Комплексная динамика , или голоморфная динамика , является изучением динамических систем , полученных путем итерации комплексного аналитического отображения. В этой статье основное внимание уделяется случаю алгебраической динамики , где итерируется полиномиальная или рациональная функция . В геометрических терминах это равносильно итерации отображения из некоторого алгебраического многообразия в себя. Соответствующая теория арифметической динамики изучает итерацию по рациональным числам или p-адическим числам вместо комплексных чисел .
Простой пример, демонстрирующий некоторые из основных проблем в сложной динамике, — это отображение комплексных чисел C на себя. Полезно рассматривать это как отображение комплексной проективной прямой на себя, добавляя точку к комплексным числам. ( имеет преимущество компактности ). Основной вопрос: если задана точка в , как ее орбита (или прямая орбита )
ведут себя качественно? Ответ: если абсолютное значение | z | меньше 1, то орбита сходится к 0, фактически более чем экспоненциально быстро. Если | z | больше 1, то орбита сходится к точке в , снова более чем экспоненциально быстро. (Здесь 0 и являются сверхпритягивающими неподвижными точками f , что означает, что производная f равна нулю в этих точках. Притягивающая неподвижная точка означает ту , где производная f имеет абсолютное значение меньше 1.)
С другой стороны, предположим, что , что означает, что z находится на единичной окружности в C . В этих точках динамика f хаотична, различными способами. Например, для почти всех точек z на окружности в терминах теории меры прямая орбита z плотна в окружности и фактически равномерно распределена на окружности. На окружности также имеется бесконечно много периодических точек , то есть точек с для некоторого положительного целого числа r . (Здесь означает результат применения f к z r раз, .) Даже в периодических точках z на окружности динамику f можно считать хаотичной, поскольку точки вблизи z экспоненциально быстро расходятся от z при итерации f . (Периодические точки f на единичной окружности отталкиваются : если , производная в точке z имеет абсолютное значение больше 1.)
Пьер Фату и Гастон Жюлиа показали в конце 1910-х годов, что большая часть этой истории распространяется на любое комплексное алгебраическое отображение из в себя степени больше 1. (Такое отображение может быть задано полиномом с комплексными коэффициентами или, в более общем случае, рациональной функцией.) А именно, всегда существует компактное подмножество , множество Жюлиа , на котором динамика f является хаотичной. Для отображения множество Жюлиа является единичной окружностью. Для других полиномиальных отображений множество Жюлиа часто является крайне нерегулярным, например, фракталом в том смысле, что его размерность Хаусдорфа не является целым числом. Это происходит даже для таких простых отображений, как для константы . Множество Мандельброта является множеством комплексных чисел c таким, что множество Жюлиа связно .
Существует довольно полная классификация возможной динамики рациональной функции в множестве Фату , дополнении множества Жюлиа, где динамика «ручная». А именно, Деннис Салливан показал, что каждая связная компонента U множества Фату является предпериодической, что означает, что существуют натуральные числа, такие что . Поэтому для анализа динамики на компоненте U можно предположить после замены f на итерацию, что . Тогда либо (1) U содержит притягивающую неподвижную точку для f ; (2) U является параболическим в том смысле, что все точки в U приближаются к неподвижной точке на границе U ; (3) U является диском Зигеля , что означает, что действие f на U сопряжено иррациональному вращению открытого единичного диска; или (4) U является кольцом Германа , что означает, что действие f на U сопряжено иррациональному вращению открытого кольца . [1] (Обратите внимание, что «обратная орбита» точки z в U , множество точек в этом отображении в z при некоторой итерации f , не обязательно должна содержаться в U. )
Сложная динамика была эффективно разработана в любом измерении. Этот раздел фокусируется на отображениях из комплексного проективного пространства в себя, самом богатом источнике примеров. Основные результаты для были распространены на класс рациональных отображений из любого проективного многообразия в себя. [2] Обратите внимание, однако, что многие многообразия не имеют интересных самоотображений.
Пусть f будет эндоморфизмом , то есть морфизмом алгебраических многообразий из в себя, для положительного целого числа n . Такое отображение задается в однородных координатах как
для некоторых однородных многочленов одинаковой степени d , не имеющих общих нулей в . (По теореме Чжоу это то же самое, что голоморфное отображение из в себя.) Предположим, что d больше 1; тогда степень отображения f равна , что также больше 1.
Тогда существует уникальная вероятностная мера на , равновесная мера f , которая описывает наиболее хаотичную часть динамики f . (Ее также называют мерой Грина или мерой максимальной энтропии .) Эта мера была определена Гансом Бролином (1965) для полиномов от одной переменной, Александром Фрейре, Артуром Лопесом , Рикардо Манье и Михаилом Любичем для (около 1983 года), а также Джоном Хаббардом , Питером Пападополом, Джоном Форнаессом и Нессимом Сибони в любой размерности (около 1994 года). [3] Малое множество Жюлиа является носителем равновесной меры в ; это просто множество Жюлиа, когда .
Основное свойство меры равновесия заключается в том, что она инвариантна относительно f , в том смысле, что мера прямого проталкивания равна . Поскольку f является конечным морфизмом , мера обратного проталкивания также определена и полностью инвариантна в том смысле, что .
Одной из ярких характеристик меры равновесия является то, что она описывает асимптотику почти каждой точки в , когда следуют назад во времени Жан-Ив Бриан, Жюльен Дюваль, Тьен-Кыонг Динь и Сибони. А именно, для точки z в и положительного целого числа r рассмотрим вероятностную меру , которая равномерно распределена по точкам w с . Тогда существует замкнутое подмножество Зарисского, такое что для всех точек z не в E , только что определенные меры слабо сходятся к равновесной мере, когда r стремится к бесконечности. Более подробно: только конечное число замкнутых комплексных подпространств из полностью инвариантны относительно f (имея в виду, что ), и можно взять исключительное множество E как единственное наибольшее полностью инвариантное замкнутое комплексное подпространство, не равное . [4]
Другая характеристика меры равновесия (благодаря Бриенду и Дювалю) такова. Для каждого положительного целого числа r число периодических точек периода r (имея в виду, что ), подсчитанное с кратностью, равно , что примерно равно . Рассмотрим вероятностную меру, которая равномерно распределена по точкам периода r . Тогда эти меры также сходятся к мере равновесия , когда r стремится к бесконечности. Более того, большинство периодических точек являются отталкивающими и лежат в , и поэтому можно получить ту же предельную меру, усредняя только по отталкивающим периодическим точкам в . [5] Также могут быть отталкивающие периодические точки вне . [6]
Равновесная мера дает нулевую массу любому замкнутому комплексному подпространству , которое не является всем пространством. [7] Поскольку периодические точки в плотны в , то следует, что периодические точки f плотны по Зарисскому в . Более алгебраическое доказательство этой плотности Зарисского дал Наджмуддин Фахруддин. [8] Другое следствие придания нулевой массы замкнутым комплексным подпространствам, не равным , состоит в том, что каждая точка имеет нулевую массу. В результате носитель не имеет изолированных точек, и поэтому является совершенным множеством .
Носитель равновесной меры не слишком мал в том смысле, что его размерность Хаусдорфа всегда больше нуля. [7] В этом смысле эндоморфизм комплексного проективного пространства со степенью больше 1 всегда ведет себя хаотически, по крайней мере, на части пространства. (Существуют примеры, где все . [9] ) Другой способ уточнить, что f имеет некоторое хаотическое поведение, состоит в том, что топологическая энтропия f всегда больше нуля, фактически равна , по Михаилу Громову , Михалу Мисюревичу и Феликсу Пшитицкому. [10]
Для любого непрерывного эндоморфизма f компактного метрического пространства X топологическая энтропия f равна максимуму теоретико-мерной энтропии (или «метрической энтропии») всех f -инвариантных мер на X. Для голоморфного эндоморфизма f из равновесная мера является единственной инвариантной мерой максимальной энтропии, по Бриенду и Дювалю. [3] Это еще один способ сказать, что наиболее хаотичное поведение f сосредоточено на носителе равновесной меры.
Наконец, можно сказать больше о динамике f на носителе меры равновесия: f является эргодической и, что более строго, перемешивающей относительно этой меры, по Форнаессу и Сибони. [11] Из этого следует, например, что для почти каждой точки относительно ее прямая орбита равномерно распределена относительно .
Отображение Латте — это эндоморфизм f из , полученный из эндоморфизма абелева многообразия делением на конечную группу . В этом случае равновесная мера f абсолютно непрерывна относительно меры Лебега на . Наоборот, по мнению Анны Здуник , Франсуа Бертело и Кристофа Дюпона, единственными эндоморфизмами, равновесная мера которых абсолютно непрерывна относительно меры Лебега, являются примеры Латте. [12] То есть для всех не-Латте эндоморфизмов присваивает свою полную массу 1 некоторому борелевскому множеству меры Лебега 0.
В размерности 1 больше известно о «нерегулярности» меры равновесия. А именно, определим размерность Хаусдорфа вероятностной меры на (или, в более общем смысле, на гладком многообразии) как
где обозначает размерность Хаусдорфа борелевского множества Y . Для эндоморфизма f степени больше 1 Здуник показал, что размерность равна размерности Хаусдорфа его носителя (множества Жюлиа) тогда и только тогда, когда f сопряжено отображению Латте, многочлену Чебышёва (с точностью до знака) или степенному отображению с . [14] (В последних случаях множество Жюлиа представляет собой все из , замкнутый интервал или окружность соответственно. [15] ) Таким образом, за пределами этих особых случаев равновесная мера является крайне нерегулярной, присваивая положительную массу некоторым замкнутым подмножествам множества Жюлиа с меньшей размерностью Хаусдорфа, чем все множество Жюлиа.
В более общем смысле, комплексная динамика стремится описать поведение рациональных отображений при итерации. Один случай, который был изучен с некоторым успехом, — это случай автоморфизмов гладкого комплексного проективного многообразия X , что означает изоморфизмы f из X в себя. Основной интерес представляет случай, когда f действует нетривиально на сингулярных когомологиях .
Громов и Йосеф Йомдин показали, что топологическая энтропия эндоморфизма (например, автоморфизма) гладкого комплексного проективного многообразия определяется его действием на когомологиях. [16] Явно, для X комплексной размерности n и пусть — спектральный радиус f, действующего обратным образом на группе когомологий Ходжа . Тогда топологическая энтропия f равна
(Топологическая энтропия f также является логарифмом спектрального радиуса f на всех когомологиях .) Таким образом, f имеет некоторое хаотическое поведение в том смысле, что ее топологическая энтропия больше нуля, если и только если она действует на некоторую группу когомологий с собственным значением , абсолютная величина которого больше 1. Многие проективные многообразия не имеют таких автоморфизмов, но (например) многие рациональные поверхности и поверхности K3 имеют такие автоморфизмы. [17]
Пусть X — компактное кэлерово многообразие , которое включает случай гладкого комплексного проективного многообразия. Скажем, что автоморфизм f многообразия X имеет простое действие на когомологиях, если: существует только одно число p , которое принимает максимальное значение, действие f на имеет только одно собственное значение с абсолютным значением , и это простое собственное значение . Например, Серж Кантат показал, что каждый автоморфизм компактной кэлеровой поверхности с положительной топологической энтропией имеет простое действие на когомологиях. [18] (Здесь «автоморфизм» является комплексно-аналитическим, но не предполагается, что он сохраняет кэлерову метрику на X . Фактически, каждый автоморфизм, который сохраняет метрику, имеет топологическую энтропию ноль.)
Для автоморфизма f с простым действием на когомологиях были достигнуты некоторые из целей сложной динамики. Дин, Сибони и Анри де Телин показали, что существует уникальная инвариантная вероятностная мера максимальной энтропии для f , называемая равновесной мерой (или мерой Грина , или мерой максимальной энтропии ). [19] (В частности, имеет энтропию относительно f .) Носитель называется малым множеством Жюлиа . Неформально: f имеет некоторое хаотическое поведение, и наиболее хаотическое поведение сосредоточено на малом множестве Жюлиа. По крайней мере, когда X проективен, имеет положительную размерность Хаусдорфа. (Точнее, присваивает нулевую массу всем множествам достаточно малой размерности Хаусдорфа.) [20]
Некоторые абелевы многообразия имеют автоморфизм положительной энтропии. Например, пусть E — комплексная эллиптическая кривая , а X — абелева поверхность . Тогда группа обратимых целочисленных матриц действует на X. Любой элемент группы f , след которого имеет абсолютное значение больше 2, например , имеет спектральный радиус больше 1, и поэтому он дает автоморфизм положительной энтропии X. Равновесная мера f — это мера Хаара (стандартная мера Лебега) на X. [ 21]
Автоморфизмы Куммера определяются взятием факторпространства по конечной группе абелевой поверхности с автоморфизмом, а затем раздуванием, чтобы сделать поверхность гладкой. Полученные поверхности включают некоторые специальные поверхности K3 и рациональные поверхности. Для автоморфизмов Куммера равновесная мера имеет носитель, равный X , и является гладкой вне конечного числа кривых. Наоборот, Кантат и Дюпон показали, что для всех автоморфизмов поверхности с положительной энтропией, за исключением примеров Куммера, равновесная мера не является абсолютно непрерывной относительно меры Лебега. [22] В этом смысле обычно равновесная мера автоморфизма является несколько нерегулярной.
Периодическая точка z функции f называется седловой периодической точкой, если для положительного целого числа r такого, что , по крайней мере одно собственное значение производной функции на касательном пространстве в точке z имеет абсолютное значение меньше 1, по крайней мере одно имеет абсолютное значение больше 1, и ни одно не имеет абсолютного значения, равного 1. (Таким образом, f расширяется в некоторых направлениях и сжимается в других, вблизи z .) Для автоморфизма f с простым действием на когомологиях седловые периодические точки плотны в носителе равновесной меры . [20] С другой стороны, мера обращается в нуль на замкнутых комплексных подпространствах, не равных X . [20] Из этого следует, что периодические точки функции f (или даже просто седловые периодические точки, содержащиеся в носителе ) плотны по Зарискому в X .
Для автоморфизма f с простым действием на когомологии f и его обратное отображение являются эргодическими и, что более строго, перемешивающими относительно равновесной меры . [23] Отсюда следует, что для почти каждой точки z относительно , прямые и обратные орбиты z равномерно распределены относительно .
Заметное отличие от случая эндоморфизмов состоит в том, что для автоморфизма f с простым действием на когомологиях может существовать непустое открытое подмножество X , на котором ни прямые, ни обратные орбиты не приближаются к носителю равновесной меры. Например, Эрик Бедфорд, Кёнхи Ким и Кертис МакМаллен построили автоморфизмы f гладкой проективной рациональной поверхности с положительной топологической энтропией (следовательно, простым действием на когомологиях) такие, что f имеет диск Зигеля, на котором действие f сопряжено иррациональному вращению. [24] Точки в этом открытом множестве никогда не приближаются под действием f или его обратного.
По крайней мере в комплексной размерности 2 равновесная мера f описывает распределение изолированных периодических точек f . (Также могут быть комплексные кривые, зафиксированные f или итерацией, которые здесь игнорируются.) А именно, пусть f будет автоморфизмом компактной кэлеровой поверхности X с положительной топологической энтропией . Рассмотрим вероятностную меру, которая равномерно распределена на изолированных периодических точках периода r (имея в виду, что ). Тогда эта мера слабо сходится к , когда r стремится к бесконечности, по Эрику Бедфорду, Любичу и Джону Смилли . [25] То же самое справедливо для подмножества седловых периодических точек, поскольку оба множества периодических точек растут со скоростью .