Stopień Brouwera
Stopień Brouwera
Stopień Brouwera
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Krzysztof Rykaczewski<br />
<strong>Stopień</strong> topologiczny<br />
<strong>Stopień</strong> <strong>Brouwera</strong><br />
mozgun@mat.uni.torun.pl<br />
http://www.mat.uni.torun.pl/˜mozgun/<br />
Nicolaus Copernicus University<br />
2007
Spis treści<br />
§1 Wstęp 1<br />
§2 Cel i metoda 1<br />
§3 Podstawowe twierdzenie analizy nieliniowej 1<br />
§4 Szukamy rozwiązań. Wprowadzenie stopnia. 3<br />
§4.1 Indeks odwzorowania względem krzwej zamkniętej . . . . . . . . 3<br />
§5 <strong>Stopień</strong> dla odwzorowań klasy C 1 4<br />
§6 <strong>Stopień</strong> dla funkcji ciągłych 6<br />
§6.1 Własności stopnia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
§6.2 <strong>Stopień</strong> topologiczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
§7 Zastosowania w topologii 9
§1 Wstęp<br />
§1. Wstęp<br />
Jednym z najważniejszych osiągnięć topologii algebraicznej jest teoria stopnia<br />
topologicznego. Od początku swojego powstania znalazł on szerokie zastosowanie<br />
w analizie matematycznej. Jego początki siegają historycznej już pracy<br />
dotyczącej ukłądów gładkich rzeczywistych funkcji f0, . . . , fn, o n zmiennych,<br />
takich, że 0 jest wartością regularną f0, K = f −1((−∞,<br />
0]), jest ograniczony i<br />
0<br />
nie wszystkie fj znikają na ∂K. Niech f = ( f1, . . . , fn). Kronecker w 1869 [2]<br />
udowodnił, że<br />
1<br />
χ[ f0, . . . , fn] =<br />
vol(Sn−1 <br />
f<br />
) ∂K<br />
∗ <br />
ω = sgn det f ′ (x), (1)<br />
x∈ f −1 (0)∩∂K<br />
gdzie ω = n<br />
j=1 (−1)j−1 x −n xjdx1 ∧ . . . ∧ dxj−1 ∧ dxj+1 ∧ . . . ∧ dxn. Następnie Hadamard<br />
rozszerzył je i zdefiniował stopień na zwartych rozmaitościach skończonego<br />
wymiaru. Wzór Kroneckera jest specjanym przypadkiem stopnia <strong>Brouwera</strong>.<br />
§2 Cel i metoda<br />
Naszym głównym celem jest rozwiązanie równania postaci<br />
F(x) = 0, (2)<br />
przy czym natura zmiennej x może być bardzo różna.<br />
Przykład. Równanie wielomianowe w R<br />
a0x n + a1xn−1 + . . . + an−1x + an = 0, ai ∈ R, a0 0, x ∈ R. (3)<br />
Przykład. Równanie różniczkowe w C 1 [a, b], np.<br />
u ′ − au + sin(u) = 0, gdzie a ∈ R oraz a 0, u ∈ C 1 [a, b]. (4)<br />
§3 Podstawowe twierdzenie analizy nieliniowej<br />
Definicja 1: Niech X, Y będą przestrzeniami topologicznymi. Powiemy, że dwa<br />
odwzorowania ciągłe f, g : X → Y są homotopijne, o ile istnieje odwzorowanie<br />
ciągłe F : I × X → Y (homotopia), gdzie I = [0, 1], takie że<br />
∀x∈X F(0, x) = f (x) oraz F(1, x) = g(x). (5)<br />
Oznaczamy to przez f ∼ g.<br />
Relacja ta jest relacją równoważności w zbiorze wszystkich odwzorowań ciągłych<br />
z X do Y. Jej klasy oznaczamy przez [X, Y].<br />
Mówimy, że odwzorowanie jest homotopijnie trywialne, jeśli f ∼ ∗, gdzie ∗ jest<br />
odwzorowaniem stałym, tj. ∀x ∗ (x) = x0.<br />
Konferencja na Helu, 2007 1
§3. Podstawowe twierdzenie analizy nieliniowej<br />
Oznaczmy D n = {x ∈ R n : x 1} ⊂ R n oraz odwzorowanie ciągłe F : D n →<br />
R k , będzie takie, że<br />
∀ x∈∂D n =S n−1 F(x) 0. (6)<br />
Niech dalej φ : ∂D n → R k \ {0}, tzn.<br />
φ = F|∂Dn (7)<br />
Twierdzenie 1: (Podstawowe twierdzenie analizy nieliniowej) Niech φ :<br />
∂D n → R k \ {0} jak wyżej oraz ψ : S n−1 → S n−1 określmy wzorem<br />
ψ(x) = φ(x)<br />
φ(x)<br />
Wtedy równanie ˜F(x) = 0 ma co najmniej jedno rozwiązanie x ∈ IntD n , dla<br />
każdego przedłużenia ˜F odwzorowania φ wtedy i tylko wtedy, gdy ψ jest<br />
homotopijnie nietrywialne.<br />
Dowód (⇐) Przypuśćmy, że istnieje przedłużenie ˜F : D n → R k odwzorowania<br />
φ, takie że ∀x∈D n ˜F(x) 0. Zauważmy, że D n jest obrazem homeomorficznym<br />
(I × S n−1 )/({0} × S n−1 ), tj. sklejamy do punktu {0} × S n−1 , a para (t, x) przechodzi<br />
na punkt tx ∈ D n . Oznaczmy przez [(t, x)] obraz pary (t, x) po sklejeniu.<br />
Określmy homotopię<br />
˜H(t, x) = ˜F([(t, x)]) (9)<br />
Zauważmy, że ˜H(0, x) = ˜F([(0, x)]) = ˜F(0) oraz ˜H(1, x) = ˜F([(1, x)]) = F(x) = φ(x).<br />
Połóżmy dalej<br />
H(t, x) = ˜H(t, x)<br />
. (10)<br />
˜H(t, x)<br />
Widzimy więc, że H(1, x) = φ(x) oraz H(0, x) = ˜F(0) = ∗, co oznacza, że φ jest<br />
homotopijnie trywialne. Sprzeczność.<br />
(⇒) Niech będzie dana homotopia H : I × Sn−1 → Sk−1 , taka że H(1, x) =<br />
ψ(x) ∈ Sn−1 oraz H(0, x) = ∗ ∈ Sn−1 . Definiujemy ˜F : Dn → Sk−1 dla [(t, x)] ∈ Dn przez<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
˜F([(t,<br />
H(t, x), t 0,<br />
x)]) = ⎪⎩<br />
(11)<br />
F([(t, x)]) = H(0, x) = ∗, t = 0.<br />
Ponieważ H(0, x) = ∗, więc ˜F jest dobrze określona. Jest ono niezerowe na Dn i jest rozszerzeniem ψ. Zdefiniujmy teraz odwzorowanie F : Dn → Sk−1 , kładąc<br />
dla [(t, x)] ∈ Dn ⎧<br />
⎪⎨ (tφ(x) + (1 − t))H(t, x), t 0,<br />
F([(t, x)]) = ⎪⎩<br />
(12)<br />
H(0, x) = ∗, t = 0.<br />
Skoro H(0, x) = ∗, więc F jest dobrze określone. Dla t = 1 mamy F([(t, x)]) =<br />
φ(x)ψ(x) = φ(x), więc F jest rozszerzeniem φ. Jednocześnie, to że tφ(x)+(1−<br />
t) 0 oraz H(t, x) przekonują nas, że F([(t, x)]) 0 dla [(t, x)] ∈ D n . Otrzymaliśmy<br />
sprzeczność. <br />
Konferencja na Helu, 2007 2<br />
(8)
Mamy więc trzy przypadki:<br />
§4. Szukamy rozwiązań. Wprowadzenie stopnia.<br />
1 ◦ n < k - można wykazać, że wtedy wszystkie odwzorowania są homotopijnie<br />
równoważne (są homotopijnie trywialne)<br />
2 ◦ n > k - zadanie trudne (wyższe grupy homotopii sfer)<br />
3 ◦ n = k - jedyny ciekawy.<br />
Fakt 1: S 1 = {z ∈ C : |z| = 1}. Jeśli f (z) = z m , g(z) = z k , m, k ∈ Z, f, g : S 1 → S 1 ,<br />
to łatwo pokazać, że m k ⇔ f g. Ponadto dla każdego odwzorowania<br />
f : S 1 → S 1 , istnieje takie m ∈ Z takie, że f ∼ z m .<br />
Fakt 2: #[R, R] = 1, tzn. każde dwa odwzorowania są homotopijne.<br />
Fakt 3: #[R, R \ {0}] = 2<br />
§4 Szukamy rozwiązań. Wprowadzenie stopnia.<br />
Zajmiemy się teraz rozwiazaniami równania postaci<br />
F(x) = 0, gdzie x ∈ R n , , a F : R n → R n<br />
(13)<br />
jest dowolnym odwzorowaniem ciąłym. Oczywiście rozwiązanie znajduje się na<br />
pewnym odpowiednio dużym dysku (możemy założyc, że jest on jednostkowy).<br />
Jak wiemy już z podtawowego twierdzenia analizy nieliniowej, wystarczy skonstruować<br />
pewien niezmiennik, umożliwiający stwierdzenie, że ψ : S n−1 → S n−1<br />
(lub co na jedno wychodzi φ : ∂D n → R n \ {0}), nie jest homotopijnie trywialne.<br />
§4.1 Indeks odwzorowania względem krzwej zamkniętej<br />
Niech f : C → C, będzie funkcją ciągłą, określoną na krzywej zamkniętej<br />
γ : [a, b] → C (tzn. γ(a) = γ(b)) i nie zerującą się na niej.<br />
Przez log(w(θ)) oznaczmy jakąkolwiek funkcję spełniającą warunek e log(w(θ)) =<br />
w(θ).<br />
Definicja 2: Przez przyrost logarytmu funkcji f wzdłuż krzywej γ rozumie<br />
się różnicę<br />
∆γ log f (z) = log w(b) − log w(a). (14)<br />
Przez przyrost argumentu funkcji f wzdłuż krzywej γ rozumie się różnicę<br />
∆γ arg f (z) = arg w(b) − arg w(a). (15)<br />
Uwaga. W powyższych definicjach w „pewnym momencie” trzeba wybrać gałąź<br />
logarytmu i argumentu, którą będziemy rozpatrywać.<br />
Lemat 1:<br />
∆γ log f (z) = ı∆γ arg f (z) (16)<br />
Konferencja na Helu, 2007 3
§5. <strong>Stopień</strong> dla odwzorowań klasy C 1<br />
Lemat 2: Jeśli f jest analityczna na krzywej gładkiej γ, to<br />
<br />
∆γ log f (z) =<br />
f ′ (z)<br />
dz<br />
f (z)<br />
(17)<br />
γ<br />
Twierdzenie 2: Jeśli f : C → C jest ciągła na krzywej gładkiej γ, to<br />
1<br />
2πı ∆γ log f (z) ∈ Z. (18)<br />
Co więcej, gdy f jest analityczna na γ, to<br />
1<br />
2πı ∆γ log f (z) = 1<br />
2πı ∆γ arg f (z) = 1<br />
<br />
2πı γ<br />
f ′ (z)<br />
dz. (19)<br />
f (z)<br />
Definicja 3: Indeksem funkcji f wzglądem krzywej γ nazywamy liczbę całkowitą<br />
określoną w powyższym twierdzeniu. Oznaczamy go indγ( f ).<br />
Twierdzenie 3: Odwzorowanie ze zbioru klas homotopii odwzorowań [S 1 , S 1 ]<br />
do liczb całkowitych zadane poprzez<br />
jest<br />
f ↦→ ind S 1( f ) (20)<br />
1 ◦ bijekcją,<br />
2 ◦ homomorfizmem półgrup, tzn.<br />
ind S 1([ f ][g]) = ind S 1([ f ]) · ind S 1([g]), (21)<br />
3 ◦ ind S 1(Id) = 1, ind S 1(∗) = 0.<br />
Dowód Wiemy już, że ind S 1(z m ) = m, co dowodzi, że jest to odwzorowanie „na”.<br />
Ale zauważyliśmy już, że każde odwzorowanie S 1 w siebie jest homotopijne z<br />
odwzorowaniem postaci z ↦→ z m .<br />
Ażeby stwierdzić druga tezę zauważmy, że ind S 1((z n ) ◦ (z m )) = ind S 1((z n ) m ) =<br />
ind S 1(z nm ) = nm.<br />
Różnowartościowości nie będziemy dowodzić. <br />
§5 <strong>Stopień</strong> dla odwzorowań klasy C 1<br />
Definicja 4: Niech f ∈ C 1 (Ω). Powiemy, że x jest punktem krytycznym odwzorowania<br />
f , jeśli J f (x) = det D f (x) = 0, tzn. D f (x) jest osobliwa. W przeciwnym<br />
przypadku mówimy, że punkt jest regularny. f (x) jest wtedy odpowiednio<br />
wartością krytyczną lub regularną, odpowiednio. Zbiór wartości regularnych<br />
oznaczmy przez Z f .<br />
Z twierdzenia o lokalnym odwracaniu odwzorowań wiemy, że f jest lokalnie<br />
odwracalna w pobliżu punktu regularnego.<br />
Konferencja na Helu, 2007 4
§5. <strong>Stopień</strong> dla odwzorowań klasy C 1<br />
Twierdzenie 4: Jeśli f ∈ C 1 (Ω) i y jest punktem regularnym, to f −1 (y) jest<br />
skończony.<br />
Definicja 5: Jeśli f ∈ C1 (Ω), p f (∂Ω) i p jest wiartością regularną f . Definiujemy<br />
stopień f w p względem zbioru Ω jako liczbę całkowitą<br />
<br />
deg( f, Ω, p) = sgnJ f (x) (22)<br />
x∈ f −1 (p)<br />
Naszym głównym zadaniem teraz jest pozbycie się warunków: f ∈ C 1 oraz<br />
regularności punktu p.<br />
Twierdzenie poniższe mówi, że deg jest stały na składowych R n \ f (∂Ω).<br />
Twierdzenie 5: Niech f ∈ C 1 (Ω). Niech p1, p2 są wartościami regularnymi f i<br />
p są w tej samej składowej R n \ f (∂Ω). Wtedy deg( f, Ω, p1) = deg( f, Ω, p2).<br />
Definicja 6: Jeśli f ∈ C 1 (Ω) i p f (∂Ω), ale p nie jest wartością regularną, to<br />
definiujemy deg( f, Ω, p) jako deg( f, Ω, q) gdzie q jest punktem regularnym f i<br />
|q − p| < ρ(p, f (∂Ω))<br />
Uwaga. Dzięki poprzedniemu twierdzeniu możemy definiować stopień dla p niekoniecznie<br />
będącym punktem regularnym.<br />
Z twierdzenia Sarda wiemy, że zbiór wartości krytycznych jest zbiorem miary<br />
zero i każda kula B(p, r) zawiera wartość regularną. Jeśli r = ρ(p, f (∂Ω)), wtedy<br />
deg( f, Ω, q) jest stała na B(p, r), bo B(p, r) ⊂ Rn \ f (∂Ω). To dowodzi poprawności<br />
definicji.<br />
Przypomnienie: f ∈ C1 (Ω), jeśli f ∈ C(Ω) i istnieje rozszerzenie ˜ f : U → Rn na zbiór otwarty U ⊃ Ω taki, że ˜ f ma na nim ciąłge pochodne cząstkowe. Można<br />
wprowadzić tam strukturę przestrzeni unormowanej. Norma w tej przestrzeni<br />
jest dana wzorem<br />
f 1 = sup | fi(x)| + sup |∂j fi(x)| (23)<br />
x∈Ω<br />
1in<br />
x∈Ω<br />
1i,jn<br />
Twierdzenie 6: Niech f ∈ C 1 (Ω) i p jest wartością regularną f , p f (∂Ω).<br />
Wtedy istnieje ɛ > 0 zależna od f i p taka, że jeśli f − g1 < ɛ, to p jest<br />
wartością regularną g oraz p g(∂Ω) i deg( f, Ω, p) = deg(g, Ω, p).<br />
Podsumujmy:<br />
Twierdzenie 7: Niech f ∈ C 1 (Ω).<br />
i) deg( f, Ω, p) jest stały na składowych R n \ f (∂Ω),<br />
ii) Jeśli p f (∂Ω), to istnieje ɛ > 0 zależne od f i p, takie że deg( f, Ω, p) =<br />
deg(g, Ω, p) dla f − g1 < ɛ,<br />
iii) Niech H1(t, x) jest C 1 -homotopią f i g. Wtedy, jeśli p H(t, ∂Ω) dla<br />
każdego t ∈ I, to deg( f, Ω, p) = deg(g, Ω, p)<br />
Konferencja na Helu, 2007 5
§6 <strong>Stopień</strong> dla funkcji ciągłych<br />
Rozszerzymy teraz naszą definicję stopnia na funkcje ciągłe.<br />
§6. <strong>Stopień</strong> dla funkcji ciągłych<br />
Przypomnienie: C(Ω) jest przestrzenią funkcji ciągłych z Ω do R n . Można<br />
wprowadzić tam strukturę przestrzeni unormowanej. Norma w tej przestrzeni<br />
jest dana wzorem<br />
f = sup | f (x)| (24)<br />
x∈Ω<br />
Definicja 7: Załóżmy, że f ∈ C(Ω) i p f (∂Ω). Definiujemy deg( f, Ω, p) jako<br />
deg(g, Ω, p), gdzie g ∈ C 1 jest jakąkolwiek funkcją spełniającą<br />
f − g < ρ(p, f (∂Ω)). (25)<br />
Spróbujmy uzasadnić tę definicję. W każdym otoczeniu f ∈ C(Ω) istnieją<br />
funkcje klasy C 1 . Niech r = ρ(p, f (∂Ω)) i mamy funkcje gi ∈ C 1 (Ω) takie, że<br />
f − gi < r, dla i =, 2. Następnie rozpatrzmy homotopię klasy C 1 daną wzorem<br />
ht(x) = tg1(x) + (1 − t)g2(x), 0 t 1.<br />
Otrzymujemy stąd szacowania<br />
|ht(x) − f (x)| = |t(g1(x) − f (x)) + (1 − t)(g2(x) − f (x))| < tr + (1 − t)r = r.<br />
Korzystając z założenia, że x ∈ ∂Ω mamy<br />
|p − ht(x)| >= |p − f (x)| − |ht(x) − f (x)| > 0 gdyż |p − f (x)| > r<br />
skąd p ht(∂Ω). Na podstawie punktu 3) twierdzenia 7, deg(g1, Ω, p) = deg(g2, Ω, p).<br />
Dzięki temu mamy, że wszystkie funkcje klasy C 1 spełniające oszacowanie (25)<br />
majątaki sam stopień. Stąd ta definicja ma sens.<br />
Oczywiście ograniczenie nie jest istotne, byle było odpowiednio małe.<br />
Twierdzenie 8: W definicji 7 wyboru g można dokonać tak, że p nie koniecznie<br />
jest jej punktem regularnym.<br />
Twierdzenie 9: Jeśli Ω ⊂ R n , f ∈ C(Ω) oraz p f (∂Ω), wtedy deg( f, Ω, p)<br />
jest niezmiennikiem przy zmianie współrzędnych, byle by ta zmian była klasy<br />
C 1 .<br />
Pozwala nam to na rozszerzenie naszej teorii na skończenie wymiarowe rzeczywiste<br />
przestrzenie unormowane, jako że każdą taką można identyfikować z<br />
R n .<br />
§6.1 Własności stopnia<br />
Pokażemy teraz główne własności stopnia topologicznego dla funkcji ciągłych.<br />
Sa one podobne do tych, jakie miał stopień dla funkcji klasy C 1 .<br />
Twierdzenie 10: Niech f ∈ C(Ω) i deg( f, Ω, p) 0, wtedy istnieje x ∈ Ω (!),<br />
taki, że p = f (x).<br />
Konferencja na Helu, 2007 6
§6.1 Własności stopnia<br />
Dowód Gdy p f (Ω). Weźmy g ∈ C 1 (Ω) taki, że g − f < ρ(p, f (Ω)). Wiemy,<br />
że wtedy p g(Ω) i stąd deg(g, Ω, p) = 0 i stąd deg( f, Ω, p) = 0. <br />
Definicja 8: Jeśli są dane dwie przestrzenie topologiczne X, Y, to mówimy, że<br />
dwa przekształcenia ciągłe f, g : X → Y są homotopijne, gdy istniej ciągła<br />
homotopia H : [0, 1] × X → Y taka, że H(0, x) = f (x) i H(1, x) = g(x).<br />
Twierdzenie 11: Niech f ∈ C(Ω) i p f (∂Ω). Jeśli g − f < ρ(p, f (Ω)), to<br />
deg(g, Ω, p) = deg( f, Ω, p). Co więcej, gdy dla homotopii H mamy p H(t, ∂Ω)<br />
dla 0 t 1, to deg(H(t, ·), Ω, p) nie zależy od t ∈ [0, 1].<br />
Zastanówmy się nad powyższym twierdzeniem. Jego pierwsza część mówi, że<br />
deg(·, Ω, p) : C(Ω) → Z jest odwzorowaniem lokalnie stałym. Druga część mówi,<br />
że stopień jest niezmiennikiem homotopii, o ile podczas deformacji punkt p jest<br />
cały czas regularny. Możemy stąd wyciągnąć:<br />
Wniosek 1: Niech f ∈ C(Ω) i p f (∂Ω), oraz niech ( fk) będzie ciągiem funkcji<br />
ciągłych na Ω zbieżnym jednostajnie do f . Istnieje wtedy tak liczba całkowita<br />
N > 0 taka, że deg( f, Ω, p) = deg( fk, Ω, p), dla k N.<br />
Twierdzenie 12: deg( f, Ω, p) jest stały na składowych R n \ f (∂Ω).<br />
Załóżmy teraz, że A ⊂ R n \ f (∂Ω) jest spójny. Możemy dzięki temu określić<br />
stopień deg( f, Ω, A) := deg( f, Ω, p) dla pewnego p ∈ A. W sposób oczywisty<br />
powyższa definicja jest poprawna.<br />
Twierdzenie 13: Dla f, g ∈ C(Ω) takich, że f = g na ∂Ω, zachodzi<br />
deg( f, Ω, p) = deg(g, Ω, p), o ile tylko p f (∂Ω).<br />
Wynika stąd, że stopień zależy właściwie tylko od tego jakie wartości funkcja<br />
przyjmuje na brzegu obszaru Ω. Twierdzenie to jest wręcz nieprawdopodobne,<br />
ale prawdziwe. Dlatego udowodnimy je.<br />
Dowód Mamy daną homotopię<br />
H(t, x) = t f (x) + (1 − t)g(x), (26)<br />
da której H(t, x) = f (x), gdy x ∈ ∂Ω; czyli H(t, ∂Ω) = f (∂Ω) p. Z homotopijne<br />
j niezmienniczości stopnia, mamy że deg( f, Ω, p) = deg(g, Ω, p). <br />
Przykład. Że tak naprawdę jest pokaże następujący przykład. Niech f : [a, b] →<br />
R będzie taka, że f (a) < f (b) i niech p będzie wartością regularną f . Oczywistym<br />
jest, że gdy p > f (b) lub p < f (a) to deg( f, Ω, p) = 0. Gdy zaś f (a) < p < f (b), to<br />
deg( f, Ω, p) = 1. W rzeczy samej: f −1 (p) = {x1, . . . , xm} zawiera nieparzystą liczbę<br />
punktów (np. wzrost, spadek, wzrost, . . .); stąd<br />
deg( f, Ω, p) =<br />
Gdy f (b) < f (a), to deg( f, Ω, p) = −1.<br />
m<br />
sgn f ′ (xi) = +1 − 1 + 1 − 1 + . . . − 1 +1 = 1.<br />
<br />
i1<br />
Konferencja na Helu, 2007 7<br />
=0
§6.2 <strong>Stopień</strong> topologiczny<br />
Twierdzenie 14: (Twierdzenie Poincarégo-Bohla) Niech f, g ∈ C(Ω) oraz ∀x∈Ω<br />
odcinek p [ f (x), g(x)] = {s f (x) + (1 − s)g(x)| 0 s 1}. Wtedy deg( f, Ω, p) =<br />
deg(g, Ω, p).<br />
Dowód Potrzebna nam będzie w tym celu homotopia H(t, x) = t f (x)+(1−t)g(x).<br />
Wiemy z założeń, że p t f (x)+(1−t)g(x), dla t ∈ [0, 1]. Mamy więc p H(t, ∂Ω).<br />
Wzór jest teraz wnioskiem z homotopijnej niezmienniczości stopnia. <br />
Poniższe stwierdzenie mówi, że stopień jest niezmienniczy ze względu na przesunięcie<br />
w przestrzeni.<br />
Twierdzenie 15: Niech, jak zwykle, f ∈ C(Ω) oraz p f (∂Ω). Wtedy<br />
deg( f, Ω, p) = deg( f − q, Ω, p − q), dla każdego q ∈ R n . ( f − q jest dana wzorem<br />
x ↦→ f (x) − p)<br />
Doszliśmy więc do wersji homotopijnej niezmienniczości dla funkcji ciągłych.<br />
Twierdzenie 16: Niech będzie dana ciągła homotopia H : [0, 1] × Ω → R n i pt<br />
ciągła droga w R n . Jeśli pt H(t, ∂Ω), wtedy deg(H(t, ·), Ω, pt) jest niezmienny<br />
dla t ∈ [0, 1].<br />
Poprzednie twierdzenia dotyczyły zależności stopnia od p i f . Teraz określimy<br />
zależność od zbioru Ω.<br />
Twierdzenie 17: Niech f ∈ C(Ω) oraz p f (∂Ω).<br />
i) Addytywność: Niech Ωi ⊂ Ω, i = 1, . . . , m będzie skończoną rodziną<br />
rozłącznych podzbiorów zbioru Ω, takich że p f (Ω \ (∪m i=1Ωi)). Mamy<br />
wtedy<br />
deg( f, Ω, p) =<br />
m<br />
deg( f, Ωi, p). (27)<br />
i=1<br />
ii) Wycinanie: Jeśli K = K ⊂ Ω i p f (K) ∪ f (∂Ω), to<br />
deg( f, Ω, p) = deg( f, Ω \ K, p). (28)<br />
§6.2 <strong>Stopień</strong> topologiczny<br />
Podsumujmy:<br />
Konferencja na Helu, 2007 8
§7. Zastosowania w topologii<br />
Twierdzenie 18: Niech Ω ⊂ R n będzie ograniczonym i otwartym podzbiorem<br />
R n , f : Ω → R n odwzorowaniem ciągłym, y0 ∈ R n , jest taki, że y0 f (∂Ω).<br />
Wtedy trójce ( f, Ω, y0) można przyporządkować liczbę całkowitą w taki sposób,<br />
aby spełnione były następujące własności:<br />
i) Istotność: deg( f, Ω, y0) 0 ⇒ ∃x∈Ω, że f (x) = y0.<br />
ii) Addytywność: Niech Ωi ⊂ Ω, i = 1, . . . , m będzie skończoną rodziną<br />
rozłącznych podzbiorów zbioru Ω, takich że y0 f (Ω \ (∪m i=1Ωi)). Mamy<br />
wtedy<br />
deg( f, Ω, y0) =<br />
m<br />
deg( f, Ωi, y0). (29)<br />
i=1<br />
iii) Wycinanie: Jeśli K = K ⊂ Ω i y0 f (K) ∪ f (∂Ω), to<br />
deg( f, Ω, y0) = deg( f, Ω \ K, y0). (30)<br />
iv) Homotopijna niezmienniczość: Niech ft : Ω × I → R n będzie homotopią.<br />
Niech y będzie odwzorowaniem odcinka I w R n . Jeśli ∀t∈I zachodzi<br />
y(t) ft(∂Ω), to<br />
∀t1,t2∈I zachodzi deg( ft1 , Ω, y(t1)) = deg( ft2 , Ω, y(t2)) (31)<br />
v) Multiplikatywność: Niech Ω1 ⊂ R n i Ω2 ⊂ R k są ograniczonymi i otwartymi<br />
zbiorami, y1 ∈ R n , y2 ∈ R k oraz f1 : Ω1 → R n , f2 : Ω2 → R k a<br />
odwzorowaniami ciągłymi, takimi że y1 f1(Ω1), y2 f2(Ω2). Wtedy<br />
deg( f1 × f2, Ω1 × Ω2, (y1, y2)) = deg( f1, Ω1, y1) · deg( f2, Ω2, y2) (32)<br />
vi) Normalność: Niech j : Ω → R n będzie włożeniem. Wtedy<br />
deg(j, Ω, 0) = 1. (33)<br />
§7 Zastosowania w topologii<br />
Jako przykład zastosowania damy teraz prosty dowód twierdzenia <strong>Brouwera</strong><br />
o punkcie stałym.<br />
Twierdzenie 19: (<strong>Brouwera</strong> o punkcie stałym) Niech D ⊂ R n jest otwarty, a<br />
D jest homeomorficzny z kulą domkniętą. Weźmy f ∈ C(D) takie, że f (D) ⊂ D,<br />
wtedy f ma punkt stały.<br />
Dowód Jasnym jest, że wystarczy udowodnić tę prawdę tylko dla kuli. Istotnie,<br />
jeśli φ : D → B (gdzie przez B oznaczyłem kulę domkniętą), to F := φ ◦ f ◦ φ −1 :<br />
B → B. Wynika stąd, że f ma punkt stały wtedy i tylko wtedy, gdy F ma punkt<br />
Konferencja na Helu, 2007 9
f<br />
·x0 ·x0 = f (x0)<br />
B B<br />
LITERATURA<br />
stały. Pokażemy, że F ma taki punkt.<br />
Jeśli F(x) = x dla x ∈ ∂B, to jest twierdzenie jest udowodnione. Załóżmy więc,<br />
że F(x) x, dla x ∈ ∂B. Rozważmy<br />
H : [0, 1] × B → R n daną wzorem H(t, x) = x − tF(x). (34)<br />
Zauważmy, że tF(x) < 1 dla 0 t < 1, co implikuje, że tF(x) ∂B. Dlatego, dla<br />
x ∈ ∂B, mamy x − tF(x) 0 i H(t, ∂B) 0 dla t ∈ [0, 1). Podobnie z założenia<br />
f (x) = H(1, x) = x − F(x) 0, skąd H(t, ∂B) 0, na całym I. Dzięki homotopijnej<br />
niezmienniczości mamy<br />
1 = deg(Id B , B, 0) = deg(Id B − F, B, 0),<br />
co implikuje, że ∃ x∈B taki, że F(x) = x, tzn. F ma punkt stały. <br />
Uwaga. Twierdzenie <strong>Brouwera</strong> może być udowodnione dla zbiorów domkniętych,<br />
wypukłych i ograniczonych z niepustym wnętrzem.<br />
Innymi zastosowaniami są:<br />
Twierdzenie 20: (Jordana) Jeśli K, L ⊂ R n są zwarte i homeomorficzne, wtedy<br />
K c lub L c ją tę samą skończoną liczbę składowych lub mają ich nieskończenie<br />
wiele.<br />
Twierdzenie 21: (Niezmiennoczość dziedziny) Jeśli D ⊂ R n jest otwarty i<br />
f : D → R n jest ciągłą bijekcją, to f (D) też jest otwarty.<br />
Literatura<br />
[1] „Wstęp do analizy nieliniowej. Teoria stopnia.”, Jacek Gulgowski, Wacław<br />
Marzantowicz, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 2003.<br />
[2] „Ueber Systeme von Funktionen mehrerer Variabeln”, L. Kronecker, Monatsber.<br />
Berlin Akad. (1869) pp. 159193; 688698<br />
[3] „Basic Brouwer Degree Theory: A Pedestrians Point of View”, César O.<br />
Aguilar, 2006<br />
c○ Krzysztof Rykaczewski<br />
Toruń 2007<br />
Konferencja na Helu, 2007 10