Сложная динамика
Комплексная динамика , или голоморфная динамика , — это исследование динамических систем, полученных путем итерации комплексного аналитического отображения. Эта статья посвящена случаю алгебраической динамики , когда полиномиальная или рациональная функция повторяется . 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 [ править ]
Простой пример, показывающий некоторые основные проблемы сложной динамики, — это отображение из комплексных чисел C в себя. Полезно рассматривать это как карту комплексной проективной линии. к себе, добавив точку к комплексным числам. ( имеет то преимущество, что компактен .) Основной вопрос таков: учитывая точку в , как движется его 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 , опять же более чем экспоненциально быстро. (Здесь 0 и являются суперпритягивающими фиксированными точками f нулю , а это означает, что равна . производная f в этих точках Притягивающая фиксированная точка означает точку , в которой 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 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. также бесконечно много периодических точек , то есть точек с На окружности 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 от 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 любую сложную алгебраическую карту из в себя степени больше 1. (Такое отображение может быть задано многочленом с комплексными коэффициентами или, в более общем смысле, рациональной функцией.) А именно, всегда существует компактное подмножество , множество Жюлиа , на котором динамика f хаотична. Для картографии , множество Джулии 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 для постоянного . Множество Мандельброта — это набор комплексных чисел c таких, что множество Жюлиа подключен .
Существует достаточно полная классификация возможной динамики рациональной функции. в наборе Фату — дополнении набора Жюлиа, где динамика «ручная». А именно, Деннис Салливан показал, что каждый компонент связности U множества Фату является предпериодическим, а это означает, что существуют натуральные числа. такой, 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) U — диск Зигеля , что означает, что действие f на U сопряжено иррациональному вращению открытого единичного диска; или (4) U — кольцо 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 это отображение в z при некоторой итерации f не обязательно должно содержаться в U. )
Равновесная мера эндоморфизма [ править ]
Сложная динамика эффективно развита в любом измерении. В этом разделе основное внимание уделяется отображениям из комплексного проективного пространства. себе, богатейший источник примеров. Основные результаты для были расширены до класса рациональных отображений любого проективного многообразия в себя. [2] Однако обратите внимание, что многие разновидности не имеют интересных автокарт.
Пусть f — эндоморфизм , что означает морфизм алгебраических многообразий из самому себе, для положительного целого числа n . Такое отображение задается в однородных координатах формулой
для некоторых однородных многочленов одной степени d, не имеющие общих нулей в . (По теореме Чоу это то же самое, что голоморфное отображение из самому себе.) Предположим, что d больше 1; то 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 многочленов от одной переменной, Александром Фрейре, Артуром Лопесом , Рикардо Манье и Михаилом Любичем для (около 1983 г.), а также Джона Хаббарда , Питера Пападопола, Джона Форнесса и Нессима Сибони в любом измерении (около 1994 г.). [3] Маленький набор Юлия является носителем равновесной меры в ; это просто набор Джулии, когда .
Примеры [ править ]
- Для картографии на , равновесная мера - это мера Хаара (стандартная мера, масштабированная до полной меры 1) на единичном круге. .
- В более общем смысле, для целого числа , позволять быть отображением
- Тогда равновесная мера — мера Хаара на n -мерном торе Для более общих голоморфных отображений из Сама по себе равновесная мера может быть гораздо более сложной, как это видно уже в комплексном измерении 1 из изображений множеств Жюлиа.
равновесной меры Характеристики
Основное свойство равновесной меры состоит в том, что она инвариантна относительно f в том смысле, что мера прямого действия равно . Поскольку f — конечный морфизм , мера обратного образа также определяется, и в полностью инвариантен том смысле, что .
Одной из ярких характеристик равновесной меры является то, что она описывает асимптотику почти каждой точки в если следовать назад во времени, Жан-Ив Бриан, Жюльен Дюваль, Тьен-Куонг Динь и Сибони. А именно, для точки z в и положительное целое число r , рассмотрим вероятностную меру которая равномерно распределена по точки w с . Тогда существует Зарисского замкнутое подмножество такая, что для всех точек z, не принадлежащих E , только что определенные меры слабо сходятся к равновесной мере поскольку r стремится к бесконечности. Более подробно: только конечное число замкнутых комплексных подпространств относительно полностью инвариантны 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 ), посчитанный с кратностью, равен , что примерно . Рассмотрим вероятностную меру, которая равномерно распределена в точках периода r . Тогда эти меры также сходятся к равновесной мере поскольку r стремится к бесконечности. При этом большинство периодических точек отталкиваются и лежат в , и поэтому ту же предельную меру можно получить, усредняя только по отталкивающим периодическим точкам в . [5] Также снаружи могут быть отталкивающие периодические точки. . [6]
Равновесная мера придает нулевую массу любому замкнутому комплексному подпространству это еще не все пространство. [7] Поскольку периодические точки в плотны в , то периодические точки f плотны по Зарисскому в . Более алгебраическое доказательство этой плотности Зарисского было дано Наджмуддином Фахруддином. [8] Еще одно последствие придание нулевой массы замкнутым комплексным подпространствам, не равным заключается в том, что каждая точка имеет нулевую массу. В результате поддержка из не имеет изолированных точек и поэтому является совершенным множеством .
Поддержка равновесной меры не слишком мала 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, когда это все из . [9] Другой способ уточнить, что f имеет некоторое хаотическое поведение, состоит в том, что топологическая энтропия f ) всегда больше нуля и фактически равна , Михаил Громов Михал Мисюревич 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 . голоморфного эндоморфизма f Для , равновесная мера — это единственная инвариантная мера максимальной энтропии, предложенная Брайном и Дювалем. [3] Это еще один способ сказать, что наиболее хаотичное поведение f сосредоточено на поддержании 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 по отношению к , его передняя орбита распределена равномерно относительно .
Карты латте [ править ]
Отображение Латтеса эндоморфизм f — это получается из эндоморфизма абелева многообразия делением на конечную группу . В этом случае равновесная мера f относительно абсолютно непрерывна меры Лебега на . И наоборот, Анной Здуник , Франсуа Бертело и Кристофом Дюпоном, единственные эндоморфизмы равновесная мера которых абсолютно непрерывна относительно меры Лебега, являются примерами Латте. [12] То есть для всех эндоморфизмов, не являющихся Латтесом, присваивает свою полную массу 1 некоторому борелевскому множеству меры Лебега 0.
В измерении 1 больше известно о «нерегулярности» равновесной меры. А именно, определим хаусдорфову размерность вероятностной меры. на (или, в более общем смысле, на гладком многообразии) путем
где обозначает хаусдорфову размерность борелевского множества Y . эндоморфизма f Для степени больше 1, Здуник показал, что размерность равна хаусдорфовой размерности своего носителя (множества Жюлиа) тогда и только тогда, когда f сопряжено с отображением Латте, многочленом Чебышева (с точностью до знака) или степенным отображением с . [14] (В последних случаях множество Жюлиа состоит из , замкнутый интервал или круг соответственно. [15] ) Таким образом, за пределами этих особых случаев равновесная мера является крайне нерегулярной, приписывая положительную массу некоторым замкнутым подмножествам множества Жюлиа с меньшей хаусдорфовой размерностью, чем все множество Жюлиа.
Автоморфизмы проективных многообразий [ править ]
В более общем смысле, сложная динамика стремится описать поведение рациональных карт при итерации. Один случай, который был изучен с некоторым успехом, - это случай комплексного проективного автоморфизмов гладкого 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 , позволять — спектральный радиус f , действующий путем обратного образа на когомологий Ходжа группу . 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 его топологическая энтропия больше нуля тогда и только тогда, когда она действует на некоторой группе когомологий с собственным значением по абсолютной величине 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 пространства X имеет простое действие на когомологии, если: существует только одно число p такое, что принимает максимальное значение, действие f на 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 , называемой равновесной мерой (или мерой Грина , или мерой максимальной энтропии ). [19] (В частности, имеет энтропию относительно f .) Поддержка 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, имеет положительную размерность Хаусдорфа. (Точнее, присваивает нулевую массу всем множествам достаточно малой хаусдорфовой размерности.) [20]
Kummer automorphisms горя editАвтоморфизмы
Некоторые абелевы многообразия обладают автоморфизмом положительной энтропии. Например, пусть E — комплексная эллиптическая кривая , а X — абелева поверхность. . Затем группа обратимого целочисленные матрицы действуют на X . Любой элемент группы f которого , трасса имеет абсолютное значение больше 2, например , имеет спектральный радиус больше 1 и поэтому 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 [ править ]
Периодическая точка z функции f называется седловой периодической точкой, если для такого натурального числа r, что , хотя бы одно собственное значение производной в касательном пространстве в точке z имеет абсолютное значение меньше 1, по крайней мере один имеет абсолютное значение больше 1, и ни одно не имеет абсолютное значение, равное 1. (Таким образом, f расширяется в некоторых направлениях и сжимается в других, около z .) Для автоморфизм f с простым действием на когомологии, седловые периодические точки плотны на носителе равновесной меры . [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 , передняя и обратная орбиты z равномерно распределены относительно .
Заметное отличие от случая эндоморфизмов заключается 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 наборе никогда не приближаются под действием f или обратного ей.
По крайней мере, в комплексном измерении 2 равновесная мера f описывает распределение изолированных периодических точек f . (Могут также существовать комплексные кривые, фиксированные с помощью f или итерации, которые здесь игнорируются.) А именно, пусть f — автоморфизм компактной кэлеровой поверхности X с положительной топологической энтропией. . Рассмотрим вероятностную меру, равномерно распределенную в изолированных периодических точках периода r (это означает, что ). Тогда эта мера слабо сходится к как r стремится к бесконечности, Эрик Бедфорд, Любич и Джон Смилли . [25] То же самое справедливо и для подмножества седловых периодических точек, поскольку оба набора периодических точек растут со скоростью .
См. также [ править ]
- Динамика в комплексном измерении 1
- Связанные области динамики
Примечания [ править ]
- ^ Милнор (2006), раздел 13.
- ^ Гедж (2010), Теорема B.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Динь и Сибони (2010), «Динамика...», Теорема 1.7.11.
- ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.4.1.
- ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.4.13.
- ^ Форнэсс и Сибони (2001), Теорема 4.3.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Динь и Сибони (2010), «Динамика...», Предложение 1.2.3.
- ^ Фахруддин (2003), Следствие 5.3.
- ^ Милнор (2006), Теорема 5.2 и проблема 14-2; Форнэсс (1996), Глава 3.
- ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.7.1.
- ^ Динь и Сибони (2010), «Динамика ...», Теорема 1.6.3.
- ^ Berteloot & Dupont (2005), Теорема 1.
- ^ Милнор (2006), проблема 14-2.
- ^ Здуник (1990), Теорема 2; Berteloot & Dupont (2005), введение.
- ^ Милнор (2006), задача 5-3.
- ^ Кантат (2000), Теорема 2.2.
- ^ Кантат (2010), разделы с 7 по 9.
- ^ Кантат (2014), раздел 2.4.3.
- ^ Де Телин и Динь (2012), Теорема 1.2.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Динь и Сибони (2010), «Суперпотенциалы…», раздел 4.4.
- ^ Кантат и Дюпон (2020), раздел 1.2.1.
- ^ Кантат и Дюпон (2020), Основная теорема.
- ^ Динь и Сибони (2010), «Суперпотенциалы ...», Теорема 4.4.2.
- ^ Кантат (2010), Теорема 9.8.
- ^ Сингс (2014), Теорема 8.2.
Ссылки [ править ]
- Александр, Дэниел (1994), История сложной динамики: от Шредера до Фату и Джулии , Vieweg Verlag , doi : 10.1007/978-3-663-09197-4 , ISBN 3-528-06520-6 , МР 1260930
- Бердон, Алан (1991), Итерация рациональных функций: сложные аналитические динамические системы , Springer-Verlag , ISBN 0-387-97589-6 , МР 1128089
- Бертелот, Франсуа; Дюпон, Кристоф (2005), «Характеристика эндоморфизмов Латтеса по их мере Грина», Commentarii Mathematici Helvetici , 80 (2): 433–454, arXiv : math/0501034 , doi : 10.4171/CMH/21 , MR 2142250
- Бонифант, Арасели; Любич, Михаил ; Сазерленд, Скотт, ред. (2014), Границы в сложной динамике: в честь 80-летия Джона Милнора , Princeton University Press , doi : 10.1515/9781400851317 , ISBN 978-0-691-15929-4 , МР 3289442
- Канта, Серж (2010), «Некоторые аспекты полиномиальных динамических систем: существование, примеры, жесткость», Некоторые аспекты полиномиальных динамических систем , Société Mathématique de France , стр. 13–95, ISBN 978-2-85629-338-6 , МР 2932433
- Кантат, Серж (2014), «Динамика автоморфизмов компактных комплексных поверхностей», Границы в комплексной динамике (Банфф, 2011) , Princeton University Press , стр. 463–514, ISBN 978-0-691-15929-4 , МР 3289919
- Кантат, Серж ; Дюпон, Кристоф (2020), «Автоморфизмы поверхностей: жесткость Куммера и мера максимальной энтропии», Журнал Европейского математического общества , 22 (4): 1289–1351, arXiv : 1410.1202 , doi : 10.4171/JEMS/946 , MR 4071328
- Карлесон, Леннарт ; Гамелен, Теодор (1993), Сложная динамика , Springer-Verlag , doi : 10.1007/978-1-4612-4364-9 , ISBN 0-387-97942-5 , МР 1230383
- де Телен, Генри; Dinh, Tien-Cuong (2012), «Динамика автоторфизмов на компактных коллекторах Kähler», « Достижения по математике» , 229 (5): 2640–2655, arxiv : 1009.5796 , doi : 10.1016/j.aim.2012.01.014 , г-н 2889139
- Динь, Тьен-Куонг ; Сибони, Нессим (2010), «Динамика нескольких комплексных переменных: эндоморфизмы проективных пространств и полиномиальноподобные отображения», Голоморфные динамические системы , Конспекты лекций по математике, том. 1998, Springer-Verlag , стр. 165–294, arXiv : 0810.0811 , doi : 10.1007/978-3-642-13171-4_4 , ISBN 978-3-642-13170-7 , МР 2648690
- Динь, Тьен-Куонг ; Сибони, Нессим (2010), «Суперпотенциалы токов на компактных кэлеровых многообразиях и динамика автоморфизмов», Журнал алгебраической геометрии , 19 (3): 473–529, arXiv : 0804.0860 , doi : 10.1090/S1056-3911-10 -00549-7 , МР 2629598
- Фахруддин, Наджмуддин (2003), «Вопросы о самоотображениях алгебраических многообразий», Журнал Математического общества Рамануджана , 18 (2): 109–122, arXiv : math/0212208 , MR 1995861
- Форнэсс, Джон Эрик (1996), Динамика нескольких комплексных переменных , Американское математическое общество , ISBN 978-0-8218-0317-2 , МР 1363948
- Форнэсс, Джон Эрик ; Сибони, Нессим (2001), «Динамика (примеры)», Расслоения и слоения в динамике, геометрии и топологии (Stony Brook, 1998) , Американское математическое общество , стр. 47–85, doi : 10.1090/conm/269/04329 , ISBN 978-0-8218-1985-2 , МР 1810536
- Гедж, Винсент (2010), «Эргодические свойства рациональных приложений», Некоторые аспекты полиномиальных динамических систем , Société Mathématique de France , стр. 97–202, arXiv : математика/0611302 , ISBN 978-2-85629-338-6 , МР 2932434
- Милнор, Джон (2006), Динамика одной комплексной переменной (3-е изд.), Princeton University Press , arXiv : math/9201272 , doi : 10.1515/9781400835539 , ISBN 0-691-12488-4 , МР 2193309
- Моросава, Сюнсуке; Нишимура, Ясуичиро, Масахико, Тецуо (2000), Голоморфная динамика , издательство Кембриджского университета , ISBN; 0-521-66258-3 , МР 1747010
- Тан, Лей, изд. (2000), Множество Мандельброта, тема и вариации , Серия лекций Лондонского математического общества, том. 274, Издательство Кембриджского университета , ISBN 0-521-77476-4 , МР 1765080
- Здуник, Анна (1990), «Параболические орбифолды и размерность максимальной меры для рациональных отображений», Inventiones Mathematicae , 99 (3): 627–649, doi : 10.1007/BF01234434 , MR 1032883