1 Variedades e Funções

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1 1 Variedades e Funções Ex 1-1 Dados conjuntos X Y R n, mostre que a restrição f X : X R n de uma aplicação suave f : Y R k é uma aplicação suave em X. Ex 1-2 Mostre que a composição de aplicações suaves é suave. Mostre que a composição de difeomorfismos é um difeomorfismo. Ex 1-3 Dadas variedades X Y, seja i : X Y a aplicação inclusão. Dado p X, como se relacionam T p X e T p Y? Determine explicitamente Di p. Ex 1-4 Dadas variedades X Y, uma aplicação suave f : Y R k, e dado p X, como se relacionam Df p e D(f X ) p? Ex 1-5 Mostre que se f : X X e g : Y Y são aplicações suaves então f g : X Y X Y, definida por (f g)(x, y) = (f(x), g(y)), é também suave. Se f e g são difeomorfismos, então f g é um difeomorfismo. Ex 1-6 Mostre que se X e Y são variedades, então o produto cartesiano X Y é uma variedade. Qual é a dimensão do produto? Ex 1-7 Determine explicitamente o espaço tangente de uma variedade produto T (x,y) X Y, e a derivada do mapa produto D(f g) (x,y). Ex 1-8 Seja X uma variedade de dimensão k. Mostre que o gráfico de uma aplicação suave f : X R m, G f = {(x, y) X R m : y = f(x) }, é globalmente difeomorfo a X. Explicite as derivadas do difeomorfismo entre G f e X. Ex 1-9 Mostre que, se X é o gráfico duma função suave, com domínio aberto, de tipo I, onde I = k, então X é uma variedade de dimensão n k.

2 Ex 1-10 Mostre que todo o subespaço afim X R n de dimensão n k é o gráfico de uma função afim ϕ : R n k R k de tipo I, para algum conjunto de índices I {1,..., n} com I = k. Os exercícios seguintes referem-se aos seguintes conjuntos: 1. A = { (x 1, x 2 ) R 2 : x 2 1 x x 2 1 x 2 = 1} 2. B = { (x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 2 1 x x 1 x 2 x 3 = 1} 3. C = { (x 1, x 2, x 3 ) R 3 : x 2 1 x x 2 = 1, x 1 + x 2 + x 3 = 3 } 4. D = { (x 1, x 2, x 3, x 4 ) R 4 : x x 2 2 x 3 x 4 = 1, x 1 x 2 + x 4 = 1 } Ex 1-11 Em cada alínea veja se, localmente numa vizinhança de p, o conjunto dado é o gráfico de uma função suave de tipo I 1. A, p = (1, 1), I = {2}. 2. A, p = (1, 1), I = {1}. 3. B, p = (1, 1, 1), I = {3}. 4. B, p = (1, 1, 1), I = {1, 2}. 5. C, p = (1, 1, 1), I = {1, 2}. 6. C, p = (1, 1, 1), I = {3}. 7. D, p = (1, 1, 1, 1), I = {3, 4}. 8. D, p = (1, 1, 1), I = {1}. 9. D, p = (1, 1, 1), I = {1, 2, 3}. Ex 1-12 Verifique se são variedades os conjuntos anteriores A, B, C e D, determinando a suas dimensões. Ex 1-13 Mostre que X = { (x, y, z) R 3 : x 2 +y 2 z 2 = 0 } não é uma variedade.

3 Ex 1-14 Dado um intervalo aberto I R e uma variedade X, uma aplicação suave f : I X diz-se uma curva parametrizada em X. O vector Df t (1) denota-se habitualmente por f (t) = df (t). Mostre que para cada v T dt px existe uma curva parametrizada f :] ɛ, ɛ[ X tal que f(0) = p e f (0) = v. Ex 1-15 Qual é o ponto de intersecção da recta perpendicular no ponto p = (1, 1, 1) a X = { (x, y, z) R 3 : x 2 z 2 + x y z = 1 } com o conjunto Y = { (x, y, z) R 3 : x 2 + y 2 z 2 = 3 }? Ex 1-16 Verifique que (0, 0, 0) é o único ponto crítico da aplicação f : R 3 R, f(x, y, z) = x 2 + y 2 z 2. Mostre que f 1 (a) e f 1 (b) são superfícies difeomórficas se a e b têm o mesmo sinal. Descreva a mudança catastrófica na topologia de f 1 (c) quando c passa o ponto crítico. Ex 1-17 Seja p : R n R um polinómio homogéneo de grau k nas variáveis x 1,..., x n. A homogeneidade significa que p(t x 1,..., t x n ) = t k p(x 1,..., x n ). Mostre que para a 0, p 1 (a) é uma variedade de dimensão n 1. Mostre que p 1 (a) e p 1 (b) são difeomórficas sempre que a e b têm o mesmo sinal. Sugestão: Derivando a relação acima em ordem a t, e fazendo t = 1, veja que k p(x) = n i=1 x i p x i (x). Use esta relação para estudar os pontos críticos de p. Ex 1-18 Seja f : U R n R n uma aplicação suave. Mostre que se A U tem medida nula em R n então f(a) também tem medida nula em R n. Generalize este facto a aplicações suaves f : X n Y n, entre variedades com a mesma dimensão n. Sugestão: Use a fórmula de integração por mudança de variáveis para calcular o volume de f(a). Ex 1-19 Mostre que, se k < n, {0} R k tem medida nula em R n.

4 Ex 1-20 Mostre que se A R k tem medida nula, então A R n tem medida nula em R k+n. Isto implica o exercício anterior? Ex 1-21 Sejam Z X variedades com dim(z) < dim(x). Sem usar o teorema de Sard, mostre que Z tem medida nula em X. Ex 1-22 Dê um exemplo de uma aplicação suave f : R R cujos valores críticos sejam densos. Sugestão: Faça com que os números racionais, conjunto que pode ser enumerado Q = {r 1, r 2,... }, seja o conjunto dos valores críticos de f. Ex 1-23 Demonstre o teorema de Sard para aplicações suaves f : X k Y n entre variedades com dimensões k < n. Por outras palavras, mostre que f(x k ) tem medida nula em Y n. Sugestão: Considere F : R n k X k Y n definida por F (t, x) = f(x). Ex 1-24 Demonstre que uma variedade X R n de dimensão k < n é localmente, numa vizinhança de cada um dos seus pontos, um conjunto de nível regular duma função suave f : U R n k, definida num conjunto aberto U de R n. Sugestão: A inclusão i : X R n é uma imersão. Use o facto deste mapa ser localmente equivalente a uma inclusão linear j : R k R n para definir f. Ex 1-25 Demonstre que uma variedade X R n de dimensão k < n é localmente, numa vizinhança de cada um dos seus pontos, o gráfico duma função suave ϕ : U R n k, definida num conjunto aberto U de R k. Sugestão: Pode usar o exercício anterior. Ex 1-26 Mostre que se Z k X n é uma subvariedade com dimensão k, duma variedade X com dimensão n, então existe um sistema de coordenadas locais (carta) (x 1,..., x n ) = ψ(p), definido numa vizinhança U de cada ponto p U, tal que, nessa carta, Z U é definido pelas equações x k+1 = 0,..., x n = 0. Sugestão: A inclusão i : Z k X n é uma imersão. Use o facto deste mapa ser localmente equivalente a uma inclusão linear j : R k R n para definir a carta local (x 1,..., x n ) = ψ(p).

5 Ex 1-27 Sejam k n, c Y k e p f 1 (y) um ponto regular de f : X n Y k. Mostre que T p f 1 (y) = Nuc(Df p ). Sugestão: Use o facto de a aplicação f : (X, p) (Y, y) ser localmente equivalente a uma projecção linear π : (R n, 0) (R k, 0). Ex 1-28 Seja f : R R um difeomorfismo local. Mostre que I = f(r) é um intervalo aberto, e que f : R I é um difeomorfismo. Ex 1-29 Dê um exemplo de um difeomorfismo local f : R 2 R 2 que não seja um difeomorfismo sobre a sua imagem f(r 2 ). Ex 1-30 Mostre que, se f : X n Y n é um difeomorfismo local e f é injectiva, então f : X n f(x n ) é um difeomorfismo. Ex 1-31 Explique porque não existem submersões de variedades compactas em espaços eucliedeanos. Ex 1-32 (Pilha de Cópias) Sejam X n e Y n variedades de dimensão n, X n compacta. Seja y Y n um valor regular da aplicação suave f : X n Y n. Mostre que f 1 (y) é finito. Supondo que f 1 (y) = {x 1,..., x k }, mostre que existe um aberto U Y n contendo y tal que f 1 (U) é a união disjunta, f 1 (U) = V 1..., V k de k abertos V i tais que x i V i e f transforma V i difeomorficamente em U, para cada i = 1,..., k. Sugestão: Comece por tomar vizinhanças abertas W i X n dos pontos x i que sejam transformadas difeomorficamente por f em vizinhanças U i de y em Y n. Mostre que f(x k i=1 W i) é um compacto que não contém y.

6 Ex 1-33 Seja f : X n Y n um difeomorfismo local duma variedade compacta X n noutra variedade Y n. Mostre que a função y #f 1 (y) é localmente constante. Sugestão: Use o exercício anterior. Ex 1-34 Seja f : X Y um mapa entre variedades X e Y. Mostre que: 1. O conjunto dos pontos críticos de f é fechado em X. Sugestão: Comece por estudar o caso em que f : U R n R k é uma aplicação definida num aberto U dum espaço euclideano. Exprima o facto de p U ser um ponto crítico de f através de condições nos menores 1 da matriz Jacobiana f (p). Note que estas condições diferem consoante n < k ou n k. x No caso geral, para mostrar que o conjunto C dos pontos críticos de f é fechado, tome uma sequência (p n ) n de pontos em C convergindo para p X. O objectivo é mostrar que então p C. Tome cartas locais de X numa vizinhança de p, e de Y numa vizinhança de f(p). Aplique então o caso anterior ao representante local de f : (X, p) (Y, f(p)) nestas cartas. 2. Se X é compacta, o conjunto dos valores regulares de f é aberto e denso. Ex 1-35 Seja G R um subgrupo fechado de (R, +). Mostre que G = R ou então G = a Z para algum a G. Sugestão: Defina a = inf G ]0, + [. Mostre primeiro que a G, e depois que G = a Z se a > 0, e que G é denso em R se a = 0. Neste caso, a = 0, suponha, com vista a um absurdo, que G ]m, n[=. Considere o intervalo ]c, d[ limitado entre o supremo c dos elementos de G menores ou iguais a m e o ínfimo d dos elementos de G maiores ou iguais a n, de modo que G ]c, d[=. Veja que c G e d G. Obtenha uma contradição encontrando elementos de G em ]c, d[. Ex 1-36 Mostre que se m R é um número irracional, então o conjunto G m = {k + m p : k, p Z } é um subgrupo denso em R. Ex 1-37 Considere o mapa g : R 2 S 1 S 1, g(x, y) = ( cos(2 π x), sin(2 π x), cos(2 π y), sin(2 π y) ) 1 Um menor é o determinante duma submatriz quadrada.

7 Mostre que se trata dum difeomorfismo local. Ex 1-38 Usando o difeomorfismo local g do exercício anterior, mostre que se m R é um número irracional, o mapa f m : R S 1 S 1, f m (x) = g(x, m x), é uma imersão injectiva com imagem densa. Sugestão: Mostre que para t = (1, 0) S 1, f m (R) {t} S 1 é denso em {t} S 1 vendo que a pré-imagem deste conjunto por g contem {0} G m, um subgrupo aditivo denso em {0} R. Ex 1-39 Mostre que a curva g : t (t, t 2, t 3 ) é um mergulho de R em R 3. Represente a imagem g(r) como o conjunto de nível f 1 (b) correspondente a um valor regular b duma função f : R 3 R 2. 2 Transversalidade Ex 2-1 Sejam P a parábola de equação y = 1 x 2, e f a : R R 2 a função f a (x) = (x, a + (a + x) 2 ), onde a R. Para que valores do parâmetro a se tem f a P? Ex 2-2 Para que valores de a > 0 o hiperbolóide definido por x 2 + y 2 z 2 = 1 intersecta a esfera x 2 +y 2 +z 2 = a 2 transversalmente? Qual é o aspecto da intersecção para diferentes valores de a? Ex 2-3 Quais dos seguintes espaços lineares se intersectam transversalmente? 1. O plano xy e o eixo dos zz em R O plano xy e o plano gerado pelos vectores (3, 2, 0) e (0, 4, 1) em R O plano gerado pelos vectores (1, 0, 0) e (2, 1, 0) e o eixo dos yy em R R k {0} e {0} R p em R n. (A resposta depende de k, p e n).

8 5. R k {0} e R p {0} em R n. (A resposta depende de k, p e n). 6. E {0} e a diagonal de E E, onde E é um espaço linear. 7. Os subespaços das matrizes simétricas (A T = A), e das matrizes anti-simétricas (A T = A), no espaço de todas as matrizes n n. Ex 2-4 Sejam X e Y subvariedades não transversais de Z. A intersecção X Y pode ser uma subvariedade? A fórmula codim(x Y ) = codim(x) + codim(y ) pode ainda ser válida? Ex 2-5 Sejam W, X, Y e S Y variedades, e f : W X Y um mapa suave tal que f S. Seja para cada w W, f w : X Y a função f w (x) = f(w, x). Mostre que: (a) Sendo X compacta, a projecção π : W X W, π(w, x) = w, é uma aplicação fechada, i.e., transforma conjuntos fechados em W X em conjuntos fechados de X. (b) Sendo S Y fechada, f 1 (S) é uma subvariedade fechada em W X. (c) O conjunto C dos pontos críticos de π : f 1 (S) W é fechado em W X. (d) O conjunto π(c) dos valores críticos de π : f 1 (S) W é fechado em W. (e) Se X é compacta e S é fechada em Y então o conjunto Ω = { w W : f w S } é aberto e denso em W. Sugestão: Use o exercício 1-34 na alínea (c), e a proposição que antecede o Teorema da Transversalidade Genérica na alínea (e). Ex 2-6 Sejam S R n uma subvariedade, e f : X R n uma mapa suave. Prove que para quase todo o vector v R n, a função f v : X R n, f v (x) = f(x) + v é transversal a S. Ex 2-7 Sejam X m, Y k Z n R N variedades compactas. Mostre que para qualquer função f : X m Z n, existe uma submersão f : W N X m Z n tal que

9 f = f 0, onde W N é um disco centrado na origem em R N, e o conjunto {w W N : f w Y k } é aberto e denso em W N. Sugestão: No exercício 4-17 veremos que sendo Z n R N uma variedade compacta, para ɛ > 0 suficientemente pequeno existe uma projecção π : V ɛ (Z n ) Z n, que é uma submersão, definida sobre uma vizinhança V ɛ (Z n ) de Z n. A vizinhança V ɛ (Z n ) que se caracteriza por ser conter as somas p + v com p X e v R N tal que v < ɛ, diz-se uma vizinhança tubular de Z n. Defina então W N = {w R N : w < ɛ}, e f : W N X m Z n, f(w, x) = π(f(x) + w). Ex 2-8 Sejam X e Y subvariedades transversais de Z. Prove que para todo p X Y, T p X Y = T p X T p Y. Ex 2-9 Seja f : X Z um mapa suave transversal à subvariedade Y Z. Mostre que para cada p f 1 (Y ), T p f 1 (Y ) é a pré-imagem pela derivada Df p : T p X T f(p) Z do espaço tangente T f(p) Y. Ex 2-10 Sejam f : X Z um mapa suave definido sobre variedade compacta X, e Y Z uma subvariedade compacta. Supondo que dim(x) + dim(y ) = dim(z) e f Y, mostre que f 1 (Y ) é um conjunto finito. Ex 2-11 Seja E um espaço linear de dimensão finita, e E E a diagonal = { (x, x) : x E }. Considere o gráfico G = { (x, A(x)) : x E } duma aplicação linear A : E E. Mostre que A G sse 1 não é valor próprio de A. Ex 2-12 Um ponto fixo f(x) = x dum mapa f : X X diz-se de Lefschetz sse 1 não for valor próprio da derivada Df x : T x X T x X. Mostre que o gráfico de f, G f = { (x, f(x)) : x X } é transversal à diagonal = { (x, x) : x X } sse todos os pontos fixos de f são de Lefschetz. Ex 2-13 Mostre que um mapa suave f : X X numa variedade compacta X tal que todos os seus pontos fixos de f são de Lefschetz, tem apenas um número finito de pontos fixos.

10 3 Campos de Vectores e Campos Escalares Ex 3-1 Mostre que se X é uma variedade de dimensão n, então T X é uma variedade de dimensão 2n. Sugestão: Se φ : U R n X é uma parametrização de X então T φ : U R n T X, T φ(x, u) = (φ(x), Dφ x (u)), é uma parametrização de T X. Ex 3-2 Mostre que se T (x,0) T X = T x X T x X. Sugestão: Dada uma parametrização φ : U R n X de X, considere a parametrização T φ : U R n T X, T φ(x, u) = (φ(x), Dφ x (u)) de T X. Ex 3-3 Mostre que a variedade tangente T S 1 à circunferência S 1 = {(x, y) R 2 : x 2 + y 2 = 1} é difeomórfica ao cilindro S 1 R. Ex 3-4 Mostre que se X é uma variedade, a projecção π : T X X, π(x, v) = x, é uma submersão. Ex 3-5 Seja X k R n uma variedade. Dado um campo tangente ξ X (X k ), mostre que a derivada Dξ p : T p X k R n satisfaz Dξ p (T p X k ) T p X k em toda a singularidade p X k tal que ξ(p) = 0. Sugestão: Para cada campo normal ν X (Xk ), derive a relação ν(x) ξ(x) = 0 na singularidade p. Ex 3-6 Mostre que se X R n é uma variedade compacta, dados ξ X (X) e f C (X, R), então os conjuntos são abertos e densos em R n. Sugestão : Use o exercício 2-5. Ω ξ = { v R n : ξ v é um campo de Morse } e Ω f = { v R n : f v é uma função de Morse } Ex 3-7 Mostre que um campo de Morse ξ X (X), e uma função de Morse f C (X, R), numa variedade compacta X, têm apenas um número finito de singularidades, respectivamente de pontos críticos.

11 Ex 3-8 Seja X R n uma variedade, e f C (X, R). Mostre que existe uma variedade X R n+1, um difeomorfismo f : X X, e uma função linear L : X R tais que f = L f. Sugestão: Considere X como sendo o gráfico de f. 4 Formas Quadráticas e Funções de Morse Ex 4-1 Seja M n o espaço das matrizes simétricas n n, M S n o subespaço das matrizes simétricas (A T = A), e M A n o subespaço das matrizes anti-simétricas (A T = A). Mostre que M n = M S n M A n. Sugestão: A = A+AT + A AT 2 2 Ex 4-2 Seja Q n o espaço das formas quadráticas em R n, Mostre que Q : M n Q n, A Q A, onde Q A (x) = x T A x, é uma aplicação linear sobrejectiva cujo núcleo é o subespaço M A n, e que a restrição de Q M S n : M S n Q n é um isomorfismo. Ex 4-3 Analise o comportamento crítico das seguintes funções de R 2 em R na origem. É um ponto crítico não degenerado? É isolado? É um máximo ou um mínimo local? Qual o seu índice e a nulidade? 1. f(x, y) = x y 3 2. f(x, y) = x 2 2 x y + y 2 3. f(x, y) = x 2 + y 4 4. f(x, y) = x x y + y 2 /2 + x 6 5. f(x, y) = 10 x y + y y 3 Ex 4-4 Prove o Lema de Morse para funções f : R R. Sugestão: Use o seguinte lema elementar de Cálculo. Dada uma função f : R R de classe C, e um ponto a R, definindo g : R R, g(x) = t f (a + t s (x a)) ds dt,

12 g é uma função de classe C tal que para todo x R, f(x) = f(a) + f (a) (x a) + (x a) 2 g(x). Ex 4-5 Seja Q A : R n R n uma forma quadrática associada à matriz simétrica A. Mostre que: 1. Nuc(A) é o conjunto dos pontos críticos de Q A. 2. A é a matriz Hessiana de Q A em todos os pontos x R n. 3. Q A é uma função de Morse sse a nulidade de Q A é zero. Ex 4-6 Seja X R n uma variedade. Mostre que para quase toda a forma linear α (R n ), a restrição α X : X R é uma função de Morse. Ex 4-7 Método dos Multiplicadores de Lagrange. Sejam f : U R n k e g : U R duas funções suaves definidas sobre um aberto U R n, c R n k um valor regular de f, e X = f 1 (c). Mostre que p U é um ponto crítico de g X : X R sse existem escalares λ 1,..., λ n k R tais que g(p) = λ 1 f 1 (p) λ n k f n k (p). Por outras palavras, os pontos críticos de g X : X R são as soluções do seguinte sistema de n + (n k) equações nas n + (n k) variáveis (x 1,..., x n, λ 1,..., λ n k ): { f i (x) = f i (x 1,..., x n ) = c i para i = 1,, n k f λ 1 f 1 x j (x) λ n k n k x j (x) = g x j (x) para j = 1,, n Sugestão: Observe que é equivalente dizer que p é um ponto crítico de g X : X R, dizer que Dg p 0 sobre T p X, e dizer que g(p) T p X. Ex 4-8 Considere o elipsóide E = {(x, y, z) R 3 : x 2 + y 2 + z 2 = 1 }. Ache os pontos críticos da função f : E R, f(x, y, z) = 2 x x y + 4 z 2. Determine os respectivos índices.

13 Chama-se espaço euclideano a um espaço linear E munido dum produto interno. Seja E um espaço euclideano. Um operador L : E E diz-se simétrico, ou autoadjunto, sse u L(v) = L(u) v, quaisquer que sejam u, v E. Ex 4-9 Mostre que um operador L : E E é simétrico sse a sua matriz relativa a uma base ortonormada for simétrica. Dado um operador simétrico L : E E num espaço euclideano E, a função Q L : E R, Q L (x) = x L(x) diz-se uma forma quadrática. Ex 4-10 Considere a esfera S = { x E : x 2 = x x = 1 }. Dado um operador simétrico L : E E, mostre que os vectores próprios de L com norma um são os pontos críticos de Q L S : S R, e que os valores próprios de L são os valores críticos de Q L S : S R. Deduza que L : E E tem pelo menos um valor próprio. Ex 4-11 Seja L : E E um operador simétrico, e u E um vector próprio de L. Mostre que F = {u} é um subespaço L-invariante, i.e., L(F ) F, e que a restrição L F : F F é um novo operador simétrico tal que Q L (x) = Q L F (x) para todo x F. Ex 4-12 Usando os dois exercícios anteriores prove, por indução na dimensão do espaço E, o Teorema fundamental das formas quadráticas. Ex 4-13 Sejam X e Y variedades, X com bordo e Y sem bordo. Mostre que se c Y é um valor regular das funções f : X Y e f X : X Y, então f 1 (c) é uma variedade com bordo tal que f 1 (c) = f 1 (c) X. Ex 4-14 Sejam X e S Y variedades, X com bordo, S e Y sem bordo. Mostre que se f S e f X S então f 1 (S) é uma variedade com bordo tal que f 1 (S) = f 1 (S) X. Dada uma variedade X R n, define-se a variedade normal T X = { (x, v) R n R n : x X, v T x X },

14 sobre a qual se define o mapa E : T X R n, E(x, v) = x + v. Ex 4-15 Mostre que se X R n é uma variedade então T X é uma variedade de dimensão n. Sugestão: Suponha que X tem dimensão k. Considere um difeomorfismo φ : U V dum aberto U de R k R n k contendo (0, 0), para um aberto V de R n contendo p, tal que φ(u R k {0}) = V X e φ(0, 0) = p. Seja U = {x R k : (x, 0) U }. Mostre que o mapa T Φ : U R n k T (V X), definido por é um difeomorfismo. T φ(x, v) = ( φ(x, 0), π φ(x,0)(dφ (x,0) (0, v)) ), Ex 4-16 Mostre que T (p,0) (T X) = T p X T p X e que DE (p,0) : T (p,0) (T X ) R n é o isomorfismo linear DE (p,0) (u, v) = u + v, para todo o ponto p X. Ex 4-17 Existência duma Vizinhança Tubular. Seja X R n uma variedade compacta. Para cada ɛ > 0 defina T ɛ X = { (x, v) T X : v ɛ } e V ɛ (X) = { x + v R n : (x, v) T ɛ X }. Mostre que para ɛ > 0 suficientemente pequeno, (a) T ɛ X é uma variedade com bordo; (b) E : T ɛ X V ɛ (X) é um difeomorfismo; (c) V ɛ (X) é vizinhança aberta de X em R n, formada pelas somas p + v tais que p X e v R n com v ɛ; Sugestão : Dados p X e v R n com v ɛ, para ver que p + v V ɛ (X), minimize a função g(x) = p + v x 2 sobre a variedade compacta X. Veja que, se q é um ponto de mínimo absoluto de g(x) e u = p + v q então (q, u) T ɛ X e p + v = E(q, u) = q + u. (d) Existe uma submersão π : V ɛ (X) X tal que π(x + v) = x para todo (x, v) T ɛ X. Sugestão : π = p E 1 onde p : T X X é a projecção p(x, v) = x. Ex 4-18 Sejam X R n uma variedade e p R n. Mostre que os pontos críticos da função ρ p : X R, ρ p (x) = x p 2, são os pontos x X tais que x p T p X. Ex 4-19 Seja W R N um aberto contendo a origem, e f : W X R uma função suave. Para cada w W, vamos designar por f w : X R a função f w (x) = f(w, x).

15 Mostre que se p X é um ponto crítico não degenerado de f 0 então existe ɛ > 0, e uma função suave p : W ɛ X definida sobre o conjunto W ɛ = { w R N : w < ɛ }, tal que para cada w W ɛ, p(w) é o único ponto crítico de f w próximo de p. A função w p(w) é chamada a continuação analítica do ponto crítico p. Sugestão: Considere um representante do mapa f numa carta local de X e aplique o Teorema da Função Implícita. Ex 4-20 Com a notação do exercício anterior, mostre a seguinte fórmula de derivação para a função ν f, p : W ɛ R, ν f, p (w) = f( p(w)), chamada a continuação analítica do valor crítico f(p). D(ν f, p ) w (v) = f (w, p) v, onde p = p(w). w Ex 4-21 Com a notação do exercício 4-19, mostre que se a variedade X é compacta e f 0 é uma função de Morse com N pontos críticos, então para ɛ > 0 suficientemente pequeno existem funções suaves p i : W ɛ X, i = 1,..., N, tais que para cada w W ɛ, f w é uma função de Morse com pontos críticos { p 1 (w),..., p N (w)}. Seja P 2 o espaço das funções polinomiais Q : R n R com grau 2. Estas funções podem ser escritas na forma seguinte Q(x) = c + v x + x T B x, onde c R, v R n e B M S n. O espaço P 2 tem dimensão finita N = n n(n + 1)/2, e admite uma base canónica formada pelos monómios homogéneos 1, x i, x i x j, com i, j = 1,..., n. Usando esta base, P 2 é naturalmente isomorfo a R N. Consideramos em P 2 a norma que torna este isomorfismo uma isometria. Ex 4-22 Seja p um ponto crítico não degenerado duma função f : X R. Para cada Q P 2, vamos designar por f Q a função f Q (x) = f(x) + Q(x). Seja p(q) o ponto crítico de f Q obtido por continuação analítica, definida numa ɛ-vizinhança P ɛ da origem em P 2, do ponto crítico p. Considere a função ν f, p : P ɛ R, ν f, p (Q) = f Q ( p(q)) com a continuação analítica do correspondente valor crítico. Prove a seguinte fórmula de derivação: D(ν f, p ) Q (H) = H( p(q)), qualquer que seja H P 2.

16 Ex 4-23 Sejam p e q dois pontos críticos não degenerados, distintos, duma função f : X R, e designemos por p(q) e q(q) as continuações analíticas dos pontos críticos p e q. Estas funções estão definidas numa ɛ-vizinhança P ɛ da origem em P 2. Mostre que o conjunto Σ(f, p, q) = { Q P ɛ : ν f, p (Q) ν f, q (Q) = 0 } é uma variedade de codimensão 1 em P 2. Sugestão: Fixada Q P ɛ, suponha, para simplificar a notação, que p(q) = p e q(q) = q. Use o exercício anterior para mostrar que a função G : P ɛ R, G(Q) = ν f, p (Q) ν f, q (Q), tem derivada sobrejectiva DG Q : P 2 R. Ex 4-24 Sejam X R n uma variedade compacta e f : X R uma função suave. Seja Γ o conjunto dos polinómios Q P 2 tais que f Q = f + Q é uma função de Morse com os valores críticos todos distintos. Mostre que Γ é um conjunto aberto denso com medida total. Sugestão: Seja Ω o conjunto dos polinómios Q P 2 tais que f Q = f + Q é uma função de Morse. Comece por ver que Ω é um conjunto aberto denso com medida total. Seja agora, para cada Q Ω, B ɛ (Q) Ω uma bola centrada em Q em P 2 sobre a qual estão definidas as continuações analíticas dos pontos críticos de f + Q. Veja o exercício Usando o exercício anterior, mostre que Γ B ɛ (Q) é o complementar em B ɛ (Q) duma união finita de variedades de codimensão um. Deduza daí que Γ B ɛ (Q) é aberto e denso com medida total em B ɛ (Q). 5 Orientações Ex 5-1 Sejam E um espaço linear real de dimensão n 2. Mostre, por indução em k n 1, que dadas duas bases (v 1, v 2,..., v n ) e (w 2, w 2,..., w n ) em B(E), existe uma aplicação contínua L : [0, 1] GL(E) tal que L(0) = Id e L(1) v i = w i, para cada i = 1,..., k.

17 Ex 5-2 Sejam E um espaço linear real de dimensão n 2. Mostre que dadas duas bases (v 1, v 2,..., v n ) e (w 2, w 2,..., w n ) em B(E), existe uma aplicação contínua L : [0, 1] GL(E) tal que L(0) = Id, L(1) v i = w i, para cada i = 1,..., n 1, e L(1) v n = ± w n. Ex 5-3 Sejam E um espaço linear real de dimensão n 1. Mostre que o conjunto aberto B(E) tem exactamente duas componentes conexas. Ex 5-4 Suponha que E é soma directa de dois espaços lineares orientados E 1 e E 2. Prove que a orientação soma directa de E 1 E 2 é igual a ( 1) (dime 1)(dimE 2 ) vezes a orientação de E 2 E 1. Ex 5-5 Considere em H n e R n as orientações induzidas pela base canónica. Identificando H n com R n 1, mostre que a orientação induzida no bordo por H n coincide com a orientação canónica de R n 1 sse n é par. Simbolicamente, escrevemos H n = ( 1) n R n 1. Ex 5-6 Sejam X e Y variedades orientadas e f : X Y um difeomorfismo local. Mostre que se X é conexa a aplicação de X em { 1, 1}, x sgn(df x ) é constante. Designando por sgn(f) este valor constante, dizemos que f preserva, ou que inverte, as orientações consoante se tem sgn(f) = +1, ou sgn(f) = 1. Ex 5-7 Seja f : X Y um difeomorfismo entre variedades com bordo conexas e orientadas. Mostre que f ( X) = Y, que a restrição f X : X Y é um difeomorfismo e que em todas as componentes do bordo sgn(f) = sgn(f X ). Ex 5-8 Seja A : R n+1 R n+1 um isomorfismo linear. Defina F A : S n S n, F A (v) = A v A v. Mostre que F A é um difeomorfismo com sgn(f A ) = sgn(a). Ex 5-9 Sejam E um espaço vectorial e X uma variedade orientável. Mostre que: a) Ambas as orientações de E induzem a mesma orientação em E E. b) A orientação produto em X X é a mesma para as duas escolhas de orientações de X.

18 Ex 5-10 Mostre que existe uma orientação natural numa vizinhança da diagonal em X X, quer X seja, ou não, orientável. Sugestão: A vizinhança da diagonal pode ser coberta por parametrizações φ φ : U U X X, onde φ : U X é uma parametrização local de X. Ex 5-11 Sejam X n R N uma variedade, (v 1,..., v n ) uma base de T p X, e γ : [0, 1] X um caminho tal que γ(0) = p. Chama-se transporte da base dada ao longo de γ a qualquer função ξ : [0, 1] (R N ) n tal que ξ(0) = (v 1,..., v n ), e ξ(t) = (ξ 1 (t),, ξ n (t)) é uma base de T γ(t) X, t [0, 1]. Mostre que existe sempre uma maneira de transportar uma base de T p X ao longo de qualquer caminho que comece em p. Ex 5-12 Mostre que uma variedade X n R N é orientável sse dado um transporte ξ : [0, 1] (R N ) n duma base ξ(t) de T γ(t) X ao longo dum caminho fechado γ : [0, 1] X n, as bases ξ(0) e ξ(1) definem a mesma orientação em T p X, onde p = γ(0) = γ(1). Sugestão: A propriedade acima implica que podemos transportar orientações ao longo de caminhos, de modo que a orientação transportada de p a q seja independente do caminho escolhido. Escolhe-se um ponto em cada componente conexa de X n, e uma orientação no respectivo espaço tangente. Fazendo uso da propriedade acima determine-se, de modo coerente, uma orientação em todos os espaços tangentes da variedade. A partir destas orientações é possível construir um atlas orientado. 6 Homotopias Ex 6-1 Toda a variedade conexa e simplesmente conexa é orientável. Sugestão: Fixe um ponto p X e uma orientação em T p X. Qualquer outro ponto q X pode ser ligado a p por um caminho. Usando o exercício 5-12, mostre a orientação transportada de p para q é independente do caminho escolhido. Seja X 1 uma variedade de dimensão 1. Vamos chamar parametrização de X 1 pelo comprimento de arco a qualquer função suave f : I X 1, definida sobre um intervalo I R, tal que f (t) = 1 para todo t I.

19 Ex 6-2 Seja X 1 uma variedade de dimensão 1. Dadas duas parametrizações de X 1 pelo comprimento de arco, f : [0, a] X 1 e g : [0, b] X 1, com a < b, tais que f(0) = g(0) e f (0) = g (0), mostre que f(t) = g(t) para todo t [0, a]. Ex 6-3 Seja X 1 uma variedade de dimensão 1. Considere a relação x y em X 1, definida por x y sse existe uma parametrização pelo comprimento de arco f : [0, a] X 1 conectando x a y, i.e., tal que f(0) = x, f(a) = y. Prove que se trata duma relação de equivalência. Sugestão: Considere duas parametrizações de X 1 pelo comprimento de arco: (1) f : [0, a] X 1 tal que f(0) = p e f(a) = q; (2) g : [0, b] X 1 tal que g(0) = q e g(b) = r. Então f (a) = ±g (0). (a) Se f (a) = g (0) considere a justaposição f g : [0, a + b] X 1, { f(t) se 0 t a (f g)(t) := g(t a) se a < t a + b como uma parametrização pelo comprimento de arco ligando p a r. (b) Se f (a) = g (0), use o exercício anterior para comparar os caminhos f(a t) (0 t a) e g(t) (0 t b), e daí encontrar uma parametrização pelo comprimento de arco ligando p a r. Ex 6-4 Seja X 1 uma variedade conexa de dimensão 1. Mostre que quaisquer dois pontos de X 1 podem ser conectados por uma parametrização pelo comprimento de arco. Sugestão: Veja que a relação de equivalência do exercício anterior é aberta, no sentido que o gráfico { (x, y) X 1 X 1 : x y } é um conjunto aberto. Deduza que as classes de equivalência são conjuntos abertos. Ex 6-5 Mostre que toda a variedade conexa sem bordo X 1 com dimensão 1 é difeomorfa a R ou a S 1. Sugestão: Prove que existe f : I X 1 uma parametrização pelo comprimento de

20 arco, definida num intervalo I R, que é maximal e sobrejectiva. Conclua que se esta parametrização não é injectiva então I = R e f é periódica. Ex 6-6 Mostre que a fronteira duma variedade compacta com bordo de dimensão um consiste sempre num número par de pontos. Nos três exercícios seguintes, X e Y são variedades compactas sem bordo. Ex 6-7 Sejam f, g : X Y duas funções contínuas tais que para todo x X, f(x) g(x) < ɛ. Mostre que 1. Se ɛ > 0 é suficientemente pequeno então f e g são homotópicas. 2. Se f e g são suaves e ɛ > 0 é suficientemente pequeno então f e g são suavemente homotópicas. Ex 6-8 Mostre que relação ser suavemente homotópica a é uma relação de equivalência em C (X, Y ). Ex 6-9 Sejam f, g : X Y duas funções suaves. Mostre que f e g são homotópicas sse são suavemente homotópicas. 7 Teoria de Morse Ex 7-1 Termine a prova do teorema de Reeb construindo um homeomorfismo entre X e S n a partir de difeomorfismos entre D n e os semiespaços f 1 [a, b ɛ] e f 1 [b ɛ, b]. Ex 7-2 Sejam f : X Y uma função suave, e U Y um aberto conexo tal que f 1 (U) é um compacto sem pontos críticos. Mostre que, quaisquer que sejam y, y U, f 1 (y) e f 1 (y ) são variedades difeomorfas.

21 Sugestão: Observe que este é um resultado local. Basta mostrar que f 1 (y) f 1 (y ), sempre que y e y estão suficientemente próximos. Assim, podemos logo supor que Y = R k. Observe que dados y, y U, existe uma sequência de pontos intermédios y (i) R k (i = 0, 1,..., k), tal que y (0) = y, y (k) = y, e para cada i = 1,..., k, y (i) difere de y (i 1) apenas na i-ésima coordenada. Para provar que todas as pré-imagens destes pontos y (i) são difeomorfas entre si, ficamos reduzidos a considerar o caso em que os pontos y, y U diferem apenas na i-ésima coordenada. Escrevendo f = (f 1,..., f k ), veja que se pode aplicar o 1 o Teorema da Teoria de Morse à função f i sobre a variedade j i (f j ) 1 (y j ). Ex 7-3 Calcule a homologia da esfera S n através duma decomposição celular. Ex 7-4 Dê um exemplo duma função K-perfeita na esfera S n. n {}}{ Chama-se n-toro ao produto cartesiano T n = T... T, onde T = R/Z é uma variedade de dimensão um difeomorfa a S 1. Ex 7-5 Mostre que f : T n R, definida por f(x 1,..., x n ) = n i=1 sin(2 π x i), é K-perfeita. Sugestão: Os números de Betti do n-toro são β i (T n, K) = ( n i ), para i = 0, 1,..., n. Ex 7-6 Mostre que para qualquer função de Morse: (1) c 1 (f) c 0 (f) 1 e c 2 (f) c 3 (f) 1 se f : S 3 R; (2) c 1 (f) c 0 (f) + 2 e c 2 (f) c 3 (f) + 2 se f : T 3 R. Sugestão: Use as desigualdades de Morse fortes. Ex 7-7 Seja S g uma superfície orientada de género g. Mostre que: (a) Toda a função de Morse f : S g R tem pelo menos 2 g + 2 pontos críticos. (b) Alguma função de Morse f : S g R tem exactamente 2 g + 2 pontos críticos. (c) Uma função f : S g R com 2 g + 2 pontos críticos, tem de ser K-perfeita?

22 Ex 7-8 Seja X n uma variedade compacta sem bordo de dimensão n. Mostre que: (a) Se n é ímpar χ(x n ) = 0. (b) Se K é um corpo e existe uma função de Morse K perfeita f : X n R então para cada i = 0, 1,..., n, β i (X n, K) = β n i (X n, K). Sugestão: Compare os pontos críticos de f e f. Ex 7-9 Sejam X e Y variedades compactas sem bordo. Mostre que χ(x Y ) = χ(x) χ(y ). Sugestão: Tome funções de Morse f em X, e g em Y. Veja que h(x, y) = f(x)+g(y) é uma função de Morse em X Y, tal que o conjunto dos pontos críticos de h é o produto cartesiano do conjunto dos pontos críticos de f pelo de g, e relacione os respectivos índices. Ex 7-10 Considere a extensão PR n 1 PR n obtida por junção duma n-célula φ n 0 : D n PR n. Mostre que a restrição de φ n 0 ao bordo D n, φ n 0, identifica-se com um n 1-ciclo homólogo a φ n ( 1) n φ n 1 0. Usando este facto, prove a proposição sobre a decomposição celular do espaço projectivo. Sugestão: Visto como um n 1-ciclo, o mapa φ n 0 : S n 1 PR n é homólogo à soma da sua restrição ao hemisfério norte, que se identifica com φ n 1 0, com a sua restrição ao hemisfério sul, que se identifica com ( 1) n φ n 1 0. Note que a aplicação antípoda A : S n 1 S n 1 tem sinal sgn(a) = ( 1) n. Ex 7-11 Mostre que P t (PR n, K) = 1 + t t n, para qualquer corpo K de característica 2, e que, para os restantes corpos, { 1 se n é par P t (PR n, K) = 1 + t n se n é ímpar Sugestão: Use a proposição sobre a decomposição celular do espaço projectivo para calcular os polinómios de Poincaré de cada um dos seus subespaços. Ex 7-12 Seja f : S n R uma função de Morse invariante pela aplicação antípoda A : S n S n, x x. Mostre que f tem pelo menos dois pontos críticos de cada índice i = 0, 1,, n.

23 Ex 7-13 Considere a seguinte decomposição celular da esfera S n, D 0 S 0 D 1 S 1... D n S n, onde cada inclusão D i S i identifica o disco D i com o hemisfério norte da esfera S i, e cada inclusão S i D i+1 identifica a esfera S i com o bordo do disco D i+1. Calcule os polinómios de Poincaré de cada um dos subespaços desta decomposição, identificando se as células correspondentes são, ou não, de linking type. Os dois exercícios seguintes referem-se à matriz A =......, 0 0 n e às funções quadráticas f A : S n 1 R e fa : PR n 1 R por ela determinadas. Ex 7-14 Mostre como identificar a decomposição celular da esfera S n 1 associada à ordenação ( e 1, e 1, e 2, e 2,..., e n, e n ) dos pontos críticos de f A : S n 1 R, com a decomposição celular do exercício anterior. Ex 7-15 Veja como identificar a decomposição celular do espaço projectivo PR n 1 associada à ordenação ([e 1 ], [e 2 ],..., [e n ]) dos pontos críticos de f A : PR n 1 R, com a decomposição celular PR 0 PR 1... PR n 1. Ex 7-16 Existe alguma função de Morse f : S 3 R com M t (f) = 2+t+t 3? E com M t (f) = 2 + t 2 + t 3? Justifique a não existência, ou faça um esboço das superfícies de nível duma tal função. Sugestão: Identifique S 3 com R 3 { }, via projecção estereográfica, e suponha que p = é o único máximo da função.

24 8 Teoria do Grau de Brouwer Ex 8-1 Seja f : X Y um difeomorfismo entre duas variedades compactas conexas e orientadas. Mostre que deg (f) = sgn (f). Conclua que f não é homotópica a uma aplicação constante. Se f for apenas um difeomorfismo local, continuará válida esta igualdade? Ex 8-2 Sejam f : X n Y n e g : Y n Z n aplicações suaves. Mostre que a) deg (g f) = deg (g) deg (f) se X n, Y n e Z n estão orientadas. b) deg 2 (g f) = deg 2 (g) deg 2 (f) em qualquer caso. Ex 8-3 Sejam f, g : X n S n aplicações contínuas. Mostre que se para todo x X n, f(x) g(x) < 2 então f e g são homotópicas, respectivamente suavemente homotópicas se f e g forem suaves. Sugestão: Veja a figura em baixo. Ex 8-4 Seja f : X m S n contínua. Mostre que se m < n então f é homotópica a uma função constante. Ex 8-5 Prove o Teorema do ponto fixo de Brouwer. Seja f : D n D n um mapa contínuo. Então f tem pelo menos um ponto fixo. Sugestão: Se f não tem pontos fixos veja que a aplicação g : D n D n = S n 1, definida na figura seguinte, é uma retracção.

25 Ex 8-6 Seja f : S n S n uma aplicação contínua com deg (f) ( 1) n+1. Mostre que então f tem pelo menos um ponto fixo. Sugestão: Se f não tem pontos fixos então, pelo exercício 3, é homotópico ao mapa A : x x. Ex 8-7 Seja f : S n S n contínua com deg 2 (f) = 1. Mostre que então f leva algum par de pontos antípodas noutro par de pontos antípodas, i.e. existe p S n tal que f( p) = f(p). Sugestão: Se f( x) f(x) para todo x S n então, pelo exercício 3, f(x) é homotópica à função par g(x) = f(x)+f( x). f(x)+f( x) Ex 8-8 Seja X n uma variedade compacta, orientada, sem bordo, de dimensão n 2. Mostre que se existe f : S n X n com deg(f) = 1 então X é simplesmente conexa. 9 Indice de Campos Vectoriais Ex 9-9 As aplicações z z m e z z m definem campos vectoriais em C = R 2 com um zero isolado na origem. Mostre que os índices destes campos na origem são respectivamente m e m. Ex 9-10 Mostre que a esfera S 2k 1 admite um campo tangente sem singularidades. Sugestão : Para k = 1, use o campo ξ(x, y) = ( y, x).

26 Ex 9-11 Mostre que o n-toro T n = (S 1 ) n admite um campo tangente sem singularidades. Ex 9-12 Mostre que a esfera S 2k não admite campos tangentes sem singularidades.