2.1. Najprostszy układ- obrót na okręgu
Oznaczamy okrąg przez S1, zaś znormalizowaną miarę Lebesgue'a na S1 przez l.
Oznaczmy przez Tα obrót na okręgu o kąt 2πα.
Równoważnie: rozpatrzmy na prostej R przekształcenie (przesunięcie o α):
Przy naturalnym rzutowaniu π:x↦e2πix mamy
Dowód poniższego stwierdzenia pozostawiamy jako zadanie:
Stwierdzenie 2.1
-
(a) Jeśli α jest wymierne (α=pq), to każda trajektoria jest okresowa z okresem q.
-
(b) Jeśli α jest niewymierne, to każda trajektoria jest gęsta w S1.
-
(c)Jeśli α jest niewymierne to dla każdej funkcji ciągłej ϕ:S1→R mamy:
-
(d) Jeśli α jest niewymierne to dla każdego z∈S1 i dla każdego łuku I⊂S1
Uwaga 2.1
Z punktu (c) poprzedniego stwierdzenia mozemy wywnioskować że
a nawet więcej: dla każdej miary borelowskiej probabilistycznej ν na S1 i dla każdej funkcji ciągłej ϕ mamy:
|
ν+Tα*ν+…+Tαn-1*νnf=νf+νf∘Tα+…+νϕ∘Tαn-1n=ν(ϕ+ϕ∘Tα+…+ϕ∘Tαn-1n)→∫fdl |
|
Użyta tutaj zbieżność miar to słaba-* zmieżność (inaczej- zbieżność według rozkładu).
Zatem ciąg miar
jest zbieżny słabo-* (inaczej: zbieżny według rozkładu) do znormalizowanej miary Lebesgue'a na S1.
Wynika stąd, że istnieje tylko jedna probabilistyczna borelowska miara niezmiennicza dla Tα- jest to miara Lebesgue'a.
2.2. Homeomorfizmy okręgu. Liczba obrotu
Niech f będzie homeomorfizmem okręgu S1 zachowującym orientację. Wówczas istnieje ściśle monotoniczna funkcja F:R→R taka że π∘F=f∘π, gdzie π jest naturalnym rzutowaniem π:R→S1. πx=e2πix. Oczywiście funkcja F (zwana podniesieniem f) nie jest wyznaczona jednoznacznie; wszystkie inne podniesienia są postaci Fx+k, gdzie k∈Z.
Zauważmy własność podniesienia F:
Oczywiście, podniesieniem obrotu Tα jest przekształcenie Fα
Twierdzenie 2.1 (o istnieniu liczby obrotu)
Jeśli f jest homeomorfizmem S1 zachowującym orientację, F jego dowolnym podniesieniem, to dla każdego x∈R istnieje granica
Ta granica nie zależy od punktu x. Ponadto, jeśli F~=F+k jest innym podniesieniem, to ρF~=ρF+k. Zatem część ułamkowa ρF nie zależy od podniesienia. Oznaczamy ją ρf i nazywamy liczbą obrotu homeomorfizmu f.
Ponadto ρf∈Q wtedy i tylko wtedy gdy f ma punkt okresowy.
Załóżmy że f ma punkt okresowy x, fqx=x. Wybierzmy punkt X∈R leżący ”nad” x, tzn taki że πX=e2πiX=x. Wówczas
FqX=X+p dla pewnego p∈Z. Zatem
|
F2qX=FqFqX=FqX+p=FqX+p=X+2p |
|
i przez indukcję:
Dla n∈N znajdujemy k takie że kq≤n<k+1q i zapisujemy
|
FnXn=Fn-kq(Fqk(X)n=FqkXn+Fn-qkFqkX-FqkXn |
|
Teraz widzimy że pierwszy składnik dąży do pq gdy n→∞ zaś drugi dąży do zera (wystarczy zauważyc że licznik jest ograniczony).
Założmy teraz że granica FnXn istnieje
Jeśli wybierzemy inny punkt Y∈R, to Y∈X+k,X+k+1 dla pewnego k∈Z. Możemy zatem zapisac:
|
FnX+k+1=FnX+k+1>FnY≥FnX+k=FnX+k |
|
Po podzieleniu przez n widzimy że granica FnYn istnieje i jest taka sama jak dla punktu X.
Załóżmy że f nie ma punktu okresowego. Ustalamy X, m∈Z. Wówczas X+k<FmX<X+k+1 dla pewnego k∈Z.
Stosując tę obserwację ponownie, mamy:
|
X+2k<FmX+k<F2mX<FmX+k+1<X+2k+1 |
|
i, przez indukcję:
czyli
Oznaczając an=FnX-Xn mamy:
oraz (kładąc n=1)
Zatem
anm-am<2m i podobnie (zamieniając m i n rolami) anm-an<2n.
Stąd
Widzimy że ciąg an spełnia warunek Cauchy'ego, zatem jest zbieżny.
Pozostaje do pokazania że jeśli f nie ma punktu okresowego to ρf nie jest liczbą wymierną.
Niech α=pq; pokażemy że α≠ρf.
Zauważmy że FqX-X-p≠0 dla każdego X. Ponieważ funkcja FqX-X-p jest okresowa, wynika stąd że
FqX-X-p>δ dla pewnego dodatniego δ. Możemy założyc że FqX-X-p>δ. Mamy wówczas (przez indukcję) FkqX-pk>kδ a stąd:
|
limn→∞FnXn=limk→∞FkqXkq>pq+δq |
|
∎
Uwaga 2.2
Dla liczby obrotu homeomorfizmy nie zachowujące orientacji nie są ciekawe. Sprawdzić że homeomorfizm zmieniający orientację ma dwa punkty stałe na okręgu i zerową liczbę obrotu.
2.3. (Pół)sprzężenie z obrotem i Twierdzenie Denjoy
Dla x∈S1 oznaczmy przez ωx zbiór punktów skupienia trajektorii w przód punktu x.
Udowodnimy najpierw
Stwierdzenie 2.2
Niech f będzie homeomorfizmem okręgu zachowującym orientację, ρf∉Q. Wówczas
albo
-
dla każdego x∈S1 ωx=S1
albo
-
dla każdego x∈S1 ωx jest (tym samym dla wszystkich x!) zbiorem doskonałym, nigdziegęstym.
Dowód oprzemy na następującym łatwym lemacie:
Lemat 2.1
Niech f będzie homeomorfizmem okręgu, ρf∉Q. Niech m,n∈Z, x∈S1, I- odcinek o końcach fmx,fnx. Wówczas dla każdego y∈S1 orbita y,fy,… przecina I.
Załóżmy że m<n. Zauważmy że
fm-nI jest odcinkiem przylegającym do I, f2m-nI przylega do fm-nI itd. Otrzymujemy więc ciąg odcinków zawartych w ωx z ktorych następny przylega do poprzedniego. Twierdzimy że te odcinki pokryją cały okrąg. Istotnie, gdyby tak nie było- końce odcinków zbiegałyby do pewnego punktu z∈S1, stałego dla fm-n, więc okresowego dla f. Ale f nie ma punktów okresowych.
Skoro tak określone odcinki pokrywają cały okrąg- istnieje k≥0 takie że y∈fkm-nI . Wtedy fkn-my∈I.
∎
Z lematu natychmiast wynika że zbiór ωx nie zależy od x. Istotnie, niech p∈ωx
i niech fnix będzie ciągiem obrazów x zbieżnym do p. Weżmy dowolne y∈S1. Wówczas między każdymi dwoma punktami fnix,fni+1 znajdzie się jakis punkt z trajektorii y, a zatem - istnieje ciąg obrazów y zbieżny do p.
Załóżmy teraz że ωx ma niepuste wnętrze. Wówczas istnieje odcinek I⊂ωx o końcach fnx,fmx (gdzie m,n∈Z. Wtedy fm-nI jest odcinkiem przylegającym do I, f2m-nI przylega do fm-nI itd. Otrzymujemy więc ciąg odcinków zawartych w ωx z ktorych następny przylega do poprzedniego. Tak jak w dowodzie lematu - sprawdzamy że odcinki te muszą pokryć cały okrąg. Zatem ωx=S1.
Pozostaje do wykazania że zbiór ωx jest doskonały. Domkniętość wynika z samej definicji ωx. Niech p∈ωx. Wiemy już że zbiór graniczny ωx nie zależy od x, w takim razie ωx=ωp i p∈ωp. Zatem- istnieje ciąg fnip→p. Wszystkie punkty fnip należą do ωp=ωx. Więc p jest granicą ciągu punktów należących do ωx. Wykazaliśmy że ωx jest doskonały.
∎
Twierdzenie 2.2 (o półsprzężeniu z obrotem)
Niech f:S1→S1 będzie homeomorfizmem zachowującym orientację i α=ρf niewymierne.
Wówczas istnieje ciągłe i zachowujące orientację przekształcenie h:S1→S1 stopnia 1 takie że
Ponadto, h jest homeomorfizmem wtedy i tylko wtedy gdy Pf=S1.
Uwaga 2.3
Inaczej możemy wyrazić własności h następująco:
Jeśli H:R→R jest podniesieniem h to Hx+1=Hx+1 i H jest monotoniczne (chociaż niekoniecznie ścisle monotoniczne). W istocie przekonamy się że jeśli zbiór Pf nie jest całym okręgiem (wówczas - jak już wiemy- S1∖Pf jest otwarty i gęsty w S1) to funkcja h przekształca każdą składową spójną zbioru
S1∖Pf w jeden punkt.
Dowód twierdzenia o półsprzężeniu.
Wybieramy jakieś podniesienie F homeomorfizmu f. Wybieramy jakiś punkt x∈Pf i jego podniesienie X∈R.
Rozpatrujemy zbiór OX=FnX+m (jest to dokładnie- podniesienie orbity fnx do prostej przy kanonicznym rzutowaniu π).
Określamy przekształcenie
H:OX→R wzorem:
Zauważmy następujące własności tego przekształcenia
(zostawiamy sprawdzenie jako ćwiczenie):
Stwierdzenie 2.3
Przekształcenie H zachowuje porządek, tzn.
|
Fn1X+m1>Fn2X+m2⇔n1α+m1>n2α+m2. |
|
Ponadto
|
H∘FY=HY+α,HY+1=HY+1, |
| (2.1) |
dla Y∈OX.
Przekształcenie H można teraz przedłużyc do ciągłego na OX¯=π-1Pf.
Istotnie, dla x∈OX¯ kładziemy:
|
Hx=supy∈OX,y<xHy=infy∈OX,y>xHy. |
|
Te dwie wartości (sup i inf) pokrywają się. Wynika to stąd że H jest ściśle rosnące na OX i że obraz HOX=nα+m jest gęsty w R.
Widzimy też (z określenia H na domknięciu OX) że jeśli I jest składową uzupełnienia OX to H|I jest stała.
Rozszerzona funkcja H ma oczywiście też własności opisane w równaniu (2.1).
Ponieważ H ma własność Hx+1=HX+1, H wyznacza ciągłe przekształcenie h:S1→S1
Z własności (2.1) wynika że h∘f=Tα∘h.
∎
Wykażemy teraz że przy pewnych założeniach na gładkość f h jest homeomorfizmem.
Dowód poprzedzimy spostrzeżeniem:
Stwierdzenie 2.4
Jeśli f jest homeomorfizmem z niewymierną liczbą obrotu, Pf≠S1, I- składowa S1∖Pf, to I jest zbiorem (łukiem) bładzącym:
dla n,m∈Z, n≠m.
Wystarczy zauważyć że jeśli a,b są końcami I to fnI jest łukiem o końcach fna,fnb. Z niezmienniczości zbioru Pf wynika że punkty a,b,fna,fnb∈Pf i że fnI jest inną składową S1∖Pf.
∎
Wniosek 2.1
Przekształcenie h skonstruowane w Twierdzeniu 6.1 jest homeomorfizmem wtedy i tylko wtedy gdy f nie ma odcinka (łuku) bładzącego.
Twierdzenie 2.3 (Twierdzenie Denjoy)
Jeśli f:S1→S1 jest dyfeomorfizmem klasy C2 o niewymiernej liczbie obrotu, to f jest topologicznie sprzężone z obrotem o kąt α=ρf.
Uwaga 2.4
Oczywiście dla wymiernej liczby obrotu twierdzenie jest nieprawdziwe.
Dla obrotu o kąt wymierny wszystkie punkty są okresowe.
Dowód Twierdzenia Denjoy
Zgodnie z poprzednim stwierdzeniem, wystarczy pokazać że f nie ma odcinka (łuku) błądzącego.
Niech I będzie takim odcinkiem.
Mamy wówczas
|
|fn(I)=|(f′)(z1n)||I|,|f-n(I)=|I|⋅1fn′z2n |
|
dla pewnych punktów z1n∈I, Z2n∈f-nI.
Mnożąc stronami otrzymujemy:
|
fnI⋅f-nII=fn′z1n⋅1fn′z2n |
|
Logarytmując mamy:
|
|log(fnI⋅f-nII)|=|log|(fn)′(z1n)|-log|(fn)′(z2n)||≤∑i=0n-1|log|f′|(fi(z1n)-log|f′|(fi(z2n)| |
|
Ponieważ f jest dyfeomorfizmem klasy C2- funkcja logf′ jest lipschitzowska. Zatem ostatnią sume możemy oszacować z góry przez
gdzie L=supf′′f′ jest stałą Lipschitza dla funkcji logf′, zaś przez fiz1n,fiz2n oznaczyliśmy odcinek (łuk) o końcach fiz1n, fiz2n.
Zauważmy teraz że wyrażenie po lewej stronie nierówności dąży do nieskończoności gdy n→∞ (wynika to stąd że długości odcinków fnI,f-nI muszą dążyć do zera, skoro jest to odcinek błądzący).
Zatem, jeśli wskażemy nieskończony ciąg n-ów, dla którego odcinki fiz1n,fiz2n (i<n) będą parami rozłaczne- dostaniemy sprzeczność , bo wówczas wyrażenie po prawej stronie będzie sie szacowało z góry przez długość okręgu.
Taki ciąg nów jest wskazany w następnym stwierdzeniu (ktore kończy dowód tw Denjoy)
Stwierdzenie 2.5
Niech I będzie odcinkiem błądzącym dla f, Vn-minimalnym łukiem zawierającym I,f-nI, ale nie zawierajacym fI. Wówczas dla nieskończenie wielu n odcinki Vn,fVn…fn-1Vn są parami rozlączne.
Ze względu na półsprzężenie f z obrotem o kąt α wystarczy udowodnić że dla nieskończenie wielu n odcinek (łuk) Wn łaczący punkty x i Tα-nx ma analogiczną własność: Wn,TαWn…Tαn-1Wn są parami rozlączne. Można łatwo się przekonać że tak jest jeśli wybieramy n jako czas ”najbliższego podejścia do początku trajektorii”, tzn takie n że dx,Tjx>dx,Tnx dla wszystkich j=1,2,…n-1.
∎
Wniosek 2.2
Dla tak wybranych n (łuki) fiz1n,fiz2n (i=0,…,n-1) są parami rozłączne, bo fiz1n,fiz2n⊂fiVn.
∎