I ), todos ellos determinados por un conjunto de vec- A A toresnonulosA = {a ,...,a } ⊂ Nm,y describimosalgunasdelasrelaciones existentes 1 n entre ellos y algunas de sus propiedades básicas. Asimismo probamos la equivalencia en- tre varias definiciones de ideal tórico intersección completa y repasamos algunos de los principales resultados que se pueden encontrar en la bibliografía respecto a este tipo de ideales. Trasesto,dedicamoselrestodelcapítuloaintroducirdosnuevastécnicasrelativas a los ideales tóricos intersección completa. La primera técnica es consecuencia del Teo- rema 1.2.21 y la idea es que a partir del conjunto A vamos a construir un conjunto A red que puede ser vacío o de la forma {a′,...,a′} ⊂ Nm tal que I es intersección completa 1 t A si y solo si A = ∅ o I es intersección completa. Además, cuando A 6= ∅ el ideal red Ared red I es más simple que I ya que t ≤ n, ht(I ) ≤ ht(I ) y los grados de los genera- Ared A Ared A dores de I son menores o iguales que los de I . La segunda técnica es consecuencia Ared A del Teorema 1.2.27 que da bajo ciertas hipótesis una condición necesaria par que I sea A interseccióncompleta. Concretamente,paraciertosi,j : 1 ≤ i < j ≤ n,leasociamosaI A unnuevoidealtóricoI enunanillodepolinomiosenexactamenteunavariablemenos A(i,j) y de alturaunaunidad menos, deformaque si I es intersección completaentonces I A A(i,j) también lo es. El Teorema 1.2.30 aporta hipótesis adicionales que si se cumplen y I A(i,j) esinterseccióncompleta,entoncesI tambiénloes. Sibienlaaplicacióndeestastécnicas A no es suficiente para caracterizar todos los ideales tóricos intersección completa, sí serán 11 de gran utilidad en el Capítulo 2 para caracterizar los ideales tóricos simpliciales que sí lo son. El Capítulo 2 trata sobre la propiedad de intersección completa en los ideales tóricos simpliciales,quesonaquellosen queel númeroderayosextremosdel conodeAcoincide con la dimensión del Q-espacio vectorial generado por A. Al igual que en el primer capí- tulo, comenzamos por recordar algunas propiedades de estos ideales y de sus variedades asociadas. A continuación vamos en búsqueda del Algoritmo IC-simplicial, un algoritmo que recibe como entrada un conjunto A = {a ,...,a } ⊂ Nm que determina un ideal 1 n tórico simplicial I , y devuelve si I es intersección completa o no. Además, cuando A A I es intersección completa proporciona sin efectuar ningún cálculo adicional un sistema A minimaldegeneradoresdeI . ElAlgoritmoIC-simplicialseobtienealaplicarconvenien- A temente los Teoremas 1.2.21, 1.2.27 y 1.2.30 del Capítulo 1 aplicables a cualquier ideal tórico conjuntamentecon la Proposición 2.2.1, que es propia de los ideales tóricos simpli- ciales. El principal resultado de este capítulo es el Teorema 2.2.4, donde se demuestra la correccióndel algoritmopropuesto. Dedicamosunapartedeestecapítuloalestudiodelos idealestóricossimplicialesquesonhomogéneosyvemoscomo,graciasalCorolario2.3.2, elAlgoritmoIC-simplicialsepuedesimplificarconsiderablementeenestecaso. Aplicando el Corolario 2.3.2 desde un punto de vista teórico, cuando el cuerpo de definición de la variedad es algebraicamente cerrado, demostramos en el Teorema 2.3.3 que la única va- riedad tórica simplicial proyectiva lisa cuyo ideal asociado es intersección completa es la curvamonomialproyectivadefinida paramétricamenteporx = u2, x = u2 y x = u u . 1 1 2 2 3 1 2 Además,en elTeorema2.3.4listamostodaslasvariedadestóricassimplicialesproyectivas con exactamente un punto singular cuyo ideal asociado es intersección completa. La úl- tima sección de este capítulo está dedicada a explicar las implementaciones en ANSI C y en SINGULAR delosalgoritmospropuestos. ElCapítulo3estádedicadoalosidealestóricosasociadosacurvasmonomialesafines, es decir, los ideales tóricos I con A = {a ,...,a } ⊂ N, que son una subfamilia de A 1 n los ideales tóricos simpliciales. Para esta familia y gracias a la Proposición 3.2.1, pode- mos dar una versión simplificada del Algoritmo IC-simplicial, que llamaremos Algoritmo IC-curva-monomial. Estealgoritmo,cuando I es intersección completa, nos proporciona A un sistema minimal de generadores de I , y si además gcd(A) = 1, nos proporciona A el número de Frobenius del semigrupo NA. Como aplicaciones del Algoritmo IC-curva- monomial aportamos en las Proposiciones 3.2.8 y 3.2.9 criterios específicos para determi- nar si I es intersección completa cuando n = 3 y n = 4, respectivamente. Haciendo uso A deestealgoritmoy dealgunos nuevosresultados,pasamosa estudiarejemplosdefamilias de curvas monomiales afines cuyo ideal es intersección completa. Concretamente, carac- terizamos en el Teorema 3.3.5 cuándo I es intersección completa siendo A una sucesión A aritmética generalizada, es decir, existe h ∈ Z+ tal que ha < a < ... < a es una 1 2 n sucesiónaritmética;y en el Teorema3.3.9cuando A es unasucesióncasi-aritméticagene- ralizada,esdecir,A\{a }esunasucesiónaritméticageneralizadaya ∈ Z+ esunentero n n cualquiera. TambiénestudiamoscuándoI esinterseccióncompletasiendoAunconjunto A formado por ciertos términosde la (p,q)-sucesión de Fibonacci o de Lucas, llegandoa los 12 Teoremas 3.3.15 y 3.3.20 respectivamente. La última parte de este capítulo la dedicamos al estudio de los ideales tóricos asociados a curvas monomiales proyectivas. Estudiamos cómo el algoritmo para ideales tóricos simpliciales homogéneos se especializa a este caso dando lugar al Algoritmo IC-curva-monomial-proyectiva. Basándonos en él, obtendremos las versiones para curvas monomiales proyectivas de los Teoremas 3.3.5, 3.3.9, 3.3.15 y 3.3.20;los Teoremas3.4.4,3.4.6,3.4.8 y3.4.10respectivamente. EnelCapítulo4estudiamoslosidealestóricosdegrafos,queestándefinidosapartirde ungrafo G simpley nodirigido. Dado queladefinición delideal dependedeG, cabepen- sar que las propiedades del ideal tórico I de G, puedan ser traducidas como propiedades G combinatorias de G y viceversa. En particular nos centraremos en la propiedad de que I G sea intersección completa y buscamos traducirla en propiedades combinatorias del grafo G. En el caso particular en que el grafo G sea bipartito, este problema ha sido amplia- mente estudiado por varios autores llegando a dar una respuesta satisfactoria al problema; ver [47, 48, 65, 93]. En este capítulo consideramos el problema más general en que los grafos no son necesariamente bipartitos. Nos proponemos dos objetivos principales. El primero es proponer un algoritmo de naturaleza combinatoria que determine si I es in- G tersección completao no; el segundo consisteen aportar una caracterización combinatoria de la estructura de los grafos G tales que I es intersección completa. El primero de es- G tos objetivos se alcanza con el Algoritmo IC-grafo, que se obtiene como consecuencia del Teorema 4.4.8 y consiste en un algoritmo que recibe como entrada un grafo G y devuelve VERDADERO si I es intersección completao FALSO en caso contrario. El segundoobje- G tivo se consigue parcialmente con los Teoremas 4.6.5 y 4.6.18. Para llegar a ellos, consi- deramosunaparticióndeungrafo GendossubgrafosinducidosdisjuntosC y Rtalesque V(C) = V(C )⊔···⊔V(C )dondeC ,...,C sonciclosprimitivosimparesyResbipar- 1 s 1 s tito. Enestecontexto,enelTeorema4.6.5sedemuestraquesiI esinterseccióncompleta, G entoncesResungrafoanilladoyC esobienelgrafonulo,uncicloprimitivoimparoestá formado por dos ciclos primitivos impares propiamente conectados. Finalmente, bajo las hipótesis adicionales de que C sea conexo y R 2-conexo, en el Teorema 4.6.18 se listan todas las familias degrafos cuyo ideal tórico es intersección completa. Terminaremos este último capítulo con las versiones normales de los Teoremas 4.6.5 y 4.6.18; los Corolarios 4.6.20y4.6.21. A lo largo de esta memoria se encuentran ejemplos que requieren del cálculo de bases deGröbner. Estoscálculos,salvoqueseindiquelocontrario,sehanefectuadohaciendouso delsoftwareSINGULAR [29]. Asimismo,dichoscálculossepuedenllevaracabomediante otrosprogramascomo CoCoA [22]o MACAULAY2 [50]. Laelaboración deestatesis hadado lugaralos siguientestrabajos: • I. Bermejo, I. García-Marco y J. J. Salazar-González, An algorithm for checking whetherthetoricidealof anaffinemonomialcurveis acompleteintersection. En esteartículose estudiany caracterizan losideales tóricos asociadosa curvas mo- nomiales afines que son intersección completa y se diseña el Algoritmo IC-curva- monomial. También se estudian con detalle los casos n = 3 y n = 4, aportando 13
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