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Jets > Example 3

Example 3 -- jets of determinantal varieties

Consider the determinantal varieties $X_r$ of $3\times 3$ matrices of rank at most $r$, which are defined by the vanishing of minors of size $r+1$. We illustrate computationally some of the known results about jets.

i1 : R=QQ[x_(1,1)..x_(3,3)]

o1 = R

o1 : PolynomialRing
i2 : G=genericMatrix(R,3,3)

o2 = | x_(1,1) x_(2,1) x_(3,1) |
     | x_(1,2) x_(2,2) x_(3,2) |
     | x_(1,3) x_(2,3) x_(3,3) |

             3       3
o2 : Matrix R  <--- R

Since $X_0$ is a single point, its first jet scheme consists of a single (smooth) point.

i3 : I1=minors(1,G)

o3 = ideal (x   , x   , x   , x   , x   , x   , x   , x   , x   )
             1,1   1,2   1,3   2,1   2,2   2,3   3,1   3,2   3,3

o3 : Ideal of R
i4 : JI1=jets(1,I1)

o4 = ideal (x1   , x0   , x1   , x0   , x1   , x0   , x1   , x0   , x1   ,
              1,1    1,1    1,2    1,2    1,3    1,3    2,1    2,1    2,2 
     ------------------------------------------------------------------------
     x0   , x1   , x0   , x1   , x0   , x1   , x0   , x1   , x0   )
       2,2    2,3    2,3    3,1    3,1    3,2    3,2    3,3    3,3

o4 : Ideal of QQ[x0   ..x0   ][x1   ..x1   ]
                   1,1    3,3    1,1    3,3
i5 : dim JI1, isPrime JI1

o5 = (0, true)

o5 : Sequence

The jets of $X_2$ (the variety of maximal minors) are known to be irreducible (see Theorem 3.1 in T. KoŇ°ir, B.A. Sethuraman, Determinantal varieties over truncated polynomial rings [KS05], or Corollary 4.13 in R. Docampo, Arcs on determinantal varieties [Doc13]).

i6 : I3=minors(3,G)

o6 = ideal(- x   x   x    + x   x   x    + x   x   x    - x   x   x    -
              1,3 2,2 3,1    1,2 2,3 3,1    1,3 2,1 3,2    1,1 2,3 3,2  
     ------------------------------------------------------------------------
     x   x   x    + x   x   x   )
      1,2 2,1 3,3    1,1 2,2 3,3

o6 : Ideal of R
i7 : JI3=jets(1,I3)

o7 = ideal ((- x0   x0    + x0   x0   )x1    + (x0   x0    - x0   x0   )x1   
                 2,3  3,2     2,2  3,3   1,1      2,3  3,1     2,1  3,3   1,2
     ------------------------------------------------------------------------
     + (- x0   x0    + x0   x0   )x1    + (x0   x0    - x0   x0   )x1    + (-
            2,2  3,1     2,1  3,2   1,3      1,3  3,2     1,2  3,3   2,1     
     ------------------------------------------------------------------------
     x0   x0    + x0   x0   )x1    + (x0   x0    - x0   x0   )x1    + (-
       1,3  3,1     1,1  3,3   2,2      1,2  3,1     1,1  3,2   2,3     
     ------------------------------------------------------------------------
     x0   x0    + x0   x0   )x1    + (x0   x0    - x0   x0   )x1    + (-
       1,3  2,2     1,2  2,3   3,1      1,3  2,1     1,1  2,3   3,2     
     ------------------------------------------------------------------------
     x0   x0    + x0   x0   )x1   , - x0   x0   x0    + x0   x0   x0    +
       1,2  2,1     1,1  2,2   3,3      1,3  2,2  3,1     1,2  2,3  3,1  
     ------------------------------------------------------------------------
     x0   x0   x0    - x0   x0   x0    - x0   x0   x0    + x0   x0   x0   )
       1,3  2,1  3,2     1,1  2,3  3,2     1,2  2,1  3,3     1,1  2,2  3,3

o7 : Ideal of QQ[x0   ..x0   ][x1   ..x1   ]
                   1,1    3,3    1,1    3,3
i8 : isPrime JI3

o8 = true

As for the case of $2\times 2$ minors, Theorem 5.1 in [KS05], Theorem 5.1 in C. Yuen, Jet schemes of determinantal varieties, and Corollary 4.13 in [Doc13] all count the number of components; the first two references describe the components further. As expected, the first jet scheme of $X_1$ has two components, one of them an affine space.

i9 : I2=minors(2,G)

o9 = ideal (- x   x    + x   x   , - x   x    + x   x   , - x   x    +
               1,2 2,1    1,1 2,2     1,3 2,1    1,1 2,3     1,3 2,2  
     ------------------------------------------------------------------------
     x   x   , - x   x    + x   x   , - x   x    + x   x   , - x   x    +
      1,2 2,3     1,2 3,1    1,1 3,2     1,3 3,1    1,1 3,3     1,3 3,2  
     ------------------------------------------------------------------------
     x   x   , - x   x    + x   x   , - x   x    + x   x   , - x   x    +
      1,2 3,3     2,2 3,1    2,1 3,2     2,3 3,1    2,1 3,3     2,3 3,2  
     ------------------------------------------------------------------------
     x   x   )
      2,2 3,3

o9 : Ideal of R
i10 : JI2=jets(1,I2)

o10 = ideal (x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , - x0   x0   
               2,2  1,1     2,1  1,2     1,2  2,1     1,1  2,2      1,2  2,1
      -----------------------------------------------------------------------
      + x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , -
          1,1  2,2    2,3  1,1     2,1  1,3     1,3  2,1     1,1  2,3   
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x0    + x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    +
        1,3  2,1     1,1  2,3    2,3  1,2     2,2  1,3     1,3  2,2  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1   , - x0   x0    + x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    -
        1,2  2,3      1,3  2,2     1,2  2,3    3,2  1,1     3,1  1,2  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    + x0   x1   , - x0   x0    + x0   x0   , x0   x1    -
        1,2  3,1     1,1  3,2      1,2  3,1     1,1  3,2    3,3  1,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , - x0   x0    + x0   x0   ,
        3,1  1,3     1,3  3,1     1,1  3,3      1,3  3,1     1,1  3,3 
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , - x0   x0    +
        3,3  1,2     3,2  1,3     1,3  3,2     1,2  3,3      1,3  3,2  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , -
        1,2  3,3    3,2  2,1     3,1  2,2     2,2  3,1     2,1  3,2   
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x0    + x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    +
        2,2  3,1     2,1  3,2    3,3  2,1     3,1  2,3     2,3  3,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1   , - x0   x0    + x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    -
        2,1  3,3      2,3  3,1     2,1  3,3    3,3  2,2     3,2  2,3  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    + x0   x1   , - x0   x0    + x0   x0   )
        2,3  3,2     2,2  3,3      2,3  3,2     2,2  3,3

o10 : Ideal of QQ[x0   ..x0   ][x1   ..x1   ]
                    1,1    3,3    1,1    3,3
i11 : P=primaryDecomposition JI2; #P

o12 = 2
i13 : P_1

o13 = ideal (x0   , x0   , x0   , x0   , x0   , x0   , x0   , x0   , x0   )
               3,3    3,2    3,1    2,3    2,2    2,1    1,3    1,2    1,1

o13 : Ideal of QQ[x0   ..x0   ][x1   ..x1   ]
                    1,1    3,3    1,1    3,3

The other component is the so-called principal component of the jet scheme, i.e., the Zariski closure of the first jets of the smooth locus of $X_1$. To check this, we first establish that the first jet scheme is reduced (i.e. its ideal is radical), then use the principalComponent method with the option principalComponent(...,Saturate=>...) set to false to speed up computations.

i14 : radical JI2==JI2

o14 = true
i15 : P_0 == principalComponent(1,I2,Saturate=>false)

o15 = true
i16 : P_0

o16 = ideal (x0   x0    - x0   x0   , x0   x0    - x0   x0   , x0   x0    -
               2,3  3,2     2,2  3,3    1,3  3,2     1,2  3,3    2,3  3,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x0   , x0   x0    - x0   x0   , x0   x0    - x0   x0   ,
        2,1  3,3    2,2  3,1     2,1  3,2    1,3  3,1     1,1  3,3 
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x0    - x0   x0   , x0   x0    - x0   x0   , x0   x0    -
        1,2  3,1     1,1  3,2    1,3  2,2     1,2  2,3    1,3  2,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x0   , x0   x0    - x0   x0   , x0   x1    - x0   x1    -
        1,1  2,3    1,2  2,1     1,1  2,2    3,3  2,2     3,2  2,3  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    + x0   x1   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    +
        2,3  3,2     2,2  3,3    3,3  2,1     3,1  2,3     2,3  3,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   ,
        2,1  3,3    3,2  2,1     3,1  2,2     2,2  3,1     2,1  3,2 
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , x0   x1    -
        3,3  1,2     3,2  1,3     1,3  3,2     1,2  3,3    2,3  1,2  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , x0   x1    - x0   x1    -
        2,2  1,3     1,3  2,2     1,2  2,3    3,3  1,1     3,1  1,3  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    + x0   x1   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    +
        1,3  3,1     1,1  3,3    3,2  1,1     3,1  1,2     1,2  3,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1   , x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   ,
        1,1  3,2    2,3  1,1     2,1  1,3     1,3  2,1     1,1  2,3 
      -----------------------------------------------------------------------
      x0   x1    - x0   x1    - x0   x1    + x0   x1   , x1   x1   x1    -
        2,2  1,1     2,1  1,2     1,2  2,1     1,1  2,2    1,3  2,2  3,1  
      -----------------------------------------------------------------------
      x1   x1   x1    - x1   x1   x1    + x1   x1   x1    + x1   x1   x1    -
        1,2  2,3  3,1     1,3  2,1  3,2     1,1  2,3  3,2     1,2  2,1  3,3  
      -----------------------------------------------------------------------
      x1   x1   x1   )
        1,1  2,2  3,3

o16 : Ideal of QQ[x0   ..x0   ][x1   ..x1   ]
                    1,1    3,3    1,1    3,3

Finally, as observed in Theorem 18 of S.R. Ghorpade, B. Jonov and B.A. Sethuraman, Hilbert series of certain jet schemes of determinantal varieties the Hilbert series of the principal component of the first jet scheme of $X_1$ is the square of the Hilbert series of $X_1$.

i17 : apply({P_0,I2}, X -> hilbertSeries(X,Reduce=>true))

                   2     3    4            2
       1 + 8T + 18T  + 8T  + T   1 + 4T + T
o17 = {------------------------, -----------}
                      10                  5
               (1 - T)             (1 - T)

o17 : List
i18 : numerator (first oo) == (numerator last oo)^2

o18 = true