משטח רימן

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
הטורוס הוא דוגמה למשטח רימן פרבולי

במתמטיקה, ובמיוחד בגאומטריה ובאנליזה מרוכבת, משטח רימן הוא יריעה מרוכבת חד-ממדית, כלומר, אובייקט טופולוגי שהמבנה המקומי שלו הוא כזה של קבוצה פתוחה במישור המרוכב. למרות שלכל משטחי רימן אותו מבנה כשמתבוננים בסביבה הקרובה של נקודה, המבנה הטופולוגי הכללי יכול להיות מגוון מאוד. לדוגמה, משטח רימן יכול להיראות כמו ספירה או טורוס. המשטחים קרויים על-שמו של המתמטיקאי ברנרד רימן.

הרעיון המרכזי של התורה של משטחי רימן הוא שניתן להגדיר פונקציות הולומורפיות (או אנליטיות) בין שני משטחי רימן נתונים. משטחי רימן נחשבים כיום ל"מקום הטבעי" לחקר התכונות הגלובליות של פונקציות הולומורפיות, במיוחד פונקציות רב ערכיות, כמו פונקציית השורש, שאינה ניתנת להגדרה כפונקציה חד ערכית הולומורפית על המישור המרוכב כולו, אך ניתנת להגדרה כפונקציה רב ערכית.

כל משטח רימן הוא יריעה אנליטית דו-ממדית, אך הוא מכיל מבנה נוסף (אטלס הולומורפי). ניתן להוכיח שניתן להפוך יריעה אנליטית דו-ממדית למשטח רימן אם ורק אם היא אורינטבילית. לכן לדוגמה, הספירה והטורוס הם משטחי רימן, אך טבעת מביוס ובקבוק קליין אינם משטחי רימן.

הגדרה פורמלית[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביהולומורפיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

פונקציה מרוכבת f\, תיקרא ביהולומורפית אם היא הולומורפית, חד חד ערכית, והפונקציה ההפוכה f^{-1}\, אף היא הולומורפית. ניתן להוכיח שאם f\, היא הולומורפית וחד חד ערכית אז היא ביהולומורפית.

מפה ואטלס[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהי X\, מרחב האוסדורף קשיר.

מפה (chart) היא הומיאומורפיזם מקבוצה פתוחה כלשהי U \subseteq X לתת קבוצה פתוחה של המישור המרוכב \mathbb{C}.

אטלס הוא אוסף של מפות על תת-קבוצות שונות של X, כך שהאיחוד של תת-הקבוצות הללו הוא המרחב כולו, כלומר כל נקודה במרחב מוכלת במפה אחת לפחות. אם המרחב X הוא שטח הפנים של כדור הארץ, אז המילה "אטלס" מקבלת את המשמעות הרגילה שלה בשפת הדיבור: אוסף של מפות, כך שכל מפה מתארת חלק אחד מפני כדור הארץ, והאיחוד של כל החלקים הללו הוא פני כדור הארץ כולו.

נניח שיש שתי מפות, אשר ממפות קבוצות חופפות חלקית (לדוגמה, מפה של אירופה ומפה של אסיה, ששתיהן כוללות את רוסיה). ניתן להגדיר העתקת-מעבר (transition map) בין שתי הקבוצות הללו, כהרכבה של מפה אחת עם ההיפוך של המפה השנייה. באופן פורמלי, נניח כי U,V \subseteq X קבוצות פתוחות, וכי נתונות שתי מפות f:U \rightarrow \mathbb{C} ו- g:V \rightarrow \mathbb{C}. העתקת המעבר היא הפונקציה f\circ g^{-1}:g(U \cap V) \to f(U \cap V).

שתי מפות f\, ו-g\, ייקראו תואמות הולומורפית, אם מפת המעבר שלהם היא ביהולומורפית.

אטלס ייקרא אטלס הולומורפי, אם כל המפות בו תואמות הולומורפית.

משטח רימן[עריכת קוד מקור | עריכה]

אם X הוא מרחב האוסדורף קשיר, ו-A הוא אטלס הולומורפי, אז הזוג (X,A)\, יקרא משטח רימן. בדרך כלל נשמיט את סימון האטלס ונסמן את המשטח פשוט ב-X\,.

דוגמאות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • המישור המרוכב \mathbb{C} הוא הדוגמה הפשוטה ביותר למשטח רימן. פונקציית הזהות z \mapsto z מגדירה מפה (שהיא גם אטלס) על \mathbb{C}. פונקציית הצמוד המרוכב g(z) = \overline{z} אף היא מפה (שהיא גם אטלס) על \mathbb{C}, אשר נותנת לו מבנה של משטח רימן. נשים לב כי f\, ו- g\, אינן מפות תואמות הולומורפית, ולכן אלו שני משטחי רימן שונים.
  • בצורה אנלוגית, כל קבוצה פתוחה U \subseteq \mathbb{C} היא משטח רימן, כאשר פונקציית הזהות משמשת מפה בודדת עבור אטלס. באופן כללי יותר, כל תת-קבוצה פתוחה של משטח רימן היא משטח רימן.
  • הספירה של רימן היא הדוגמה הפשוטה ביותר של משטח רימן קומפקטי: נגדיר X = \mathbb{C} \cup \{\infty\}. תהי f:X- \{\infty\}\rightarrow \mathbb{C} מוגדרת על ידי z \mapsto z, ותהי g:X- \{0\}\rightarrow \mathbb{C} מוגדרת על ידי z \mapsto 1/z, כאשר נגדיר 1/\infty = 0. אז f\, ו- g\, הן מפות על X\,, ו- \{f,g\} \, הוא אטלס הולומורפי, הנותן ל-X\, מבנה של משטח רימן קומפקטי. מבחינה טופולוגית ניתן להראות ש-X\, הומיאומורפי לספירה.
  • כל עקום אליפטי מעל שדה המספרים המרוכבים הוא משטח רימן קומפקטי.

תכונות והגדרות נוספות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • פונקציה \,f:X \rightarrow Y בין שני משטחי רימן תיקרא הולומורפית אם לכל מפה \ g של \ X ולכל מפה \ h של \ Y הפונקציה h \circ f \circ g^{-1} (שהיא פונקציה מרוכבת) היא הולומורפית.
  • שני משטחי רימן \ X ו-\ Y נקראים איזומורפיים אם קיימת פונקציה הולומורפית \,f:X \rightarrow Y, כך ש \,f היא חד חד ערכית, על, והפונקציה \,f^{-1}:Y \rightarrow X אף היא הולומורפית (במקרה זה, כמו במקרה המרוכב, נאמר ש-\,f ביהולומורפית). מעשית, שני משטחי רימן איזומורפיים הם זהים.
הספירה של רימן היא הדוגמה היחידה למשטח רימן אליפטי

משפט היונפורמיזציה ומיון בסיסי של משטחי רימן[עריכת קוד מקור | עריכה]

על פי משפט היוניפורמיזציה, כל משטח רימן פשוט קשר איזומורפי לאחד משלושה משטחים:

בנוסף, משפט היוניפורמיזציה קובע כי לכל משטח רימן קיימת מטריקה רימנית ממשית דו ממדית יחידה עם עקמומיות קבועה השווה לאפס (במקרה הראשון), 1 (במקרה השני) או \ -1 (במקרה השלישי). משטח בעל עקמומיות מינוס 1 נקרא משטח רימן היפרבולי. משטח רימן עם עקמומיות 0 נקרא פרבולי (למשל \mathbb{C}, והטורוס). משטח עם עקמומיות 1 נקרא אליפטי.

החבורה היסודית של כל משטח רימן פרבולי איזומורפית לסריג מדרגה 2 ב-\ \mathbb{C}. כמו כן, הכיסוי האוניברסלי של כל משטח כזה איזומורפי ל-\ \mathbb{C}. ניתן לממש כל משטח כזה על ידי מרחב המנה \mathbb{C} / \Gamma, כאשר \ \Gamma הוא סריג. מבחינה טופולוגית מרחב המנה הומיאומורפי לטורוס.

החבורה היסודית של כל משטח רימן היפרבולי איזומורפית לחבורת פוקס. משטח כזה ניתן לממש על ידי מרחב המנה \ H / \Gamma כאשר \ H הוא חצי המישור העליון ו-\ \Gamma היא חבורת פוקס (ראו גם גאומטריה היפרבולית).

משטח הרימן היחיד שהוא אליפטי (עד כדי איזומורפיזם) הוא הספירה של רימן.

פונקציות על משטחי רימן[עריכת קוד מקור | עריכה]

פונקציות הולומורפיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בהינתן משטח רימן X\,, פונקציה הולומרפית f:X \rightarrow \mathbb{C} (מהמשטח X למשטח \mathbb{C}) תיקרא פונקציה הולומורפית על X\, (מבלי לציין את הטווח). ניתן להראות שמשפט ליוביל תקף גם עבור פונקציות הולומורפיות על משטחי רימן, ולפיכך כל פונקציה הולומורפית על משטח רימן קומפקטי היא קבועה. לעומת זאת, על כל משטח רימן לא קומפקטי יש פונקציות הולומורפיות לא קבועות. אם X\, משטח רימן שאינו קומפקטי ו-x,y \in X שתי נקודות שונות, אז קיימת פונקציה הולומורפית f\, על X\, כך ש-\,f(x) \ne f(y). יריעה אנליטית שמקיימת תנאי זה נקראת יריעת סטיין. משפט השיכון ליריעות סטיין קובע שכל יריעת סטיין ממימד n\, ניתנת לשיכון ביהולומורפי כתת-קבוצה של \mathbb{C}^{2n+1}, ולפיכך כל משטח רימן לא קומפקטי ניתן לשיכון ביהולומורפי כתת-קבוצה של \mathbb{C}^3.

פונקציות מרומורפיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קיומן של פונקציות מרומורפיות על משטח רימן קומפקטי

בהינתן קבוצה בדידה S \subseteq X ופונקציה הולומורפית f:X - S \rightarrow \mathbb{C}, אז f\, תיקרא פונקציה מרומורפית. בפרט פונקציה הולומורפית היא מרומורפית. על משטח רימן קומפקטי פונקציה היא מרומורפית אם היא הולומורפית בכל נקודה פרט אולי למספר סופי של נקודות (בגלל הקומופקטיות כל קבוצה בדידה היא סופית). ממשפט רימן רוך נובע כי על כל משטח רימן קומפקטי קיימות פונקציות מרומורפיות שאינן קבועות. על משטח רימן שאינו קומפקטי, אפשר לכתוב כל פונקציה מרומורפית כמנה של שתי פונקציות הולומורפיות.

שדה הפונקציות המרומורפיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

אוסף הפונקציות המרומורפיות על משטח רימן מהווה שדה, המסומן ב-\mathcal{M}(X). נשים לב שכל פונקציה קבועה היא בוודאי מרומורפית, ולכן \mathcal{M}(X) הוא שדה הרחבה של \mathbb{C}. אם X\, משטח רימן קומפקטי, ניתן להוכיח ש-\mathcal{M}(X) הוא הרחבה של \mathbb{C} ממעלה טרנסצנדנטית 1. שדה הפונקציות הרציונליות של משטח רימן קומפקטי קובע את המשטח עד כדי איזומורפיזם, כלומר אם X\, ו-Y\, הם שני משטחי רימן קומפקטים אז X \cong Y (X איזומורפי ל Y) אם ורק אם \mathcal{M}(X) \cong \mathcal{M}(Y). במונחים של תורת הקטגוריות ניתן להראות שהקטגוריה של משטחי רימן קומפקטים (כאשר המורפיזמים הם פונקציות הולומורפיות) שקולה לקטגוריה של הרחבות שדה ממעלה טרנסצנדנטית 1 של שדה המספרים המרוכבים.

הגנוס של משטח[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן להוכיח שכל משטח אוריינטבילי קומפקטי הומיאומורפי לספירה אשר מחוברות אליה "ידיות". לפיכך, כל משטח רימן קומפקטי נראה מבחינה טופולוגית כמו ספירה עם ידיות. מספר ה"ידיות" נקרא הגנוס של המשטח ומסומן באות g. הגנוס של משטח רימן קומפקטי הוא תמיד סופי.נניח כעת כי X משטח רימן קומפקטי. נסמן ב\,\mathcal{F} את אלומת הפונקציות המרומורפיות של X. ניתן להראות כי המימד של המרחב הווקטורי \mathcal{H}^1 (X,\mathcal{F}) (קוהומולוגיית צ'ך של אלומה זו) שווה לגנוס של המשטח, כלומר \dim \mathcal{H}^1 (X,\mathcal{F}) = g. משטח רימן הוא אליפטי (כלומר איזומורפי לספירה של רימן) אם ורק אם הגנוס שלו הוא 0. הוא פרבולי אם ורק אם הגנוס שלו הוא 1. משטח רימן עם גנוס 1 מהווה עקום אליפטי. כל משטח רימן עם גנוס גדול מ1 הוא היפרבולי.

מחלקים על משטח רימן[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהי X\, משטח רימן. פונקציה D:X \rightarrow \mathbb{Z} (כאשר \mathbb{Z} - המספרים השלמים) תיקרא מחלק אם הקבוצה \{p:D(p) \ne 0\} (נקראת התומך של D) היא קבוצה בדידה. בפרט, מחלק על משטח רימן קומפקטי ניתן לייצוג על ידי סכום סופי \textstyle \sum_{k=1}^n a_i p_i כאשר a_i \in \mathbb{Z} הוא מספר שלם וp_i \in X. לדוגמה, אם X\, הוא הספירה של רימן אז הסכום 3 \cdot 0 + 2 \cdot \infty הוא המחלק על X\, המתאים לנקודה 0 את הערך 3, לנקודת האינסוף את הערך 2, ולכל נקודה אחרת את הערך 0. ניתן לחבר שני מחלקים (על ידי חיבור הפונקציות המתאימות), ולפיכך אוסף המחלקים על משטח רימן מהווה חבורה אבלית. חבורת המחלקים על משטח רימן קומפקטי היא בדיוק החבורה האבלית החופשית הנוצרת על ידי הנקודות של X\,. מחלק נקרא אפקטיבי אם הוא אי שלילי.

מחלק של פונקציה מרומורפית[עריכת קוד מקור | עריכה]

תהי \ f פונקציה מרומורפית שאינה הפונקציה הקבועה \ 0 על משטח רימן \ X. ניתן להוכיח שלכל נקודה p \in X קיים מספר שלם יחיד - \ n, ומפה g:U \to \mathbb{C} (כאשר \ U סביבה של \ p), כך ש \ g(p) =0 וכך שמתקיים \ f \circ g^{-1} (z) = z^n. אם \ f הולומורפית ב-\ p אז \ n \ge 0, ו- \ n>0 אם ורק אם \ f(z) = 0. אם \ n<0 נאמר של \ f יש קוטב ב-\ p מסדר \ -n.

לכל פונקציה מרומורפית \ f ניתן להגדיר מחלק \ D באופן הבא: אם \ f הולומורפית ב \ p נגדיר \ D(p) = n, כאשר \ n הוא הסדר של \ f בנקודה \ p. אחרת, אם ל \ f יש קוטב ב \ p מסדר \ n, נגדיר \ D(p) = -n. את המחלק של פונקציה מרומורפית נהוג לסמן ב \ (f). מההגדרה נובע שפונקציה מרומורפית היא הולומורפית אם ורק אם המחלק שלה הוא אפקטיבי.

מחלק \ D שקיימת פונקציה מרומורפית \ f שהוא המחלק שלה נקרא מחלק ראשי. מכיוון ש - (f\cdot g) = (f) + (g) ו- \textstyle \left(\frac{1}{f}\right) = -(f) הרי שאוסף המחלקים הראשיים מהווה תת-חבורה של חבורת המחלקים.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]