Nelinearni dinami ki sustavi

Transcript

1 Nelinearni dinami ki sustavi 1 Osnovne denicije Diskretni dinami ki sustav px, f q sastoji se od nepraznog skupa X i preslikavanja f : X Ñ X. Skup X jo² se zove i fazni prostor, a preslikavanje f fazno preslikavanje. Teorija diskretnih dinami kih sustava bavi se prou avanjem dugoro nog pona²anja to aka skupa X pod djelovanjem iteracija danog preslikavanja f. Iteracije od f denirane su induktivno: f 0 Id (identiteta na X, Idpxq x za svaki x P X) te za svaki n P N 0, f n 1 f f n. Ako je f invertibilna, tada je denirano i f n pf 1 q n, za svaki n P N. Budu i da vrijedi f n m f n f m, iteracije ine grupu akoje f invertibilna, odnosno polugrupu ako nije (preciznije, ako f nije invertibilna, iteracije ine monoid s jedinicom f 0 Id). Neprekidni dinami ki sustav sastoje se od skupa X i jednoparametarske familije preslikavanja tf t : X Ñ Xu, t P R, ili t P R, koja ine jednoparametarsku grupu, ili polugrupu, tj. vrijedi f t s f t f s i f 0 Id. Dinami ki sustav se zove tok ako je t P R, odnosno polutok ako je t P R. Za tok je preslikavanje f t invertibilno, jer je f t pf t q 1. Primijetimo da za ksni t 0. iteracije pf t 0 q n f t0n ine diskretni dinami ki sustav. U prou avanju dinami kih sustava uobi ajeno je da je skup X opskrbljen nekom strukturom koja se uva preslikavanjem f. Na primijer, X moºe biti prostor s mjerom, a f preslikavanje koje uva mjeru; ili X moºe biti glatka mnogostrukost, a f diferencijabilno preslikavanje. Budu i da emo se ovdje preteºno baviti diskretnim topolo²kim dinami kim sustavima, nama e X biti topolo²ki Hausdorov prostor, a f neprekidno preslikavanje. 1

2 1 OSNOVNE DEFINICIJE 2 Denicija 1.1. Za x P X, orbita naprijed (ili pozitivna orbita) od x je skup O f pxq tf n pxq : n P N 0 u. Ako je f invertibilna, orbita nazad (ili negativna orbita) od x je skup O f pxq tf n pxq : n P N 0 u, a (puna) orbita od x je skup O f pxq tf n pxq : n P Zu. (Kada god je iz konteksta jasno o kojem se preslikavanju radi, ispu²tat emo indeks f i pisati samo npr. Opxq.) To ka x esto se naziva i po etno stanje, a to ka f n pxq, za n P N, budu e stanje (orbite). Na orbitu se moºe gledati i kao na niz pa ima smisla razmatrati npr. podniz orbite ili gomili²ta orbite. Denicija 1.2. To ka x P X zove se 1. ksna to ka (ili invarijantna to ka, ili ekvilibrij ) od f ako je fpxq x. 2. periodi na to ka od f perioda p P N ako je f p pxq x. Primijetimo da ako je p period od x, onda je i kp period od x za svaki k P N. Najmanji period za x zovemo osnovni period. 3. predperiodi na to ka (ili zavr²no periodi na to ka) od f ako postoji m P N takav da je f m pxq periodi na to ka od f. Za podskup A X i n P N, f n paq je slika od A za f n, a f n paq je praslika od A za f n, tj. f n paq pf n q 1 paq tx P X : f n pxq P Au. Primijetimo da A f n pf n paqq, ali za neinvertibilan dinami ki sustav op enito A i f n pf n paqq ne moraju biti jednaki. Podskup A X je f-invarijantan ako je f n paq A za svaki n P Z. A je naprijed ili pozitivno f-invarijantan ako je fpaq A. Tada je i f n paq A

3 1 OSNOVNE DEFINICIJE 3 za n P N 0. A je nazad ili negativno f-invarijantan ako je f 1 paq A. Tada je i f n paq A za n P N 0. Orbite ksnih, periodi nih i predperiodi nih to aka su invarijantni skupovi. Preslikavanja mogu imati jako puno ksnih ili periodi nih to aka. Na primijer, za f Id, svaka to ka je ksna to ka. Za X R i fpxq x, jedina ksna to ka je x 0, no svaka druga to ka je periodi na to ka osnovnog perioda dva. To su netipi ni dinami ki sustavi. Sustavi kojima emo se mi baviti ne e imati intervale ksnih ili intervale periodi nih to aka. Primjer 1.3. Rotacija kruºnice (ili translacija kruºnice). Razmotrimo jedini nu kruºnicu S 1 r0, 1s{, gdje ozna ava da su 0 i 1 identicirani. Zbrajanje mod 1 ini S 1 abelovom grupom. Prirodna udaljenost na r0, 1s inducira udaljenost na S 1, dpx, yq mint x y, 1 x y u. (1) Jedini nu kruºnicu takožer moºemo opisati kao skup S 1 tz P C : z 1u pri emu je mnoºenje kompleksnih brojeva operacija grupe. Ta dva prikaza su povezana formulom z e 2πix koja je izometrija ako podijelimo duljinu luka na multiplikativnoj kruºnici sa 2π. Za nas je S 1 topolo²ki prostor s relativnom topologijom kompleksne ravnine. Budu i da je S 1 omežen zatvoren podskup kompleksne ravnine, S 1 je kompaktan metri ki prostor. Mežutim, ne emo koristiti metriku koju S 1 naslježuje od C (Euklidsku metriku), prakti nije je koristiti metriku danu u (1). Za α P R ozna imo sa R α rotaciju od S 1 za kut 2πα, tj. R α x x α mod 1. (To se moºe shvatiti i kao translacija za α.) Familija tr α : α P r0, 1qu je komutativna grupa s kompozicijom kao operacijom grupe, R α R β R γ, gdje je γ α β mod 1. Primijetimo da je R α izometrija, tj. uva udaljenost d.

4 2 HIPERBOLIƒNOST 4 Preslikavanje R α se pona²a vrlo razli ito u ovisnosti da li je α racionalan ili iracionalan broj. Ako je α p racionalan broj, pri emu su p P Z i q P N q relativno prosti, tada je Rα q Id i svaka orbita je periodi na s osnovnim periodom q. Ako je α iracionalan broj, svaka orbita naprijed je gusta u S 1. Da bismo to dokazali, pretpostavimo da je x P S 1 proizvoljan. Pokaºimo prvo da su sve to ke orbite naprijed od x razli ite. Pretpostavimo da je R n αx R m α x za neke m, n P N. Tada je x nα mod 1 x mα mod 1, tj. pn mqα P Z, ²to daje n m. Dakle O pxq je beskona an podskup od S 1. Budu i da je S 1 kompaktan, niz O pxq ima gomili²te u S 1. Zato za svaki ε 0 postoje m, n 1{ε takvi da je m n i dprα m x, Rαxq n ε. Dakle, Rα n m je rotacija za kut ε pa je svaka orbita naprijed ε-gusta u S 1, tj. udaljenost od bilo koje to ke u S 1 do O pxq je orbita naprijed je gusta u S 1. ε. Jer je ε proizvoljan, dokaz slijedi, tj. svaka 2 Hiperboli nost Neka je X Hausdorov topolo²ki prostor i f : X Ñ X preslikavanje. Neka je x P X periodi na to ka od f perioda p. To ka y P X je naprijed ili pozitivno asimptoti na s x ako je lim iñ8 f ip pyq x. Stabilni skup od x, u oznaci W s pxq, sastoji se od svih to aka naprijed asimptoti nih s x. Ako je f invertibilna, to ka y P X je nazad ili negativno asimptoti na s x ako je lim iñ8 f ip pyq x. Skup svih to aka negativno asimptoti nih s x zove se nestabilni skup od x i ozna ava W u pxq. Ako je X metri ki prostor s metrikom d, a x P X nije periodi na to ka, svejedno moºemo denirati njoj naprijed asimptoti nu to ku y zahtijevaju i da dpf i pxq, f i pzqq Ñ 0 kada i Ñ 8 te analogno, ako je f invertibilna, nazad asimptoti nu to ku. U nastavku ovog poglavlja, neka je f : R Ñ R diferencijabilna funkcija (reda n, pri emu je n koliko god nam treba).

5 2 HIPERBOLIƒNOST 5 Denicija 2.1. Neka je x periodi na to ka osnovnog perioda p. je hiperboli na ako je pf p q 1 pxq 1. periodi na to ke. To ka x Broj pf p q 1 pxq se zove multiplikator Propozicija 2.2. Neka je f klase C 1. Neka je x hiperboli na ksna to ka i f 1 pxq 1. Tada postoji otvorena okolina U od x takva da za svaki y P U vrijedi lim iñ8 f i pyq x. Dokaz. Budu i da je f klase C 1, postoji ε 0 i a P p0, 1q takvi da je f 1 pyq a 1 za svaki y P rx ε, x εs. Po teoremu srednje vrijednosti vrijedi fpyq x fpyq fpxq a y x rx ε, x y x ε. Dakle fpyq P εs i ²tovi²e, fpyq je bliºe to ki x nego y. Na isti na in dobivamo f i pyq x a i y x za svaki i P N i zato lim iñ8 f i pyq x. Primijetimo da analogan rezultat vrijedi za hiperboli nu periodi nu to ku x osnovnog perioda p. U tom slu aju postoji otvorena okolina U od x za koju je f p puq U i uvjet u tom slu aju je, naravno, pf p q 1 pxq se zove lokalni stabilni skup i ozna ava W s loc. 1. Takva okolina Denicija 2.3. Neka je x hiperboli na periodi na to ka osnovnog perioda p. Ako je pf p q 1 pxq ili ponor. 1, to ka x se zove privla na periodi na to ka, ili atraktor, Moºemo razlikovati tri tipa privla nih ksnih to aka: f 1 px 0, 0 f 1 pxq 1 i 1 f 1 pxq 0. Propozicija 2.4. Neka je f klase C 1. Neka je x hiperboli na ksna to ka i f 1 pxq 1. Tada postoji otvorena okolina U od x takva da za svaki y P U, y x, postoji k P N takav da f k pyq R U. Dokaz. Budu i da je f klase C 1, postoji ε 0 i a 1 takvi da je f 1 pyq a 1 za svaki y P rx ε, x εs. Po teoremu srednje vrijednosti vrijedi fpyq x fpyq fpxq a y x y x. Dakle fpyq je dalje od to ke x nego y. Na isti na in, do kada god je f i pyq P rx ε, x εs, dobivamo

6 2 HIPERBOLIƒNOST 6 f i 1 pyq x a i f i pyq x. Jer je a 1, postoji k P N takav da f k pyq R rx ε, x εs. Analogan rezultat vrijedi za hiperboli nu periodi nu to ku x osnovnog perioda p i uvjet u tom slu aju je, naravno, pf p q 1 pxq 1. Takva okolina se zove lokalni nestabilni skup i ozna ava W u loc. Denicija 2.5. Neka je x hiperboli na periodi na to ka osnovnog perioda p. Ako je pf p q 1 pxq 1, to ka x se zove odbojna periodi na to ka, ili izvor. 1. Moºemo razlikovati dva tipa odbojnih ksnih to aka: f 1 pxq 1 i f 1 pxq Primjer 2.6. Kvadratna familija. Razmotrimo familiju funkcija F µ : R Ñ R danu formulom F µ pxq µxp1 xq, pri emu je µ 0 parametar. Tu familiju zovemo kvadratna familija. Nabrojimo neka jednostavna svojstva kvadratne familije. (1) F µ ima dvije ksne to ke, 0 i x µ µ 1 µ 1. Takožer, F µ p1q 0 i F µ p1{2q µ{4 je maksimum. (2) F 1 µ p0q µ i F 1 µ px µq 2 µ. (3) Za 0 µ 1 vrijedi x µ 0, 0 je privla na ksna to ka, a x µ je odbojna ksna to ka. (4) Za 1 µ 3 vrijedi 0 x µ, 0 je odbojna ksna to ka, a x µ je privla na ksna to ka. (5) Za µ 3 i dalje vrijedi 0 x µ, ali su sada i 0 i x µ odbojne ksne to ke. (6) Neka je µ 1. Tada za svaki x P p 8, 0q Y p1, 8q vrijedi Fµ n pxq Ñ 8 kada n Ñ 8.

7 2 HIPERBOLIƒNOST 7 Dokaz. Ako je x 0 vrijedi F µ pxq µxp1 xq x pa je pf n µ pxqq npn 0 padaju i niz to aka. Taj niz ne moºe konvergirati nekoj to ki y, jer bi u tom slu aju vrijedilo y lim nñ8 F n µ pxq lim nñ8 F n 1 µ pxq F µ pyq, ²to je u kontradikciji s injenicom da su ksne to ke nenegativne. Dakle, F n µ pxq Ñ 8 kako smo i tvrdili. Ako je x 1, vrijedi F µpxq 0 pa dokaz slijedi kao u prethodnom slu aju. (7) Neka je 1 µ 3. Tada za svaki x P p0, 1q vrijedi lim nñ8 F n µ pxq x µ. Dokaz. Neka je 1 µ 2. Tada je F µ p 1 2 q µ i x µ µ 1 µ 1 2. Ako je x P p0, 1{2s, x x µ, tada je F µ pxq x µ x x µ, tj. pfµ n pxqq npn 0 je rastu i niz to aka za x P p0, x µ q, odnosno padaju i niz to aka za x P px µ, 1{2s. Dokaz slijedi analogno dokazu tvrdnje p6q. Ako je x P p1{2, 1q, tada je F µ pxq 1{2 pa dokaz slijedi kao u prethodnom slu aju, tj. lim nñ8 F n µ pxq lim nñ8 F n 1 µ pf µ pxqq x µ. Neka je 2 µ 3. Tada je F µ p 1 2 q µ i x µ µ 1 µ 1 2. Ozna imo sa px µ P p0, 1{2q jedinstvenu to ku sa svojstvom F µ ppx µ q x µ. Lakim ra unom se provjeri da je F 2 µ p 1 2 q 1 2 pa je F 2 µ prpx µ, x µ sq r1{2, x µ s. Takožer, za x P r1{2, x µ q niz pf 2n µ pxqq npn 0 je rastu i, a pf 2n 1 µ pxqq npn0 je padajuí niz to aka. Zato, za svaki x P rpx µ, x µ s dokaz slijedi analogno dokazu tvrdnje p6q. Pretpostavimo da je x P p0, px µ q. Lako se vidi da je tada F µ pxq x pa postoji k P N takav da je F k µ pxq P rpx µ, x µ s te dobivamo lim nñ8 F k n µ pxq x µ. Ako je x P px µ, 1q, vrijedi F µ pxq P p0, px µ q pa dokaz slijedi. Slu aj µ 2 ostavljamo kao jednostavan zadatak. (8) Neka je µ 4. Tada je maksimum F µ p1{2q µ{4 1 pa postoje to ke segmenta I : r0, 1s ije prve iteracije vi²e ne leºe u I. Ozna imo skup svih takvih to aka s A 0, A 0 tx P I : F µ pxq R Iu.

8 2 HIPERBOLIƒNOST 8 Jer za svaki x P A 0 vrijedi F µ pxq 1, imamo Fµ 2 pxq 0 i zato F µ n pxq Ñ 8 kada n Ñ 8. Sve to ke iz I A 0 ostaju u I nakon prve iteracije F µ. Jasno je da je A 0 interval s centrom 1{2 te da je I A 0 unija dva disjunktna segmenta. Ozna imo s I 0 onaj lijevo od A 0 i s I 1 onaj desno od A 0. Primijetimo da F µ preslikava oba, I 0 i I 1, monotono na I i to F µ je rastu a na I 0 i padaju a na I 1. Jer je F µ pi 0 q F µ pi 1 q I, postoji par intervala, jedan u I 0, a drugi u I 1, koje F µ preslikava na A 0. Ozna imo taj skup s A 1, A 1 tx P I : F µ pxq P A 0 u. Za svaki x P A 1 vrijedi F 2 µ pxq 1, F 3 µ pxq n Ñ 8. 0 i zato F µ n pxq Ñ 8 kada Razmotrimo skup I pa 0 Y A 1 q. To je unija 4 disjunktna segmenta, F µ preslikava svaki od njih monotono ili na I 0 ili na I 1 pa F 2 µ preslikava svaki od njih na I. tovi²e, F 2 µ je alterniraju e rastu a i padaju a na ta 4 segmenta te Fµ 2 ima 2 maksimuma. Zato svaki od tih 4 segmenta od I pa 0 Y A 1 q sadrºi podinterval kojeg Fµ 2 preslikava na A 0. Taj skup zovemo A 2. Proces nastavljamo induktivno. Neka je A n tx P I : F n µ pxq P A 0u tx P I : Fµ i n 1 pxq P I, i n & Fµ pxq R Iu. Dakle, A n je skup svih onih to aka od I koji napu²taju I u to no n 1.-oj iteraciji. A n je unija 2 n disjunktnih intervala i za svaki x P A n vrijedi Fµ n pxq Ñ 8 kada n Ñ 8 te nam ostaje analizirati pona²anje onih to aka koje nikada ne napuste I, tj skup Λ : I py 8 n0a n q. Jer je A n unija 2 n disjunktnih intervala (i Σ n n02 n 2 n 1 1), skup I py n i0a i q je unija 2 n 1 disjunktnih segmenata. F n 1 µ preslikava svaki

9 2 HIPERBOLIƒNOST 9 od tih segmenata monotono na I, alterniraju e raste i pada na tim segmentima i F n 1 µ ima to no 2 n maksimuma na I. Konstrukcija skupa Λ podsje a na konstrukciju Cantorovog skupa. Podsjetimo se, podskup segmenta zovemo Cantorov skup ako je zatvoren, potpuno nepovezan i perfektan. Propozicija 2.7. Ako je µ 2? 5, Λ je Cantorov skup.? Dokaz. Pretpostavimo da je µ 2 5. Tada je F 1 pxq 1 za svaki x P I 0 Y I 1 pa postoji λ 1 takav da je F 1 pxq λ za svaki x P Λ. Po pravilu ulan avanja takožer vrijedi pf n q 1 pxq λ n. Prvo emo dokazati da Λ ne sadrºi interval. Pretpostavimo suprotno. Tada postoje x, y P Λ, x y, takvi da rx, ys Λ i za svaki z P rx, ys vrijedi pf n q 1 pzq λ n. Izaberimo n takav da je λ n y x 1. Po teoremu srednje vrijednosti slijedi da F n pyq F n pxq λ n y x 1 pa barem jedan od F n pyq ili F n pxq leºi izvan I. No to je u suprotnosti s x, y P Λ pa je Λ potpuno nepovezan. Dokaºimo sada da je Λ perfektan. Primijetimo prvo da su krajnje to ke od svih A k u Λ, jer se one zavr²no preslikaju u ksnu to ku 0 pa pod iteracijama ostaju u I. Pretpostavimo da postoji izolirana to ka x P Λ. Tada postoji okolina od x takva da sve to ke te okoline pod iteracijama napuste I. Zato svaka od tih to aka pripada nekom A k i to ili postoji niz takvih to aka koje su krajnje to ke A k -ova koje konvergiraju prema x, ili se sve to ke te okoline od x preslikaju izvan I istom iteracijom od F. Prvi slu aj nije mogu, jer su krajnje to ke A k -ova sadrºane u Λ pa x nije izolirana. U drugom slu aju moºemo pretpostaviti da F n preslikava x u 0, a sve to ke iz okoline od x u negativnu realnu os. No tada F n ima maksimum u x i vrijedi pf n q 1 pxq 0. Po pravilu ulan avanja vrijedi F 1 pf i pxqq 0 za neki i n pa je F i pxq 1{2. Iz toga slijedi F i 1 pxq R I i zato F j pxq Ñ 8, ²to je u suprotnosti sa F n pxq 0. Budu i da je Λ presjek padaju eg niza segmenata, Λ je zatvoren.

10 3 SIMBOLIƒKA DINAMIKA 10 Napomena 2.8. Propozicija ustvari vrijedi za sve µ 4, ali je dokaz tehni ki zahtijevniji. Denicija 2.9. Skup Γ R zove se odbojni (odnosno privla ni ) hiperboli ni skup za funkciju f, ako je Γ zatvoren, omežen, invarijantan za f i ako postoji N P N takav da je pf n q 1 pxq 1 (odnosno pf n q 1 pxq 1) za sve n N i x P Γ. Cantorov skup Λ za kvadratnu funkciju F µ za µ 2? 5 je odbojni hiperboli ni skup sa N 1. 3 Simboli ka dinamika Denicija 3.1. Skup Σ 2 : t ÝÑ s s 0 s 1... s n... : s n P t0, 1uu zove se prostor nizova dva simbola. Za dva niza ÝÑ s s 0 s 1... s n... i ÝÑ t t 0 t 1... t n... deniramo udaljenost mežu njima formulom dp ÝÑ s, ÝÑ t q 8 i0 s i t i 2 i. 8 Budu i da je s i t i ili 0 ili 1, red je dominiran geometrijskim redom i0 2 pa je konvergentan. Lema 3.2. d je metrika na Σ i Dokaz. Vrijedi dp ÝÑ s, ÝÑ t q 0 za svaki ÝÑ s, ÝÑ t P Σ 2 i dp ÝÑ s, ÝÑ t q 0 ako i samo ako s i t i za sve i P N 0. Budu i da je s i t i t i s i vrijedi dp ÝÑ s, ÝÑ t q dp ÝÑ t, ÝÑ s q. Na kraju, za sve ÝÑ r, ÝÑ s, ÝÑ t P Σ 2 vrijedi r i t i r i s i s i t i ²to povla i dp ÝÑ r, ÝÑ t q dp ÝÑ r, ÝÑ s q dp ÝÑ s, ÝÑ t q. Lema 3.3. Neka su ÝÑ s, ÝÑ t P Σ 2. Ako je s i t i za i 0, 1,..., n, tada je dp ÝÑ s, ÝÑ t q 1{2 n. Obratno, ako je dp ÝÑ s, ÝÑ t q 1{2 n, tada je s i t i za i 0, 1,..., n.

11 3 SIMBOLIƒKA DINAMIKA 11 Dokaz. Pretpostavimo da je s i t i za i 0, 1,..., n. Tada je dp ÝÑ s, ÝÑ t q ņ i0 s i t i 2 i 8 in 1 s i t i 2 i 8 in i 1 2 n. S druge strane, ako je s j t j za neki j n, tada je dp ÝÑ s, ÝÑ t q 1 2 j 1 Zato, ako je dp ÝÑ s, ÝÑ t q 1 2 n, onda je s i t i za sve i n. Denicija 3.4. Preslikavanje σ : Σ 2 Ñ Σ 2 denirano sa σps 0 s 1... s n... q s 1... s n... zove se pomak. Lema 3.5. Pomak σ : Σ 2 Ñ Σ 2 je neprekidno preslikavanje. Dokaz. Neka je ε 0 i ÝÑ s s 0 s 1... s i.... Neka je n takav da je 1{2 n ε. Neka je δ 1{2 n 1. Neka je ÝÑ t t 0 t 1... t i... takav da je dp ÝÑ s, ÝÑ t q δ. Tada po lemi 3.3 imamo s i t i za i n 1 pa je pσp ÝÑ s qq i pσp ÝÑ t qq i za i n, gdje je pσp ÝÑ s qq i i-ta koordinata niza σp ÝÑ s q ÝÑ r r 0 r 1... r i.... Ponovno po lemi 3.3 vrijedi dpσp ÝÑ s q, σp ÝÑ t qq 1{2 n 2 n. ε pa je σ neprekidno preslikavanje u ÝÑ s. Kako je ÝÑ s bila proizvoljna, σ je neprekidno na Σ 2. Dinamiku pomaka σ razumijemo u potpunosti. Na primjer, periodi ne to ke su periodi ni nizovi, tj. nizovi oblika ÝÑ s ps0 s 1... s n 1 q 8 s 0 s 1... s n 1 s 0 s 1... s n Preslikavanje σ ima 2 n periodi nih to aka perioda n i svaka je generirana jednim od 2 n kona nih nizova duljine n. Kona an niz nula i jedinica zvati emo rije. Rije ima duljinu n ako se sastoji od n simbola. Propozicija 3.6. Skup svih periodi nih to aka za σ, Perpσq, je gust podskup od Σ 2. Dokaz. Pokazat emo da je ClpPerpσqq Σ 2, tj. da za svaku to ku ÝÑ s s 0 s 1... s n P Σ 2 postoji niz periodi nih to aka p ÝÑ t n q npn koje konvergiraju prema ÝÑ s. Neka je ÝÑ t n ps 0 s 1... s n q 8. O igledno je ÝÑ t n periodi na, po lemi 3.3 dp ÝÑ s, ÝÑ t n q 1{2 n pa p ÝÑ t n q npn konvergira prema ÝÑ s.

12 4 TOPOLO KA KONJUGACIJA 12 Predperiodi ne to ke takožer je lako karakterizirati, svaki niz oblika ÝÑ s s0 s 1... s n 1 ps n s n 1... s n m 1 q 8 je predperiodi na to ka za σ. Propozicija 3.7. Postoji to ka u Σ 2 ija σ orbita je gust podskup od Σ 2. Dokaz. Konstruirat emo jednu takvu to ku ija orbita je proizvoljno blizu svakoj to ki u Σ 2. Neka je ÝÑ s lomon looooomooooon loooooooomoooooooon rije i duljine 2 rije i duljine looomooon sve rije i duljine n.... Dakle, niz ÝÑ s sadrºi sve rije i duljine n sa svaki n P N. Zato za svaki niz ÝÑ t P Σ2 i m P N postoji k P N takav da se σ k p ÝÑ s q podudara sa ÝÑ t u prvih m simbola. Preslikavanja koja imaju gustu orbitu zovemo topolo²ki tranzitivna. 4 Topolo²ka konjugacija Denicija 4.1. Neka su f : X Ñ X i g : Y Ñ Y dva preslikavanja. Za f i g kaºemo da su topolo²ki konjugirana ako postoji homeomorzam h : X Ñ Y takav da je h f g h. Homeomorzam h zovemo topolo²ka konjugacija. Preslikavanja koja su topolo²ki konjugirana su ekvivalentna u smislu njihove dinamike. Na primijer, ako su f i g konjugirane preko h i ako je x ksna to ka za f, tada je hpxq ksna to ka za g, jer je hpxq hpfpxqq gphpxqq. Takožer, h preslikava skup periodi nih to aka perioda n za f injektivno na skup periodi nih to aka perioda n za g. Lako se vidi da h takožer preslikava predperiodi ne to ke (odnosno asimptoti ne orbite) od f injektivno na predperiodi ne to ke (odnosno asimptoti ne orbite) od g. tovi²e, f je topolo²ki tranzitivno ako i samo ako je i g.

13 4 TOPOLO KA KONJUGACIJA 13 2 µ 2 Nastavljamo prou avati kvadratnu familiju F µ pxq µxp1 xq za µ? 5. šelimo pokazati da su σ : Σ2 Ñ Σ 2 i F µ : Λ Ñ Λ konjugirani za? 5. Podsjetimo se da je Λ I0 Y I 1 i I 0 X I 1 H. Denicija 4.2. Neka je x P Λ. Itinerer to ke x je niz Spxq s 0 s 1... s n..., gdje je s n 0 ako je Fµ n pxq P I 0 i s n 1 ako je Fµ n pxq P I 1. O igledno je S preslikavanje sa Λ u Σ 2. konjugacija. Pokazat emo da je S ºeljena Teorem 4.3. Za µ 2? 5 preslikavanje S : Λ Ñ Σ2 je homeomorzam. Dokaz. Prvo emo pokazati da je S injekcija. Neka su x, y P Λ, x y i pretpostavimo da je Spxq Spyq. Tada za svaki n P N 0, Fµ n pxq i F µ n pyq leºe na istoj strani od 1/2. To zna i da je F µ monotona na intervalu izmežu Fµ n pxq i F n µ pyq za svaki n. Zato i sve to ke tog intervala zauvijek ostaju u I 0 Y I 1, no to je u suprotnosti s injenicom da je Λ potpuno nepovezan. Dakle, S je injekcija. Pokaºimo sada da je S surjekcija. Za segment J I, neka je F µ npjq tx P I : Fµ n 1 pxq P Ju. Primijetimo da je F µ pjq unija dva segmenta od kojih je jedan podskup od I 0, a drugi od I 1. Neka je ÝÑ s s 0 s 1... s n P Σ 2. šelimo pokazati da postoji x P Λ takav da je Spxq ÝÑ s. Deniramo I s0 s 1...s n : tx P I : x P I s0, F µ pxq P I s1,..., F n µ pxq P I s n u Pokaºimo da je pi s0 s 1...s n q npn0 I s0 X F 1 µ pi s 1 q X X F n µ pi s n q. ugnijeºdeni niz nepraznih segmenata. Primijetimo da je I s0 s 1...s n I s0 X F 1 µ pi s 1...s n q. Pretpostavimo, po indukciji, da je I s1...s n neprazni segment. Tada je F 1 µ pi s 1...s n q unija dva segmenta od kojih je jedan podskup od I 0, a drugi od I 1. Zato je I s0 X F 1 µ pi s 1...s n q neprazni segment. Primijetimo takožer da vrijedi I s0 s 1...s n I s0 s 1...s n 1 X F µ npi s n q I s0 s 1...s n 1 pa 8 su segmenti ugnjeºdeni. Zato je n0 I s 0 s 1...s n neprazan. tovi²e, za x P 8 n0 I s 0 s 1...s n vrijedi x P I s0, F µ pxq P I s1,..., Fµ n pxq P I s n,... pa je Spxq s 0 s 1... s n..., tj. S je surjekcija.

14 4 TOPOLO KA KONJUGACIJA 14 Jer je S injekcija, 8 n0 I s 0 s 1...s n sadrºi jednu to ku pa diampi s0 s 1...s n q Ñ 0 kada n Ñ 8. Na kraju pokaºimo da je S neprekidna. Neka je x P Λ, Spxq s 0 s 1... s n... i ε 0. Neka je k P N takav da je 1{2 k za sve mogu e rije i t 0 t 1... t k. ε. Razmotrimo segmente I t0 t 1...t k Postoji 2 k 1 takvih segmenata, oni su mežusobno disjunktni, Λ je sadrºan u njihovoj uniji i I s0 s 1...s k je jedan od njih. Zato postoji δ 0 takav da za svaki y P Λ za koji je x y δ vrijedi y P I s0 s 1...s k. To zna i da se Spxq i Spyq podudaraju u prvih k 1 simbola pa po lemi 3.3 vrijedi dpspxq, Spyqq 1{2 k ε, odnosno S je neprekidna. Sli no se vidi da je i S 1 neprekidna pa je S homeomorzam. Teorem 4.4. S F µ σ S Dokaz. To ka x P Λ dana je jedinstveno sa ugnjeºdenim nizom segmenata u 8 n0 I s 0 s 1...s n danim itinererom Spxq. Za I s0 s 1...s n I s0 X F 1 µ pi s 1 q X X F n µ pi s n q promotrimo F µ pi s0 s 1...s n q. Op enito za dva segmenta I i J i funkciju f vrijedi fpi X Jq fpiq X fpjq i obrnuta inkluzija ne mora vrijediti. No ako fpiq fpjq i fpi X Jq fpjq tada je o igledno fpi X Jq fpiq X fpjq. Zato induktivno moºemo pokazati da je F µ pi s0 s 1...s n q I s1 X F 1 µ pi s 2 q X X F n 1 µ pi sn q I s1...s n (primijetimo da je F µ pi s0 q I). 8 Promotrimo sada F µ p n0 I s 0 s 1...s n q. Jer je pi s0 s 1...s n q npn0 ugnijeºdeni niz nepraznih segmenata iji je presijek jedna to ka i F µ je neprekidna funkcija, vrijedi Zato je F µ p SF µ pxq SF µ p 8 n0 8 n0 I s0 s 1...s n q 8 n0 I s0 s 1...s n q Sp F µ pi s0 s 1...s n q 8 n1 8 n1 I s1...s n. I s1...s n q s 1 s 2... s n σspxq.

15 5 SCHWARZOVA DERIVACIJA 15 5 Schwarzova derivacija Denicija 5.1. Schwarzova derivacija funkcije f u to ki x denira se kao Sfpxq : f 3 pxq f 1 pxq 3 f 2 2 pxq 2 f 1. pxq Primjer 5.2. Za F µ pxq µxp1 xq vrijedi Fµ 1 pxq µp1 2xq, F µ 2 pxq 2µ pa SF µ pxq 3 4µ 2 2 µ 2 p1 2µq 6 2 p1 2xq 0 za svaki x ( ak i za x 1{2 vrijedi 2 SF µ pxq 8). Propozicija 5.3. Neka je P pxq polinom. Ako su svi korijeni od P 1 pxq realni i razli iti, tada je SP 0. ± Dokaz. Pretpostavimo da je P 1 N pxq i1 px a iq, gdje su svi a i realni i razli iti. Tada vrijedi Ņ P 2 P 1 Ņ ± N pxq i1 pxq px a iq x a j x a j i Zato vrijedi SP pxq j1 P 3 pxq Ņ Ņ j1 k1 kj Ņ j1 k1 kj 1 2 Ņ Ņ j1 k1 kj Ņ Ņ Ņ j1 k1 kj j1 ± N i1 px a iq px a j qpx a k q. 1 px a j qpx a k q 3 Ņ 2 j1 1 px a j qpx a k q 1 Ņ 2 j1 Ņ j1 Ņ 1 px a j qpx a k q 1 x a j 2 Ņ j1 j1 2 1 x a j 2 1 x a j 1 x a j 2 1 x a j 2 0.

16 5 SCHWARZOVA DERIVACIJA 16 Propozicija 5.4. Ako su Sf 0 i Sg 0, tada je Spf gq 0. Dokaz. pf gq 1 pxq f 1 pgpxqqg 1 pxq pf gq 2 pxq f 2 pgpxqqpg 1 pxqq 2 f 1 pgpxqqg 2 pxq pf gq 3 pxq f 3 pgpxqqpg 1 pxqq 3 2f 2 pgpxqqg 1 pxqg 2 pxq f 2 pgpxqqg 1 pxqg 2 pxq f 1 pgpxqqg 3 pxq f 3 pgpxqqpg 1 pxqq 3 3f 2 pgpxqqg 1 pxqg 2 pxq f 1 pgpxqqg 3 pxq Spf gqpxq pf gq3 pxq pf gq 1 pxq 3 2 f 3 pgpxqqpg 1 pxqq pf gq 2 2 pxq pf gq 1 pxq f 1 pgpxqqg 1 3 f 2 pgpxqqg 1 pxqg 2 pxq pxq f 1 pgpxqqg 1 pxq f 2 pgpxqqpg 1 pxqq 2 f 1 pgpxqqg 2 pxq f 1 pgpxqqg 1 pxq f 1 pgpxqqg 1 pxq f 3 pgpxqq f 1 pgpxqq pg1 pxqq 2 3 f 2 pgpxqq 2 f 1 pgpxqq 2 3 f 2 pgpxqq g 3 pxq f 1 pgpxqq g2 pxq g 1 pxq pg 1 pxqq 2 3 f 2 pgpxqqg 1 pxqg 2 pxq f 1 pgpxqqg 1 pxq psfqpgpxqqpg 1 pxqq 2 Sgpxq 0. f 1 pgpxqqg 3 pxq f 1 pgpxqqg 1 pxq g 2 2 pxq g 1 pxq Dakle, ako je Sf 0, tada je Sf n 0 za sve n P N. Teorem 5.5. Pretpostavimo da je Sf 0 psfpxq 8 je dopu²tenoq. Ako f ima n kriti nih to aka, tada f ima najvi²e n 2 privla ne periodi ne orbite. Da bismo dokazali taj teorem trebamo sljede e tri leme. Lema 5.6. Ako je Sf 0, tada f 1 ne moºe imati pozitivni lokalni minimum niti negativni lokalni maksimum.

17 5 SCHWARZOVA DERIVACIJA 17 Dokaz. Pretpostavimo da je y kriti na to ka od f 1, tj. f 2 pyq 0. Budu i da je Sfpyq 0, vrijedi f 3 pyq f 1 pyq 0, tj. f 3 pyq i f 1 pyq imaju suprotne predznake. To zna i da je f 1 pyq pozitivna kada je konkavna i negativna kada je konveksna. Zato izmežu svake dvije kriti ne to ke od f 1 graf od f 1 sije e x-os. Lema 5.7. Ako f ima kona no mnogo kriti nih to aka onda i f m ima kona no mnogo kriti nih to aka za svaki m P N. Dokaz. Pretpostavimo da f ima kona no mnogo kriti nih to aka. Tada je f 1 pxq kona an skup za svaki x, jer izmežu svake dvije praslike od x postoji najmanje jedna kriti na to ka od f. Indukcijom se lako pokaºe da je i f m pxq ty : f m pyq xu kona an skup. vrijedi Pretpostavimo da je pf m q 1 pxq 0, tj. da je x kriti na to ka od f m. Tada pf m q 1 pxq m 1 ¹ i0 f 1 pf i pxqq 0 pa je f i pxq kriti na to ka od f m za neki i P t0,..., m 1u. Zato je tx : pf m q 1 pxq 0u tx : f 1 pxq 0u Y py m 1 i1 tx : f 1 pf i pxqq 0uq, pri emu je tx : f 1 pxq 0u skup svih kriti nih to aka od f, a Y m 1 i1 tx : f 1 pf i pxqq 0u skup svih praslika f i kriti nih to aka od f za i 1,..., m 1. Budu i da su oba skupa kona na i skup kriti nih to aka od f m je kona an. Lema 5.8. Pretpostavimo da je Sf 0 i da f ima kona no mnogo kriti nih to aka. Tada f ima kona no mnogo periodi nih to aka perioda m za svaki m P N. Dokaz. Ozna imo g : f m. Tada su periodi ne to ke perioda m za f ksne to ke od g. Iz propozicije 5.4 slijedi Sg 0. Pretpostavimo da g ima beskona no mnogo ksnih to aka. Tada, po teoremu srednje vrijednosti, postoji beskona no mnogo to aka za koje je

18 5 SCHWARZOVA DERIVACIJA 18 g 1 pxq 1. Takožer, ne moºe postojati interval takav da za sve to ke tog intervala vrijedi g 1 pxq 1, jer bi u tom slu aju za sve to ke tog intervala vrijedilo g 2 pxq g 3 pxq 0, odnosno Sgpxq 0, suprotno pretpostavci Sg 0. Zato izmežu svake tri uzastopne to ke za koje je g 1 pxq 1, postoji to ka u kojoj je g 1 pxq 1. tovi²e, po lemi 5.6 g 1 ne moºe imati pozitivni lokalni minimum pa izmežu te tri to ke postoje to ke u kojima je g 1 pxq 0 i posebno, postoji to ka u kojoj je g 1 pxq 0. No iz toga slijedi da g ima beskona no mnogo kriti nih to aka pa po lemi 5.7 i f ima beskona no mnogo kriti nih to aka suprotno pretpostavci leme. Dokaz teorema 5.5. Pretpostavimo da je x privla na periodi na to ka od f perioda m. Neka je W pxq maksimalni interval koji sadrºi x takav da sve to ke od W pxq teºe asimptotski prema x pod djelovanjem f m, to jest, W pxq je maksimalna povezana komponenta skupa ty : f mj pyq Ñ x kada j Ñ 8u koja sadrºi x. Jasno je da je W pxq otvoren i da f m pw pxqq W pxq. Pretpostavimo prvo da je x ksna to ka i W pxq : pl, rq, l, r P R. Budu i da je fpw pxqq W pxq i W pxq je maksimalan, vrijedi jedna od sljede e tri mogu nosti: (1) fplq l, fprq r; (2) fplq r, fprq l; (3) fplq fprq. Ako vrijedi (1), po teoremu srednje vrijednosti postoje to ke a, b, l a x b r, takve da je f 1 paq f 1 pbq 1. Budu i da je x privla na, vrijedi f 1 pxq 1. Po lemi 5.6 f 1 ne moºe imati pozitivni lokalni minimum pa f 1 poprima i negativne vrijednosti u pa, bq. No tada o igledno postoji to ka u pa, bq u kojoj je f 1 nula, tj. kriti na to ka od f je u pa, bq. Ako vrijedi (2), isti zaklju ak vrijedi za f 2. Ako vrijedi (3), f o igledno ima minimum ili maksimum izmežu l i r pa postoji kriti na to ka od f u W pxq.

19 5 SCHWARZOVA DERIVACIJA 19 U slu aju da su l ili r beskona no, takav dokaz ne vrijedi, no tada moºemo imati jos najvi²e dvije dodatne privla ne ksne to ke. Ako je x periodi na to ka perioda m, razmotrimo f m i na isti na in dobivamo postojanje kriti ne to ke od f m u W pxq. No jedna to ka orbite te kriti ne to ke je kriti na to ka za f po pravilu ulan avanja pa dokaz slijedi. Teorem se moºe pro²iriti i na nehiperboli ne periodi ne to ke. Propozicija 5.9. Pretpostavimo da f ima kona no mnogo kriti nih to aka i da je Sf 0. Ako f ima ksnu to ku x s multiplicitetom 1, tada x privla i to ke s najmanje jedne strane i ako je W pxq omežen sadrºi kriti na to ka od f. Dokaz. Pretpostavimo da je f 1 pxq 1 (u drugom slu aju treba razmotriti f 2 ). Po lemi 5.8 f ima kona no mnogo ksnih to aka. Zato postoji interval koji sadrºi x i ne sadrºi niti jednu drugu ksnu to ku. Pretpostavimo da je x odbojna, tj. da postoji interval pa, bq Q x takav da za svaki y P pa, xq vrijedi fpyq y i za svaki y P px, bq vrijedi fpyq y. Tada f 1 ima lokalni minimum 1, ²to je u suprotnosti s lemom 5.6. Dakle, ili fpyq y za y P pa, xq, ili fpyq y za y P px, bq pa je x privla na s najmanje jedne strane. Postojanje kriti ne to ke od f u W pxq slijedi kao u dokazu teorema 5.5. Iz svega slijedi da periodi na to ka s omeženim stabilnim skupom privla i kriti nu to ku. No ako je stabilan skup neomežen, to ne mora vrijediti kao ²to se vidi is sljede eg primijera. Primjer Neka je Epxq e x 1. Tada je SE 1 0 i x 1 je slabo 2 privla na ksna to ka s W pxq p 8, 1q no E nema kriti nu to ku. Korolar Funkcija F µ pxq µxp1 xq ima najvi²e jednu privla nu periodi nu to ku za svaki µ.

20 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 20 Dokaz. Budu i da je SF µ 0 i da za x dovoljno velik vrijedi Fµ n pxq Ñ 8 kada n Ñ 8, ne postoji privla na periodi na to ka s neograni enim stabilnim skupom. Za neki µ, F µ nema niti jednu privla nu periodi nu to ku kao na primijer za µ 4 (jer se kriti na to ka preslika na odbojnu ksnu to ku), ili za? µ 2 5 (jer iteracije kriti ne to ke divergiraju). 6 arkovskijev teorem Lema 6.1. Neka je I R segment i f neprekidna funkcija. Ako fpiq I, tada f ima ksnu to ku u I. Dokaz. Neka je I ra, bs, a b. Budu i da su a, b P I fpiq, postoje x a, x b P I takvi da je fpx a q a i fpx b q b. Zato je x a a i x b b pa neprekidna funkcija x ÞÑ fpxq x mijenja predznak izmežu x a i x b. Zbog neprekidnosti postoji to ka x 0 izmežu x a i x b u kojoj je vrijednost te funkcije nula, ²to zna i da je fpx 0 q x 0. Lema 6.2. Neka su I, J R segmenti i f neprekidna funkcija. Ako fpiq J, tada postoji segment I 1 I takav da je fpi 1 q J. Dokaz. Neka je J ra, bs, a b te A tx P I : fpxq au i B tx P I : fpxq bu. Budu i da je f neprekidna, A i B su kompaktni pa oba imaju minimum i maksimum. Neka je x a min A i x b min B. Budu i da su A i B disjunktni, x a x b. Pretpostavimo prvo da je x a x b. Neka je y a maxpa X rx a, x b sq. Budu i da je f neprekidna te fpy a q a, fpx b q b i ne postoji x P py a, x b q takav da je fpxq P ta, bu, vrijedi fpry a, x b sq ra, bs. Dakle, I 1 ry a, x b s. Za x a x b dokaz je analogan. Lema 6.3. Neka su J 0,..., J k R segmenti i f neprekidna funkcija. Ako fpj j q J j 1 za svaki j P t0,..., k 1u, tada postoje segmenti I j J j takvi da je fpi j q J j 1 za svaki j P t0,..., k 1u.

21 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 21 Dokaz. Matemati kom indukcijom. Neka je pi, fq dinami ki sustav, pri emu je I R interval i f neprekidna funkcija. Neka je x periodi na to ka od f osnovnog perioda p. Ozna imo sa x i, i 1,..., p, to ke orbite od x, pri emu su indeksirane tako da je x i x i 1. Neka je I i rx i, x i 1 s za sve i P t1,..., p 1u. Primijetimo da je fpx i q P Opxq za svaki i pa je rfpx i q, fpx i 1 qs unija uzastopnih intervala (najmanje jedan) oblika I i. Denicija 6.4. Ako fpi i q I j, to emo jo² ozna avati i sa I i Ñ I j. Markovljev graf periodi ne to ke x je usmjereni graf iji su vrhovi intervali I i, a brid od vrha I i do vrha I j postoji kadgod vrijedi I i Ñ I j. Ciklus duline k, k P N, u Markovljevom grafu od x je put oblika J 0 Ñ J 1 Ñ Ñ J k 1 Ñ J 0, gdje su J i vrhovi Markovljevog grafa. Ciklus je osnovni kadgod nije unija (slijed) jednog kra eg ciklusa nekoliko puta. Primjer 6.5. Ciklus J 0 Ñ J 1 Ñ J 2 Ñ J 0 Ñ J 2 Ñ J 3 Ñ J 0 je osnovni iako je unija dva podciklusa, a ciklus J 0 Ñ J 1 Ñ J 2 Ñ J 0 Ñ J 1 Ñ J 2 Ñ J 0 nije osnovni, jer je unija dva ista podciklusa. Lema 6.6 ( tefanova lema). Neka je pi, fq dinami ki sustav, gdje je I interval i f neprekidna funkcija te neka je x P I periodi na to ka. Pretpostavimo da Markovljev graf od x sadrºi osnovni ciklus J 0 Ñ J 1 Ñ Ñ J n 1 Ñ J 0 za neki n P N, n 2. Tada postoji periodi na to ka y P J 0 osnovnog perioda n takva da je f k pyq P J k za svaki k P t1,..., n 1u. Dokaz. Iz leme 6.3 slijedi da za svaki j P t0,..., n 1u postoji segment K j J j takav da je fpk j q K j 1 za j P t0,..., n 2u i fpk n 1 q J 0 K 0. Zato f n pk 0 q K 0 pa po lemi 6.1 postoji ksna to ka y P K 0 za f n, odnosno periodi na to ka od f perioda n. O igledno je f j pyq P f j pk 0 q K j J j za 0 j n 1. Tvrdimo da, jer je ciklus osnovni, n je osnovni period od y.

22 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 22 Pretpostavimo, po kontradikciji, da n nije osnovni period od y, odnosno da postoji p n takav da je f p pyq y. Pretpostavimo prvo da y nije rubna to ka od J 0. Budu i da je f p pyq P J p vrijedi y P J 0 X J p. Takožer, y R BJ 0 daje J p J 0. Budu i da je f p i pyq f i pyq, vrijedi J p i J i za i 1,..., n p ²to je u kontradikciji s pretpostavkom da je ciklus osnovni. Pretpostavimo sada da je y P BJ 0. Tada y P Opxq, odnosno Opyq Opxq. Zato je osnovni period od x jednak osnovnom periodu p n od y. Jer je n takožer period od y, vrijedi n pm za neki m P N, m 2. Ako je y x 1, vrh J 0 I 1 rx 1, x 2 s je jedinstveno odrežen. tovi²e, za svaki vrh J i je vrh J i 1 jedinstveno odrežen (fpj i q moºe biti unija nekoliko segmenata I j, ali samo jedan od njih ima rubnu to ku f i 1 px 1 q). Jer je f p pyq y x 1, vrijedi J p J 0 i J p i J i, ²to je u kontradikciji s pretpostavkom da je ciklus osnovni. Budu i da je svaki ciklus duljine p koji po inje nekim drugim vrhom I j samo cikli ka permutacija ciklusa duljine p koji po ine vrho I 1 (i zato jedinstveno odrežen), ista kontradikcija se dobije za svaki y P Opxq. Denicija 6.7. arkovskijev urežaj je urežaj na skupu prirodnih brojeva dan na sljede i na in: Teorem 6.8 ( arkovskijev teorem). Neka je f : R Ñ R neprekidna funkcija. Ako f ima periodi nu to ku osnovnog perioda n, tada f ima i periodi nu to ku osnovnog perioda m za svaki m n. Dokaz. Pretpostavimo da f ima periodi nu to ku x osnovnog perioda n. 1. slu aj. Pretpostavimo prvo da je n 1 neparan i da f nema periodi nu to ku neparnog perioda manjeg od n (u standardnom urežaju). Ozna imo sa x i, i 1,..., n, to ke orbite od x pri emu su indeksirane tako da je x i x i 1. O igledno je fpx n q x n. Neka je j najve i indeks za koji je fpx j q x j. Ozna imo I 1 : rx j, x j 1 s. Budu i da je fpx j 1 q x j 1, vrijedi

23 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 23 fpx j 1 q x j pa fpi 1 q I 1, odnosno I 1 Ñ I 1. Budu i da period od x nije 2, ne moºe biti fpx j 1 q x j i fpx j q x j 1 pa fpi 1 q sadrºi najmanje jo² jedan segment oblika rx i, x i 1 s; ozna imo ga s I 2. Dakle, I 1 Ñ I 2. Nastavljaju i biramo I 3, I 4,... tako da fpi i q I i 1. Budu i da je n neparan, ima vi²e x i s jedne strane od I 1 nego s druge strane. Zato se za neke i, x i i fpx i q nalaze s iste strane od I 1, a za neke i se x i i fpx i q nalaze s razli itih strane od I 1. Zato postoji k takav da su x k i fpx k q s iste strane od I 1, a x k 1 i fpx k 1 q pripadaju suprotnim stranama od I 1 pa za taj k vrijedi fpi k q I 1. Dakle imamo I 1 Ñ I 2 Ñ Ñ I k Ñ I 1. Neka je k takav da je I 1 Ñ I 2 Ñ Ñ I k Ñ I 1 najkra i put od I 1 do I 1 osim I 1 Ñ I 1. šelimo pokazati da je k n 1. Pretpostavimo suprotno, tj. k n 1. Tada, po tefanovoj lemi (lema 6.6), jedan od ciklusa I 1 Ñ I 2 Ñ Ñ I k Ñ I 1 ili I 1 Ñ I 2 Ñ Ñ I k Ñ I 1 Ñ I 1, daje ksnu to ku od f r pri emu je r n neparan. Ta to ka se nalazi u nutrini od I 1, jer su rubne to ke od I 1 to ke orbite od x koje su periodi ne osnovnog perioda n. Takožer, r 1, jer je I 2 I 1. No po pretpostavci f nema periodi nu to ku s neparnim periodom manjim od n. Dakle, k n 1 i gornji najkra i put od I 1 do I 1 moºemo zapisati kao na slici 1. I n 1 I n 2 I n 3... I 1 I2 I3... I 4 I 5 Slika 1:

24 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 24 Budu i da je n 1 najmanji broj za koji imamo takav ciklus, ne moºemo imati brid I j Ñ I r za r j 1. Zato je orbita od x urežena u R kao na slici 2, ili kao na njenoj zrcalnoj slici. I n 1 I 4 I 2 I 1 I 3 I n 2 x 1 x 2 x i 2 x i 1 x i x i 1 x i 2 x n 1 x n Slika 2: Iz toga slijedi da se ciklus prikazan na slici 1 moºe pro²iriti kao na slici 3. I n 2 I n 3... I 1 I n 1 I2... I3... I 4 I 5 Slika 3: Dokaz teorema za neparan n slijedi direktno iz dijagrama na slici 3 i tefanove leme: periodi ve i od n dani su ciklusima oblika I 1 Ñ I 2 Ñ Ñ

25 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 25 I n 1 Ñ I 1 Ñ I 1 Ñ Ñ I 1, a manji parni periodi dani su ciklusima oblika I n 1 Ñ I n 2 Ñ I n 1, I n 1 Ñ I n 4 Ñ I n 3 Ñ I n 2 Ñ I n 1,. 2. slu aj. Pretpostavimo sada da je n paran. (2a) Prvo emo dokazati da f ima periodi nu to ku perioda 2. Ukoliko se to ke x i i fpx i q nalaze na suprotim stranama od I 1 za neke i, a za neke druge i se x i i fpx i q nalaze na istoj strani od I 1, dokaz slijedi kao u prvom slu aju (za neparan n), jer tada postoji ciklus I n 1 Ñ I n 2 Ñ I n 1. Ako to nije slu aj, tada se x i i fpx i q nalaze na suprotim stranama od I 1 za sve i i vrijedi dijagram na slici 4. I 2 I 1 I n 1 x 1 x i 1 x i x i 1 x n 1 x n. Slika 4: Zato fprx 1, x i sq rx i 1.x n s i fprx i 1, x n sq rx 1, x i s pa po tefanovoj lemi f ima periodi nu to ku osnovnog perioda 2 u rx 1, x i s. (2b) Sada emo dokazati teorem za n 2 s, s P N. Neka je m 2 t, t P N i t s. Neka je g : f m 2 f 2t 1. Prisjetimo se, x je periodi na to ka od f s osnovnim periodom n, tj. vrijedi f 2s pxq x. Zato je pf 2t 1 q 2s t 1 pxq x,

26 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 26 odnosno g 2s t 1 pxq x. Dakle, g ima periodi nu to ku parnog osnovnog perioda pa po (2a) ima i periodi nu to ku osnovnog perioda 2, odnosno g 2 pyq y za neki y. Zato je tj. pf 2t 1 q 2 pyq y, f m pyq y ²to dokazuje teorem za taj slu aj. (2c) I na kraju, dokaºimo teorem za n k 2 s, k, s P N, k neparan. Neka je g : f 2s. Tada je x f n pxq g k pxq pa g ima periodi nu to ku osnovnog perioda k pri emu je k neparan. Iz 1. slu aja slijedi da g ima i periodi nu to ku osnovnog perioda l, gdje je ili l k neparan, ili je l proizvoljan paran broj pa f ima periodi nu to ku osnovnog perioda l 2 s. Iz 1. slu aja takožer slijedi da g ima ksnu to ku pa iz (2b) slijedi da f ima periodi nu to ku osnovnog perioda 2 t, t s. Napomena 6.9. (1) Period 3 je najve i mogu i period po arkovskijevom urežaju i zato postojanje to ke osnovnog perioda 3 implicira postojanje periodi nih to aka svih ostalih osnovnih perioda. (2) Ako f ima periodi nu to ku iji osnovni period nije potencija od 2, tada f ima beskona no mnogo periodi nih to aka. Obratno, ako f ima samo kona no mnogo periodi nih to aka, onda svaka ima period koji je potencija od 2. Obrat arkovskijevog teorema takožer vrijedi.

27 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 27 Propozicija Postoji funkcija koja ima periodi nu to ku osnovnog perioda n i nema periodi nu to ku osnovnog perioda ve eg od n po arkovskijevom urežaju. Dokaz. (1) n neparan. Prvo emo konstruirati funkciju koja ima periodi nu to ku osnovnog perioda 5, a nema periodi nu to ku osnovnog perioda 3. Neka je f : r1, 5s Ñ r1, 5s denirana na sljede i na in: fp1q 3, fp3q 4, fp4q 2, fp2q 5, fp5q 1 i f je linearna izmežu tih to aka. O ito je 1 periodi na to ka osnovnog perioda 5. Graf funkcije f dan je na slici Slika 5: Pokazat emo da f nema periodi nu to ku osnovnog perioda 3. Budu i da je f 3 pr1, 2sq r2, 5s, f 3 pr2, 3sq r3, 5s, f 3 pr4, 5sq r1, 4s, f 3 nema ksnu to ku u niti jednom od tih segmenata. No f 3 pr3, 4sq r1, 5s pa f 3 ima najmanje jednu ksnu to ku u segmentu r3, 4s. Pokazat emo da je ta ksna to ka jedinstvena pa je zato ksna to ka od f, a ne to ka osnovnog perioda 3. Primijetimo da je f : r3, 4s Ñ r2, 4s monotono padaju a,

28 6 ARKOVSKIJEV TEOREM 28 f : r2, 4s Ñ r2, 5s je takožer monotono padaju a, kao i f : r2, 5s Ñ r1, 5s. Zato je f 3 r3,4s monotono padaju a pa je ksna to ka jedinstvena. Dakle, f nema periodi nu to ku osnovnog perioda 3. Analogno se mogu konstruirati i funkcije koje imaju periodi nu to ku osnovnog perioda n, pri emu je n 3 neparan, a nemaju periodi nu to ku osnovnog perioda n 2. (2) n paran. Neka je I r0, 1s i f : I Ñ I neprekidna funkcija. Konstruiramo novu neprekidnu funkciju F : I Ñ I ije periodi ne to ke imaju periode duplo ve e od perioda periodi nih to aka od f te ima jednu dodatnu ksnu to ku: F pxq $ '& '% 1 3 fp3xq 2 3 x P r0, 1 s, 3 ana, x P r 1, 2 s, 3 3 x 2 3, x P r 2 3, 1s. Primijetimo da je F p 1 3 q 1 3 fp1q 2 3, F p 2 3 q 0 i F p1q 1 3. F preslikava segment r0, 1 3 s u r 2, 3 1s i segment r 2, 3 1s na r0, 1 s. Takožer, koecijent smijera 3 od F r 1 3, 2 3 s je manji od 2 (ne nuºno strogo manji) pa za x P r 1, 2 s koji nije 3 3 ksna to ka, postoji j takav da je F j pxq P r0, 1 3 s Y r 2, 3 1s. Zato F nema periodi ne to ke u r 1, 2 s osim ksne to ke. 3 3 Pokazat emo prvo da ako je x periodi na to ka perioda m za f, tada je x{3 periodi na to ka perioda 2m za F. Neka je f m pxq x. Budu i da je x 3 P r0, 1 3 s, vrijedi F p x 3 q 1 3 fpxq 2 3 P r 2 3, 1s i F 2 p x 3 q 1 3 fpxq P r0, 1 3 s. Induktivno se moºe dokazati da vrijedi F 2k x 3 F 2 F 2k 2 x 3 F f k 1 pxq 1 3 fpf k 1 pxqq 1 3 f k pxq. Dakle, F 2m x f m pxq 1 3 x. Pokaºimo sada da ako je y periodi na to ka za F, tada ili y ili F pyq pripada segmentu r0, 1 s i ako je to y, tada je 3y periodi na to ka od f, a ako 3 je to F pyq, tada je 3F pyq periodi na to ka od f. Neka je F m pyq y i m 1.

29 7 PODPOMAK KONAƒNOG TIPA 29 Iz toga i prije dokazanog slijedi da y R p 1, q. Pretpostavimo da je y P r0, 1 3 s (dokaz za y P r 2, 3 1s je analogan). Tada je fp3yq 3F 2 pyq. Induktivno se moºe dokazati da je f k p3yq fpf k 1 p3yqq fp3f 2k 2 pyqq 3F 2 pf 2k 2 pyqq 3F 2k pyq. Dakle, f m{2 p3yq 3F m pyq 3y. Iz svega toga slijedi da za konstrukciju funkcije koja ima periodi nu to ku osnovnog perioda , a nema periodi nu to ku perioda 6 3 2, prvo treba konstruirati funkciju f koja ima periodi nu to ku osnovnog perioda 5, a nema periodi nu to ku osnovnog perioda 3. Traºena funkcija je njoj pridruºena funkcija F koja duplicira periode. Analogno se mogu konstruirati i funkcije koje imaju periodi nu to ku osnovnog perioda n k2 i, pri emu je k 3 neparan, i P N, a nemaju periodi nu to ku osnovnog perioda pk 2q2 i, ili funkcije koje imaju periodi nu to ku osnovnog perioda 3 2 i, a nemaju periodi nu to ku osnovnog perioda k2 i 1 za svaki neparan k. 7 Podpomak kona nog tipa Prou imo kvadratnu funkciju F µ za µ i ozna imo zbog jednostavnosti F pxq : xp1 xq. Funkcija F ima privla nu periodi nu orbitu perioda tri i njene to ke su pribliºno a , a , a Takožer vrijedi pf 3 q 1 pa i q 0.78, tj. pf 3 q 1 pa i q 1. Da su a i, i 1, 2, 3, privla ne periodi ne to ke moºe se dokazati nalaze i male intervale oko to aka a i koje F 3 preslikava unutar sebe, pri emu je apsolutna vrijednost derivacije od F 3 na tom intervalu manja od jedan. Po arkovskijevom teoremu (teorem 6.8) F ima periodi ne to ke svih perioda, a po teoremu 5.5 niti jedna osim a i, i 1, 2, 3, nije privla na. Da bismo vidjeli gdje se sve te to ke nalaze i koliko ih ima uvest emo podpomak kona nog tipa

30 7 PODPOMAK KONAƒNOG TIPA 30 Prvo deniramo pomak na N simbola. Neka je Σ N skup svih nizova prirodnih brojeva izmežu 1 i N, Σ N t ÝÑ s s 0 s 1... s j... : s j P N, s j Nu. Kao na Σ 2, postoji prirodna metrika na Σ N denirana formulom gdje su ÝÑ s, ÝÑ t P Σ N. d N p ÝÑ s, ÝÑ t q 8 i0 Propozicija 7.1. p1q d N je metrika na Σ N. s i t i N i, p2q Ako je s i t i za i 0, 1,..., k, tada je d N p ÝÑ s, ÝÑ t q 1{N k. p3q Ako je d N p ÝÑ s, ÝÑ t q 1{N k, tada je s i t i za i 0, 1,..., k. Dokaz je analogan dokazima lemi 3.2 i 3.3. Takožer, kao u slu aju Σ 2, preslikavanje pomaka denirano je sa σps 0 s 1 s 2... q s 1 s 2 s 3... i kao u lemi 3.5 moºe se pokazati da je σ neprekidno preslikavanje. ustvari zanimaju odreženi podprostori od Σ N. Nas Neka je A kvadratna matrica reda N, A ra ij s, pri emu su a ij P t0, 1u za sve i, j 1,..., N. Deniramo podskup Σ A Σ N na sljede i na in: Σ A t ÝÑ s s 0 s 1 s 2... : a si s i 1 P N 0 u. 1 0 Primjer 7.2. paq Neka je A. Budu i da je a a 21 0, nizovi u Σ A ne mogu imati 1 i 2 kao susjedne elemente. Dakle, Σ A sadrºi samo dva niza i pbq Neka je A. Budu i da je a , 1 ne moºe slijediti iza 2, sve ostalo je dozvoljeno. Dakle, Σ A sadrºi nizove , te nizove lomon tipa 1 k 2 8, k P N, gdje a k a... a loomoon i a 8 aaa.... k puta 8 puta

31 7 PODPOMAK KONAƒNOG TIPA pcq Neka je A 1 0 jer je a Nizovi u Σ A ne mogu imati dvije uzastopne dvojke, Ozna imo sa σ A restrikciju od σ na skup Σ A. σ A zovemo podpomak kona nog tipa. Propozicija 7.3. Σ A je zatvoren podskup od Σ N i invarijantan na σ A. Dokaz. Invarijantnost je o igledna. Dokaºimo da je Σ A zatvoren. Neka je p ÝÑ s i q ipn niz to aka u Σ A koji konvergira prema ÝÑ t. Pretpostavimo, po kontradikciji, da ÝÑ t R Σ A. Tada postoji k P N 0 takav da je a tk t k 1 0. Budu i da p ÝÑ s i q ipn konvergira prema ÝÑ t, postoji m P N 0 takav da za sve i m vrijedi d N p ÝÑ s i, ÝÑ t q 1{N k 1. Po propoziciji 7.1 to zna i da je t 0 t 1... t k 1 s i 0s i 1... s i k 1 za sve i m. Budu i da su ÝÑ s i P Σ A, vrijedi a tk t k 1 1, kontradikcija. Dakle, Σ A je zatvoren. Vratimo se sada funkciji F pxq xp1 xq. Funkcija F ima jo² jednu periodi nu orbitu perioda tri i njene to ke su pribliºno b , b , b Takožer vrijedi pf 3 q 1 pb i q , i 1, 2, 3. Da su b i odbojne periodi ne to ke moºe se dokazati izra unavanjem malih intervala oko to aka b i za koje vrijedi da F 3 od odgovaraju eg intervala sadrºi taj interval, pri emu je apsolutna vrijednost derivacije od F 3 na tom intervalu ve a od jedan. Neka je W pa i q maksimalni interval to aka koje konvergiraju prema a i pod djelovanjem F 3. Iz dokaza teorema 5.5 vidimo da je jedna rubna to ka od svakog od W pa i q ksna to ka za F 3 pa su b i rubne to ke od W pa i q. Ozna imo sa p bi to ke za koje je F 3 pp bi q F 3 pb i q b i i koje su na suprotnoj strani od a i u odnosu na b i, i 1, 2, 3. Ozna imo A 1 pp b1, b 1 q, A 2 pp b2, b 2 q i A 3 pb 3,p b3 q. Primijetimo da F preslikava A 1 monotono na A 2 i A 3 monotono na A 1. Takožer, F ima kriti nu to u u A 2 pa F nije monotona u A 2. Jer je max F , F pa 2 q A 3 (F pb 2 q F pp b2 q b 3 ). Kako smo u primjeru 2.6 (6) pokazali, F n pxq Ñ 8 za x 0 i x 1. Takožer, F n pxq teºi orbiti od a i za x P A i. Zato su sve ostale periodi ne to ke

32 7 PODPOMAK KONAƒNOG TIPA 32 sadrºane u komplementu od 3 i1 A i u r0, 1s. Taj komplement se sastoji od etiri segmenta, ozna imo ih sa I 0, I 1, I 2 i I 3. Propozicija 7.4. Sve periodi ne to ke od F sadrºane su u I 1 YI 2 s iznimkom ksne to ke 0 i periodi nih to aka a 1, a 2, a 3 perioda tri. Dokaz. Primijetimo da je F monotona na svim I j i vrijedi I 0 Ñ I 0 Y I 1, I 1 Ñ I 2 Ñ I 1 Y I 2, I 3 Ñ I 0. Dakle, za x P I 1 Y I 2 vrijedi F pxq P I 1 Y I 2. Za x P I 0, x 0, vrijedi F pxq x pa postoji n P N takav da F n pxq R I 0. Ako F n pxq P A 1, x nije periodi na to ka. Ako F n pxq P I 1, tada F n i pxq P I 1 Y I 2 za sve i P N pa ne postoji k P N takav da je F k pxq P I 0, odnosno x nije periodi na to ka. Na kraju, ako x P I 3, tada F pxq P I 0 i x opet nije periodi na to ka. Ozna imo sa Λ skup svih to aka ija cijela orbita leºi u I 1 Y I 2. Da bismo razumijeli dinamiku na Λ vra amo se simboli koj dinamici. Analogno deniciji 4.2, deniramo itinerer to ke x P Λ kao niz ÝÑ s Spxq s 0 s 1... s n..., gdje je s n 1 ako je F n pxq P I 1 i s n 2 ako je F n pxq P I 2. Budu i da je F pi 1 q I 2, u nizu ÝÑ s iza simbola 1 ne moze opet slijediti simbol 1. Pokazat emo da je to jedino ograni enje, odnosno da ÝÑ s poprima vrijednosti u Σ A, 0 1 gdje je A. 1 1 Teorem 7.5. Funkcije F : Λ ÑΛ je topolo²ki konjugirana podpomaku kona nog tipa σ A, pri emu je A Dokaz. Dokaz da je S : Λ Ñ Σ A neprekidna i surjektivna je isti kao u dokazu teorema 4.3, a da je S F σ A S kao u dokazu teorema 4.4. Jedina razlika je u dokazu da je S injektivna pa emo se sada fokusirati na taj dio. Razlika nastaje jer ovdje ne vrijedi da je F 1 pxq 1 za sve x P I 1 Y I 2. No vrijedi F 1 pxq ν F 1 pp b2 q 0.3 za sve x P I 1 Y I 2, jer je F 2 0 i interval pp b2, b 2 q koji sadrºi kriti nu to ku nije sadrºan u I 1 YI 2. Dakle, F 1 je omežen odozdo na I 1 Y I 2 strogo pozitivnim brojem.

33 7 PODPOMAK KONAƒNOG TIPA 33 Pokazat emo sada da postoji λ 1 takav da za svaki x P Λ vrijedi pf 3 q 1 pxq λ. Primijetimo prvo da postoje tri segmenta B 1, B 2 i B 3 u I 1 YI 2 takva da je pf 3 q 1 pxq 1 za x iz ta tri segmenta. Dva od njih, B 1 i B 2, su simetri no smje²teni u odnosu na 1/2, a tre i, B 3, leºi u I 2. Primijetimo da je F 3 pb 3 q pp b1, b 1 q pa B 3 X Λ H. Takožer, lako se provjeri da za svaki x P B 2 vrijedi x 0.683, pf 3 q 1 p0.661q 1 i pf 3 q 1 p0.683q 1 te F 3 pp0.661, 0.683qq pb 3,p b3 q. Po simetriji dobivamo F 3 pb 1 q pb 3,p b3 q pa je B 1 X Λ H i B 2 X Λ H. Sada emo pokazati da je Λ hiperboli an skup. Neka je K takav da je ν 2 λ K 1. Neka je N 3K 2. Za n P N, n N moºemo pisati n 3pK Mq i, gdje su M 0 i 0 i 2 nenegativni cijeli brojevi. Dakle, za x P Λ vrijedi pf n q 1 pxq pf i q 1 pf 3pK Mq pxq pf 3pK Mq q 1 pxq ν 2 λ K M 1 pa je Λ odbojni hiperboli ni skup Sada, kada imamo hiperboli nost, ostatak dokaza je sli an dokazu teorema 4.3. Napomena 7.6. Tehnike u gornjem dokazu moºemo primijeniti za dokaz? propozicije 2.7 za 4 µ 2 5. Iz svega dobivenog slijedi da je jednostavno prona i periodi ne to ke svih loomoon perioda, iju egzistenciju daje arkovskijev teorem. Periodi na to ka osnovnog perioda k u Σ A je, na primjer, niz p q 8. Naravno, postoje i druge k 1 puta periodi ne to ke perioda k. Pitanje je koliko ih ima. Propozicija 7.7. cardpper k σ k q trpa k q Dokaz. Prisjetimo se, niz ÝÑ s P Σ A je ksan za σ k ako i samo ako je oblika ÝÑ s ps0 s 1... s k 1 q 8. Taj niz pripada prostoru Σ A ako i samo ako vrijedi a s0 s 1 a s1 s 2 a sk 1 s 0 1 (ina e je taj produkt 0). Zato je s 0,...,s k 1 a s0 s 1 a s1 s 2 a sk 1 s 0