diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf index 8dcd1f4..b24f054 100644 Binary files a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf and b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf differ diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/4-varieta-e-teoria-del-grado.tex b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/4-varieta-e-teoria-del-grado.tex index c6f7da0..dd25f7b 100644 --- a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/4-varieta-e-teoria-del-grado.tex +++ b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/4-varieta-e-teoria-del-grado.tex @@ -491,7 +491,7 @@ nulla, ha misura nulla. Quindi $f(\crit(f))$ ha misura nulla per definizione. \end{proof} - \begin{corollary}[di Brown] Sia $f : M \to N$ una + \begin{corollary}[di Brown] \label{cor:brown} Sia $f : M \to N$ una mappa liscia tra due varietà. Allora l'insieme dei valori regolari di $f$ è denso in $N$. \end{corollary} @@ -767,7 +767,11 @@ \begin{remark} A partire da queste definizioni, si definiscono in modo analogo i - concetti di punto regolare/critico e di valore regolare/critico. + concetti di punto regolare/critico e di valore regolare/critico. \smallskip + + Si generalizza facilmente in questo senso + il Teorema di Sard (Teorema \ref{thm:sard}), così come quello di + Brown (Corollario \ref{cor:brown}). \end{remark} \subsection{Varietà con bordo da valori regolari} @@ -917,9 +921,9 @@ il bordo della varietà si trasferisce coerentemente a sua volta. \end{proof} - \subsection{Mappe dalla varietà al bordo} + \subsection{Classificazione delle \texorpdfstring{$1$}{1}-varietà, lemma di non retrazione sul bordo e teorema del punto fisso di Brouwer} - \begin{theorem} \label{thm:classificazione_dim_1_generale} + \begin{theorem}[Classificazione delle $1$-varietà con bordo] \label{thm:classificazione_dim_1_generale} Una $1$-varietà con bordo è diffeomorfa a unioni di copie di $S^1$ e di intervalli di $\RR$. \end{theorem} @@ -928,7 +932,7 @@ Si veda l'appendice di [Milnor, J. (1965). \textit{Topology from the Differentiable Viewpoint}. University Press of Virginia]. \end{proof} - \begin{corollary} \label{thm:classificazione_dim_1} + \begin{corollary}[Classificazzione delle $1$-varietà compatte con bordo] \label{cor:classificazione_dim_1} Una $1$-varietà compatta con bordo è necessariamente un'unione di copie di $S^1$ e di intervalli chiusi di $\RR$. \end{corollary} @@ -938,21 +942,67 @@ utilizzando l'ipotesi di compattezza. \end{proof} - \begin{lemma} + \begin{lemma}[di non retrazione sul bordo] \label{lem:non_retrazione} Sia $M$ una varietà compatta con bordo $\partial M \neq \emptyset$. Allora \underline{non} - esistono mappe lisce $f$ da $M$ in $\partial M$ che fissano il bordo (i.e., con $\restr{f}{\partial M} = \id_{\partial M}$). + esistono mappe lisce $f$ da $M$ in $\partial M$ che fissano il bordo, ovverosia + con $\restr{f}{\partial M} = \id_{\partial M}$. \end{lemma} \begin{proof} - ... + Supponiamo esista una tale mappa $f$. Allora per il Teorema di Brown (Corollario \ref{cor:brown}, generalizzato alle varietà + bordate), sappiamo che i valori regolari di $f$ sono densi in $\partial M$, e che in particolare + esiste almeno un valore regolare. \smallskip + + Sia $y$ un + tale valore regolare. Allora, poiché $\restr{f}{\partial M} = \id_{\partial M}$, + $y$ è valore regolare anche per $\restr{f}{\partial M}$. \smallskip + + Pertanto, per il Teorema \ref{thm:varietà_bordata_da_valore_regolare}, $f\inv(y)$ è una + $1$-varietà con bordo $f\inv(y) \cap \partial M$. Poiché $\{y\}$ è chiuso in $\partial M$ + (è T1), $f\inv(y)$ è un chiuso in un compatto, e dunque è una $1$-varietà compatta. \smallskip + + Osserviamo che il bordo di $f\inv(y)$ si semplifica a $\{y\}$ dacché $\restr{f}{\partial M} = \id_{\partial M}$. Tuttavia questo + è un assurdo, dal momento che le $1$-varietà compatte con bordo finito hanno un numero pari di elementi sul + bordo per il Corollario \ref{cor:classificazione_dim_1}. Quindi $f$ \underline{non} può esistere. \end{proof} - \begin{lemma} + \begin{lemma} \label{lem:punto_fisso_cinf} Ogni mappa liscia $f : D^n \to D^n$ ammette almeno un punto fisso. \end{lemma} \begin{proof} - ... + Supponiamo per assurdo che $f$ \underline{non} ammetta alcun punto fisso. + Definiamo $u_x$ in modo tale che: + \[ + u_x \defeq \frac{x - f(x)}{\norm{x - f(x)}}, \quad \forall x \in D^n. + \] + Poiché $f$ non ammette punti fissi, $u_x \neq 0$ per ogni $x \in D^n$. \smallskip + + Costruiamo $f : D^n \to S^{n-1}$ liscia tale per cui $f(x) = x + t u_x$ e + $\restr{f}{S^{n-1}} = \id_{S^{n-1}}$. \smallskip + + Allora deve valere $\norm{f(x)}^2 = 1$, e quindi: + \begin{equation*} + \begin{aligned} + t^2 + 2(x \cdot u_x) t + (\|x\|^2 - 1) = 0 \implies \\ + t_{\pm} = - x \cdot u_x \pm \sqrt{(x \cdot u_x)^2 - \|x\|^2 + 1}. + \end{aligned} + \end{equation*} + Scegliamo $t \defeq t_+$. Affinché $f$ sia liscia, occorre che l'espressione + $h(x) \defeq (x \cdot u_x)^2 - \|x\|^2 + 1$ dentro la radice quadrata in $t$ sia sempre maggiore di $0$. \smallskip + + Osserviamo che per $x \in D^n$ si ha $h(x) \geq (x \cdot u_x)^2 \geq 0$. Se allora $h(x) > (x \cdot u_x)^2$, + $h(x)$ è maggiore strettamente di $0$. Se invece $h(x) = (x \cdot u_x)^2$, necessariamente $\norm{x}^2 = 1$, + e quindi $x \in S^{n-1}$. Ma allora: + \[ + x \cdot u_x = \frac{1 - x \cdot f(x)}{\norm{x - g(x)}}. + \] + Dal momento che $x$ non può essere un punto fisso di $f$, $x \cdot f(x)$ \underline{non} può essere uguale a $1$; quindi + $x \cdot u_x > 0$ per $x \in S^{n-1}$. Si conclude allora che $h(x) > 0$ per ogni $x \in D^n$, e quindi $f$ + è una funzione liscia. \smallskip + + Si verifica facilmente che $\restr{f}{S^{n-1}} = \id_{S^{n-1}}$. Questo tuttavia è un assurdo + per il Lemma \ref{lem:non_retrazione}, \Lightning. Quindi $f$ ammette almeno un punto fisso. \end{proof} \begin{theorem}[del punto fisso di Brouwer] @@ -960,7 +1010,32 @@ \end{theorem} \begin{proof} - ... + Supponiamo per assurdo che $f$ \underline{non} ammetta alcun punto fisso. Poiché $D^n$ + è compatto, per il Teorema di approssimazione di Weierstrass, per ogni $\eps > 0$ + esiste una funzione polinomiale $P_\eps : \RR^n \to \RR^n$ tale per cui + $\norm{P_\eps(x) - f(x)} < \eps$ per ogni $x \in D^n$. \smallskip + + Osserviamo che: + \[ + \norm{P_\eps(x)} \leq \norm{P_\eps(x) - f(x)} + \norm{f(x)} < \eps + 1, + \] + quindi $Q_\eps \defeq \frac{1}{\eps + 1} P_\eps$ si restringe su $D^n$ a + un'endofunzione $\restr{Q_\eps}{D^n} : D^n \to D^n$. \smallskip + + Dal momento che $f$ non ammette alcun punto fisso, $\mu \defeq \min_{x \in D^n} \norm{f(x) - x}$ è + tale per cui $\mu > 0$. \smallskip + + Osserviamo che: + \begin{equation*} + \begin{aligned} + \|Q_\eps(x) - f(x)\| & = \frac{1}{\eps + 1} (\|P_\eps(x) - f(x)\| + \eps \|f(x)\|) \\[0.1in] + & \leq \frac{2 \eps}{\eps + 1}. + \end{aligned} + \end{equation*} + Scegliendo allora $\eps$ tale per cui $\frac{2 \eps}{\eps + 1} < \mu$, $Q_\eps$ \underline{non} può ammettere + punti fissi: un punto fisso violerebbe infatti la minimalità di $\mu$ secondo la scorsa disuguaglianza. + Tuttavia $Q_\eps$ è una funzione liscia, e per il Lemma \ref{lem:punto_fisso_cinf} deve ammettere + punti fissi, \Lightning. Dunque $f$ ammette almeno un punto fisso. \end{proof} \section{Teoria del grado modulo \texorpdfstring{$2$}{2}} @@ -1000,7 +1075,7 @@ poiché i valori regolari sono densi, possiamo prendere $y'$ valore regolare di $H$. \smallskip Allora $H\inv(y')$ è una varietà di dimensione $1$, il cui bordo ha un numero pari - di punti per il Teorema \ref{thm:classificazione_dim_1}. \smallskip + di punti per il Corollario \ref{cor:classificazione_dim_1}. \smallskip Osserviamo che $\partial (M \times [0, 1]) = M \times \{0\} \sqcup M \times \{1\}$. Allora: \[