ケイリー＝バッハラッハの定理

サムネイル|300x300ピクセル|ケイリー＝バッハラッハの定理の特別な場合。が3本の直線に退化している。ケイリー＝バッハラッハの定理（ケイリー＝バッハラッハのていり、）は数学における射影平面上の三次曲線に関する定理。

射影平面上の2つの3次曲線が、異なる9つの点で交わっているとする。この9点のうち8点を通る3次曲線は他の9番目の点を通る。

ケイリー＝バッハラッハの本質的な形式は次のように導かれる。

与えられた8点を通る代数的閉体上のすべての3次曲線は、に依存するある点を通る。

ミシェル・シャールは最初に円錐曲線の場合の定理を証明した。その後アーサー・ケイリーとイザーク・バッハラッハによって一般化された。ケイリーの証明には、重大な見落としがあった。バッハラッハはアレクサンダー・フォン・ブリルとの研究に基づき、ケイリーの証明を改善し、1881年に正しい一般化を示したDavid Eisenbud, Mark Green, and Joe Harris。

詳細三次曲線は二次曲線を含むため、のうち7点が円錐曲線上にあるならば、9つ目の点をその円錐曲線上に選ぶことができる。そうでない場合は次のようになる。

のどの7点も同一円錐曲線上になければ、（二重点では重複を持つ）（のアフィン凸錐上）で0を取る三次斉次多項式のベクトル空間の次元は2である。

この場合、を通るすべての3次曲線は、同様にを通る異なる2つの三次曲線の9番目の交点を通る。ベズーの定理によれば2つの3次曲線には代数的閉包上に必ず9つの交点が存在する。

円錐曲線が1,2直線に退化したならば、退化した円錐曲線上の7点のうち、少なくとも4点は共線である。よって次の結果を得る。

8点のうち、どの7点も非退化円錐曲線上になく、どの4点も共線でなければ、（のアフィン凸錐上）で0を取る三次斉次多項式のベクトル空間の次元は2である。

一方で、が共線で、8点のうちどの7点も非退化円錐曲線上にない場合を考えると、8点のうちどの5点も共線でなく、また、のうちどの3点も共線でない。3次曲線は直線を含むから、（のアフィン凸錐上）で0を取る三次斉次多項式のベクトル空間は、（のアフィン凸錐上）で0を取る2次元の二次斎次多項式ベクトル空間と同型である。

2次元の結果の条件とは異なるものの、どちらも、一般の位置にある場合よりも弱い結果である。上記の結果は3点が共線であること、6点が同一円錐曲線上にあることを許す場合である。ケイリー＝バッハラッハの定理の成立条件は、ただ9点を通る3次曲線の族であることが条件である。

ベズーの定理によれば、代数的閉体上の既約でない異なる2つの3次曲線は重複を含め、常に9点で交わる。したがって、ケイリー＝バッハラッハの定理は、どの7点も同一円錐曲線にない8つの交点を与えたとき、曲線の族内の任意の2つの交点の最後の点は不動であることを主張する。

応用ケイリー＝バッハラッハの定理の特殊な場合にパスカルの定理がある。パスカルの定理は円錐曲線上に6点を取ったとき、と、と、との交点は共線であるという定理である。3次曲線の1つを3直線に退化させ、6つの交点を円錐曲線上に配置すれば、（もう一方の3次曲線をその円錐曲線とある1本の直線として）ケイリー＝バッハラッハの定理より残り3つの交点が共線になる。

パップスの六角形定理は、上述の円錐曲線をさらに2直線に退化させることで示される。

ケイリー＝バッハラッハの定理の上記の3番目の場合は楕円曲線の点の加法性により証明できる。1つめの3次曲線を3直線とする。8点は、2つの3次曲線の共通の点である。9つ目の点はとなって一致する。

次元の勘定ケイリー＝バッハラッハの定理と、それが3次曲線で起きる理由はから説明できる。9つの点は一意的な三次曲線を決定する。したがって、9つの点が2つ以上の3次曲線上にある場合、つまり2つの3次曲線の（つの）交点である場合、この点らはにはないこと、1次元のがあることを意味する。そして、この9点を通る3次曲線は"eight implies nine"という特性を満たすように、さらなる条件を満たす。これを一般に過剰度（superabundance）という。過剰度については曲面のリーマン・ロッホの定理を見よ。

詳細形式的には、まず、次の2つの曲線が与えられたとき、方程式の線型結合でそれらが次の束（1変数の線形システム）を成すことを考える。これは曲線の（あるいは単に射影空間）上の射影直線を決定する2点に対応する。

ケイリー＝バッハラッハの定理は高次においても起こる。これは次の2曲線の交点の個数が次数の曲線を決定する点の個数より早く成長するためである。次数の曲線を決定する点の個数は次式で与えられる。

の場合がケイリー＝バッハラッハの定理に対応する。より高次の場合でもはこの数より大きいので、ケイリー＝バッハラッハの定理はより高次に一般化される。

具体的には、次の曲線の決定に必要な点の個数は、次の単項式の数から1を引いた数である。小さいにおいては以下の様な計算になる。

2と1: 2点が直線を決定し、2直線は一点で交わる。 5と4: 5点が円錐曲線を決定し、2つの円錐曲線は4点で交わる。 9と9: 9点が三次曲線を決定し、2つの3次曲線は9点で交わる。 14と16.

したがってケイリー＝バッハラッハの定理が起きる最初の数は3で、のとき、交点の数が曲線の決定に必要な数を上回る。

これは3次曲線が高次の代数曲線より猶更特別であることを意味する。より低い次数、1次の場合は、2直線は1点で交わるが、これは一般的な位置にある。2次曲線も4点で交わるが、二次曲線が既約で、交点が共線でないとするならば、これも一般的な位置である。5つの条件が2次方程式を決定するので、4点では、曲線の方程式が決まらないからである（4点を通る二次曲線の束を成す）。一方、3次方程式は9つの条件で決定されるため、ある9つの点を通る3次曲線が束を成すということは、その9点が特別な位置にあることということになる。したがって解となる空間の次元は1つ高くなり、追加の条件"8 implies 9"を導く。

より具体的には、を変数とする3次の斉次多項式のベクトル空間は10次元を持つので、異なる8点を通る3次曲線の系は2次以上のベクトル空間で媒介変数表示される（ある点で多項式が0になることは1つの線型条件を課す）。これは、どの4点も共線でないかつ、どの7点も円錐曲線上にないならば、2次になることを導ける。ケイリー＝バッハラッハの定理はこの事実から演繹される chapter 5, section 4 (The cubic surface in ), Corollary 4.5.。

ケイリー＝バッハラッハの定理

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