stringtranslate.com

Сложная динамика

Комплексная динамика , или голоморфная динамика , — это исследование динамических систем , полученных путем итерации комплексного аналитического отображения. Эта статья посвящена случаю алгебраической динамики , когда повторяется полиномиальная или рациональная функция . В геометрических терминах это равнозначно повторению отображения некоторого алгебраического многообразия в себя. Соответствующая теория арифметической динамики изучает итерацию над рациональными числами или p-адическими числами вместо комплексных чисел .

Динамика в комплексном измерении 1

Простой пример, показывающий некоторые основные проблемы сложной динамики, — это отображение комплексных чисел C в себя. Полезно рассматривать это как отображение комплексной проективной линии в себя путем добавления точки к комплексным числам. ( имеет преимущество компактности . ) Основной вопрос: для данной точки в , как ее орбита (или передняя орбита )

вести себя качественно? Ответ: если абсолютное значение | г | меньше 1, то орбита сходится к 0, причем более чем экспоненциально быстро. Если | г | больше 1, то орбита сходится к точке в снова более чем экспоненциально быстро. (Здесь 0 и являются суперпритягивающими фиксированными точками f , что означает, что производная f равна нулю в этих точках. Притягивающая фиксированная точка означает точку , в которой производная f имеет абсолютное значение меньше 1.)

С другой стороны, предположим , что это означает, что z находится на единичной окружности в C . В этих точках динамика f по-разному хаотична. Например, почти для всех точек z на окружности с точки зрения теории меры прямая орбита z плотна в окружности и фактически равномерно распределена по окружности. На окружности также бесконечно много периодических точек , то есть точек с некоторым положительным целым числом r . (Здесь имеется в виду 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 единичном круге отталкиваются : если производная в точке z имеет абсолютное значение больше 1.)

Пьер Фату и Гастон Жюли показали в конце 1910-х годов, что большая часть этой истории распространяется на любое комплексное алгебраическое отображение из себя степени больше 1. (Такое отображение может быть задано многочленом с комплексными коэффициентами или, в более общем смысле, рациональным функция.) А именно, всегда существует компактное подмножество , множество Жюлиа , на котором динамика f хаотична. Для отображения множество Жюлиа представляет собой единичный круг. Для других полиномиальных отображений множество Жюлиа часто бывает очень нерегулярным, например, фракталом в том смысле, что его хаусдорфова размерность не является целым числом. Это происходит даже для таких простых отображений, как константа . Множество Мандельброта — это набор комплексных чисел c таких , что множество Жюлиа связно .

Множество Жюлиа многочлена с .
Множество Жюлиа многочлена с . Это множество Кантора .

Существует довольно полная классификация возможной динамики рациональной функции в множестве Фату , дополнении множества Жюлиа, где динамика «ручная». А именно, Деннис Салливан показал, что каждый связный компонент U множества Фату является предпериодическим, а это означает, что существуют натуральные числа такие, что . Поэтому для анализа динамики на компоненте U можно после замены f на итерацию предположить, что . Тогда либо (1) U содержит притягивающую неподвижную точку для f ; (2) U является параболическим в том смысле, что все точки U приближаются к фиксированной точке на границе U ; (3) Uдиск Зигеля , что означает, что действие f на U сопряжено иррациональному вращению открытого единичного диска; или (4) Uкольцо Германа , что означает, что действие f на U сопряжено иррациональному вращению открытого кольца . [1] (Обратите внимание, что «обратная орбита» точки z в U , набор точек в этом отображении на z при некоторой итерации f , не обязательно должна содержаться в U. )

Равновесная мера эндоморфизма

Сложная динамика эффективно развита в любом измерении. В этом разделе основное внимание уделяется отображениям комплексного проективного пространства в себя, что является богатейшим источником примеров. Основные результаты были распространены на класс рациональных отображений любого проективного многообразия в себя. [2] Однако обратите внимание, что многие разновидности не имеют интересных автокарт.

Пусть f будет эндоморфизмом , то есть морфизмом алгебраических многообразий из себя, для положительного целого числа n . Такое отображение задается в однородных координатах формулой

для некоторых однородных многочленов одной и той же степени d , не имеющих общих нулей в . (По теореме Чоу 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 единственная вероятностная мера на , равновесная мера f , которая описывает наиболее хаотичную часть динамики f . (Ее также называли 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) и Джона Хаббарда , Питера Пападопола, Джона Форнесса и Нессима Сибони в любом измерении (около 1994 г.). [3] Малое множество Жюлиа является носителем равновесной меры в ; это просто набор Джулии, когда .

Примеры

Тогда равновесная мера — это мера Хаара на n -мерном торе. Для более общих голоморфных отображений из в себя равновесная мера может быть гораздо более сложной, как это видно уже в комплексной размерности 1 из изображений множеств Жюлиа.

Характеристики равновесной меры

Основное свойство равновесной меры состоит в том, что она инвариантна относительно f в том смысле, что мера прямого действия равна . Поскольку fконечный морфизм , мера обратного образа также определена и полностью инвариантна в том смысле, что .

Одной из поразительных характеристик равновесной меры является то, что она описывает асимптотику почти каждой точки, если следовать назад во времени Жан-Ивом Брианом, Жюльеном Дювалем, Тьен-Куонг Динь и Сибони. А именно, для точки z in и положительного целого числа r рассмотрим вероятностную меру , которая равномерно распределена в точках w с . Тогда существует замкнутое по Зарискому подмножество такое, что для всех точек z, не принадлежащих E , только что определенные меры слабо сходятся к равновесной мере при стремлении r к бесконечности. Более подробно: только конечное число замкнутых комплексных подпространств полностью инвариантно относительно f ( это означает, что ), и можно взять исключительное множество E в качестве единственного наибольшего полностью инвариантного замкнутого комплексного подпространства, не равного . [4]

Другая характеристика равновесной меры (по Брину и Дювалю) состоит в следующем. Для каждого положительного целого числа r количество периодических точек периода r (это означает, что ), подсчитанное с кратностью, равно , что примерно равно . Рассмотрим вероятностную меру, которая равномерно распределена в точках периода r . Тогда эти меры также сходятся к равновесной мере при стремлении r к бесконечности. Более того, большинство периодических точек отталкиваются и лежат в , поэтому ту же предельную меру можно получить, усредняя только по отталкивающим периодическим точкам в . [5] Снаружи также могут существовать отталкивающие периодические точки . [6]

Равновесная мера придает нулевую массу любому замкнутому комплексному подпространству, которое не является всем пространством. [7] Поскольку периодические точки в плотны в , отсюда следует, что периодические точки f плотны по Зарисскому в . Более алгебраическое доказательство этой плотности Зарисского было дано Наджмуддином Фахруддином. [8] Другим следствием присвоения нулевой массы замкнутым комплексным подпространствам, не равным, является то, что каждая точка имеет нулевую массу. В результате носитель не имеет изолированных точек и поэтому представляет собой совершенное множество .

Носитель равновесной меры не слишком мал в том смысле, что ее хаусдорфова размерность всегда больше нуля. [7] В этом смысле эндоморфизм комплексного проективного пространства степени больше 1 всегда ведет себя хаотично, по крайней мере, на части пространства. (Есть примеры, где все из . [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 , Михаилу Мисюревичу и Феликс Пшитицкий. [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 Брину и Дювалю. [3] Это еще один способ сказать, что наиболее хаотичное поведение f сосредоточено на поддержке равновесной меры.

Наконец, можно сказать больше о динамике f на носителе равновесной меры: f является эргодичным и, в более сильной степени, перемешивающим относительно этой меры, согласно Форнессу и Сибони. [11] Отсюда следует, например, что почти для каждой точки относительно , ​​ее прямая орбита равномерно распределена относительно .

Карты латте

Отображение Латтеса — это эндоморфизм f , полученный из эндоморфизма абелева многообразия делением на конечную группу . В этом случае равновесная мера f абсолютно непрерывна относительно меры Лебега на . И наоборот, согласно Анне Здуник , Франсуа Бертело и Кристофу Дюпону, единственные эндоморфизмы, равновесная мера которых абсолютно непрерывна относительно меры Лебега, - это примеры Латте. [12] То есть для всех эндоморфизмов, не относящихся к Латтесу, присваивает свою полную массу 1 некоторому борелевскому множеству меры Лебега 0.

Случайная выборка из равновесной меры карты Латтеса . В наборе Джулии все .
Случайная выборка из равновесной меры карты не-Латтеса . Множество Жюлиа состоит из , [13], но равновесная мера весьма нерегулярна.

В измерении 1 больше известно о «нерегулярности» равновесной меры. А именно, определите хаусдорфову размерность вероятностной меры на (или, в более общем смысле, на гладком многообразии) формулой

где обозначает хаусдорфову размерность борелевского множества Y . Для эндоморфизма f степени больше 1 Здуник показал, что размерность равна хаусдорфовой размерности его носителя (множества Жюлиа) тогда и только тогда, когда f сопряжено с отображением Латте, полиномом Чебышева (с точностью до знака ) или карта мощности с . [14] (В последних случаях множество Жюлиа целиком состоит из , замкнутого интервала или круга соответственно. [15] ) Таким образом, за пределами этих особых случаев равновесная мера является крайне нерегулярной, приписывая положительную массу некоторым замкнутым подмножества множества Жюлиа с меньшей размерностью Хаусдорфа, чем все множество Жюлиа.

Автоморфизмы проективных многообразий

В более общем смысле, сложная динамика стремится описать поведение рациональных карт при итерации. Один случай, который был изучен с некоторым успехом, - это случай автоморфизмов гладкого комплексного проективного многообразия X , то есть изоморфизмов 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 когомологии. [16] Явно, для X комплексной размерности n и пусть будет спектральным радиусом f , действующим путем обратного образа 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 тогда и только тогда, когда она действует на некоторых когомологиях. группа с собственным значением по модулю 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 , включающее случай гладкого комплексного проективного многообразия. Скажем, что автоморфизм f из X имеет простое действие на когомологии, если: существует только одно число p такое, которое принимает свое максимальное значение, действие f on имеет только одно собственное значение с абсолютным значением , и это простое собственное значение . Например, Серж Канта показал, что каждый автоморфизм компактной кэлеровой поверхности с положительной топологической энтропией имеет простое действие на когомологии. [18] (Здесь «автоморфизм» является комплексно-аналитическим, но не предполагается, что он сохраняет кэлерову метрику на X . Фактически, каждый автоморфизм, сохраняющий метрику, имеет нулевую топологическую энтропию.)

Для автоморфизма f с простым действием на когомологии были достигнуты некоторые цели сложной динамики. Динь, Сибони и Анри де Телен 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, причем наиболее хаотичное поведение сосредоточено на небольшом множестве Жюлиа. По крайней мере, когда X проективно, оно имеет положительную размерность Хаусдорфа. (Точнее, присваивает нулевую массу всем множествам достаточно малой хаусдорфовой размерности.) [20]

Автоморфизмы Куммера

Некоторые абелевы многообразия обладают автоморфизмом положительной энтропии. Например, пусть E — комплексная эллиптическая кривая , а X — абелева поверхность . Тогда на X действует группа обратимых целочисленных матриц . Любой групповой элемент f , след которого имеет абсолютное значение больше 2, например , имеет спектральный радиус больше 1, и поэтому он дает автоморфизм X с положительной энтропией . Равновесной мерой f является мера Хаара (стандартная мера Лебега) на X . [21]

Автоморфизмы Куммера определяются путем взятия фактор-пространства по конечной группе абелевой поверхности с автоморфизмом и последующего раздутия , чтобы сделать поверхность гладкой. Полученные поверхности включают некоторые специальные поверхности К3 и рациональные поверхности. Для автоморфизмов Куммера равновесная мера имеет носитель, равный X , и гладкая вне конечного числа кривых. И наоборот, Канта и Дюпон показали, что для всех поверхностных автоморфизмов с положительной энтропией, за исключением примеров Куммера, равновесная мера не является абсолютно непрерывной относительно меры Лебега. [22] В этом смысле равновесная мера автоморфизма обычно бывает несколько нерегулярной.

Седловые периодические точки

Периодическая точка z функции f называется седловой периодической точкой, если для такого положительного целого числа r , что хотя бы одно собственное значение производной на касательном пространстве в точке z имеет абсолютное значение меньше 1, хотя бы одно имеет абсолютное значение больше чем 1, и ни один из них 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 когомологии седловые периодические точки плотны в носителе равновесная мера . [20] С другой стороны, мера обращается в нуль на замкнутых комплексных подпространствах, не равных X . [20] Отсюда следует, что периодические точки f (или даже просто седловые периодические точки, содержащиеся в носителе ) плотны по Зарисскому в X .

Для автоморфизма f с простым действием на когомологии f и его обратное отображение являются эргодическими и, в более сильной степени, перемешивающими относительно равновесной меры . [23] Отсюда следует, что почти для каждой точки z относительно , ​​прямая и обратная орбиты z равномерно распределены относительно .

Заметное отличие от случая эндоморфизмов состоит в том, что для автоморфизма f с простым действием на когомологии может существовать непустое открытое подмножество X , на котором ни прямая, ни обратная 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, простое действие на когомологии) такие, что f имеет диск Зигеля, на котором действие f сопряжено с нерациональное вращение. [24] Точки в этом открытом множестве никогда не сближаются под действием f или обратного ей действия.

По крайней мере, в комплексном измерении 2 равновесная мера f описывает распределение изолированных периодических точек f . (Могут также существовать комплексные кривые, зафиксированные с помощью f или итерации, которые здесь игнорируются.) А именно, пусть f — автоморфизм компактной кэлеровой поверхности X с положительной топологической энтропией . Рассмотрим вероятностную меру, которая равномерно распределена по изолированным периодическим точкам периода r (имеется в виду ). Затем эта мера слабо сходится к значению r , стремящемуся к бесконечности, согласно Эрику Бедфорду, Любичу и Джону Смилли . [25] То же самое справедливо и для подмножества седловых периодических точек, поскольку оба набора периодических точек растут со скоростью .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Милнор (2006), раздел 13.
  2. ^ Гедж (2010), Теорема B.
  3. ^ Аб Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.7.11.
  4. ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.4.1.
  5. ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.4.13.
  6. ^ Форнэсс и Сибони (2001), Теорема 4.3.
  7. ^ Аб Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Предложение 1.2.3.
  8. ^ Фахруддин (2003), Следствие 5.3.
  9. ^ Милнор (2006), Теорема 5.2 и проблема 14-2; Форнэсс (1996), Глава 3.
  10. ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.7.1.
  11. ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.6.3.
  12. ^ Berteloot & Dupont (2005), Теорема 1.
  13. ^ Милнор (2006), проблема 14-2.
  14. ^ Здуник (1990), Теорема 2; Berteloot & Dupont (2005), введение.
  15. ^ Милнор (2006), задача 5-3.
  16. ^ Кантат (2000), Теорема 2.2.
  17. ^ Кантат (2010), разделы с 7 по 9.
  18. ^ Кантат (2014), раздел 2.4.3.
  19. ^ Де Телин и Динь (2012), Теорема 1.2.
  20. ^ abc Dinh & Sibony (2010), «Суперпотенциалы ...», раздел 4.4.
  21. ^ Кантат и Дюпон (2020), раздел 1.2.1.
  22. ^ Кантат и Дюпон (2020), Основная теорема.
  23. ^ Динь и Сибони (2010), «Суперпотенциалы ...», Теорема 4.4.2.
  24. ^ Кантат (2010), Теорема 9.8.
  25. ^ Кантат (2014), Теорема 8.2.

Рекомендации

Внешние ссылки