Zagadnienia

3. Strukturalna stabilność. Układy Morse'a-Smale'a na okręgu

3.1. Pojęcie strukturalnej stabilności dla przekształceń i dla pól wektorowych

Mówiąc nieformalnie, przekształcenie (lub pole wektorowe) chcemy nazwać strukturalnie stabilnym- w jakiejś klasie, jeśli po małym zaburzeniu - w obrębie tej klasy- przekształcenie (pole wektorowe) zachowa swoje własności, czyli dynamika nie zmieni się.

Poniżej formalizujemy tę definicję. Najpierw musimy wprowadzić jakieś formalne pojęcie odległości w przestrzeni przekształceń, dyfeomorfizmów i pól wektorowych.

3.1.1. Metryki i topologie w przestrzeniach przekształceń i w przestrzeniach pól wektorowych

O wszystkich rozmaitościach które tu rozpatrujemy, będziemy zakładali że są klasy C∞ i że są zanurzone w Rs (dla pewnego s). Niech M będzie taką rozmaitościa, m=dim⁢M, załóżmy dodatkowo że M jest zwarta. Istnieje skończony atlas- rodzina map φi:B⁢0,1→M (można oczywiście założyć że B⁢0,1 jest wspólną dziedziną dla wszystkich map z atlasu. Wówczas, dla pewnego ρ<1 obrazy mniejszej kuli B⁢0,r przy φi też pokrywają M. Jesli f,g:M→Rk to możemy określić odległość f i g:

dCr⁢f,g=maxi⁢f∘φi-g∘φiCr|B(0,ρ)

Sprawdzenie następującego faktu pozostawiamy jako zadanie:

Stwierdzenie 3.1

Tak zdefiniowana metryka zależy oczywiście od wyboru atlasu, ale topologia wyznaczona przez te metrykę nie zależy od atlasu, ani od wyboru r.

Ponieważ każde pole wektorowe na rozmaitości M zanurzonej w Rs można traktować jak funkcję określoną na rozmaitości, o wartościach w Rs, w ten sposób mamy zdefiniowaną topologię Cr w przestrzeni pól wektorowych klasy Cr na M.

Podobnie, jeśli N jest rozmaitością gładką zanurzoną w Rk, to mamy w ten sposób określoną topologię Ck w przestrzeni przekształceń f:M→N.

Będziemy dalej rozpatrywali dyfeomorfizmy klasy Cr, f:M→M.

Stwierdzenie 3.2

W przestrzeni wszystkich przekształceń f:M→M klasy Cr dyfeomorfizmy stanowią otwarty podzbiór.

3.1.2. Równoważność i sprzężenie między polami wektorowymi i dyfeomorfizmami

Definicja 3.1

Niech M będzie gładką zwartą rozmaitością. Mówimy że dwa pola wektorowe X, y na rozmaitości M są topologicznie równoważne jeśli istnieje homeomorfizm h:M→M przekształcający trajektorie (krzywe całkowe) pola X na trajektorie pola Y, z zachowaniem orientacji (ale niekoniecznie czasu!)

Definicja 3.2

Pola X, Y na M są topologicznie sprzężone jeśli istnieje homeomorfizm h:M→M sprzęgający potoki tych pól. Dokładniej- niech φt będzie potokiem pola X, ψt-potokiem pola Y. Sprzężenie oznacza że

h∘φt=ψt∘h
Stwierdzenie 3.3

Jeśli h jest topologiczną równoważnością między polami X i Y to

  1. p∈M jest punktem stacjonarnym pola X⇔h⁢p jest punktem stacjonarnym pola Y.

  2. trajektoria pola X przechodząca przez punkt p∈M jest zamknięta wtedy i tylko wtedy gdy trajektoria pola Y przechodząca przez punkt h⁢p∈M jest zamknięta.

  3. h⁢ω⁢p=ω⁢h⁢p

Ćwiczenie 3.1

Zbudować sprzężenie topologiczne między polami na płaszczyźnie:

X⁢x,y=x,y
Y⁢x,y=x+y,-x+y
Ćwiczenie 3.2

Pole wektorowe na płaszczyźnie

Z⁢x,y=y,-x

nie jest sprzężone i nie jest równowazne żadnemu z pól X,Y.

Definicja 3.3

Niech M będzie gładką rozmaitością, f,g:M→M- dyfeomorfizmy. Mówimy że f i g są topologicznie sprzężone jeśli istnieje homeomorfizm h:M→M taki że h∘f=g∘h.

3.1.3. Strukturalna stabilność

Definicja 3.4

Niech M będzie zwartą rozmaitością; X- polem wektorowym klasy Cr na M. Mówimy że X jest Cr- strukturalnie stabilne jeśli istnienie otoczenie U pola X w Cr topologii w przestrzeni pól wektorowych na M takie że każde pole wektorowe Y∈U jest topologicznie równoważne polu X.

Definicja 3.5

Niech M będzie zwartą rozmaitością, f:M→M dyfeomorfizmem klasy Cr. Mówimy że f jest strukturalnie stabilne jeśli istnieje otoczenie W∋f w Cr⁢M,M takie że każdy dyfeomorfizm g∈W jest topologicznie sprzężony z f.

3.2. Strukturalnie stabilne dyfeomorfizmy okręgu

W tym rozdziale podamy pełną charakteryzację C1- strukturalnie stabilnych dyfeomorfizmów okręgu.

Definicja 3.6

Dyfeomorfizm f:S1→S1 klasy C1 zachowujacy orientację nazywamy dyfeomorfizmem Morse'a- Smale'a jeśli ρ⁢f∈Q oraz dla każdego punktu okresowego x mamy fq′⁢x≠1 (gdzie q jest okresem, wspólnym dla wszystkich punktów okresowych). (Punkt okresowy o tej własności nazywamy niezdegenerowanym.)

Twierdzenie 3.1 (O strukturalnie stabilnych dyfeomorfizmach okręgu)
  • Dyfeomorfizm f:S1→S1 jest strukturalnie stabilny wtedy i tylko wtedy gdy jest dyfeomorfizmem Morse'a-Smale'a.

  • Dyfeomorfizmy Morse'a Smale'a stanowią gęsty podzbiór przestrzeni dyfeomorfizmów S1→S1 w C1 metryce.

Najpierw wykażemy że dyfeomorfizm Morse'a-Smale'a jest strukturalnie stabilny. Niech ρ⁢f=pq∈Q. Przechodząc do iteracji g=fq mamy ρ⁢g=0. Ponieważ wszystkie punkty stałę dla g są niezdegenerowane, jest ich skonczenie wiele. Oznaczmy je p1,…,pm. Oczywiście istnieje otoczenie punktów pi, U=⋃Ui takie ze dla X∉U G⁢X-X>ε, zas dla X∈U G′⁢X>1+ε. Stąd widac że jeśli zaburzyć f do f~ na tyle mało w C1 że G~- odpowiednie podniesienie g~=f~q jest ε2 blisko G,to G~ ma tyle samo punktów stałych co G i są one tego samego typu (zródła lub ścieki). Okrąg jest więc podzielony przez punkty okresowe f na łuki miedzy odpowiadajacymi sobie wzajemnie punktami okresowymi (dla f i tak samo dla f~). Wybierzmy jeden z tych łuków r,s i odpowiadający mu łuk r~,s~ Pokażemy jak zbudowac homeomorfizm sprzęgający g i g~ na odcinkach r,s i r~,s~.

Budowa sprzężenia $h$
Rys. 3.1. Budowa sprzężenia h.

(tu rysunek)

Wybieramy dowolny punkt x∈r,s i dowolny punkt x~∈r~,s~. Przekształcamy odcinek J=x,g⁢x na J~=x~,g~⁢x~ jakimkolwiek homeomorfizmem h. Ponieważ r,s=⋃i∈Zgi⁢J, można przedłużyc h na cały odcinek r,s kładąc h⁢gi⁢y=g~i⁢h⁢y. Mamy więc na odcinku r,s

h⁢fq⁢x=f~q⁢h⁢x (3.1)

Przedłużamy teraz sprzężenie h na całą orbitę odcinka r,s ⋃i≤fi⁢r,s tak aby otrzymać sprzężenie pomiędzy f i f~. Jest tylko jeden sposób na przedłużenie h: trzeba położyć

h⁢fi⁢x=f~i⁢h⁢x.
Ćwiczenie 3.3

Sprawdzić, używając równości (3.1) że tak zdefiniowane rozszerzenie h:S1→S1 rzeczywiscie jest sprzężeniem pomiędzy f i f~.

Zatem wykazaliśmy strukturalną stabilność dyfeomorfizmów Morse'a-Smale'a.

Pokażemy teraz że jesli f jest dyfeomorfizmem klasy C2 i ρ⁢f∉Q to można f zaburzyć dowolnie mało w metryce C2 tak że zmieni się liczba obrotu.

Uzyjemy sprzegającego z obrotem o kąt α=ρ⁢f homeomorfizmu, danego przez twierdzenie Denjoy. Tα∘h=h∘f. Rozpatrujemy teraz rodzinę dyfeomorfizmów

fε=Tε∘f,ε>0

(w poniesieniu odpowiada to wzięciu funkcji Fε⁢X=ε+F⁢X). Zauważmy że h(Tε(x)=ϕ(x) jest przekształceniem okręgu o dodatniej liczbie obrotu ( w podniesieniu mamy

H⁢X+ε=X+Φ⁢X,

Φ⁢X>0).

Zatem h∘fε∘h-1 ma większa liczbę obrotu niż f. Stad i samo fε ma większą niż f liczbę obrotu.

Skorzystamy z następującego faktu:

Stwierdzenie 3.4

Każdy dyfeomorfizm okręgu klasy C1 można przybliżyć w metryce C1 dyfeomorfizmami klasy C2 (a nawet C∞).

Z poprzedniego stwierdzenia wynika od razu ze każdy dyfeomorfizm klasy C1 ktory jest C1 strukturalnie stabilny musi mieć wymierną liczbę obrotu.

Wykażemy teraz że dyfeomorfizmy Morse'a-Smale'a klasy C1 stanowią gęsty podzbiór w metryce C1 w przestrzeni C1 dyfeomorfizmów okręgu.

Weźmy dowolny dyfeomorfizm g klasy C1. W jego dowolnie małym otoczeniu możemy znaleźć dyfeomorfizm f klasy C2. Jeśli ten dyfeomorfizm ma wymierną liczbe obrotu, ustalamy go. Jeśli nie- to zaburzamy f w taki sam sposób jak powyżej, tworząc rodzinę fε. Ponieważ, jak widzieliśmy, w ten sposób można zwiększyć liczbę obrotu i ponieważ liczba obrotu dla fε jest ciąglą funkcją ε, istnieje dowolnie małe ε takie że fε ma wymierną liczbę obrotu. Zatem- w dowolnie małym C1 otoczeniu funkcji g możemy wskazać dyfeomorfizm f klasy C2 z wymierną liczbą obrotu. Ustalmy ten dyfeomorfizm, nazwijmy go f.

Pokażemy że f można zaburzyć dowolnie mało w metryce C2 (więc tym bardziej-w C1) tak żeby wszystkie punkty okresowe stały się niezdegenerowane.

Najpierw załóżmy że istnieje przynajmniej jeden punkt okresowy niezdegenerowany dla f. Ten punkt dzieli okrąg na q łuków; w podniesieniu mamy odcinek długości 1 podzielony na q odcinków. Ustalamy jeden z tych odcinków, nazwijmy go r,s. Weźmy teraz nieco mniejszy odcinek r′,s′⊂r,s taki że w r,s∖r′,s′ nie ma żadnych punktów okresowych dla f (a dokładniej: podniesień punktów okresowych). Taki odcinek można wybrać bo trajektoria okresowa do której należa punkty r,s jest niezdegenerowana. Zmniejszając odcinek r,s możemy też założyć że istnieje δ>0 takie że jeśli f~ jest dyfeomorfizmem okręgu δ - bliskim f w metryce C1 i f~q⁢r=r, f~q⁢s=s to w odcinku r,s∖r′,s′ nie ma innych punktów stałych dla f~. Niech ϕ=ϕε będzie gładką funkcją określoną w r,s taką że ϕ=ε na odcinku r′,s′, ϕ=0 w otoczeniu punktów r,s. Przedłużamy funkcję ϕ do równej zero poza r,s. (rysunek Określamy nową rodzinę funkcji (w podniesieniu ) Fε=ϕε∘F. Dla małych ε funkcja Fε (odpowiednio fε) jest δ- bliska F (odpowiednio- f). Zatem jeśli x∈r,s jest punktem stałym dla fεq to albo x=r, albo x=s, albo x∈r′,s′. Zauważamy teraz że x jest punktem okresowym zdegenerowanym dla fε wtedy i tylko wtedy gdy X jest punktem krytycznym i miejscem zerowym dla funkcji Fεq⁢X-X+p. Ponieważ każda trajektoria długości q zawarta w r′,s′ (a wlaściwie: jej podniesienie) przecina dokładnie raz odcinek F⁢R′,S′, a funkcja F pozostaje niezmieniona poza tym odcinkiem, widzimy że na odcinku F-q-1⁢R′,S′ mamy Fεq=Fq+ε. Zatem jeśli istnieją punkty okresowe zdegenerowane dla fε, to p+ε jest wartością krytyczną dla funkcji X↦Fq⁢X-X. Aby pokazać że dla wielu ε to jest niemożliwe, skorzystamy z prostej wersji twierdzenia Sarda:

Lemat 3.1 (Twierdzenie Sarda na prostej)

Niech h:R→R będzie funkcją klasy C2. Wówczas zbiór wartości krytycznych dla h ma miarę Lebesgue'a równą zero.

Korzystając z tego lematu , możemy więc wybrać dowolnie małe ε, dla którego ε+p nie jest wartością krytyczną dla Fq⁢X-X. Zatem nasze Fε nie ma nezdegenerowanych punktów okresowych.

Dla zakończenia dowodu pozostaje upewnić się że zawsze można mało zaburzyć f aby otrzymać przynajmniej jeden punkt okresowy niezdegenerowany.

∎
Przykład 3.1

Rozważmy przekształcenie F dane wzorem F⁢X=X+ε⁢sin⁡2⁢π⁢k⁢X. Jesli 0<2⁢k⁢π⁢ε to F jest ściśle rosnąca i F⁢X+1=F⁢X⁢1. Zatem F wyznacza dyfeomorfizm okręgu. f ma 2⁢k punktów stałych; są to punkty odpowiadające wartościom na prostej X=j2⁢kj=0,…,2⁢k-1. Dla j nieparzystych mamy ścieki, dla j parzystych-źródła.

Przykład 3.2

Teraz niech F⁢X=X+1k+ε⁢sin⁡2⁢k⁢π⁢X. Tym razem mamy dwie orbity okresowe o okresie k; punkty 2⁢j2⁢k stanowią orbitę odpychającą, zaś punkty 2⁢j+12⁢k - orbitę przyciągającą. ρ⁢f=1k.

3.3. Strukturalnie stabilne pola wektorowe na okręgu

Poniżej- ważna definicja strukturalniej stabilności

Definicja 3.7

Mówimy że pole wektorowe v na zwartej gładkiej rozmaitości jest strukturalnie stabilne jeśli istnieje otoczenie U pola v w metryce C1, takie że dla każdego w∈U istnieje homeomorfizm h:M→M przekształcający trajektorie pola v na trajektorie pola w.

Uwaga 3.1

Tu pojawia się konieczność precyzyjnego określenia C1 topologii w przestrzeni pól wektorowych na zwartej głądkiej rozmaitości.

W tym rozdziale ograniczamy się jednak do pól wektorowych na okręgu S1. Ustalmy orientację na S1; w każdym punkcie x∈S1 mamy więc wyznaczony jednostkowy wektor styczny, dodatnio zorientowany 1x. Pole wektorowe jest więc wyznaczone przez funkcję v⁢x:S1→R (v⁢x=v⁢x⋅1x), lub- równoważnie - przez okresową funkcję V:R→R. Zauważmy że jeśli ϕt jest potokiem pola wektorowego na prostej x˙=V⁢x, to π∘ϕt (gdzie π jest rzutowaniem z prostej na okrąg) jest potokiem pola wektorowego na okręgu x˙=v⁢x. Następującą charakteryzację C1 strukturalnie stabilnych pól wektorowych na S1 można udowodnić modyfikując (a właściwie- upraszczając) odpowiedni dowód dla dyfeomorfizmów.

Stwierdzenie 3.5

Pole wektorowe v klasy C1 jest C1 -strukturalnie stabilne wtedy i tylko wtedy gdy wszystkie stacjonarne punkty pola v są niezdegenerowane (tzn. jeśli V⁢X=0, to V′⁢X≠0. Zbiór takich pól wektorowcyh na S1 jest otwarty i gęsty w C1 topologii.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.