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El teorema de la bola peluda y las transformaciones de Möbius

Acabo de encontrar un capítulo de Needham _Análisis visual complejo_ en particular, estos diagramas:

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( p. 153 - que resulta que también están en la portada)

Representan familias de transformaciones de Möbius que actúan sobre el Esfera de Riemann . Las imágenes me recordaron al famoso Teorema de la bola peluda La imagen del peinado podría ser un efecto combinado de las transformaciones anteriores. La conexión más sorprendente es que coinciden completamente con el teorema: cualquier transformación de este tipo tiene al menos un punto fijo. ¿Existe aquí una conexión subyacente, ya sea con el propio teorema o quizás con una versión simplificada del mismo?

PS: Sé poco sobre la prueba real del teorema $-$ por favor, perdóname si la conexión (o la ausencia de ella) es obvia.

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FasterEd Puntos 31

Como mencionó Daniel en los comentarios, existe una relación íntima entre los flujos, las curvas integrales y los campos vectoriales (una colección de flechas en cada punto de la esfera). Dado un flujo, uno puede seguir puntos individuales para crear curvas en la superficie que caen en órbitas distintas en este caso. Dada una familia de tales curvas, se pueden diferenciar para obtener el campo vectorial.

Ahora bien, el teorema de la bola peluda sólo se refiere a los campos vectoriales y dice que la suma de los grados de los ceros de cualquier campo es $2$ pero gracias a la conexión anterior esto también se aplica a los flujos. En particular, un campo vectorial tiene un cero precisamente cuando el flujo asociado tiene un punto fijo.

Sin embargo, todavía tenemos que conectar los flujos con las transformaciones de Mobius. Por ejemplo, una rotación por $90$ grados alrededor de cierto eje es una transformación que reemplaza una esfera con su doble rotado pero un flujo es una animación real de esta rotación. Es posible pasar de una a otra de la misma manera que lo hacen los cineastas. Rotar la esfera por $1$ grado, hacer una foto, girar otro grado, volver a hacer una foto, etc. Al final tendrás una película en stop motion grabando la rotación. Haciendo los pasos infinitesimales obtendrás el flujo. Sin embargo, para los puntos fijos esta distinción no importa porque no se mueven en absoluto, así que estamos al final del camino: los puntos fijos de las transformaciones de Mobius son precisamente los ceros de los campos vectoriales correspondientes.

Obsérvese que el teorema de la bola peluda también nos dice que debe haber precisamente dos puntos fijos (al menos cuando los grados de los ceros son positivos, como aquí), contados con multiplicidad.

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Igor Rivin Puntos 11326

Una transformación de Mobius puede ser continuada a una isometría del espacio hiperbólico, que (siendo un auto-mapa de la bola) tiene un punto fijo. Éste puede estar en el interior de la bola (en cuyo caso la transformación es elíptica, por lo que es una rotación, que en tres dimensiones siempre tiene un eje), o en la esfera. Por supuesto, esta es la forma difícil de obtener los puntos fijos -- la forma fácil sólo utiliza la descripción matricial explícita.

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