En general, siV es una variedad definida sobrek, tenemos quek(V) es una extensi´on algebraica de k(V), por lo que ambos cuerpos tienen el mismo grado de trascendencia sobre sus respectivos cuerpos de constantes k y k. A dicho
grado de trascendencia se le llama dimensi´onde la variedadV. Lascurvasson las variedades (cuasiproyectivas) de dimensi´on 1.
A partir de aqu´ı usaremos los siguientes convenios de notaci´on:
– Como hasta ahora,kser´a un cuerpo perfecto yksu clausura algebraica. – C/kindicar´a que Ces una curva proyectiva definida sobrek.
– Como hasta ahora,k(C) ser´a el cuerpo de las funciones racionales deC y
k(C) ser´a el subcuerpo formado por las funciones definidas sobrek. – Por el contrario, OP(C) representar´a siempre el anillo de las funciones de
k(C) (no de k(C)) regulares en el punto P∈C. – Si P es un punto de una curvaC, llamaremos
mP(C) ={α∈OP(C)|α(P) = 0},
que es el ´unico ideal maximal del anilloOP(C).
– Como hasta ahora, C(k) representar´a el conjunto (tal vez vac´ıo) de los puntos racionales deC.
Los cuerpos k(C) y k(C) son cuerpos de funciones algebraicas (de una va- riable) con cuerpo de constantes exactok y k respectivamente. Adem´as k(C) es una extensi´on de constantes dek(C).
Representaremos porD(C) el grupo de los divisores de k(C) (a los que nos referiremos tambi´en como divisores deC), porH(C) el grupo de clases dek(C) y porH0(C) el grupo de clases de grado 0 dek(C).
Recordemos que una curva C es regular en un punto P ∈ C si el ideal
mP(C) es principal, en cuyo casoOP(C) resulta ser un dominio de ideales prin-
cipales con mP(C) como ´unico ideal primo, el cual determina una valoraci´on
vP :k(C)−→Z∪ {+∞} que tiene aOP(C) como anillo de enteros. Los gene-
radores de mP(C) (es decir, las funcionesα∈ OP(C) tales quevP(α) = 1) se
llamanpar´ametros localesdeC enP.
SiCes una curva proyectiva, para cada valoraci´onvenk(C) existe un ´unico puntoP ∈C tal quev(f)≥0 para toda f ∈OP(C) yv(f)>0 sif ∈mP(C).
Si P es un punto regular, la ´unica valoraci´on dek(V) situada sobre P en este sentido esvP. En particular, siCes una curva proyectiva regular, la aplicaci´on
P →vP biyecta los puntos deC con las valoraciones de k(C) o, lo que es lo
mismo, con los divisores primos de k(C). La acci´on natural del grupoG(k/k) en C se corresponde a trav´es de esta biyecci´on con la acci´on natural sobre los divisores primos.
Observemos que si C/k es una curva proyectiva regular y p es un divisor primo de k(C), entonces p factoriza en k(C) como p = P1· · ·Pr (pues las
extensiones de constantes son no ramificadas). Adem´as los primos Pi forman
divisores primos dek(C) se corresponden con las clases de conjugaci´on de puntos de C. A cada divisor primo le corresponden tantos puntos conjugados como indica su grado. En particular, los divisores primos de grado 1 en k(C) se corresponden con los puntos de V invariantes por G(k/k), es decir, con los puntos racionales deC.
El ejemplo de Selmer Como aplicaci´on de esta ´ultima observaci´on vamos a probar la mitad de lo anunciado en la introducci´on sobre el ejemplo de Selmer, a saber, que la curva
3U3+ 4V3+ 5W3= 0
tiene puntos racionales enRy en todos los cuerposp-´adicosQp. El caso real es
trivial. Para encontrar solucionesp-´adicas usaremos el criterio siguiente:3 Sea p un n´umero primo, F ∈ Z[X1, . . . , Xn] y c ∈ Zn un punto
tal que vp(F(c))>2vp(Fi(c)) para ciertoi (donde Fi representa la
derivada respecto a Xi). Entonces existe un punto α∈Qnp tal que
F(α) = 0 y adem´asαj ≡cj (m´odp), paraj= 1, . . . , n.
Parap= 2 aplicamos el criterio al punto (1,0,1) coni= 1. Parap= 3 consideramos (0,2,−1) coni= 2.
Parap= 5 consideramos (2,−1,0) coni= 1.
Parap >5 llamamosCa la curva definida por la ecuaci´on de Selmer sobre el cuerpok=Z/pZy consideramos el cuerpo de funciones racionalesk(C). Sucede que4 k(C) tiene al menos un divisor primo de grado 1. ´Este se corresponde con un punto racional de C, es decir, con una terna (x1, x2, x3) ∈Z3 tal que
3x3
1+ 4x32+ 5x33 ≡0 (m´odp) y xi ≡0 (m´odp) para alg´uni. Basta aplicar el
criterio a este punto y a este ´ındicei.
Una propiedad fundamental afirma que una aplicaci´on racional entre curvas proyectivas es regular sobre los puntos regulares. En particular, siφ:C1−→C2
es una aplicaci´on regular entre curvas proyectivas regulares, entonces φ[C1] ha
de ser un subconjunto algebraico deC2(las im´agenes de las variedades proyec-
tivas son cerradas), y las ´unicas posibilidades son que sea finito (en cuyo caso s´olo puede constar de un punto, por la irreducibilidad de C1) o que sea toda C2. As´ı pues, toda aplicaci´on regular entre curvas es constante o suprayectiva.
En particular “densa” equivale a “suprayectiva” o a “no constante”, luego el teorema 1.10 nos da que las aplicaciones no constantes φ : C1 −→ C2 entre
curvas proyectivas regulares definidas sobrek se corresponden biun´ıvocamente con los k-monomorfismos φ: k(C2)−→ k(C1) entre sus cuerpos de funciones
racionales.
Es f´acil ver que todo cuerpo de funciones algebraicas sobre un cuerpo de constantes exactokesk-isomorfo al cuerpo de funciones racionales de una curva proyectivaC/k. Vamos a demostrar que la curva puede tomarse regular.
3Es un caso particular del teorema 7.17 de mi Teor´ıa de N´umeros.
4Teorema 9.29 de mi Geometr´ıa Algebraica. (Ver tambi´en las observaciones tras la defi- nici´on 9.9.)
Teorema 1.18 Sea K un cuerpo de funciones algebraicas sobre un cuerpo de constantes exactok. EntoncesK esk-isomorfo al cuerpo de funciones raciona- les de una curva proyectiva regular C/k.
Demostraci´on: Consideremos la extensi´on de constantes K = kK, que es un cuerpo de funciones algebraicas sobre el cuerpo de constantes exacto k. Podemos tomarx1∈Kno constante tal que la extensi´onK/k(x1) sea separable.
Si Ktiene caracter´ıstica 0 sirve cualquier elemento no constante, mientras que si K tiene caracter´ıstica prima p, basta exigir adem´as quex1 ∈/ Kp. Notamos
esto para observar quex2= 1/x1cumple lo mismo. Por el teorema del elemento
primitivo, podemos tomar y1, y2 ∈K tales queK =k(x1, y1) = k(x2, y2). De
aqu´ı se sigue a su vez que K =k(x1, y1) =k(x2, y2). Para i = 1,2, seaBi la
clausura entera dek[xi] enK y seaBi la clausura entera dek[xi] enK.
La raz´on de hacerlo todo por duplicado es que siP es un divisor primo de
K entonces vP(xi)≥0 para i= 1 o bien i = 2, luegok[xi] ⊂OP(K), donde
OP(K) representa el anillo de enteros de la valoraci´onvP, que es ´ıntegramente
cerrado enK (porque tiene factorizaci´on ´unica), luegoBi⊂Bi⊂OP(K).
Por simplicidad suprimiremos temporalmente el sub´ındice i. Vamos a usar que, en general, si D es un dominio ´ıntegro noetheriano ´ıntegramente cerrado y L es una extensi´on finita separable de su cuerpo de cocientes, entonces la clausura entera deD enL es unD-m´odulo finitamente generado.5 Aplicando esto a D = k[x] y L = K obtenemos que B es un k[x]-m´odulo finitamente generado. En particularB =k[x1, . . . , xn].
Por otra parte,B es la clausura entera deBenK. En efecto, todo elemento deB es entero sobrek[x] y, a su vez,xy los elementos dek son enteros sobre
k[x], luego sobreB.
La prueba del resultado que hemos citado puede refinarse en estas condicio- nes para demostrar queB =k[x1, . . . , xn]. En efecto, tomemosf ∈B. Existe
una extensi´on finital dek tal quef ∈lK. Tomemos unak-base w1, . . . , wr de
l, que ser´a tambi´en unaK-base delK. Por lo tanto
f =
r
j=1 gjwj,
para ciertos gj ∈ K. Basta probar que en realidad gj ∈ B. Ahora bien,
consideremos la base dualz1, . . . , xr∈ldez1, . . . , zr, esto es, la base que cumple
Tr(ziwj) =δij, donde Tr es la traza de la extensi´onlK/K(que sobre constantes
coincide con la del/k). Basta observar quegi= Tr(zif) es entero sobreB, luego
gi∈B.
Consideremos ahora el epimorfismok[X1, . . . , Xn]−→B dado porXi→xi,
cuyo n´ucleo determina una variedad af´ın C/k. Claramente k[C] ∼= B, luego
k(C) ∼= K. Adem´as k(C) ∼= K (lo que implica que C es una curva) y como
k[C] ∼=B es ´ıntegramente cerrado en k(C), tenemos que C es regular (como curva af´ın, si bien su clausura proyectiva puede tener singularidades en el infi- nito).
Ahora volvemos a introducir el ´ındice i, de modo que en realidad tenemos dos curvas regulares afines C1/k y C2/k, con la propiedad de que si P es un
divisor primo deK entonces existe unital quek[Ci]⊂OP(K), luegoP∩k[Ci]
es un ideal maximal en k[Ci] que se corresponde con un punto (regular)P de
Ci, en el sentido de que P∩k[Ci] est´a formado por las funciones dek[Ci] que
se anulan enP. La regularidad implica quevP=vP.
Con m´as rigor, tenemos dosk-isomorfismosφi:k(Ci)−→K, que se extien-
den ak-isomorfismosφi :k(Ci)−→K, de modo que cada divisor primo deK
se corresponde a trav´es de uno de estos dos isomorfismos con un punto (regular) de una de las curvasCi.
Si llamamos Ci a la clausura proyectiva de la curva Ci, la composici´on
φ2◦φ−11 induce una aplicaci´on birracional φ:C1 −→C2 definida sobre k, de
modo queφ=φ2◦φ−11 .
Esto se traduce en que si Pes un divisor primo de k(C1), entonces, o bien
est´a situado sobre un punto deC1, o bienφ(P) est´a situado sobre un punto de C2. Notemos adem´as queφes regular sobreC1 (porque sus puntos son regula-
res). Todo esto es cierto por simetr´ıa si cambiamos los ´ındices y consideramos
φ−1 en lugar deφ.
Consideramos ahora la superficie V =C1×C2, junto con las aplicaciones ψi :Ci −→V dadas por ψ1(P) = (P, φ(P)), ψ2(P) = (φ−1(P), P). Definimos C =ψ1[C1]∪ψ2[C2]. Vamos a probar que C es una curva proyectiva regular
definida sobrek tal quek(C)∼=K.
En primer lugar observamos que siU ⊂C1es el abierto dondeφse restringe
a un isomorfismo, entonces X ={(P, φ(P))| P ∈ U} es una curva contenida en ψ1(C1) isomorfa a U. Adem´as ψ1[C1] ⊂X. En efecto, si Q∈ C1 y W es
un abierto enV tal queψ1(Q)∈W, hemos de probar queW ∩X =∅. Como ψ−11[W] y U son abiertos (no vac´ıos) en C1, se cumple que ψ1−1[W]∩U =∅y,
por lo tanto,W ∩X =∅.
Como X \X es finito, lo mismo le sucede a X \ψ1[C1], luego ψ1[C1] es
una curva cuasiproyectiva isomorfa aC1 (el isomorfismo es ψ, cuya inversa es
la proyecci´on en la primera componente). En particularψ1[C1] es regular, y el
mismo razonamiento se aplica aψ2[C2]. M´as a´un, el conjunto X es el mismo
en ambos casos, por lo que C ⊂ X es una curva cuasiproyectiva cubierta por los dos abiertos regularesψi[Ci]. Como la regularidad es una propiedad local
concluimos queC es regular.
El hecho de que las curvasCiest´en definidas sobrek, al igual queφ, implican
inmediatamente queC es invariante porG(k/k), luegoCest´a definida sobrek. Como las aplicacionesψi son birracionales (y est´an definidas sobrek), tenemos
quek(C)∼=k(Ci)∼=K. Falta probar que Ces proyectiva.
Tomemos un puntoP ∈C y seaP un divisor primo dek(C) situado sobre
P. La relaci´on ψ1 = φ◦ψ2 se traduce en la relaci´on ψ1 = ψ2◦φ entre los k-isomorfismos inducidos. La construcci´on de φimplica queψi(P) est´a situado sobre un puntoQ∈Ci, para alg´un ´ındicei, pero entoncesP =ψi(Q)∈C.
As´ı pues, tenemos una correspondencia biun´ıvoca entre las clases de k- isomorf´ıa de cuerpos de funciones algebraicas sobre un cuerpo de constantes
exacto k y las clases de k-isomorf´ıa de curvas proyectivas regulares definidas sobrek.
Nota Supongamos queCes una curva compleja definida sobreQ. EntoncesC
es birracionalmente equivalente a una curva compleja regular definida sobreQ. Esto no es una consecuencia directa del teorema anterior, pues la extensi´onC/Q
no es algebraica. Ahora bien, si A es la clausura algebraica de Q, el teorema anterior nos da queA(C)∼=A(C), dondeC/Qes una curva proyectiva regular. Dicha curva se extiende a una curva proyectiva regularC/C, y es claro entonces
queC(C)∼=C(C).
Volviendo al estudio de las aplicaciones regulares, si φ: C1 −→C2 es una
aplicaci´on regular no constante entre curvas proyectivas regulares definidas sobre
k, elk-monomorfismoφ:k(C2)−→k(C1) nos permite considerar ak(C1) como
extensi´on dek(C2). Puesto que ambos cuerpos tienen grado de trascendencia 1
sobrek, la extensi´on es algebraica y, comok(C1) es finitamente generado sobre k—luego tambi´en sobrek(C2)—, la extensi´on es finita.
Definimos elgradodeφcomo gradφ=|k(C1) :k(C2)|=|k(C1) :k(C2)|, con
el convenio de que el grado de una aplicaci´on constante es 0. En general, diremos que una aplicaci´on (no constante) definida sobre k es separable, puramente inseparable, etc. seg´un lo sea o no la extensi´on k(C1)/k(C2) que determina.
Teniendo en cuenta que las aplicaciones racionales son regulares en los puntos regulares es f´acil ver que las aplicaciones regulares de grado 1 entre curvas proyectivas regulares son los isomorfismos.
Si φ : C1 −→ C2 es una aplicaci´on regular no constante entre curvas pro-
yectivas regulares yP ∈C1, entoncesφ(P) se corresponde con el ´unico divisor
primo dek(C2) divisible entre P. Representaremos poreφ(P) el ´ındice de ra-
mificaci´on deP sobreφ(P), de modo que siP1, . . . , Prson las antiim´agenes de
un mismo puntoQ∈C2se cumple la relaci´on
eφ(P1) +· · ·+eφ(Pr) = gradφ.
Si φ es separable, el n´umero de puntos ramificados es finito. En tal caso, f´ormula del g´enerode Hurwitz afirma que sig1yg2son los g´eneros deE1yE2,
entonces
2g1−2≥(2g2−2) gradφ+
P∈C1
(eφ(P)−1),
y la igualdad se da si y s´olo si la caracter´ıstica de kes 0 o bien es prima y no divide a ning´un ´ındiceeφ(P).
La aplicaci´on φ se extiende por linealidad a un homomorfismo de grupos
φ :D(C1) −→D(C2). Es claro que φ(a) no es sino la norma de a en D(C2).
Tambi´en tenemos la norma Nφ : k(C1) −→ k(C2). La compatibilidad entre
ambas normas nos da que φ((f)) = (Nφ(f)), para toda funci´on f ∈ k(C1),
luegoφ transforma divisores principales en divisores principales y por lo tanto induce un homomorfismoφ:H(C1)−→H(C2) entre los grupos de clases.
Por otra parte, el k-monomorfismo φ : k(C2) −→ k(C1) induce un mono-
morfismoφ:D(C2)−→D(C1), determinado por φ(Q) =
P∈φ−1[Q] Peφ(P).
Si f ∈ k(C2) tenemos que φ((f)) = (φ(f)), luego φ transforma divisores
principales en divisores principales, por lo que induce un homomorfismo de gruposφ:H(C2)−→H(C1).
Las propiedades siguientes son meras transcripciones de propiedades de las extensiones de cuerpos de funciones algebraicas:
a) gradφ(a) = (gradφ)(grada), para todoa∈D(C2).
b) gradφ(a) = grada, para todoa∈D(C1).
En particular vemos queφinduce homomorfismos entre los grupos de clases de grado 0:
φ:H0(C1)−→H0(C2) y φ:H0(C2)−→H0(C1).
Representaremos por Ω(Ci) el espacio de las diferenciales dek(Ci). Tenemos
queφ induce unk-monomorfismo de espacios vectorialesφ: Ω(C2)−→Ω(C1)
dado por
φ(f dx) =φ(f)dφ(x).
Dadox∈k(C), se cumple que dx= 0 si y s´olo si xes separador, es decir, si y s´olo si la extensi´on k(C)/k(x) es (finita) separable (se puede probar que siempre existen elementos separadores). En particular, si cark= 0, las ´unicas funciones con diferencial nula son las constantes. De aqu´ı se deduce un criterio de separabilidad:
Teorema 1.19 Una aplicaci´on regular no constante φ : C1 −→ C2 entre dos
curvas proyectivas regulares es separable si y s´olo si φ : Ω(C2) −→ Ω(C1) es
inyectiva, si y s´olo siφ es no nula.
Demostraci´on: Si ω = f dx ∈ Ω(C2) cumple ω = 0, entonces f = 0 y dx = 0, luego k(C2)/k(x) es separable, al igual que la extensi´on isomorfa φ[k(C2)]/k(φ(x)). Por otra parteφ(f)= 0.
As´ı pues, φ(ω) = φ(f)d(φ(x)) = 0 si y s´olo si d(φ(x)) = 0, si y s´olo si
k(C1)/k(φ(y)) es separable, si y s´olo sik(C1)/φ[k(C2)] es separable, si y s´olo si φes separable.
Cada forma diferencial ω ∈ Ω(C) tiene asociado un divisor (ω) ∈ D(C) determinado por que
vP(f dx) =vP f dx dt ,
El teorema de Riemann-Roch En el cap´ıtulo siguiente necesitaremos el teorema de Riemann-Roch en una ´unica ocasi´on, pero ser´a un uso crucial (en la prueba de que toda curva el´ıptica admite una ecuaci´on de Weierstrass), as´ı que vamos a recordar su enunciado.
Si K es un cuerpo de funciones algebraicas sobre el cuerpo de constantes exactok ya es un divisor deK, se define el espacio dem´ultiplosdea como el conjunto
m(a) ={f ∈K|vp(f)≥vp(a) para todo divisor primop deK}.
Se prueba que m(a) es unk-espacio vectorial de dimensi´on finita. Teniendo en cuenta que los divisores principales tienen grado 0, vemos que sif ∈m(a) es una funci´on no nula, entonces
0 = grad(f) = p vp(f) gradp ≥ p vp(a) gradp= grada,
luego si grada>0 entonces dimm(a) = 0.
Adoptaremos el convenio usual de definir dima = dimm(a−1). De este modo, los divisores de grado < 0 tienen dimensi´on nula. Es f´acil ver que la dimensi´on depende ´unicamente de la clase de similitud dea, por lo que podemos hablar de la dimensi´on de una clase de divisores deK.
Se prueba que si K tiene g´enero g, entonces contiene una ´unica clase de divisoresW, llamadaclase can´onicadeK, caracterizada por que
dimW =g, gradW = 2g−2.
El teorema de Riemann-Roch afirma que para toda clase de idealesAdeK
se cumple la relaci´on
dimA= gradA−(g−1) + dim(W/A).
Por ejemplo, si K tiene g´enero g = 1 (que es el ´unico caso que nos va a interesar), tenemos que la clase can´onica tiene grado 0, luego si gradA >0 se cumple grad(W/A)<0 y dim(W/A) = 0, con lo que el teorema de Riemann- Roch se reduce a la igualdad dimA= gradA.
Aprovechamos la ocasi´on para demostrar un resultado que hemos citado en la introducci´on, aunque no nos va a hacer falta en ning´un momento:
Teorema 1.20 Toda curva proyectiva C/k de g´enero 0 es birracionalmente equivalente (sobrek) a una c´onica definida sobre k.
Demostraci´on: Tenemos que k(C) es un cuerpo de funciones algebraicas de g´enero g = 0. En este caso la clase can´onica cumple gradW = −2, luego si gradA ≥ 0 entonces gradW/A < 0 y dimW/A = 0, luego el teorema de Riemann-Roch se reduce a la relaci´on
Sik(C) tiene un divisor de grado 1 podemos tomarlo entero (pues toda clase de divisores de grado ≥ 0 contiene un divisor entero), luego primo, digamos
p. Por el teorema de Riemann-Roch dimp = 2, luego existe una funci´on no constantex∈m(p−1).
Entoncesp ha de ser el denominador de (x) tanto enk(C) como enk(x) y tiene grado 1 en ambos cuerpos, luego|k(C) :k(x)|= 1, es decir,k(C) =k(x). De aqu´ı se sigue que C es birracionalmente equivalente (sobre k) a la recta proyectiva, que a su vez esk-isomorfa, por ejemplo, a la c´onicaX2+Y2= 1.
Si, por el contrario, k(C) no tiene divisores primos de grado 1, al menos tiene que haber unopde grado 2 (basta tomar un divisor entero deW−1). En-
tonces tenemos que dimp= 3, luego podemos tomar tres funciones linealmente independientes 1,x,y ∈m(p−1).
Ahora (x) = q/p, para cierto divisor primo q de grado 2. Como p tiene grado 1 enk(x), concluimos que |k(C) :k(x)|= 2. Adem´as y /∈k(x), pues en caso contrario ser´ıa una funci´on racional dexcon a lo sumo un ´unico polo simple en el infinito, luego ser´ıa un polinomio enxde grado≤1, pero esto contradice la independencia lineal de 1,x,y. De aqu´ı deducimos quek(C) =k(x, y).
Por otra parte, 1,x,y,x2,xy,y2∈m(p2), y este espacio tiene dimensi´on 5,
luego se cumple una relaci´on
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0
con los coeficientes en kno todos nulos. M´as a´un, alguno de los tres primeros ha de ser no nulo, por la independencia lineal de 1,x,y. La ecuaci´on ha de ser irreducible, o llegar´ıamos a quey∈k(x) o bien a quex∈k.
De aqu´ı se sigue inmediatamente que k(C) es k-isomorfo al cuerpo de las funciones racionales (sobre k) de la c´onica definida por la ecuaci´on anterior, luegoC es birracionalmente equivalente (sobrek) a dicha c´onica.
La aplicaci´on de Frobenius Introducimos ahora una t´ecnica para estudiar aplicaciones regulares inseparables. En lo que sigue supondremos que k es un cuerpo (perfecto) de caracter´ıstica primap. As´ı, sim=pr, la correspondencia
a → am define un automorfismo de k que se restringe a un automorfismo de
k. Para cada polinomio F ∈ k[X1, . . . , Xn], representaremos por F(m) el po-
linomio que resulta de elevar a m todos los coeficientes deF. Esto define un automorfismo del anillo de polinomios que se restringe a un automorfismo de
k[X1, . . . , Xn].
Si C/k⊂Pn es una curva proyectiva, entonces I(C) es un ideal primo de
k[X1, . . . Xn+1] generado por formas dek[X1, . . . Xn+1], luego I(C)(m) cumple
lo mismo y define una curva C(m)⊂
Pn definida sobre k. La curva C(m) est´a
determinada por la relaci´on
I(C(m)) ={F(m)|F ∈I(C)}.
Ahora definimos la aplicaci´onφ:C−→C(m)mediante φ([x1, . . . , xn+1]) = [xm1, . . . , xmn+1].
Esto es correcto, pues si [x1, . . . , xn+1]∈C yF ∈I(C), entonces F(m)(xm1, . . . , xmn+1) =F(x1, . . . , xn+1)m= 0.
Obviamenteφes una aplicaci´on regular definida sobrek, conocida comoapli- caci´on de Frobenius de grado m. A continuaci´on probamos que, efectivamente, tiene gradom.
Teorema 1.21 SeaC/kuna curva proyectiva sobre un cuerpo de caracter´ıstica prima py seaφ:C−→C(m) la aplicaci´on de Frobenius de gradom=pr.
a) φ es puramente inseparable y tiene gradom. b) φ[k(C(m))] =k(C)m.
c) Si C es regular, entoncesC(m) tambi´en lo es.
Demostraci´on: b) Fijado un sistema de referencia, toda α∈k(C(m)) es de la formaα= [F(m)]/[G(m)], dondeF, G∈k[X
1, . . . , Xn+1] son formas del
mismo grado. Entonces, paraP = [x1, . . . , xn+1] en un abierto adecuado deC, φ(α)(P) = F (m)(xm 1, . . . , xmn+1) G(m)(xm 1, . . . , xmn+1) =F(x1, . . . , xn+1) m G(x1, . . . , xn+1)m =βm(P),
donde β = [F]/[G] ∈ k(C). Esto prueba la inclusi´on φ[k(C(m))] ⊂ k(C)m.
Invirtiendo el razonamiento tenemos la inclusi´on contraria.
a) Ahora es obvio que φ es puramente inseparable. Falta probar que su grado es m. Sea t ∈k(C) tal que la extensi´on k(C)/k(t) sea separable. Esto equivale a quet /∈k(C)p. Entonces, la extensi´onk(C)/k(C)m(t) est´a contenida
en la extensi´on separable k(C)/k(t) y en la extensi´on puramente inseparable
k(C)/k(C)m, luego ha de serk(C) =k(C)m(t). Por consiguiente,
gradφ=|k(C)m(t) :k(C)m|.
Ahora bien, del hecho de quet /∈k(C)p se sigue que el polinomio m´ınimo de
tsobre k(C)m esxm−tm, luego el grado esm.
c) Supongamos queC⊂Pn y queI(C) = (F1, . . . , Fr). La regularidad deC
en un puntoP equivale a que el espacio tangenteTP(C) tenga dimensi´on 1, lo
cual equivale a que la matriz formada por las derivadas parciales deF1, . . . , Fr
tenga rangon−1 enP, lo que a su vez equivale a que cierto menorM de orden
n−1 no se anule.
La regularidad de C(m) enφ(P) equivale a que la matriz de las derivadas
parciales deF1(m), . . . , Fr(m)tenga rango n−1 enφ(P), pero es claro que
∂Fi(m) ∂Xj φ(P) = ∂Fi ∂Xj P m ,
(aqu´ı usamos que todo natural s cumple s≡sm(m´odp)), luego el menor co- rrespondiente a M es Mm = 0, luego C(m) es regular en φ(P) y, como φ es
suprayectiva por el apartado a), concluimos queC(m) es regular.
Es f´acil ver que las aplicaciones de Frobenius son biyectivas, pero no son isomorfismos salvo sim= 1 (en cuyo caso convenimos queC(1) =C y queφes
la identidad), pues las inversas no son regulares. El inter´es de la aplicaci´on de Frobenius se debe al teorema siguiente:
Teorema 1.22 Sea ψ : C1 −→ C2 una aplicaci´on regular no constante entre
curvas regulares definida sobre un cuerpokde caracter´ıstica primapy seam=