Кіріспе

Математиканың саласы
Комплекстік динамика немесе голоморфты динамика — күрделі аналитикалық функцияны итерациялау арқылы алынған динамикалық жүйелерді зерттеу пәні. Бұл мақалада алгебралық динамика, яғни полином немесе рационалды функцияны итерациялау жағдайына назар аударылады. Геометриялық тұрғыдан алғанда, бұл алгебралық сан алуандығынан өзіне функцияны итерациялаумен тең. Осымен байланысты арифметикалық динамика теориясы күрделі сандардың орнына рационал сандар немесе p-адық сандар бойынша итерацияны зерттейді.

1-бөлімдегі күрделі динамика

Күрделі динамикадағы негізгі мәселелердің кейбірін көрсететін қарапайым мысал – C-ден өзіне күрделі сандарды бейнелеу. Бұл күрделі проекциялық түзудің өзінен карта ретінде қарастырылуы ыңғайлы, күрделі сандарға бір нүкте қосу арқылы. (Бұл жағдайдың ыңғайлы болуының артықшылығы бар.) Негізгі сұрақ: берілген нүкте үшін орбитасы (немесе алға бағытталған орбитасы) қалай өзгереді? Жауап: егер z-ның абсолюттік мәні 1-ден кем болса, онда орбита 0-ге жуықсады, тіпті экспоненталық жылдамдықтан да жылдам. Егер z-ның абсолюттік мәні 1-ден артық болса, онда орбита экспоненталық жылдамдықпен орбиталық нүктеге жуықсады. (Мұнда 0 және f-тің суператтракциялық тұрақты нүктелері болып табылады, яғни f-тің туындысы сол нүктелерде нөлге тең. Аттракциялық тұрақты нүкте – f-тің туындысының абсолюттік мәні 1-ден кем болатын нүкте.) Екінші жағынан, егер z бірлік шеңберде болса, C-де. Бұл нүктелерде f динамикасы әртүрлі жолдармен хаотикалық. Мысалы, өлшем теориясы тұрғысынан шеңбердегі дерлік барлық z нүктелері үшін z-ның алға бағытталған орбитасы шеңберде тығыз және тіпті шеңберде біркелкі таралады. Сондай-ақ, шеңберде шексіз көп периодтық нүктелер бар, яғни кейбір оң бүтін сан r үшін нүктелер бар. (Бұл жерде f-ті z-ға r рет қолдану нәтижесін білдіреді.) Тіпті шеңбердегі периодтық z нүктелерінде де f динамикасы хаотикалық деп санауға болады, өйткені z-ға жақын нүктелер f итерацияланғанда z-дан экспоненталық жылдамдықпен алшақтайды. (Бірлік шеңбердегі f-тің периодтық нүктелері тебуші: егер , z-дегі туындының абсолюттік мәні 1-ден үлкен болса.) Пьер Фату мен Гастон Жюлия 1910 жылдардың соңында осы оқиғаның көп бөлігі 1-ден жоғары дәрежелі кез келген күрделі алгебралық бейнелеуге дейін таралатынын көрсетті. (Мұндай бейнелеу күрделі коэффициенттері бар полиноммен немесе жалпырақ рационалды функциямен берілуі мүмкін.) Атап айтқанда, f динамикасы хаотикалық болатын , Джулия жиынының әрқашан компактты ішкі жиыны бар. белгілі бір бейнелеу үшін Джулия жиыны бірлік шеңбер болып табылады. Басқа полиномдық бейнелеулер үшін Джулия жиыны көбінесе өте ретсіз болады, мысалы, оның Хаусдорф өлшемі бүтін сан емес деген мағынада фрактал. Бұл тіпті тұрақты сан үшін де орын алады. Мандельброт жиыны – бұл Джулия жиыны байланысқан c күрделі сандарының жиыны. Фату жиынында рационалды функциялардың ықтимал динамикасының толық жіктелуі бар, бұл Джулия жиынының толықтырылысы, мұнда динамика «жай» болады. Атап айтқанда, Денис Салливан Fatou жиынының әрбір байланысқан компоненті U препериодты екенін көрсетті, яғни U компонентіндегі динамиканы талдау үшін f-ті итерациямен алмастырғаннан кейін мынаны болжауға болады: 1) U f үшін аттракциялық тұрақты нүктеге ие; 2) U U-дегі барлық нүктелер U шекарасындағы тұрақты нүктеге жақындаған мағынада параболалық; 3) U – Siegel дискісі, яғни f-тің U-ге әсері ашық бірлік дискісінің иррационалдық айналуына конъюгатты; немесе 4) U – Герман сақинасы, яғни f-тің U-ге әсері ашық сақинаның иррационалдық айналуына конъюгатты. (Еске сала кетейік, U-дағы z нүктесінің «кері орбитасы», f-тің кейбір итерациясы бойынша z-ге бейнеленетін нүктелер жиыны U-да міндетті түрде қамтылуы қажет емес.)

Эндоморфизмнің тепе-теңдік өлшемі

Кез келген өлшемде күрделі динамика тиімді дамыды. Бұл бөлім күрделі проективті кеңістіктен өзіне жасалатын карталарға, мысалдардың ең бай көзіне назар аударады. Негізгі нәтижелер кез келген проективті сорттан өзіне жасалатын рационалды карталар класына дейін кеңейтілді. Дегенмен, көптеген сорттардың қызықты өздік карталары жоқ екенін ескеріңіз. f – н-нің ендоморфизмі болсын, яғни алгебралық сорттардың морфизмі, оң бүтін сан n үшін. Мұндай карталау гомогенді координаттарда былай беріледі:

кейбір гомогенді полиномиалдар үшін d, олардың ортақ нөлдері жоқ (Чоу теоремасы бойынша, бұл н-ден өзіне жасалатын голоморфты карталаумен бірдей). d 1-ден үлкен деп есептейік, онда f картасының дәрежесі , ол да 1-ден үлкен. Содан кейін f-тің тепе-теңдік өлшемі , f динамикасының ең хаотикалық бөлігін сипаттайтын бірегей ықтималдық өлшемі бар. (Оны сондай-ақ Грин өлшемі немесе максималды энтропия өлшемі деп те атайды.) Бұл өлшемді Ханс Бролин (1965) бір айнымалыдағы полиномдар үшін, Александр Фрейр, Артур Лопес, Рикардо Мане және Михаил Любич (1983 жыл шамасында) және Джон Хаббард, Питер Пападопол, Джон Форнасс және Нессим Сибони кез келген өлшемде (1994 жыл шамасында) анықтады. Кіші Джулия жиыны – бұл ; бұл жай ғана Джулия жиыны .

Тепе-теңдік өлшемін сипаттау

Тепе-теңдік өлшемінің негізгі қасиеті – f астында инвариантты болуы, яғни алға жылжыту өлшемі тең болуы. f шекті морфизм болғандықтан, кері тарту өлшемі де анықталады және ол толығымен инвариантты. Тепе-теңдік өлшемінің ерекше сипаттамасы – Жан Ив Бриенд, Джулиен Дюваль, Тьен Куонг Дин және Сибонидің еңбектері бойынша, уақыт бойынша кері бағытта қарастырылғанда, дерлік барлық нүктенің асимптотикасын сипаттауы. Атап айтқанда, z нүктесі және оң бүтін сан r үшін w нүктелеріне тең үлестірілген ықтималдық өлшемін қарастырайық. Содан кейін, Зариски жабық жиыны E бар, онда E жиынына жатпайтын барлық z нүктелері үшін жоғарыда анықталған өлшемдер r шексізге ұмтылғанда тепе-теңдік өлшеміне әлсіз түрде жақындайды. Егжей-тегжейлірек айтқанда: f астында толығымен инвариантты болатын жабық күрделі кіші кеңістіктердің саны шекті, яғни (мәні), және ерекше жиын E-ді тең емес ең үлкен толығымен инвариантты жабық күрделі кіші кеңістік деп алуға болады. Тепе-теңдік өлшемінің тағы бір сипаттамасы (Бриенд пен Дювальдың еңбектері бойынша) келесідей: әрбір оң бүтін сан r үшін r периоды бар периодтық нүктелердің саны (яғни ), көбейтумен есептегенде, шамамен тең болады. r периоды бар нүктелерге тең үлестірілген ықтималдық өлшемін қарастырайық. Осы өлшемдер де r шексізге ұмтылғанда тепе-теңдік өлшеміне жақындайды. Сонымен қатар, көптеген периодтық нүктелер ығыстыратын және жатады, сондықтан ығыстыратын периодтық нүктелер бойынша орташа есептегенде бірдей шекті мәнге жетеміз. Сыртта да ығыстыратын периодтық нүктелер болуы мүмкін. Тепе-теңдік өлшемі бүкіл кеңістік емес жабық күрделі кіші кеңістіктерге нөлдік масса береді. -дегі периодтық нүктелер тығыз болғандықтан, f-тің периодтық нүктелері A-да Зариски тығыздығын құрайды. Бұл Зариски тығыздығының алгебралық дәлелін Наджмуддин Фахруддин берген. Жабық күрделі кіші кеңістіктерге нөлдік масса берудің тағы бір салдары – әрбір нүктенің массасы нөлге тең. Нәтижесінде, қолдаудың оқшауланған нүктелері жоқ, сондықтан ол толық жиын. Тепе-теңдік өлшемінің қолдауы тым кішкентай емес, оның Хаусдорф өлшемі әрқашан нөлден үлкен. f-тің кейбір хаостық мінез-құлқы бар екенін нақтылаудың тағы бір жолы – f-тің топологиялық энтропиясы әрқашан нөлден үлкен, тіпті Михаил Громов, Михаль Мисюревич және Феликс Притыцкийдің еңбектері бойынша тең. Кез келген үздіксіз эндоморфизм үшін f компактты метрикалық кеңістікте X, f-тің топологиялық энтропиясы f инвариантты өлшемдердің теориялық энтропиясының (немесе «метриялық энтропияның») максимумына тең. Холоморфты эндоморфизм үшін f, тепе-теңдік өлшемі – Брайенд пен Дювальдың еңбектері бойынша максималды энтропиясы бар бірегей инвариантты өлшем. Мысалы, дерлік барлық нүктелерге қатысты оның алға бағытталған орбитасы біркелкі таралады.

Латтес карталары

Латтес картасы – бұл шекті топқа бөлу арқылы абельдік сорттың эндоморфизмінен алынған f эндоморфизмі. Бұл жағдайда f-тың тепе-теңдік өлшемі Лебег өлшеміне қатысты абсолюттік үздіксіз болады. Керісінше, Анна Здуник, Франсуа Бертельот және Кристоф Дюпон көрсеткендей, Лебег өлшеміне қатысты абсолюттік үздіксіз тепе-теңдік өлшеміне ие болатын жалғыз эндоморфизмдер – Латтес мысалдары. Яғни, барлық Латтес емес эндоморфизмдер үшін, оның толық массасы 1-ді Лебег өлшемі 0-ге тең Борель жиынына тиесілі. 1-өлшемде тепе-теңдік өлшемінің «ретсіздігі» туралы көбірек мәлімет бар. Атап айтқанда, Борель жиыны Y-дың Хаусдорф өлшемін білдіретін болса (немесе жалпы алғанда, тегіс көптік үшін), ықтималдық өлшемінің Хаусдорф өлшемін былай анықтаймыз:

мұндағы dimH(Y) – Борель жиыны Y-дың Хаусдорф өлшемі. 1-ден жоғары дәрежелі f эндоморфизмі үшін Здуник көрсеткендей, егер және тек қана егер f Латтес картасына, Чебышев полиномына (белгіге дейін) немесе (Соңғы жағдайларда Джулия жиынының барлығы , жабық аралық немесе шеңбер) тең болса, оның тірегінің Хаусдорф өлшемі оның тіреуінің (Джулия жиынының) Хаусдорф өлшеміне тең болады. Осылайша, осы ерекше жағдайлардан тыс, тепе-теңдік өлшемі өте ретсіз, ол Джулия жиынының кейбір жабық ішкі жиындарына бүкіл Джулия жиынынан кіші Хаусдорф өлшемімен оң массаны тиесілі етеді.

Проективті сорттардың автоморфизмдері

Жалпы алғанда, күрделі динамика итерация кезінде рационалды функциялардың мінез-құлқын сипаттауға тырысады. Бірнеше табыстармен зерттелген жағдайлардың бірі – тегіс күрделі проективті кеңістік X-тің автоморфизмдері, яғни X-тен өзіне изоморфизмдер f. Ең қызығушылық тудыратын жағдай – f сингулярлы когомологияға тривиальды емес әсер ететін кезде. Громов пен Йосеф Йомдин тегіс күрделі проективті кеңістіктің эндоморфизмінің (мысалы, автоморфизмнің) топологиялық энтропиясы оның когомологияға әсерімен анықталады екенін көрсетті. Нақтырақ айтқанда, X-тің күрделі өлшемі n болсын және , Ходж когомология тобында кері шегіну арқылы әрекет ететін f-тің спектрлік радиусы болсын. Онда f-тің топологиялық энтропиясы (f-тің топологиялық энтропиясы сонымен қатар бүкіл когомологиядағы f-тің спектрлік радиусының логарифмі) тең. Осылайша, f-тің белгілі бір хаостық қасиеттері бар, оның топологиялық энтропиясы нөлден үлкен болса ғана, яғни ол 1-ден үлкен абсолюттік мәні бар өзіндік мәні бар бір кохомология тобына әсер ететін болса. Көптеген проективті кеңістіктерде мұндай автоморфизмдер жоқ, бірақ (мысалы) көптеген рационалды беттер мен K3 беттерінде мұндай автоморфизмдер бар. X – ықшам Келер көптүрлілігі болсын, бұл жағдай тегіс күрделі проективті кеңістікті де қамтиды. Автоморфизм f-тің когомологияға қарапайым әсер ететінін былай анықтаймыз: тек бір ғана p саны бар, онда өзінің максималды мәніне жетеді, f-тің әсері тек бір ғана абсолюттік мәні бар өзіндік мәнге ие, және бұл өзіндік мән қарапайым. Мысалы, Серж Кантат оң топологиялық энтропиясы бар ықшам Келер бетінің кез келген автоморфизмі когомологияда қарапайым әсер ететінін көрсетті. (Бұл жерде "автоморфизм" күрделі аналитикалық, бірақ X-те Келер метрикасын сақтайтыны талап етілмейді. Шындығында, метриканы сақтайтын кез келген автоморфизмнің топологиялық энтропиясы нөлге тең.) Когомологияға қарапайым әсер ететін f автоморфизмі үшін күрделі динамиканың бірқатар мақсаттарына қол жеткізілді. Дин, Сибони және Генри де Телин f үшін тепе-теңдік өлшемі (немесе Грин өлшемі, немесе максималды энтропия өлшемі) деп аталатын максималды энтропияның бірегей инвариантты ықтималдық өлшемі бар екенін көрсетті. (Атап айтқанда, f-қа қатысты энтропияға ие.) өлшемінің таяулығы кішкентай Джулия жиыны деп аталады. Формальды түрде: f-тің белгілі бір хаостық қасиеттері бар, ал ең хаостық қасиеттері кішкентай Джулия жиынында шоғырланған. Кем дегенде, X проективті болғанда, оң Гаусдорф өлшеміне ие. (Дәлірек айтқанда, жеткілікті кішкентай Гаусдорф өлшемі бар барлық жиынға нөлдік масса тағайындайды.)

Кумер автоморфизмдері

Кейбір абельдік сорттардың оң энтропиясы бар автоморфизмі бар. Мысалы, E күрделі эллипстік қисық болсын, ал X – Абель беті болсын. Содан кейін, инверттік бүтін санды матрицалардың тобы X-ке әсер етеді. Кез келген f топ элементі, оның іздерінің абсолюттік шамасы 2-ден үлкен, мысалы, спектрлік радиусы 1-ден үлкен болады, сондықтан ол X-тің оң энтропиялы автоморфизмін береді. f-тың тепе-теңдік өлшемі – X-тегі Haar өлшемі (стандартты Лебег өлшемі). Куммер автоморфизмдері – автоморфизмі бар абельдік беттің шекті тобы бойынша факторлық кеңістікті алу арқылы анықталады, содан кейін бетті тегістеу үшін кеңейтіледі. Нәтижесінде пайда болатын беттерге кейбір арнайы K3 беттері мен рационалды беттер кіреді. Куммер автоморфизмдері үшін тепе-теңдік өлшемінің таянышы X-ке тең және шекті көп қисықтардың сыртында тегіс болады. Керісінше, Кантат пен Дюпонт Куммер мысалдарынан басқа, оң энтропиялы барлық беттік автоморфизмдер үшін тепе-теңдік өлшемінің Лебег өлшеміне қатысты мүлдем үздіксіз еместігін көрсетті. Осы тұрғыдан алғанда, автоморфизмнің тепе-теңдік өлшемінің белгілі бір дәрежеде ретсіз болуы қалыпты жағдай.

Седелдің мерзімді нүктелері

f-тің z кезеңді нүктесі, егер r оң бүтін саны үшін , z-дегі жанама кеңістіктегі f-тің туындысының кем дегенде бір өзіндік мәні 1-ден кем болса, кем дегенде біреуі 1-ден үлкен абсолюттік мәнге ие болса және ешқайсысы 1-ге тең абсолюттік мәнге ие болмаса, сәл кезеңді нүкте деп аталады. (Осылайша, f кейбір бағыттарда кеңейеді және z-ға жақын басқаларында жиырылады.) Когомология бойынша қарапайым әрекет ететін f автоморфизмі үшін, сәл кезеңдік нүктелер тепе-теңдік өлшемінің қолдауында тығыз болады. Осыдан кейін, z-ның алға және артқа қарайтын орбиталары тепе-теңдік өлшеміне қатысты дерлік барлық нүктелер үшін тең таралады. Мысалы, Эрик Бедфорд, Кёунги Ким және Кертис МакМаллен оң топологиялық энтропиясы бар тегіс проективті рационалдық бет үшін (осыдан кохомология бойынша қарапайым әрекет) f автоморфизмін құрастырды, сондықтан f-де Сигель дискісі бар, онда f-тің әрекеті иррационалдық айналымға конъюгатталған. Бұл ашық жиынтықтағы нүктелер f немесе оның кері әсері арқылы ешқашан тепе-теңдік өлшемінің қолдауына жақындамайды. Кемінде 2-ші күрделі өлшемде, f-тің тепе-теңдік өлшемі f-тің оқшауланған кезеңдік нүктелерінің таралуын сипаттайды. (Бұл жерде f немесе итерациямен бекітілген күрделі қисықтар да болуы мүмкін, олар мұнда ескерілмейді.) Атап айтқанда, f оң топологиялық энтропиясы бар тығыз Кэлер бетінің автоморфизмі болсын. r кезеңінің оқшауланған кезеңдік нүктелеріне тең үлестірілген ықтималдық өлшемін қарастырайық (яғни ). Содан кейін, Эрик Бедфорд, Любич және Джон Смилли бойынша, бұл өлшем r шексізге ұмтылғанда әлсіз конвергенция ретінде тепе-теңдік өлшеміне жақындайды. Бұл сәл кезеңдік нүктелердің ішкі жиыны үшін де осылай, өйткені кезеңдік нүктелердің екі жиыны да .