Proc. Intern. Geom. Center 2008 1(1–2) 13–22 dω

Топологическая классификация гладкихфункций с одной критической точкой типаседло на неориентируемых поверхностях

Александр А. Кадубовский

Аннотация В работе исследуются гладкие функции на замкнутыхнеориентируемых поверхностях рода g ≥ 1, у которых кроме локаль-ных максимумов и минимумов только одна (вырожденная) критическаяточка типа седло. Установлен критерий топологической эквивалентностифункций из указанного класса. Для неориентируемых поверхностей родаg = 1, 2, 3, 4 подсчитано число топологически неэквивалентных функций,которые имеют только один максимум и один минимум.

Ключевые слова Неориентируемы поверхности · Гладкие функции · То-пологическая классификация · Критичские точки · Линии уровня

УДК 517.938.5, 519.514.17

Введение

Пусть N — гладкая замкнутая поверхность. Обозначим через C∞1 (N) про-странство бесконечно дифференцируемых функций с тремя критическимизначениями на N , все критические точки которых изолированы.

Напомним, что две функции f, g ∈ C∞1 (N) называют топологически эк-вивалентными, если существуют гомеоморфизмы k : N → N и l : R1 → R1,такие что g = l ◦ f ◦ k−1.В дальнейшем будем полагать, что гомеоморфизм l сохраняет ориентацию.

В работе [1] А.О. Пришляком доказано, что функция f ∈ C∞1 (N) в неко-торой окрестности своей изолированной критической точки x ∈ N (не яв-ляющейся локальным экстремумом) топологический тип линий уровня ко-

14 А. Кадубовский

торой при переходе через x изменяется, непрерывной заменой координатприводится к виду f = Re zn + c (n ≥ 2). В дальнейшем будем называть еесущественно критической точкой. Или же к виду f = Re z, если тополо-гический тип линий уровня при переходе через x не изменяется.

Число k существенно критических точек xi функции f вместе со значе-ниями ni (показателями представления f = Re zni+ci в окрестностях крити-ческих точек xi) называется топологическим сингулярным типом функцииf .

В работе В. В. Шарко [3] изучены вопросы гладкой и топологическойэквивалентности функций из класса C∞1 (N), а так же установлено, что су-ществует конечное число топологически неэквивалентных функций с фик-сированным сингулярным типом.

Вопрос о подсчете числа топологически неэквивалентных функций сфиксированным сингулярным типом оказался очень сложной и в общем слу-чае нерешенной задачей.

Если же ограничиться рассмотрением функций из класса C1(N) ⊂C∞1 (N), у которых только одна (вырожденная) существенно критическаяточка (в дальнейшем — критическая точка типа седло), то задача о клас-сификации и подсчете числа неэквивалентных таких функций значительноупрощается. Обозначим через CM,m(N) ⊂ C1(N) класс гладких функций сM максимумами, m минимумами и одной существенно критической точкойна замкнутой поверхности N . В работе [4] в терминах 2-цветных хордовыхдиаграмм специального вида дается критерий топологической эквивалент-ности функций класса CM,m(N) на ориентируемых поверхностях. В рабо-те [5] подсчитано точное значение числа топологически неэквивалентныхфункций класса C1,1(N) в зависимости от рода g ≥ 1 ориентированной по-верхности N .

Данная статья посвящена вопросу топологической классификации функ-ций класса CM,m(N) на замкнутой неориентируемой поверхности N . В тер-минах 2-цветных хордовых диаграмм специального вида установлен кри-терий топологической эквивалентности таких функций. Для неориентиру-емых поверхностей N рода g = 1, 2, 3, 4 подсчитано число топологическинеэквивалентных функций из класса C1,1(N).

1 Вспомогательные определения

В дальнейшем под хордовой диаграммой с n хордами (или, коротко, n-диаграммой) будем понимать конфигурацию (фактически 3-граф) на плос-

Топологическая классификация гладких функций 15

кости, состоящую из окружности, 2n разных точек на ней (являющихсявершинами правильного 2n-угольника) и n хорд, которые задают разбиениеуказанных 2n точек на пары.

Определение 1 2-цветной хордовой диаграммой будем называть n-диаграмму, дуги окружности которой раскрашены в два цвета (черныйи белый) так, что любые соседние дуги разного цвета.

Занумеруем вершины диаграммы числами от 1 до 2n двигаясь, напри-мер, по часовой стрелке от некоторой фиксированной точки на окружностидиаграммы.

Определение 2 2-цветную диаграмму, которая содержит (не содер-жит) хорду, соединяющую вершины с номерами одинаковой четности, бу-дем называть N -диаграммой (O-диаграммой) – рис. 1 A,B.

Определение 3 Диаграммы D1 и D2 будем называть эквивалентными,если их можно совместить с помощью поворота либо в следствии пере-ворота (зеркального отражения) и поворота на некоторый угол.

Определение 4 Черным ( белым) циклом 2-цветной диаграммы будем на-зывать чередующуюся последовательность черных (белых) дуг и хорд, ко-торые образуют гомеоморфный образ ориентированной окружности.

Проиллюстрируем понятие цикла на примере диаграммы, изображеннойна рис. 1 A. Эта диаграмма имеет два черных цикла:

b1 = (2, 1)[1, 8](8, 7)[7, 3](3, 4)[4, 2] и b2 = (6, 5)[5, 12](12, 11)[11, 10](10, 9)[9, 6].

Здесь (·, ·) — ориентированные черные дуги диаграммы; [·, ·] — хорды диа-граммы.

Аналогичным образом определяются белые циклы 2-цветной диаграм-мы.

Расширением 2-цветной диаграммы будем называть двухцветную по-верхность с краем, которая получается следующим образом (рис. 2D):1. утолстим окружность диаграммы (рис. 2 C) до двухцветного цилиндратак, чтобы хорды принадлежали одной (например ω1) из двух его гранич-ных окружностей ω1, ω2;2. в согласовании с цветами заклеим окружность ω2 двухцветным диском(рис. 2 A), который представляет собой круг с 2n секторами, поочередно

16 А. Кадубовский

Рис. 1 A) N -диаграмма; B) O-диаграмма

раскрашенных в черный и белый цвет;3. вдоль каждой хорды подклеим черно-белые ленты (рис. 2 B) так, чтобыцвета были согласованы.

Рис. 2 Расширение 2-цветной N -диаграммы

Заметим, что если 2-цветная диаграмма является N -диаграммой (O-диаграммой), то ее расширение является неориентируемой (ориентируемой)поверхностью с краем.

Очевидно, что если окружность (2-цветной) хордовой n-диаграммы стя-нуть в точку, то получим букет n окружностей, который гомотопическиэквивалентен расширению диаграммы. Поэтому эйлерова характеристикарасширения каждой 2-цветной n-диаграммы равна 1− n.

N -диаграмму с n хордами, которая имеет M черных и m белых циклов,будем обозначать через Dn

M,m, а множество всех таких диаграмм — =nM,m.

Определение 5 N -диаграммы c двумя циклами будем называть диаграм-мами максимального рода.

_1- -1І Ч І Ч

[Ъ -'І Ґ* -І

ІІ 2: Ц 21

1 Ґ -5 І. -Ґ:

<› 1 А -› 1 В". Н

Ё \А В С Б

Топологическая классификация гладких функций 17

2 Топологическая классификация функций из класса CM,m(N)

Предложение 1 Пусть N — замкнутая неориентируемая поверхность.Тогда для произвольных натуральных M и m существует гладкая функцияf : N → R1 с M максимумами, m минимумами и одной (вырожденной)существенно критической точкой.

Доказательство. Известно, что на замкнутой неориентируемой поверхно-сти N рода g всегда можно построить функцию Морса h с M максимумами,m минимумами и r (r = M+m+g−2) (невырожденными) седловыми крити-ческими точками, которые принадлежат одной линии уровня. Как следуетиз работы [2], по функции h можно построить такую гладкую функцию f ,которая отлична от h только в малой окрестности критичного уровня функ-ции h и имеет в этой окрестности только одну вырожденную критическуюточку (типа седло).

Замечание 1 Как было отмечено раннее, функция f в некоторой окрест-ности своей существенно критической точки xf ∈ N (не являющейсялокальным экстремумом) непрерывной заменой координат приводиться квиду f = Rezn + c (n ≥ 2). Более того, для каждой функции f ∈ CM,m(N)показатель n в указанном представлении один и тот же и связан с родомg поверхности N соотношением n = g − 1 +m+M .

Справедливость последнего следует из равенства эйлеровых характери-стик.Известно, что для замкнутой неориентируемой поверхности рода g эйлеровахарактеристика определяется равенством χ(N) = 2− g.С другой стороны, прообраз вырожденной критической точки функции f

является букетом n окружностей. А так как для каждого локального мини-мума (максимума) гладкой функции f : N −→ R1 на замкнутой поверхностисуществует окрестность, в которой f непрерывной заменой координат при-водится к виду f = x2+y2 (f = −x2−y2), то произведя клеточное разбиениеповерхности N , не трудно установить, что χ(N) = 1 − n + (m + M), где 1,n, m + M — число нульмерных, одномерных и двумерных клеток соответ-ственно.

Далее покажем, что каждой функции f ∈ CM,m(N) ставится в соответ-ствие класс эквивалентных Dn

M,m-диаграмм с n = g − 1 +M +m хордами.Пусть xf ∈ N — существенно критическая точка функции f . Не теряя

общности, можно считать, что xf совпадает с началом координат (0,0).

18 А. Кадубовский

Так как f в некоторой окрестности точки xf имеет вид f = Rezn + c, тоокрестность Df последней можно выбрать таким образом, чтобы она пред-ставляла собой дисковую окрестность этой точки, в которой пересекаютсяn отрезков линии уровня и разбивают диск на 2n последовательно чере-дующихся черных и белых секторов, во внутренности которых функция f

принимает значения больше или соответственно меньше c (рис. 2 A).

Рис. 3 Линия уровня критического значения функции f и соответствующая ей 2-цветнаядиаграмма Df

Продолжения отрезков линии уровня (рис. 3) определяют хорды 2-цветной диаграммы Df , а цвет секторов — цвет дуг ее окружности. Так какN неориентируемая поверхность, то расширение диаграммы Df (опред. ??)должно быть неориентируемой поверхностью с краем. Поэтому диаграммаDf является N -диаграммой. А так как функция f имеет M максимумов иm минимумов на N , то расширение диаграммы Df должно иметь M чер-ных (белых) и m белых (черных) компонент края. И поэтому диаграмма Df

является DnM,m-диаграммой.

Очевидно, что если черные и белые компоненты края расширения диа-граммы Df , f ∈ CM,m(N) заклеить черными и, соответственно, белымидисками, то полученная поверхность будет гомеоморфна N .

Замечание 2 Так как расширения DnM,m-диаграмм являются неориен-

тируемыми поверхностями, с одинаковой эйлеровой характеристикойχ(N) = 1 − n и одинаковым числом компонент края соответствующегоцвета (M черных и m белых), то расширения, которые соответствуютнеэквивалентным Dn

M,m-диаграммам являются гомеоморфными поверхно-стями с краем.

Теорема 1 Две функции f, g ∈ CM,m(N) топологически эквивалентны то-гда и только тогда, когда эквивалентны соответствующие им 2-цветныедиаграммы Df и Dg.

Щ-1-1.

Топологическая классификация гладких функций 19

Доказательство. Докажем необходимость. Пусть функции f, g : N 7−→R1 топологически эквивалентны. Тогда существуют гомеоморфизмы k :N → N и l : R1 → R1 (l сохраняет ориентацию), такие что g = l◦f ◦k−1. Этоозначает, что существенно критическая точка xf отображается в существен-но критическую точку xg, каждая точка максимума (минимума) функцииf — в точку максимума (минимума) функции g, а линия уровня функцииf , содержащая точку xf — в линию уровня функции g, содержащую xg.

Не теряя общности, можно считать, что существенно критические точкиxf , xg этих функций совпадают. В противном случае, этого можно добитьсяс помощью диффеоморфизма, изотопного тождественному.

Выберем окрестность этой точки таким образом, чтобы для каждой изфункций f и g она представляла собой дисковую окрестность Df (Dg)общей точки, в которой пересекаются n отрезков соответствующей линииуровня и разбивают этот диск на 2n черных и белых секторов, во внутрен-ности которых f (функция g) принимает значения больше, соответственноменьше c.

Так как l : R1 → R1 сохраняет ориентацию, то каждый черный (белый)сектор диска Df переходит в черный (белый) сектор диска k

(Df)∩ Dg.

Более того, так как каждая точка максимума (минимума) функции f отоб-ражается в точку максимума (минимума) функции g, то это означает, чтокаждая черная (белая) компонента края расширения диаграммы Df пере-ходит в черную (белую) компоненту края расширения диаграммы Dg. Изэтого следует, что каждый черный (белый) цикл диаграммы Df переходитв черный (белый) цикл диаграммы Dg.

Очевидно, что в окрестности Df на соответствующих 2n отрезках можнодвумя разными способами задать циклический порядок (c1, c2, ...., c2n), тоесть, зафиксировать направление на граничной окружности диска Df .

Если гомеоморфизм k : N → N сохраняет выбранное направление награничной окружности диска Df , то циклические порядки отрезков линийуровня функций f и g совпадают с точностью до гомеоморфизма, сохраня-ющего ориентацию окружности. Это означает, что при выборе одинаковогонаправления на окружностях диаграмм Df и Dg циклические порядки то-чек (концов отрезков линий уровня) совпадают.

В этом случае диаграмма Dg получается в результате поворота диаграммыDf .

Если гомеоморфизм k : N → N изменяет выбранное направление награничной окружности диска Df , то циклические порядки отрезков линий

20 А. Кадубовский

уровня функций f и g совпадают с точностью до гомеоморфизма, изменя-ющего ориентацию окружности. Это означает, что при выборе разных на-правлений на окружностях диаграмм Df и Dg циклические порядки точек(концов отрезков линий уровня) совпадают.В этом случае диаграмма Dg получается в следствии переворота (зеркаль-ного отражения) диаграммы Df с последующим поворотом последней.

Таким образом, диаграммы Df и Dg эквивалентны.Достаточность очевидна.

Следствие 1 Число топологически неэквивалентных функций из классаCM,m(N) равно числу неэквивалентных Dn

M,m-диаграмм с n = g−1+M+mхордами (где g – род поверхности N), расширения которых гомеоморфныN .

Таким образом, установлена биекция между классами топологическойэквивалентности функций из множества CM,m(Ng) и классами эквивалент-ности хордовых N -диаграмм из множества =n

M,m, где n = g − 1 +M +m.

3 Число неэквивалентных минимальных функций

Функции из класса C1,1(N) будем называть минимальными функциями.На проективной плоскости (g = 1) существует единственная минималь-

ная функция, так как имеется только одна 2-цветная N -диаграмма макси-мального рода с n = 2 хордами — рис. 4 A.

Аналогичный факт имеет место и для бутылки Клейна (g = 2) — рис.4 B.

Рис. 4 Все неэквивалентные N -диаграммы максимального рода при n = 2, 3, 4.

Не сложно проверить, что имеется только 4 неэквивалентных 2-цветныхN -диаграмм максимального рода с n = 4 хордами — рис. 4 1)−4). Поэтому

81 ЄБЭЕ @@®@

Топологическая классификация гладких функций 21

на неориентируемой поверхности рода g = 3 существует 4 топологическинеэквивалентных минимальных функций.

Как следует из работы [6], имеется только 14 неэквивалентных хордо-вых диаграмм с n = 5 хордами (на рис. 5 это диаграммы 1 − 8; 13 − 18),являющиеся N диаграммами, и которые при фиксированной раскраске дугокружности (поочередно в два цвета) содержат 2 цикла.

Рис. 5 Все неэквивалентные N -диаграммы максимального рода при n = 5

Так как имеется ровно два способа раскраски дуг каждой из 14 этих диа-грамм, то число неэквивалентных 2-цветных диаграмм не более 28. Непо-средственной проверкой не трудно установить, что точное число неэквива-лентных 2-цветных N -диаграмм с n = 5 хордами равно 20 — рис. 5.

Таким образом, на неориентируемой поверхности рода g = 4 существует20 топологически неэквивалентных минимальных функций.

Список литературы

1. Prishlyak, A.O.: Topological equivalence of smooth functions with isolated critical pointson a cloused surface. Topology and its Aplications, 119, 257–267 (2002)

2. Takens, F.: The minimal number of critical points of a function on a compact manifoldand the Lusternik-Sehnirelman category. Invent. Math., 6, 197—244 (1968)

3. Шарко, В.В.: Гладкая и топологическая эквивалентность функций на поверхностях.Укр. мат. жур. 55(5), 687–700 (2003)

4. Кадубовський, О.: Топологiчна еквiвалентнiсть функцiй на орiєнтованих поверхнях.Укр. мат. жур. 58(3), 343–351 (2006)

5. Кадубовський, О.: Про один клас хордових дiаграм максимального роду. ВiсникКиївського унiверситету Серiя: фiзико-математичнi науки, Вип. 1, 17–27 (2006)

6. Мантуров, В.О.: Атомы, высотные атомы, хордовые диаграммы и узлы. Перечислениеатомов малой сложности с использованием языка Mathematica 3.0. В сб. “Топологи-ческие методы в теории гамильтоновых систем” под редакцией А. В. Болсинова, А.Т.Фоменко, А.И. Шафаревича. М. Изд-во Факториал, 203-212 (1998)

@@@©@Ш®®1 1 3 4 5 15 Т

9 Ш І1 І2

@3@*@@&@ї@@@19 ЕП

Александр А. КадубовскийСлавянский государственный педагогический университет, Славянск,Украина.E-mail: kadubovs@imath.kiev.ua

Aleksander A. Kadubovsky

Topological classification of smooth functions that possess onlyone saddle critical point on non-oriented surfaces

On closed non-oriented surfaces of genus g ≥ 1, we consider functions thatpossess only one saddle critical point in addition to local maxima and minima.The full topologically invariant for functions with given numbers of minimaand maxima is constructed. For non-oriented surfaces of genus g = 1, 2, 3, 4 wecalculate the number of topologically nonequivalent functions with one maximumand one minimum.