Viagens pelos Mundos Planos

Transcrição

1 Viagens pelos Mundos Planos Marcelo Viana No2os 7alentos em Ma7e3át1ca 2004 Viagens pelos Mundos Planos p.1/56

2 Algumas superfícies (não planas) Esfera ( ) Toro ( ) lacements Bitoro ( ) g replacements Viagens pelos Mundos Planos p.2/56

3 Uma "esfera" plana: o cubo Superfície plana: Os ângulos internos de qualquer triângulo na superfície somam 180 graus. Qualquer triângulo?... Viagens pelos Mundos Planos p.3/56

4 E nas arestas? Toda a aresta pode ser "desdobrada" sem deformar a superfície: As geodésicas ("caminhos mais curtos") correspondem a segmentos de reta na versão desdobrada. A soma dos ângulos internos de um triângulo é 180 graus. Viagens pelos Mundos Planos p.4/56

5 E nos vértices? Definimos adjacentes a = soma dos ângulos das faces. No caso do cubo. PSfrag replacements Sempre que, o vértice não pode ser desdobrado" sem deformar ou rasgar a superfície. Viagens pelos Mundos Planos p.5/56

6 Triângulos num vértice PSfrag replacements topo lado frente Viagens pelos Mundos Planos p.6/56

7 Triângulos num vértice PSfrag replacements topo lado frente Viagens pelos Mundos Planos p.7/56

8 Triângulos num vértice PSfrag replacements topo lado frente Viagens pelos Mundos Planos p.8/56

9 Soma dos ângulos internos PSfrag replacements topo lado Para calcular a soma dos ângulos: frente Procedendo do mesmo modo para os outros quadriláteros e somando:.. Portanto a soma dos ângulos internos é. Viagens pelos Mundos Planos p.9/56

10 Teorema de Gauss-Bonnet Numa superfície diferenciável, a integral da curvatura gaussiana é igual a, onde é a característica de Euler da superfície. Versão para superfícies planas: A soma é igual a são os vértices da superfície., onde Superfície plana: A soma dos ângulos internos de qualquer triângulo é 180 graus, exceto num número finito de pontos, os vértices, onde se concentra toda a curvatura da superfície. Viagens pelos Mundos Planos p.10/56

11 Passeios geodésicos Consideremos linhas "retas" (geodésicas) com uma direção fixada, a partir pontos da superfície. Viagens pelos Mundos Planos p.11/56

12 Passeios geodésicos Consideremos linhas "retas" (geodésicas) com uma direção fixada, a partir pontos da superfície. Viagens pelos Mundos Planos p.12/56

13 Passeios geodésicos Queremos entender o comportamento das geodésicas, o modo como se enroscam" na superfície. Por exemplo: Quando é que as geodésicas são fechadas? Quando é que são densas na superfície? Viagens pelos Mundos Planos p.13/56

14 Motivação O fluxo geodésico em superfícies planas se relaciona com: Transformações de intercâmbio de intervalo Dinâmica de folheações mensuráveis Expoentes de Lyapunov de cociclos lineares Espaços e fluxos de Teichmüller Espaços de módulos de estruturas complexas Diferenciais quadráticas Expansões em frações contínuas Bilhares em mesas poligonais Operadores de renormalização... Viagens pelos Mundos Planos p.14/56

15 Passeios geodésicos À primeira vista, o comportamento não depende muito do ponto de partida: as geodésicas permanecem paralelas. Viagens pelos Mundos Planos p.15/56

16 Passeios geodésicos À primeira vista, o comportamento não depende muito do ponto de partida: as geodésicas permanecem paralelas. Mas a presença de vértices pode tornar a situação muito mais complicada! Viagens pelos Mundos Planos p.16/56

17 O toro plano Um único vértice, com ents O toro plano não mergulha em.. Viagens pelos Mundos Planos p.17/56

18 Passeios geodésicos no toro V H Geodésicas numa dada direção permanecem paralelas. Viagens pelos Mundos Planos p.18/56

19 Passeios geodésicos no toro PSfrag replacements O seu comportamento pode ser descrito usando o vetor onde, comprimento números de voltas" de um segmento de em torno do toro, na horizontal e na vertical. Viagens pelos Mundos Planos p.19/56

20 Passeios geodésicos no toro PSfrag replacements Teorema. 1. Se é racional então toda a geodésica é fechada. 2. Se é irracional então toda a geodésica é densa e, mesmo, uniformemente distribuída (o fluxo é unicamente ergódico). Viagens pelos Mundos Planos p.20/56

21 Uma construção mais geral Consideremos qualquer polígono no plano, com número par de lados e tal que lados opostos são paralelos e têm o mesmo comprimento. Identificando lados opostos obtemos uma superfície plana. Viagens pelos Mundos Planos p.21/56

22 Um exemplo Consideremos o octógono regular: Sfrag replacements Viagens pelos Mundos Planos p.22/56

23 Um exemplo Consideremos o octógono regular: Sfrag replacements Viagens pelos Mundos Planos p.23/56

24 Um exemplo Consideremos o octógono regular: Sfrag replacements Viagens pelos Mundos Planos p.24/56

25 Um exemplo Consideremos o octógono regular: Sfrag replacements Viagens pelos Mundos Planos p.25/56

26 Um exemplo Consideremos o octógono regular: Sfrag replacements Viagens pelos Mundos Planos p.26/56

27 Um exemplo Consideremos o octógono regular: Sfrag replacements A superfície plana tem um só vértice Logo (por Gauss-Bonnet) tem gênero, com. : bitoro plano. Viagens pelos Mundos Planos p.27/56

28 Superfícies de translação As superfícies planas obtidas a partir de polígonos têm estrutura adicional: "rosa dos ventos" definida globalmente. S E O N? N N N N N a N Viagens pelos Mundos Planos p.28/56

29 Superfícies de translação As superfícies planas obtidas a partir de polígonos têm estrutura adicional: "rosa dos ventos" definida globalmente. S E O N? S S S entsesse não é o caso do cubo: S S S Viagens pelos Mundos Planos p.29/56

30 Fluxos de translação Tal como no caso do toro, consideremos geodésicas com uma dada direção, a partir de pontos da superfície. Viagens pelos Mundos Planos p.30/56

31 placements Fluxos de translação A cada segmento geodésico de comprimento associar um vetor de entradas inteiras podemos onde número de voltas" do segmento na direção do ésimo lado do polígono. Viagens pelos Mundos Planos p.31/56

32 Ciclos assintóticos S. Schwartzmann (1957): O ciclo assintótico de um par (superfície, direção) é o limite Este vetor descreve o número médio de voltas" das geodésicas em torno dos diferentes lados do polígono, por unidade de comprimento. Teorema (Kerckhoff, Masur, Smillie 1986). Para qualquer superfície de translação e quase toda a direção, o fluxo geodésico é unicamente ergódico. Em particular, o ciclo assintótico existe e toda a geodésica é densa. Viagens pelos Mundos Planos p.32/56

33 Desvios do limite Experimentos numéricos sugerem que as diferenças se distribuem ao longo de uma direção Sfrag replacements e a sua ordem de magnitude é para algum. Viagens pelos Mundos Planos p.33/56

34 Desvios do limite Refinando os experimentos, se verifica que as diferenças de segunda ordem se distribuem ao longo de uma direção ordem de magnitude é para algum. e a sua O mesmo se observa com as diferenças de ordem superior: Conjectura (Zorich-Kontsevich e números 1996). Existem tais que,,..., em onde é uma função limitada. Viagens pelos Mundos Planos p.34/56

35 Conjectura de Zorich Kontsevich Teorema (Zorich 1997). Para quase todo o par (superfície, direção) e números reais existem subespaços tais que para todo ag replacements Viagens pelos Mundos Planos p.35/56

36 Conjectura de Zorich Kontsevich Conjectura (Zorich, Kontsevich 1996). (isso implica para ). Viagens pelos Mundos Planos p.36/56

37 Conjectura de Zorich Kontsevich Conjectura (Zorich, Kontsevich 1996). (isso implica para ). Teorema (Veech 1984).. Teorema (Forni 2002).. Viagens pelos Mundos Planos p.37/56

38 Conjectura de Zorich Kontsevich Conjectura (Zorich, Kontsevich 1996). (isso implica para ). Teorema (Veech 1984).. Teorema (Forni 2002).. Teorema (Avila, Viana 2004). A conjectura de ZK é verdadeira. Viagens pelos Mundos Planos p.38/56

39 The End That s not all, folks! Viagens pelos Mundos Planos p.39/56

40 Bilhares Modelam movimento de partículas numa região do plano, com velocidade constante e choques elásticos no bordo: Vamos focalizar mesas poligonais, cujos bilhares se relacionam diretamente com fluxos geodésicos em superfícies planas. Viagens pelos Mundos Planos p.40/56

41 Mesas retangulares Bilhar em mesa retangular fluxo geodésico em toro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.41/56

42 Mesas retangulares Bilhar em mesa retangular fluxo geodésico em toro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.42/56

43 Mesas retangulares Bilhar em mesa retangular fluxo geodésico em toro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.43/56

44 Mesas retangulares Bilhar em mesa retangular fluxo geodésico em toro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.44/56

45 Mesas retangulares Bilhar em mesa retangular fluxo geodésico em toro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.45/56

46 Mesas retangulares Bilhar em mesa retangular fluxo geodésico em toro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.46/56

47 Mesas triangulares racionais Bilhar em mesa triangular com ângulo fluxo geodésico num bitoro plano: Viagens pelos Mundos Planos p.47/56

48 Mesas triangulares racionais Bilhar em mesa triangular com ângulo fluxo geodésico num bitoro plano. O mesmo tipo de construcao pode ser feito para mesas poligonais cujos ângulos são múltiplos racionais de. Viagens pelos Mundos Planos p.48/56

49 Esferas planas Colando 2 triângulos idênticos ao longo do bordo obtemos uma esfera plana com 3 vértices: Viagens pelos Mundos Planos p.49/56

50 Bilhares em mesas triangulares Bilhar numa mesa triangular fluxo geodésico numa esfera plana com três vértices. Viagens pelos Mundos Planos p.50/56

51 Mesas triangulares Bilhar numa mesa triangular fluxo geodésico numa esfera plana com três vértices. Viagens pelos Mundos Planos p.51/56

52 Um problema em aberto Bilhar numa mesa triangular fluxo geodésico numa esfera plana com três vértices. Não é sabido se numa esfera plana com três vértices sempre existe alguma geodésica fechada. Isto é: todo bilhar em mesa triangular tem trajetória fechada? Viagens pelos Mundos Planos p.52/56

53 Esferas diferenciáveis Para esferas diferenciáveis com curvatura positiva sempre existem pelo menos três geodésicas fechadas: Viagens pelos Mundos Planos p.53/56

54 Vértices com ângulos grandes Qual é o aspecto de um vértice com ângulo maior que Vamos ilustrar o caso :? Viagens pelos Mundos Planos p.54/56

55 Vértices com ângulos grandes Qual é o aspecto de um vértice com ângulo maior que Vamos ilustrar o caso :? Viagens pelos Mundos Planos p.55/56

56 Vértices com ângulos grandes Qual é o aspecto de um vértice com ângulo maior que Vamos ilustrar o caso :? Atenção: A linha verde não corresponde a uma interseção. Viagens pelos Mundos Planos p.56/56