3 The Second Form : Y b + Y cZd
Again, let K be a field of characteristic p > 0 and
S = K [Y1, . . . , Ys, Z1, . . . , Zt] .
In this section we shall determine the Hilbert-Kunz function of the hypersurface of the following form :
f := Yb+ YcZd
where Yb = Y1b1. . . Ysbs, Yc = Y1c1. . . Yscs, Zd = Z1d1. . . Ztdt. Let q = pn, J = {j | bj > cj}, and set R = S/ < f >. Then 0 ≤ |J | := m ≤ s, and w.l.o.g., we assume that b1 > c1, . . . , bm >
cm, bm+1 ≤ cm+1, . . . , bs≤ cs. We shall determine the assignment HKR(q) := dimK
S < Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, f >
.
Throughout this section, it is not restrictive to assume that b1 − c1 ≥ b2 − c2 ≥ · · · ≥ bm− cm > 0 , cm+1− bm+1 ≥ cm+2 − bm+2 ≥ · · · ≥ cs− bs ≥ 0, and d1 ≥ d2 ≥ · · · ≥ dt > 0.
Let u be the maximum of the integers b1− c1, cm+1− bm+1, and d1; that is, u is the greatest integer among all (bj− cj)’s , (ch− bh)’s, and dk’s. We also denote by [y] the greatest integer less than or equal to y, and Sin(x) the elementary symmetric polynomial of degree i in n indeterminates x = (x1, . . . , xn). Let Iq be the ideal of S generated by all Yjq’s, Zkq’s, and f , and define (v)+ = max {0, v}.
Firstly, we prove the following lemma.
Lemma 3.1. Let S = K [Y1, . . . , Ys], s ≥ 1, and G the ideal generated by
Y1q, . . . , Ysq, Y1[q−α(b1−c1)−c1]+Ye+α(c−b)+, . . . , Ym[q−α(bm−cm)−cm]+Ye+α(c−b)+, and Yb,
where α is a positive integer, e = (e1, . . . , es), e1 = c1, . . . , em = cm, em+1 = bm+1, . . . , es = bs, and (c − b)+ = (0, . . . , 0, cm+1 − bm+1, . . . , cs− bs). Then the dimension of S/G is equal to
qs−
s
Y
j=1
(q − bj) −
m
Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch − bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch − bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − cj]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch − bh) − bh]+
−
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj − cj) − cj]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+.
Proof : If [q − α(bj − cj) − cj ]+ = 0 for some j with 1 ≤ j ≤ m, then G is generated by Y1q, . . . , Ysq, Ye+α(c−b)+, and Yb.
Thus,
dimK S/G = qs−
s
Y
j=1
(q − bj) −
m
Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+.
From now on, we assume q − α(bj − cj) − cj > 0 for each j = 1, 2, . . . , m. Let lα be the minimum of
q − α(bj− cj) − 1 cj
,
q − 1
bh+ α(ch− bh)
j = 1, . . . , m, h = m + 1, . . . , s
. Then we have q − α(bj0 − cj0) ≤ (lα+ 1)cj0 for some j0 with 1 ≤ j0 ≤ m or
q ≤ (lα+ 1) bh0+ α(ch0− bh0)
for some h0 with m + 1 ≤ h0 ≤ s, and q − α(bj− cj) − lαcj ≥ 1 for each j and q − lα(bh+ α(ch− bh)) ≥ 1 for each h.
We consider the ideals Gβ = G : Yβ[e+α(c−b)+], for β = 0, 1, 2, . . . , lα + 1. Since G0 = G, Glα+1 = S, and Gβ+1 = Gβ : Ye+α(c−b)+, we have the exact sequence of K-modules :
0 −→ S/Gβ+1 Ye+α(c−b)+−→ S/Gβ −→ S / < Gβ, Ye+α(c−b)+ > −→ 0.
It follows that
dimK S/G = dimK S/G0 =
lα
X
β=0
dimK
S / < Gβ, Ye+α(c−b)+ > .
We compute dimK
S / < Gβ, Ye+α(c−b)+ >
as follows :
For β = 0, the ideal < G0, Ye+α(c−b)+ > is generated by Y1q, . . . , Ysq, Ye+α(c−b)+, and Yb. Thus,
dimK
S / < G0, Ye+α(c−b)+ >
= qs−
s
Y
j=1
(q − bj) −
m
Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+.
For 1 ≤ β ≤ lα, the ideal Gβ = G : Yβ[e+α(c−b)+] is generated by
Y1q−α(b1−c1)−βc1, . . . , Ymq−α(bm−cm)−βcm, Ym+1q−β[bm+1+α(cm+1−bm+1)], . . . , Ysq−β[bs+α(cs−bs)], and Y1(b1−βc1)+· · · Ym(bm−βcm)+Ym+1[bm+1−β(bm+1+α(cm+1−bm+1))]+· · · Ys[bs−β(bs+α(cs−bs))]+ .
Thus, the ideal < Gβ, Ye+α(c−b)+ > is generated by
Y1q−α(b1−c1)−βc1, . . . , Ymq−α(bm−cm)−βcm, Ym+1q−β[bm+1+α(cm+1−bm+1)], . . . , Ysq−β[bs+α(cs−bs)],
Y1(b1−βc1)+· · · Ym(bm−βcm)+Ym+1[bm+1−β(bm+1+α(cm+1−bm+1))]+· · · Ys[bs−β(bs+α(cs−bs))]+, and Ye+α(c−b)+. Hence,
dimK
S / < Gβ, Ye+α(c−b)+ >
=
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − βcj]+
s
Y
h=m+1
[q − β(bh+ α(ch− bh))]+
−
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − (β + 1)cj]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh + α(ch− bh))]+
−
m
Y
j=1
q − α(bj − cj) − βcj− (bj− βcj)+
+ s
Y
h=m+1
[q − β(bh+ α(ch− bh)) − [bh− β(bh
+α(ch− bh))]+
++
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − βcj− ujβ]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch− bh))]+,
where ujβ = max cj , [ bj− βcj ]+ . Now,we have
dimK S/G = qs−
s
Y
j=1
(q − bj) −
m
Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
lα
X
β=1
( m Y
j=1
[q − α(bj − cj) − βcj ]+
s
Y
h=m+1
[q − β(bh+ α(ch− bh))]+
−
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − (β + 1)cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch− bh))]+ )
−
lα
X
β=1
( m Y
j=1
q − α(bj − cj) − βcj− (bj− βcj)+
+ s
Y
h=m+1
[q − β(bh+ α(ch− bh))]+
−
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − βcj − ujβ]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch− bh))]+ )
.
Let (4) be the term
lα
X
β=1
( m Y
j=1
[q − α(bj − cj) − βcj ]+
s
Y
h=m+1
[q − β(bh+ α(ch− bh))]+
−
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − (β + 1)cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch − bh))]+ )
.
Since q − α(bj0 − cj0) ≤ (lα+ 1)cj0 for some j0 with 1 ≤ j0 ≤ m or q ≤ (lα+ 1) bh0+ α(ch0 − bh0)
for some h0 with m + 1 ≤ h0 ≤ s,
the term (4) is equal to
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+.
Let (44) be the term
lα
X
β=1
( m Y
j=1
q − α(bj − cj) − βcj − (bj− βcj)+
+ s
Y
h=m+1
[q − β(bh+ α(ch− bh))]+
−
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − βcj− ujβ ]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch− bh))]+ )
.
Since
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − βcj− ujβ ]+
s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch− bh))]+
=
m
Y
j=1
q − α(bj − cj) − (β + 1)cj − (bj− (β + 1)cj)+
+ s
Y
h=m+1
[q − (β + 1)(bh+ α(ch− bh))]+,
where β = 1, 2, . . . , lα− 1, the term (44) is equal to
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj− cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
−
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − lαcj− ujlα ]+
s
Y
h=m+1
[q − (lα+ 1)(bh+ α(ch− bh))]+.
Since q − α(bj0 − cj0) ≤ (lα+ 1)cj0 or q ≤ (lα+ 1) bh0 + α(ch0 − bh0), we have
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − lαcj− ujlα ]+ = 0 or
s
Y
h=m+1
[q − (lα+ 1)(bh+ α(ch − bh))]+ = 0.
Thus, (44) is equal to
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj− cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+.
Therefore,
dimK S/G = qs−
s
Y
j=1
(q − bj) −
m
Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
[q − α(bj− cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
−
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj − cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+.
Since u is the maximum of the integers among all (bj − cj)’s, (ch− bh)’s, and dk’s, we have
q−v
u := min (
h q−c
j−1 bj−cj
i ,h
q−bh−1 ch−bh
i ,h
q−1 dk
i
bj − cj > 0, ch− bh > 0, 1 ≤ j ≤ m m + 1 ≤ h ≤ s, 1 ≤ k ≤ t
)
for q 0, where v = 1 or 1 + cj for some j or 1 + bh for some h. Let lu be the integer
q−v
u , and be the remainder of q − v divided by u. Then lu = q−v−u and one has q − lu(bj − cj) − cj > 0, q − lu(ch − bh) − bh > 0, and q − ludk > 0 for all j, h, and k. On the other hand, by the definition of lu, at least one of [q − (lu + 1)(bj − cj) − cj ]+’s , [q − (lu+ 1)(ch− bh) − bh]+’s , and [q − (lu+ 1)dk]+’s must be zero .
Proposition 3.2. Let f := Yb+ YcZd. Then HKR(q) is equal to
qs+t− qt
s
Y
j=1
(q − bj)
−
m
Y
j=1
(q − cj) × ( lu
X
α=1
" s Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]
#
×
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
#)
+
m
Y
j=1
(q − bj) × ( l
u
X
α=1
" s Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]
#
×
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
#)
+
lu
X
α=1
( m Y
j=1
[q − α(bj − cj) − cj ]
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh] −
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj− cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh] )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
,
where lu is the integer q−v
u , and 0 ≤ m ≤ s .
Proof : We prove this proposition by discussing on m, and let < be the lexicographic order on S.
Case 1 : Assume that m = 0, i.e., bj ≤ cj for each j = 1, 2, . . . , s. Then YcZd is the leading term of f . The elements
Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, and Yb
form a Gr¨obner basis of the ideal Iq . Thus, the ideal in(Iq) is generated by the elements as above. It follows that
dimK S/in (Iq) = dimK
S / < Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, Yb > .
Hence, HKR(q) = qs+t− qtQs
j=1(q − bj) . Case 2 : Suppose that 1 ≤ m ≤ s, and define
ej = cj for 1 ≤ j ≤ m, and eh = bh for m + 1 ≤ h ≤ s.
Then Yb is the leading term of f and Ye = Y1e1· · · Yses = Y1c1· · · YmcmYm+1bm+1· · · Ysbs . By means of Buchberger’s algorithm (Algorithm 1.9), the elements
Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, Yb+ YcZd, and
Yj[q−δ(bj−cj)−cj]+Ye+δ(c−b)+Zδd, j = 1, . . . , m, δ = 1, . . . , l, form a Gr¨obner basis of the ideal Iq, where l =h
q−1 d1
i . Hence, the ideal in(Iq) is generated by
Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, Yb, and Yj[q−δ(bj−cj)−cj]+Ye+δ(c−b)+Zδd, j = 1, . . . , m, δ = 1, . . . , l.
Now we have to compute the dimension of S/in(Iq). In order to do this, we consider the ideals Kα = in(Iq) : Zαd for α = 0, 1, . . . , l + 1. Since K0 = in(Iq), Kl+1 = S, and Kα+1 = Kα : Zd, we have the exact sequence of K-modules :
0 −→ S/Kα+1 Zd
−→ S/Kα −→ S / < Kα, Zd> −→ 0.
It follows that
dimK S/in(Iq) = dimK S/K0 =
l
X
α=0
dimK
S / < Kα, Zd> .
We compute dimK
S / < Kα, Zd>
as follows :
For α = 0, the ideal < K0, Zd> is generated by Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, Yb, and Zd. Therefore,
dimK
S / < K0, Zd>
= dimK
S / < Y1q, . . . , Ysq, Z1q, . . . , Ztq, Yb, Zd >
= qs+t− qt
s
Y
j=1
(q − bj) − qs
t
Y
k=1
(q − dk) +
s
Y
j=1
(q − bj)
t
Y
k=1
(q − dk).
For 1 ≤ α ≤ l, the ideal < Kα, Zd> is generated by
Y1q, . . . , Ysq, Z1q−αd1, . . . , Ztq−αdt, Yb, Zd, and Yj[q−α(bj−cj)−cj]+Ye+δ(c−b)+, j = 1, . . . , m.
Let S1 = K [Y1, . . . , Ys], and S2 = K [Z1, . . . , Zt]. Then by Lemma 3.1, we have dimK
S / < Kα, Zd>
= dimK
S1 / < Y1q, . . . , Ysq, Yb, Y1[q−α(b1−c1)−c1]+Ye+α(c−b)+, . . . , Ym[q−α(bm−cm)−cm]+Ye+α(c−b)+ >
× dimK
S2 / < Z1q−αd1, . . . , Ztq−αdt, Zd>
= (
qs−
s
Y
j=1
(q − bj) −
m
Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
+
m
Y
j=1
[q − α(bj − cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
−
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj − cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+ )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
.
Since dimK S/in(Iq)
can be written as
dimK
S / < K0, Zd> +
l
X
α=1
dimK
S / < Kα, Zd > ,
it follows that dimK S/in(Iq)
is equal to qs+t− qt
s
Y
j=1
(q − bj) − qs
t
Y
k=1
(q − dk) +
s
Y
j=1
(q − bj)
t
Y
k=1
(q − dk)
+
"
qs−
s
Y
j=1
(q − bj)
#
× ( l
X
α=1
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
# )
−
l
X
α=1
( m Y
j=1
(q − cj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+ )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
+
l
X
α=1
( m Y
j=1
(q − bj)
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+ )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
+
l
X
α=1
( m Y
j=1
[q − α(bj− cj) − cj]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+−
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj − cj) − cj]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+ )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
.
Let (444) be the term
"
qs−
s
Y
j=1
(q − bj)
#
× ( l
X
α=1
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
# ) .
Since l =h
q−1 d1
i
, we have q ≤ (l + 1)d1, and so Qt
k=1[q − (α + 1)dk]+ = 0.
Thus, the term (444) is equal to
qs
t
Y
k=1
(q − dk) −
s
Y
j=1
(q − bj)
t
Y
k=1
(q − dk).
It follows that dimK S/in(Iq)
is equal to
qs+t− qt
s
Y
j=1
(q − bj)
−
m
Y
j=1
(q − cj) × ( l
X
α=1
" s Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
#
×
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
#)
+
m
Y
j=1
(q − bj) × ( l
X
α=1
" s Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+
#
×
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
#)
+
l
X
α=1
( m Y
j=1
[q − α(bj − cj) − cj]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+−
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj− cj) − cj]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]+ )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
.
By the definition of lu, we have HKR(q) = qs+t− qt
s
Y
j=1
(q − bj)
−
m
Y
j=1
(q − cj) × ( lu
X
α=1
" s Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]
#
×
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
#)
+
m
Y
j=1
(q − bj) × ( lu
X
α=1
" s Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh]
#
×
" t Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+
#)
+
lu
X
α=1
( m Y
j=1
[q − α(bj − cj) − cj ]
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh] −
m
Y
j=1
[q − (α + 1)(bj − cj) − cj ]+
s
Y
h=m+1
[q − α(ch− bh) − bh] )
× ( t
Y
k=1
(q − αdk) −
t
Y
k=1
[q − (α + 1)dk]+ )
.