Uogólnienia poj˛ecia dyskretnej funkcji Morse’a

Niech P b˛edzie dobrze ufundowanym cz˛e´sciowym porz ˛adkiem nie zawiera-j ˛acym podzbioru izomorficznego z ω+1. Funkcj˛e f : P →R nazywamy dyskretn ˛a

3.8. SKOJARZENIA MORSE’A A DYSKRETNE FUNKCJE MORSE’A 129

funkcj ˛a Morse’a, je ˙zeli dla ka ˙zdego p ∈ P poni ˙zsze zbiory s ˛a co najwy ˙zej jednoele-mentowe oraz przynajmniej jeden z nich jest pusty:

d_f(p) = {q ≺ p : f(p) 6 f(q)}, u_f(p) = {q  p : f(p) > f(q)}.

Element p ∈ P nazywamy krytycznym wzgl˛edem dyskretnej funkcji Morse’a f , je ˙zeli u_f(p) = ∅ =d_f(p).

Oczywi´scie, je´sli P = P (X) dla pewnego regularnego CW kompleksu X, to funkcja f spełnia powy ˙zsze warunki wtedy i tylko wtedy, gdy jest dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a na X w klasycznym sensie.

Nietrudno zauwa ˙zy´c, ˙ze dla tych porz ˛adków P, dla których prawdziwy jest odpowiednik lematu 1.4.4, wystarczy w definicji dyskretnej funkcji Morse’a za-kłada´c, ˙ze zbiory df(p), uf(p) s ˛a co najwy ˙zej jednoelementowe dla wszystkich p ∈ P; jeden z nich musi wówczas by´c pusty.

Je´sli f : P →R jest dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a, to skojarzeniem Morse’a na P

in-dukowanym przez f nazywamy skojarzenie M = ^(p, q): q ∈ d_f(p) w grafie

H(_P). (Zauwa ˙zmy, ˙ze elementy krytyczne wzgl˛edem tego skojarzenia pokrywaj ˛a si˛e z elementami krytycznymi wzgl˛edem funkcji f .)

Mówimy, ˙ze dyskretna funkcja Morse’a f na cz˛e´sciowym porz ˛adku z rang ˛a P jest samoindeksuj ˛aca, je ˙zeli f(p) = rk(p) dla ka ˙zdego elementu p ∈ P krytycz-nego wzgl˛edem tej funkcji.

Lemat 3.8.1. Niech P b˛edzie cz˛e´sciowym porz ˛adkiem z gradacj ˛a, o sko ´nczonych ideałach głównych oraz niech M b˛edzie skojarzeniem Morse’a na P bez promieni malej ˛acych. Dla ka˙zdego x ∈ P zbiór tych y ∈ P, dla których istnieje skierowana w H_M(P)prowadz ˛aca z x do y jest sko ´nczony.

Dowód. Ustalmy x ∈ P; niech

D(x) = {y∈ P : istnieje ´scie ˙zka wH_M(P)prowadz ˛aca z x do y}.

Zastosujmy lemat 3.5.1 do zbioru P, punktu x oraz skojarzenia M, przyjmuj ˛ac

ρ =rk; oczywi´scie D(x) ⊆ O(x), gdzie O(x) jest sko ´nczonym zbiorem uzyska-nym z lematu 3.5.1.

Stwierdzenie 3.8.2. Niech P b˛edzie cz˛e´sciowym porz ˛adkiem z gradacj ˛a, o sko ´nczonych ideałach głównych oraz niech M b˛edzie skojarzeniem Morse’a na P bez promieni male-j ˛acych. Istnieje wówczas samoindeksuj ˛aca dyskretna funkcja Morse’a f : P → R taka,

˙ze M jest skojarzeniem Morse’a indukowanym przez f .

Dowód. Niech P₀={x ∈ C_M(P) : rk(x) = 0}. Definiujemy indukcyjnie dla n>0: P_n^∗ = Pn∪[

{_{x, u}(x)} : x∈ _{P, rk}(x) =n oraz (u(x), x) ∈ M , Pn+1= P_n^∗∪ {x ∈ C_M(P): rk(x) = n+1}.

Dla elementu x ∈ P_n^∗rPn niech F(x) oznacza podgraf grafu skierowanego

których istnieje ´scie ˙zka w H_M(P) prowadz ˛aca z x do y. Na podstawie lematu 3.8.1 graf F(x)jest sko ´nczony. Przez L(x)oznaczmy maksymaln ˛a długo´s´c ´scie ˙zki prostej w grafie skierowanym F(x). (Oczywi´scie ´scie ˙zka o maksymalnej długo´sci musi zaczyna´c si˛e w x.)

Zdefiniujemy dyskretn ˛a funkcj˛e Morse’a f : P → R. Dla elementów

kry-tycznych x ∈ P przyjmijmy f(x) = rk(x). Ka ˙zdy element x ∈ P, który nie jest krytyczny, nale ˙zy do zbioru postaci P_n^∗ rPn dla pewnego n ∈ N. Je˙zeli

rk(x) = n, niech f(x) = n+^1− ¹

2L(x)



. Je´sli natomiast rk(x) = n+1, to x = u(y) dla pewnego y ∈ P_n^∗_rPn takiego, ˙ze rk(y) = n. Przyjmujemy wów-czas f(x) = n+^1− 1

2L(y)

 .

Czytelnikowi pozostawiamy sprawdzenie, ˙ze otrzymana funkcja jest samoin-deksuj ˛ac ˛a dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a na P indukuj ˛ac ˛a skojarzenie M.

Otrzymana w dowodzie stwierdzenia 3.8.2 dyskretna funkcja Morse’a nie jest na ogół wła´sciwa (nawet w słabym sensie), cho´cby z tego powodu, ˙ze mo ˙ze ist-nie´c niesko ´nczenie wiele elementów krytycznych ustalonej rangi. Charaktery-zacj˛e tych skojarze ´n Morse’a na lokalnie sko ´nczonych kompleksach symplicjal-nych, które s ˛a indukowane przez wła´sciwe w słabym sensie dyskretne funkcje Morse’a, podali (przy zało ˙zeniu o sko ´nczono´sci zbioru klas równowa ˙zno´sci pro-mieni malej ˛acych oraz zbioru komórek krytycznych) Ayala, Vilches, Jerše i Kosta [13]. W ogólno´sci charakteryzacja takich skojarze ´n nie jest znana.

W dowodach Formana wykorzystywany jest cz˛esto fakt, ˙ze dyskretn ˛a funkcj˛e Morse’a mo ˙zna zast ˛api´c ró ˙znowarto´sciow ˛a dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a induku-j ˛ac ˛a to samo skojarzenie. Jednak ˙ze w przypadku dyskretnych funkcji Morse’a na niesko ´nczonych CW kompleksach operacja taka nie zawsze jest mo ˙zliwa: przy-kładowo, je´sli rozwa ˙zany kompleks składa si˛e z ponad 2^ℵ0 komórek, to nie ist-nieje na nim ˙zadna ró ˙znowarto´sciowa dyskretna funkcja Morse’a. Jako ´srodek zaradczy na ten problem proponujemy rozwa ˙zanie dyskretnych funkcji Morse’a o warto´sciach w innych ni ˙zR zbiorach uporz ˛adkowanych.

Niech L b˛edzie liniowym porz ˛adkiem. Uogólnion ˛a dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a o warto´sciach w L, zadan ˛a na dobrze ufundowanym cz˛e´sciowym porz ˛adku P nie zawieraj ˛acym podzbioru izomorficznego z ω+1, nazywamy funkcj˛e f : P → L o tej własno´sci, ˙ze dla ka ˙zdego p ∈ P poni ˙zsze zbiory s ˛a co najwy ˙zej jednoele-mentowe oraz przynajmniej jeden z nich jest pusty:

d_f(p) = {q ≺p : f(p) 6 f(q)}, u_f(p) = {q p : f(p) > f(q)}.

Podobnie jak w przypadku klasycznych dyskretnych funkcji Morse’a definiu-jemy skojarzenie indukowane przez uogólnion ˛a dyskretn ˛a funkcj˛e Morse’a.

Odpowiednim kandydatem na kodziedzin˛e uogólnienej dyskretnej funkcji Morse’a w przypadku, gdy interesuj ˛a nas jedynie funkcje indukuj ˛ace skojarze-nia Morse’a bez promieni malej ˛acych, okazuj ˛a si˛e by´c dobre porz ˛adki.

3.8. SKOJARZENIA MORSE’A A DYSKRETNE FUNKCJE MORSE’A 131

Stwierdzenie 3.8.3. Niech P b˛edzie dobrze ufundowanym cz˛e´sciowym porz ˛adkiem nie zawieraj ˛acym podzbioru izomorficznego z ω+1. Dla skojarzenia M w diagramie Has-segoH(P)nast˛epuj ˛ace warunki s ˛a równowa˙zne:

1) M jest skojarzeniem Morse’a bez promieni malej ˛acych na P;

2) istnieje liniowe rozszerzenie P^∗ = (P,6^∗)cz˛e´sciowego porz ˛adku P b˛ed ˛ace dobrym porz ˛adkiem o tej własno´sci, ˙ze je´sli (p, q) ∈ M dla pewnych p, q ∈ P, to p jest pokryciem górnym q w P^∗;

3) istnieje indukuj ˛aca skojarzenie M uogólniona dyskretna funkcja Morse’a na P o warto´sciach w pewnym dobrym porz ˛adku;

4) istnieje ró˙znowarto´sciowa, indukuj ˛aca skojarzenie M uogólniona dyskretna funk-cja Morse’a na P o warto´sciach w pewnym dobrym porz ˛adku.

Dowód. 1)⇐⇒ 2) : O równowa ˙zno´sci warunków 1) i 2) mówi lemat 3.2.2. 2) =⇒4) : Zadajemy funkcj˛e f : P→ P^∗ wzorem

f(p) =

(

q, je ˙zeli istnieje q ∈ _{P takie, ˙ze}(p, q) ∈ M lub(q, p) ∈ M, p w przeciwnym wypadku.

Oczywi´scie jest ona ró ˙znowarto´sciowa i wobec własno´sci porz ˛adku P^∗jest uogól-nion ˛a dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a indukuj ˛ac ˛a skojarzenie M.

4) =⇒3) : Oczywiste.

3) =⇒ 1) : Niech f : P → L b˛edzie uogólnion ˛a dyskretn ˛a funkcj ˛a Morse’a o warto´sciach w dobrym porz ˛adku L, indukuj ˛ac ˛a skojarzenie M. Przypu´s´cmy, ˙ze M nie jest skojarzeniem Morse’a bez promieni malej ˛acych, czyli ˙ze istnieje w gra-fie H_M(P) niesko ´nczona ´scie ˙zka (p_i)_i∈N (patrz lemat 3.2.1). Dla ka ˙zdej liczby i ∈ N kraw˛ed´z (pi, pi+1) ∈ H_M(P). Oznacza to, ˙ze albo pi+1  pi w P oraz

(p_i+1, pi) ∈ M, albo p_i  p_i+1w P oraz(p_i, pi+1) 6∈ M.

W pierwszym przypadku f(p_i) > f(p_i+1) oraz f(p_i+1) > f(p_i+2), gdy ˙z

(p_i+1, p_i+2) 6∈ M. Natomiast w drugim przypadku zachodz ˛a nierówno´sci f(pi) > f(pi+1)oraz f(pi+1) > f(pi).

Ma zatem miejsce nierówno´s´c f(pi) > f(pi+2), wobec czego(f(p2k))_k∈N jest niesko ´nczonym ła ´ncuchem zst˛epuj ˛acym w L, co jest sprzeczne z zało ˙zeniem, ˙ze L jest dobrym porz ˛adkiem.

Problem 3.8.4. Scharakteryzowa´c inne klasy skojarze ´n Morse’a ni ˙z skojarzenia Morse’a bez promieni malej ˛acych za pomoc ˛a uogólnionych dyskretnych funkcji Morse’a o odpowiednich kodziedzinach.

R

OZDZIAŁ

4

Punkty i ko´nce stałe odwzorowa´n

przestrzeni lokalnie zwartych

Dowodzimy, dla X b˛ed ˛acego lokalnie zwartym ANR-em nale ˙z ˛acym do jednej z kilku specjalnych klas, twierdzenia o punkcie lub ko ´ncu stałym głosz ˛acego, ˙ze je-´sli dla wła´sciwego odwzorowania f : X →X okre´slona i niezerowa jest uogólniona liczba LefschetzaΛ(f), to istnieje punkt stały przekształcenia f : X→X lub punkt stały indukowanej na zbiorze ko ´nców funkcji E(f): E(X) → E(X). W niektórych przypadkach wykazujemy, ˙ze o ile funkcja E(f) nie ma punktów stałych, zacho-dzi równo´s´c uogólnionej liczby LefschetzaΛ(f)i indeksu punktów stałych Ind(f). Przedstawiamy teorioporz ˛adkowe i symplicjalne wersje powy ˙zszych wyników, a tak ˙ze podajemy zwi ˛azki pomi˛edzy (ko)rozbieralno´sci ˛a i operacj ˛a produktu kartezja ´nskiego cz˛e´sciowych porz ˛adków a własno´sci ˛a punktu lub ko ´nca stałego. Wyniki rozdziału uogólniaj ˛a kombinatoryczne twierdzenia o punkcie lub ko ´ncu stałym autorstwa Halina [96]; niektóre przedstawione w nim idee s ˛a te ˙z bliskie naszkicowanym w artykule Weinbergera [231].

Rozdział w znacznej cz˛e´sci opiera si˛e na pracy semestralnej autora [131], ale przed-stawione w nim wyniki s ˛a mocniejsze i ogólniejsze.

˙Zaden niezwarty, lokalnie zwarty wielo´scian nie ma własno´sci punktu sta-łego, gdy ˙z je´sli jest on spójny, to zawiera domkni˛ety podzbiór homeomorficzny z nie maj ˛ac ˛a własno´sci punktu stałego półprost ˛a [0,∞), b˛ed ˛ac ˛a absolutnym re-traktem. Aby uzyska´c nietrywialne, a jednocze´snie do´s´c ogólne wyniki o istnie-niu punktu stałego ci ˛agłej funkcji okre´slonej na lokalnie zwartym wielo´scianie, nale ˙zy o niej zatem poczyni´c jakie´s dodatkowe zało ˙zenia. Przykładowo, dobrze znane s ˛a twierdzenia o punkcie stałym dla odwzorowa ´n zwartych lub maj ˛acych zbli ˙zone własno´sci [92].

W niniejszym rozdziale badamy wła´sciwe odwzorowania f : X → X, gdzie X jest spójnym, lokalnie zwartym wielo´scianem (lub ogólniej: spójnym, lokalnie zwartym, metrycznym ANR-em), o tej własno´sci, ˙ze funkcja E(f): E(X) →E(X)

indukowana przez f na zbiorze ko ´nców przestrzeni X nie ma punktów sta-łych (w tej sytuacji mówimy, ˙ze przekształcenie f nie ma ko ´nców stasta-łych). Przy pewnych dodatkowych zało ˙zeniach o funkcji f oraz przestrzeni X uzyskujemy wyniki mówi ˛ace o istnieniu punktu stałego f , spo´sród których szczególnie in-teresuj ˛ace s ˛a twierdzenia wi ˛a ˙z ˛ace niezerowo´s´c uogólnionej liczby Lefschetza Λ(f)z niepusto´sci ˛a zbioru punktów stałych Fix(f).

Wyniki te mo ˙zna równie ˙z interpretowa´c jako mówi ˛ace o istnieniu punktu sta-łego lub ko ´nca stasta-łego wła´sciwego odwzorowania f : X → X; przez koniec stały rozumiemy element zbioru Fix(E(f)). (Intuicyjnie, istnienie ko ´nca stałego ozna-cza, ˙ze f zachowuje co najmniej jeden z kierunków zbie ˙zno´sci do niesko ´nczono-´sci w przestrzeni X.) Mo ˙zna je tak ˙ze rozumie´c jako wyniki dotycz ˛ace istnienia punktu stałego odwzorowaniaFf : FX → FX, indukowanego na uzwarceniu Freudenthala przestrzeni X.

Pomysł badania wła´sciwych funkcji bez ko ´nców stałych nie jest nowy. W 1973 roku Halin [96] podał kombinatoryczne twierdzenia o punkcie lub ko ´ncu stałym dla ró ˙znowarto´sciowych, symplicjalnych odwzorowa ´n zadanych na 1-wymiarowych kompleksach symplicjalnych. Sformułujmy je w formie do-stosowanej do terminologii, z której korzystamy w niniejszej rozprawie (Halin u ˙zywał w swojej pracy poj˛e´c z zakresu teorii grafów).

Twierdzenie 4.0.1 ([96, Theorem 4, 5]). Niech K b˛edzie lokalnie sko ´nczonym, 1-wymiarowym, spójnym kompleksem symplicjalnym, za´s ϕ : K → K niech oznacza ró˙znowarto´sciowe odwzorowanie symplicjalne. Wówczas istnieje sko ´nczony zbiór wierz-chołków F⊆K taki, ˙ze ϕ(F) = F, lub istnieje koniec ε ∈E(|K|)b˛ed ˛acy punktem stałym odwzorowania E(|ϕ|): E(|K|) →E(|K|). Je˙zeli kompleks K jest acykliczny, to o zbiorze F mo˙zemy dodatkowo zakłada´c, ˙ze jest sympleksem K.¹

W przypadku ci ˛agłym zbli ˙zone do zawartych w tym rozdziale idee zostały naszkicowane w artykule Weinbergera [231]. Wspomnie´c nale ˙zy tak ˙ze o do´s´c in-tensywnych badaniach działa ´n grup na przestrzeniach lokalnie zwartych, w któ-rych wykorzystuje si˛e istnienie punktów oraz ko ´nców stałych tych działa ´n (patrz np. [98, 158]).

Najwa ˙zniejsze wyniki rozdziału to twierdzenia 4.2.1 oraz 4.2.11, mó-wi ˛ace o istnieniu punktu stałego wła´sciwego, dopuszczalnego odwzorowania f : X→ X bez ko ´nców stałych, którego uogólniona liczba Lefschetza Λ(f) jest niezerowa, w przypadku gdy X jest spójnym, lokalnie zwartym ANR-em oswo-jonym do wewn ˛atrz lub oswojonym na zewn ˛atrz. Je ˙zeli X jest spójnym, lokalnie zwartym wielo´scianem, za´s f : X → X realizacj ˛a geometryczn ˛a odwzorowania symplicjalnego pewnej triangulacji przestrzeni X w siebie, to analogiczny wynik (wniosek 4.3.9) otrzymujemy bez ˙zadnych dodatkowych zało ˙ze ´n o X, a ponadto

1Oryginalne twierdzenie Halina mówiło w tym przypadku wi˛ecej, a mianowicie, ˙ze je´sli nie istnieje sympleks stały, to istnieje zachowywana przez ϕ niesko ´nczona ´scie ˙zka prosta.