نظرية مورس
في الرياضيات ، وتحديدًا في الطوبولوجيا التفاضلية ، تُمكّن نظرية مورس من تحليل طوبولوجيا أي فضاء متعدد الشعب من خلال دراسة الدوال القابلة للتفاضل عليه . ووفقًا لرؤى مارستون مورس الأساسية ، فإن الدالة النموذجية القابلة للتفاضل على أي فضاء متعدد الشعب تعكس طوبولوجيا هذا الفضاء بشكل مباشر. تسمح نظرية مورس بإيجاد بنى CW ومعالجة عمليات التفكيك على الفضاءات متعددة الشعب، والحصول على معلومات جوهرية حول تماثلها .
قبل مورس، طوّر آرثر كايلي وجيمس كلارك ماكسويل بعض أفكار نظرية مورس في سياق الطبوغرافيا . طبّق مورس نظريته في الأصل على الخطوط الجيوديسية ( النقاط الحرجة لدالة الطاقة على فضاء المسارات). استُخدمت هذه التقنيات في برهان راؤول بوت لنظرية الدورية .
إن نظير نظرية مورس للمتشعبات المعقدة هو نظرية بيكارد-ليفشيتز .
المفاهيم الأساسية

على سبيل المثال، تخيل سطحًا لتضاريس جبلية(بشكل أعم، متعدد الشعب ). إذاهي الوظيفةبإعطاء ارتفاع كل نقطة، ثم الصورة العكسية لنقطة فيخط الكنتور هو خط كفاف (أو بشكل أعم، مجموعة مستويات ). كل مكون متصل في خط الكنتور هو إما نقطة، أو منحنى مغلق بسيط ، أو منحنى مغلق ذو نقطتين . قد تحتوي خطوط الكنتور أيضًا على نقاط من رتبة أعلى (نقاط ثلاثية، إلخ)، لكنها غير مستقرة ويمكن إزالتها بتشوه طفيف في التضاريس. تظهر النقاط المزدوجة في خطوط الكنتور عند نقاط السرج ، أو الممرات، حيث ينحني سطح الأرض المحيط لأعلى في اتجاه ولأسفل في الاتجاه الآخر.

تخيل إغراق هذه المنطقة بالماء. عندما يصل الماء إلى مستوى معين...السطح تحت الماء هو، النقاط ذات الارتفاعأو أسفل. تأمل كيف تتغير تضاريس هذا السطح مع ارتفاع الماء. يبدو السطح دون تغيير إلا عندمايتجاوز ارتفاع النقطة الحرجة ، حيث يكون تدرجيكون(بشكل أعم، لا تمتلك مصفوفة جاكوبي التي تعمل كدالة خطية بين الفضاءات المماسية رتبة قصوى ). بعبارة أخرى، فإن طوبولوجيالا يتغير إلا عندما يبدأ الماء إما (1) في ملء حوض، أو (2) يغطي سرجًا ( ممرًا جبليًا )، أو (3) يغمر قمة.

يُربط بهذه الأنواع الثلاثة من النقاط الحرجة - الأحواض، والممرات، والقمم (أي النقاط الدنيا، والسرج، والنقاط القصوى) - رقم يُسمى المؤشر، وهو عدد الاتجاهات المستقلة التييتناقص من النقطة. وبشكل أدق، مؤشر النقطة الحرجة غير المنحلةليمثل بُعد أكبر فضاء فرعي من الفضاء المماسي لـفيالتي عليها الهيسيهي سالبة تمامًا. مؤشرات الأحواض والممرات والقمم هيوعلى التوالى.
بالنظر إلى سطح أكثر عمومية، لنفترضيكون على شكل حلقة موجهة كما في الصورة، معمرة أخرى، نأخذ نقطة إلى ارتفاعها فوق المستوى. يمكن للمرء مرة أخرى تحليل كيفية تضاريس السطح تحت الماءيتغير مع مستوى الماءيرتفع.


لنبدأ من أسفل الحلقة،وكن النقاط الأربع الحرجة للمؤشرويتوافق ذلك مع الحوض، وسرجين، وقمة، على التوالي. عندماأقل منثمهي المجموعة الفارغة. بعديجتاز مستوىمتىثمهو قرص ، وهو مكافئ تماثليًا لنقطة (خلية صفرية) تم "إلحاقها" بالمجموعة الفارغة. بعد ذلك، عندمايتجاوز مستوىوثمهو أسطوانة، وهو مكافئ تماثليًا لقرص متصل به خلية واحدة (الصورة على اليسار). بمجرديجتاز مستوىوثمهو شكل حلقي تم إزالة قرص منه، وهو مكافئ تماثليًا لأسطوانة متصلة بها خلية واحدة (الصورة على اليمين). أخيرًا، عندماأكبر من المستوى الحرج لـهو عبارة عن حلقة، أي حلقة تم إزالة قرص (خلية ثنائية) وإعادة ربطه.
يوضح هذا القاعدة التالية: طوبولوجيالا يتغير إلا عندمايتجاوز ارتفاع النقطة الحرجة؛ عند هذه النقطة،الخلية متصلة بـ، أينهو مؤشر النقطة. هذا لا يُعالج ما يحدث عندما تكون نقطتان حرجتان على نفس الارتفاع، وهو ما يمكن حله عن طريق اضطراب طفيف فيفي حالة وجود منظر طبيعي أو متعدد الشعب مضمن في الفضاء الإقليدي ، قد يكون هذا الاضطراب مجرد إمالة طفيفة، مما يؤدي إلى تدوير نظام الإحداثيات.
يجب الحرص على جعل النقاط الحرجة غير متدهورة. لمعرفة ما يمكن أن يشكل مشكلة، دعودعثمتُعد نقطة حاسمة منلكن طوبولوجيالا يتغير عندماتمريراتالمشكلة هي أن المشتقة الثانية هي— أي الهيسيينيختفي ويصبح الوضع الحرج متدهورًا. هذا الوضع غير مستقر، لأنه بتشويه طفيفل، يتم إزالة النقطة الحرجة المنحلة () أو ينقسم إلى نقطتين حرجتين غير متدهورتين ().
التطور الرسمي
لدالة سلسة ذات قيم حقيقيةعلى مشعب قابل للتفاضلالنقاط التي يكون عندها تفاضلتُسمى نقاط التلاشي بالنقاط الحرجة لـوصورهم تحتتُسمى هذه القيم بالقيم الحرجة . إذا كانت عند نقطة حرجةإذا كانت مصفوفة المشتقات الجزئية الثانية ( مصفوفة هيسيان ) غير منفردة، فإنيُطلق عليه اسمالنقطة الحرجة غير المنحلة ؛ إذا كانت مصفوفة هيسيان منفردة، فإنهونقطة حرجة متدهورة .
بالنسبة للوظائف منلتوجد نقطة حرجة عند نقطة الأصل إذاوهو غير منحط إذا(إنه،وهو على شكلوتتدهور إذا(إنه،وهو على شكل). ومن الأمثلة الأقل تفاهةً على النقطة الحرجة المنحطة أصل سرج القرد .
مؤشر النقطة الحرجة غير المنحلةليمثل بُعد أكبر فضاء فرعي من الفضاء المماسي لـفيوالتي تكون فيها مصفوفة هيسيان سالبة التحديد . وهذا يتوافق مع المفهوم البديهي القائل بأن الدليل هو عدد الاتجاهات التييتناقص. إن انحلال ومؤشر النقطة الحرجة مستقلان عن اختيار نظام الإحداثيات المحلي المستخدم، كما هو موضح في قانون سيلفستر .
معضلة مورس
يتركأن تكون نقطة حرجة غير متدهورة ثم يوجد مخططفي حيلبحيثللجميعو طَوَالهنايساوي دليلفيوكنتيجة طبيعية لمبدأ مورس، يتضح أن النقاط الحرجة غير المنحلة معزولة . (للاطلاع على امتداد إلى المجال المركب، انظر مبدأ مورس المركب . وللحصول على تعميم، انظر مبدأ مورس-باليه ).
النظريات الأساسية
دالة حقيقية سلسة على مشعبتُعتبر الدالة مورس إذا لم يكن لها نقاط حرجة متدهورة. وتنص إحدى النتائج الأساسية لنظرية مورس على أن جميع الدوال تقريبًا هي دوال مورس. من الناحية الفنية، تُشكل دوال مورس مجموعة فرعية مفتوحة وكثيفة من جميع الدوال الملساء.فيالطوبولوجيا. ويتم التعبير عن ذلك أحيانًا على أنه "دالة نموذجية هي مورس" أو " دالة عامة هي مورس".
كما ذكرنا سابقاً، نحن مهتمون بمسألة متى تصبح طوبولوجياالتغييرات معيختلف الأمر. نصف الإجابة على هذا السؤال يُعطى من خلال النظرية التالية.
- نظرية. لنفترضهي دالة حقيقية سلسة علىمضغوطة ، ولا توجد قيم حرجة بينهاو ثممتماثل الشكل لـويتراجع التشوه إلى
ومن المهم أيضاً معرفة كيف تؤثر بنية طوبولوجياالتغييرات عندمايمر بنقطة حرجة. تجيب النظرية التالية على هذا السؤال.
- نظرية. لنفترضهي دالة حقيقية سلسة علىوهي نقطة حرجة غير متدهورة منفهرسوذلك يفترضمضغوط ولا يحتوي على نقاط حرجة باستثناءثممكافئ تماثليًا لـمع- تم توصيل الخلية.
تعمم هذه النتائج وتضفي طابعاً رسمياً على "القاعدة" المذكورة في القسم السابق.
باستخدام النتيجتين السابقتين وحقيقة وجود دالة مورس على أي مشعب قابل للتفاضل، يمكن إثبات أن أي مشعب قابل للتفاضل هو مركب CW ذو- خلية لكل نقطة حرجة من الفهرس للقيام بذلك، يحتاج المرء إلى الحقيقة التقنية المتمثلة في إمكانية ترتيب وجود نقطة حرجة واحدة على كل مستوى حرج، وهو ما يتم إثباته عادةً باستخدام حقول متجهة تشبه التدرج لإعادة ترتيب النقاط الحرجة.
عدم المساواة في مورس
يمكن استخدام نظرية مورس لإثبات بعض النتائج القوية المتعلقة بتماثل المتشعبات. عدد النقاط الحرجة للمؤشرليساوي عددالخلايا في بنية CW علىمشتق من كلمة "تسلق"باستخدام حقيقة أن المجموع المتناوب لرتب مجموعات التماثل لفضاء طوبولوجي يساوي المجموع المتناوب لرتب مجموعات السلاسل التي يُحسب منها التماثل، فإنه باستخدام مجموعات السلاسل الخلوية (انظر التماثل الخلوي ) يتضح أن خاصية أويلريساوي المجموع أينهو عدد النقاط الحرجة للمؤشركما أن رتبة... تعتمد على التشابه الخلويمجموعة التماثل th لمركب CWأقل من أو يساوي عدد-الخلايا فيلذلك، فإن رتبةمجموعة التماثل، أي عدد بيتي، أقل من أو يساوي عدد النقاط الحرجة للمؤشروظيفة مورس علىيمكن تعزيز هذه الحقائق للحصول علىمتباينات مورس :
على وجه الخصوص، لأي يمتلك المرء
يوفر هذا أداة قوية لدراسة طوبولوجيا المتشعبات. لنفترض أنه على متشعب مغلق توجد دالة مورسمع وجود k نقطة حرجة بالضبط . بأي طريقة يرتبط وجود الدالةيقيدالقضيةدرسها جورج ريب عام 1952؛ وتنص نظرية ريب الكروية على أنمتماثل الشكل مع الكرةالقضيةلا يكون ذلك ممكنًا إلا في عدد قليل من الأبعاد المنخفضة، ويكون M متماثلًا مع مشعب إيلز-كويبر . في عام 1982، طور إدوارد ويتن منهجًا تحليليًا لمتراجحات مورس من خلال دراسة مُركب دي رام للمؤثر المُضطرب. [ 1 ] [ 2 ]
تطبيق على تصنيف المشعبات المغلقة ثنائية الأبعاد
استُخدمت نظرية مورس لتصنيف المشعبات المغلقة ثنائية الأبعاد حتى التماثل التفاضلي. إذاإذا كان موجهاً، فعندئذٍيتم تصنيفها حسب جنسهاوهو متماثل الشكل مع كرة ذاتالمقابض: وبالتالي إذامتماثل الشكل مع الكرة ثنائية الأبعاد؛ وإذامتماثل شكليًا مع المجموع المتصل لـ2-حلقة. إذاغير قابل للتوجيه، ويتم تصنيفه برقموهو متماثل شكليًا مع المجموع المتصل لـمساحات إسقاط حقيقيةعلى وجه الخصوص، يكون مشعبان مغلقان ثنائيا الأبعاد متماثلين طوبولوجيًا إذا وفقط إذا كانا متماثلين تباينيًا. [ 3 ] [ 4 ]
تشابه مورس
يُعدّ علم التماثل المورسي طريقةً سهلةً لفهم تماثل المتشعبات الملساء . ويُعرَّف باستخدام اختيار عام لدالة مورس ومقياس ريماني . تنصّ النظرية الأساسية على أن التماثل الناتج ثابتٌ للمتشعب (أي مستقلٌ عن الدالة والمقياس) ومتماثلٌ مع التماثل الشاذ للمتشعب؛ وهذا يعني أن أعداد مورس وأعداد بيتي الشاذة متطابقة، ويُقدّم برهانًا مباشرًا لمتباينات مورس. يُعرف نظيرٌ لانهائي الأبعاد لعلم التماثل المورسي في الهندسة التبسيطية باسم علم التماثل الفلوري .
نظرية مورس-بوت
يمكن تعميم مفهوم دالة مورس ليشمل الدوال التي لها مشعبات غير متدهورة من النقاط الحرجة.دالة مورس-بوت هي دالة سلسة على مشعبمجموعتها الحرجةمشعبًا فرعيًا مغلقًا، ويكون مصفوفة هيس الخاصة بها غير منعدمة في الاتجاه العمودي. (بصورة مكافئة، تساوي نواة مصفوفة هيس عند نقطة حرجة الفضاء المماسي للمشعب الفرعي الحرج). دالة مورس هي الحالة الخاصة التي تكون فيها المشعبات الحرجة صفرية الأبعاد (وبالتالي تكون مصفوفة هيس عند النقاط الحرجة غير منعدمة في كل اتجاه، أي ليس لها نواة).
يُنظر إلى المؤشر بشكل طبيعي على أنه زوج أينيمثل بُعد المتشعب غير المستقر عند نقطة معينة من المتشعب الحرج، ويساويبالإضافة إلى بُعد المتشعب الحرج. إذا تم تشويش دالة مورس-بوت بدالة صغيرة على الموضع الحرج، فإن فهرس جميع النقاط الحرجة للدالة المشوشة على متشعب حرج للدالة غير المشوشة سيقع بينو
تُعدّ دوال مورس-بوت مفيدة لأن دوال مورس العامة يصعب التعامل معها؛ أما الدوال التي يمكن تصورها، والتي يمكن حسابها بسهولة، فعادةً ما تتمتع بتناظرات. وغالبًا ما تؤدي إلى مشعبات حرجة موجبة الأبعاد. وقد استخدم راؤول بوت نظرية مورس-بوت في برهانه الأصلي لنظرية بوت الدورية .
تُعد الدوال الدائرية أمثلة على دوال مورس-بوت، حيث تكون المجموعات الحرجة عبارة عن (اتحادات منفصلة من) الدوائر.
يمكن أيضًا صياغة علم التماثل المورسي لدوال مورس-بوت؛ ويتم حساب التفاضل في علم التماثل المورسي-بوت بواسطة متتالية طيفية . وقد وضع فريدريك بورجوا مخططًا لنهج في سياق عمله على نسخة مورس-بوت من نظرية الحقل التبسيطي، لكن هذا العمل لم يُنشر قط بسبب صعوبات تحليلية كبيرة.
انظر أيضاً
- نظرية ألمجرين-بيتس مين-ماكس
- نظرية مورس الرقمية – تكييف رقمي لنظرية مورس المتصلة لبيانات الحجم القياسي
- نظرية مورس المنفصلة – منهج توافقي لدراسة طوبولوجيا متعدد الشعب
- مجموعة جاكوبي
- لاغرانجيان غراسمانيان – نوع من الفضاءات المتجهة في الرياضيات
- فئة لوسترنيك-شنيرلمان – جانب من جوانب الطوبولوجيا الجبرية
- نظام مورس-ميل
- نظرية ممر الجبل – نظرية رياضية
- مبرهنة سارد – نظرية في التحليل الرياضي. صفحات تعرض وصفًا موجزًا لأهداف إعادة التوجيه.
- نظرية مورس الطبقية
مراجع
- ↑ ويتن، إدوارد (1982). "التناظر الفائق ونظرية مورس" . مجلة الهندسة التفاضلية 17 (4): 661-692 . doi : 10.4310/jdg/1214437492 .
- ↑ رو، جون (1998). المؤثرات الإهليلجية، والطوبولوجيا، والطريقة التقاربية . سلسلة مذكرات بيتمان البحثية في الرياضيات. المجلد 395 ( الطبعة الثانية). لونجمان. ISBN 0582325021.
- ↑ غولد، ديفيد ب. (1982). الطوبولوجيا التفاضلية: مقدمة . سلسلة الدراسات والكتب الدراسية في الرياضيات البحتة والتطبيقية. المجلد 72. مارسيل ديكر. ISBN 0824717090.
- ↑ شاستري، أنانت ر. (2011). عناصر الطوبولوجيا التفاضلية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 9781439831601.
للمزيد من القراءة
- بوت ، راؤول (1988). "نظرية مورس التي لا تقهر" . منشورات Mathématiques de l'IHÉS . 68 : 99 – 114. دوى : 10.1007 / bf02698544 . S2CID 54005577 .
- بوت، راؤول (1982). "محاضرات في نظرية مورس، القديمة والحديثة" . نشرة الجمعية الرياضية الأمريكية . (سلسلة جديدة). 7 (2): 331-358 . doi : 10.1090/s0273-0979-1982-15038-8 .
- كايلي، آرثر (1859). "حول خطوط الكنتور والميل" (ملف PDF) . المجلة الفلسفية . 18 (120): 264-268 .
- غيست، مارتن (2001). "نظرية مورس في التسعينيات". arXiv : math/0104155 .
- هيرش، م. (1994). الطوبولوجيا التفاضلية ( الطبعة الثانية). سبرينغر.
- كوسينسكي، أنطوني أ. (19 أكتوبر 2007). المشعبات التفاضلية . كتاب دوفر في الرياضيات (إعادة طبع طبعة 1993 ). مينولا، نيويورك: منشورات دوفر. ISBN 978-0-486-46244-8. OCLC 853621933 .
- لانغ، سيرج (1999). أساسيات الهندسة التفاضلية . نصوص الدراسات العليا في الرياضيات . المجلد 191. نيويورك: سبرينغر-فيرلاغ . ISBN 978-0-387-98593-0. OCLC 39379395 .
- ماتسوموتو، يوكيو (2002). مقدمة في نظرية مورس .
- ماكسويل، جيمس كليرك (1870). "حول التلال والوديان" (ملف PDF) . المجلة الفلسفية . 40 (269): 421-427 .
- ميلنور، جون (1963). نظرية مورس . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 0-691-08008-9.
{{cite book}}: عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة ) مرجع كلاسيكي متقدم في الرياضيات والفيزياء الرياضية. - ميلنور، جون (1965). محاضرات حول نظرية التماثل h (PDF) .
- مورس، مارستون (1934). حساب التفاضل والتكامل في الأعداد الكبيرة . منشورات ندوة الجمعية الرياضية الأمريكية. المجلد 18. نيويورك.
{{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط ) - شوارتز، ماتياس (1993). تماثل مورس . بيركهوسر. رقم ISBN 9780817629045.
- نظرية مورس
- الليمات
- وظائف سلسة
