Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself

Let $f, g : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ be a pair of continuous piecewise linear unimodal mappings and let $f$ be defined as follows: $f(x) = 2x$ for $x \leq 1/2$ and $f(x) = 2 - 2x$ for $x > 1/2$. Also let $h : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ be a piecewise differentiable homeomorphism such tha...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2016
Автори: Kirichenko, V. V., Plakhotnyk, M. V., Кириченко, В. В., Плахотник, М. В.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2016
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1835
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860507704349425664
author Kirichenko, V. V.
Plakhotnyk, M. V.
Кириченко, В. В.
Плахотник, М. В.
author_facet Kirichenko, V. V.
Plakhotnyk, M. V.
Кириченко, В. В.
Плахотник, М. В.
author_sort Kirichenko, V. V.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T09:29:16Z
description Let $f, g : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ be a pair of continuous piecewise linear unimodal mappings and let $f$ be defined as follows: $f(x) = 2x$ for $x \leq 1/2$ and $f(x) = 2 - 2x$ for $x > 1/2$. Also let $h : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ be a piecewise differentiable homeomorphism such that $fh = hg$. Then $h$ is piecewise linear and the mapping $f$ completely determines $g$ and $h$, together with the ascending or descending monotone parts of $g$.
first_indexed 2026-03-24T02:13:33Z
format Article
fulltext УДК 517.9 В. В. Кириченко, М. В. Плахотник (Київ. нац. ун-т iм. Т. Шевченка) ТОПОЛОГIЧНО СПРЯЖЕНI КУСКОВО-ЛIНIЙНI УНIМОДАЛЬНI ВIДОБРАЖЕННЯ IНТЕРВАЛУ В СЕБЕ Let f, g : [0, 1] \rightarrow [0, 1] be a pair of continuous piecewise linear unimodal mappings and let f be defined as follows: f(x) = 2x for x \leq 1/2 and f(x) = 2 - 2x for x > 1/2. Also let h : [0, 1] \rightarrow [0, 1] be a piecewise differentiable homeomorphism such that fh = hg. Then h is piecewise linear and the mapping f completely determines g and h, together with the ascending or descending monotone parts of g. Пусть f, g : [0, 1] \rightarrow [0, 1] — пара непрерывных кусочно-линейных унимодальных отображений, причем f опре- деляется следующим образом: f(x) = 2x при x \leq 1/2 и f(x) = 2 - 2x при x > 1/2. Пусть fh = hg для кусочно-непрерывного дифференцируемого гомеоморфизма h : [0, 1] \rightarrow [0, 1]. Тогда h кусочно-линейный, причем отображение f, а также возрастающая и убывающая монотонные части отображения g полностью определяют g и h. 1. Вступ. Характеризуючи динамiчну систему, Анрi Пуанкаре звернув увагу на вивчення топо- логiчних та геометричних властивостей орбiт її точок, назвавши цi властивостi важливiшими за емпiричнi деталi розв’язку динамiчної системи в конкретнiй системi координат (див. [3, 7]). Пiд властивостями, незалежними вiд системи координат, вiн мав на увазi структуру перiодичних орбiт, кiлькiсть i стiйкiсть перiодичних точок. Питання про те, чи можна вважати двi динамiчнi системи однаковими, зводиться до питання про їх топологiчну спряженiсть. Вiдображення f та g iнтервалу [0, 1] в себе називаються топологiчно спряженими, якщо iснує гомеоморфiзм h : [0, 1] \rightarrow [0, 1], для якого комутує дiаграма [0, 1] f - - - - \rightarrow [0, 1] h \downarrow \downarrow h [0, 1] g - - - - \rightarrow [0, 1] , тобто виконується рiвнiсть h(f(x)) = g(h(x)) (1) для будь-якого x \in [0, 1]. Далi лiтерою f будемо позначати вiдображення f(x) = \left\{ 2x, якщо 0 \leq x < 1/2, 2 - 2x, якщо 1/2 \leq x \leq 1. (2) Ми розглядаємо вiдображення f та кусково-лiнiйне унiмодальне вiдображення g, яке вiдобра- жає iнтервал [0, 1] в себе. Нагадаємо, що вiдображення g : [0, 1] \rightarrow [0, 1] iнтервалу [0, 1] називається унiмодальним (одновершинним), якщо воно зростає на деякому промiжку [0, v] i спадає на промiжку [v, 1], причому на кожному з вказаних двох промiжкiв вiдображення g є бiєкцiєю цього промiжку та [0, 1]. c\bigcirc В. В. КИРИЧЕНКО, М. В. ПЛАХОТНИК, 2016 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 217 218 В. В. КИРИЧЕНКО, М. В. ПЛАХОТНИК Топологiчна спряженiсть неперервних вiдображень iнтервалу в себе вивчалась також у [6], де описано класи топологiчно спряжених вiдображень, напiвгрупа iтерацiй яких є скiнченною групою. Про вiдображення f, задане формулою (2), вiдомо, що воно топологiчно спряжене з так званим логiстичним вiдображенням \widetilde f(x) = 4x(1 - x). Вiдповiдний гомеоморфiзм [5, с. 14] має вигляд \widetilde h(x) = \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}2 \Bigl( \pi x 2 \Bigr) . Вивчення логiстичних вiдображень, тобто вiдображень вигляду\widetilde f\lambda (x) = \lambda x(1 - x), є вiдомою задачею теорiї динамiчних систем (див., наприклад, [2, 5]) та походить з математичного моделювання взаємодiї двох популяцiй. У статтi [7] розглянуто топологiчну спряженiсть вiдображення f, заданого формулою (2), та вiдображення fv iнтервалу [0, 1] в себе, заданого формулами fv(x) = \left\{ x v , якщо x \leq v, 1 - x 1 - v , якщо x > v, зокрема доведено топологiчну спряженiсть вiдображень f i fv для кожного v \in (0, 1), а також вивчено питання про диференцiйовнiсть спрягаючого гомеоморфiзму hv. За теоремою Лебега (див. [1] або [4, с. 15]) похiдна спрягаючого гомеоморфiзму hv iснує в кожнiй точцi iнтервалу [0, 1], за винятком, можливо, множини мiри 0. Водночас у [7] доведено, що при кожному v \not = 1/2 похiдна гомеоморфiзму hv дорiвнює 0 в кожнiй точцi, де вона скiнченна. Стаття складається з чотирьох пунктiв. У п. 3 ми доведемо таку теорему. Теорема 1. Нехай вiдображення f, задане формулою (2), топологiчно спряжене з кусково- лiнiйним унiмодальним вiдображенням g, що вiдображає iнтервал [0, 1] у себе, та h — гомео- морфiзм, для якого справджується рiвнiсть (1). Якщо гомеоморфiзм h є неперервно диферен- цiйовним на промiжку (\alpha , \beta ) для деяких 0 \leq \alpha < \beta \leq 1, то вiн кусково-лiнiйний. Завдяки цiй теоремi задача опису кусково-лiнiйних унiмодальних вiдображень g iнтервалу [0, 1] в себе, якi спряженi з вiдображенням f вигляду (2), зводиться до опису тих вiдображень, що спряженi з f, i вiдповiдний гомеоморфiзм є кусково-лiнiйним. Наступна лема є прикладом обмежень, якi необхiдно накласти на вiдображення g для того, щоб спрягаючий гомеоморфiзм виявився кусково-лiнiйним. Лема 1. Нехай неперервне кусково-лiнiйне вiдображення \widetilde f вiдображає iнтервал [0, 1] в себе, причому \widetilde f(0) = 0, та зростаючий кусково-лiнiйний гомеоморфiзм h iнтервалу [0, 1] в себе задає топологiчну спряженiсть вiдображень \widetilde f та g. Тодi g(0) = 0 та g\prime (0) = f \prime (0). У п. 4 ми доведемо двi теореми, з яких випливає, що лема 1 в деякому сенсi вичерпує перелiк обмежень, якi потрiбно накласти на кусково-лiнiйне унiмодальне вiдображення g для того, щоб воно було топологiчно спряженим з вiдображенням f вигляду (2) з допомогою кусково-лiнiйного спрягаючого гомеоморфiзму. Теорема 2. Для довiльного v \in (0, 1) та довiльного зростаючого кусково-лiнiйного вi- дображення g : [0, v] \rightarrow [0, 1], яке задовольняє умови g(0) = 0, g(v) = 1, g\prime (0) = 2, iснує єдине продовження \widetilde g : [0, 1] \rightarrow [0, 1], яке топологiчно спряжене з вiдображенням (2) з допомогою кусково-лiнiйного гомеоморфiзму. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 ТОПОЛОГIЧНО СПРЯЖЕНI КУСКОВО-ЛIНIЙНI УНIМОДАЛЬНI ВIДОБРАЖЕННЯ IНТЕРВАЛУ В СЕБЕ 219 Теорема 3. Для довiльного v \in (0, 1) та довiльного спадного кусково-лiнiйного вiдображен- ня g : [v, 1] \mapsto \rightarrow [0, 1], яке задовольняє умови g(v) = 1, g(1) = 0, (g2)\prime (x0) = 4, де x0 — нерухома точка вiдображення g, iснує i до того ж єдине продовження \widetilde g цього вiдображення на весь промiжок [0, 1], при якому отримане вiдображення \widetilde g топологiчно спряжене з вiдображенням f з допомогою кусково-лiнiйного гомеоморфiзму. 2. Допомiжнi твердження. З того, що кусково-лiнiйне вiдображення f топологiчно спря- жене з вiдображенням g i для гомеоморфiзму h виконується рiвнiсть (1), випливає ряд вла- стивостей як вiдображення g, так i гомеоморфiзму h. Цi властивостi знадобляться нам для подальшого викладу. Лема 2. Гомеоморфiзм h, який визначає топологiчну спряженiсть вiдображень f вигля- ду (2) та кусково-лiнiйного унiмодального вiдображення g, монотонно зростає, причому для нього виконуються рiвностi h(0) = 0, h(1/2) = v, h(1) = 1. Доведення. Гомеоморфiзм h iнтервалу [0, 1] в себе є неперервним оборотним вiдображен- ням. Тому це — неперервне вiдображення, для якого виконується одна з двох пар умов: h(0) = 0, h(1) = 1 або h(0) = 1, h(1) = 0. Друга пара умов не може мати мiсця. Справдi, розглянемо рiвнiсть (1) для x = 0, тобто h(f(1/2)) = g(h(1/2)), з якої видно, що h(0) — нерухома точка вiдображення g, проте точка 1 не є нерухомою точкою вiдображення g. Тепер розглянемо рiвнiсть (1) для x = 1/2, тобто h(f(1/2)) = h(h(1/2)), з якої бачимо, що g(h(1/2)) = 1. Це означає, що h(1/2) = v. Лему 2 доведено. Зауваження 1. Рiвняння (1) можна записати у виглядi h(fl(x)) = gl(h(x)) при x \leq 1/2, h(fr(x)) = gl(h(x)) при x \geq 1/2, де fl, gl — зростаючi, fr, gr — спаднi гiлки монотонностi вiдображень f та g. У данiй роботi ми розглядаємо кусково-лiнiйне унiмодальне вiдображення g, яке тополо- гiчно спряжене з вiдображенням f вигляду (2). Водночас питання опису всiх унiмодальних, не обов’язково кусково-лiнiйних вiдображень g, якi топологiчно спряженi з f, залишається вiдкритим. Наведемо деякi властивостi кусково-лiнiйного унiмодального вiдображення g, котрi випли- вають з того, що g топологiчно спряжене з вiдображенням f вигляду (2). Лема 3. Вiдображення g має лише двi нерухомi точки, одна з яких — точка 0, а iнша належить промiжку (v, 1). Доведення. Iснування нерухомих точок, згаданих у лемi, є наслiдком побудови вiдображен- ня g (щодо нерухомої точки) та теореми про промiжне значення неперервної функцiї (щодо нерухомої точки на промiжку (v, 1)). Суть леми полягає в тому, що iнших нерухомих точок вiдображення g не має. Вiдсутнiсть iнших нерухомих точок на промiжку (v, 1) випливає з того, що кожна нерухома точка вiдображення g є точкою перетину графiка цього вiдображення з прямою y = x, втiм на ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 220 В. В. КИРИЧЕНКО, М. В. ПЛАХОТНИК промiжку (v, 1) вiдображення g спадає i, отже, не може мати бiльше нiж одну точку перетину з графiком зростаючої функцiї y = x. Припустимо тепер, що вiдображення g має нерухому точку x0 на промiжку (0, v). Викори- стовуючи рiвнiсть (1) для x = h - 1(x0), отримуємо, що h - 1(x0) — нерухома точка вiдображення fl на промiжку (0, 1/2), проте це вiдображення не має нерухомих точок на зазначеному про- мiжку. Лему 3 доведено. Наслiдок 1. Траєкторiя довiльної точки x \in (0, 1) при дiї вiдображення g - 1 l прямує до 0. 3. Доведення теореми 1. Спочатку сформулюємо допомiжнi твердження. Лема 4. Якщо гомеоморфiзм h кусково-неперервно диференцiйовний на деякому промiж- ку (\alpha , \beta ) \subset (0, 1) та визначає топологiчну спряженiсть вiдображення f з кусково-лiнiйним вiдображенням g, то iснують вiдкритi iнтервали A1, . . . , As, якi не перетинаються, причому s\bigcup i=1 Ai = [0, 1], i на кожному з цих iнтервалiв вiдображення h є неперервно диференцiйовним. Лема 5. Якщо гомеоморфiзм h кусково-неперервно диференцiйовний на деякому промiжку (\alpha , \beta ) \subset (0, 1) та A1, . . . , As — вiдкритi iнтервали, iснування яких гарантується лемою 4, то для кожного i, 1 \leq i \leq s, iснує ki \in \BbbR таке, що для кожного x \in Ai вiдображення h диференцiйовне в точцi f(x), причому має мiсце рiвнiсть h\prime (f(x)) = kih \prime (x). Лема 6. Нехай x\ast — перiодична точка вiдображення f з перiодом n, орбiта якої належить множинi s\bigcup i=1 Ai, причому h\prime (x\ast ) \not = 0, xi = f i(x\ast ), 1 \leq i < n, — траєкторiя точки x\ast . Нехай Ac0 , Ac1 , . . . , Acn - 1 — множини з леми 4, яким належать точки траєкторiї (тобто xi \in Aci). Тодi виконується рiвнiсть kc0 \cdot kc1 \cdot . . . \cdot kcn - 1 = 1, де числа kc0 , kc1 , . . . , kcn - 1 будуються за iнтервалами Ac0 , Ac1 , . . . , Acn - 1 так, як у лемi 5. Лема 7. Iснує iнтервал [a, b] \subset [0, 1], на якому похiдна h\prime вiдображення h є сталою. Доведення теореми 1. За лемою 7 iснує iнтервал [a, b] \subset [0, 1], на якому похiдна вiдображен- ня h є сталою. Позначимо h\prime (x) = p1 для кожного x \in [a, b]. Не обмежуючи загальностi можемо вважати, що [a, b] повнiстю мiститься в деякому iнтервалi Ai, 1 \leq i \leq s, де \{ Ai\} визначено в лемi 4. Згiдно з лемою 5, iснує ki \in \BbbR , залежне лише вiд i, таке, що для кожного x \in Ai справ- джується рiвнiсть h\prime (f(x)) = kif(x). Оскiльки вiдображення f має кутовi коефiцiєнти 2 або - 2 на кожному з iнтервалiв своєї лiнiйностi, то \{ f(x)| x \in [a, b]\} має мiру \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\{ 2(b - a), 1\} . Тепер множину f([a, b]) можна записати у виглядi об’єднання f([a, b]) = \biggl( s\bigcup i=1 [Ai \cap f([a, b])] \biggr) \cup C, де C — скiнченна множина точок. Теорему 1 доведено. Лема 8. Нехай гомеоморфiзм h кусково-неперервно диференцiйовний на деякому промiжку (\alpha , \beta ) \subset (0, 1) та визначає топологiчну спряженiсть вiдображення f вигляду (2) з кусково- лiнiйним унiмодальним вiдображенням g. Тодi iснують числа \alpha = \alpha 1 < \alpha 2 < . . . < \alpha t = \beta такi, що для кожного p \in 1, . . . , t - 1 iснує число kp таке, що h\prime (w) = kph \prime (x) для всiх x \in (\alpha p, \alpha p+1), де w = f(x). Доведення. Для кожного x \in (\alpha , \beta ) диференцiйовнiсть вiдображення h у точцi x означає, що для кожної послiдовностi \{ xn\} такої, що \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}n\rightarrow \infty xn = x, причому xn \not = x для всiх n, iснує границя \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}n\rightarrow \infty h(x) - h(xn) x - xn . Розглянемо рiвностi ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 ТОПОЛОГIЧНО СПРЯЖЕНI КУСКОВО-ЛIНIЙНI УНIМОДАЛЬНI ВIДОБРАЖЕННЯ IНТЕРВАЛУ В СЕБЕ 221 h(f(x)) = g(h(x)), h(f(xn)) = g(h(xn)). (3) Розiб’ємо при необхiдностi iнтервал (\alpha , \beta ) на кiлька пiдiнтервалiв (\alpha 1, \alpha 2), (\alpha 2, \alpha 3), . . . . . . , (\alpha t - 1, \alpha t), де \alpha t = \beta , таких, що для кожного p \in 1, . . . , t - 1 вiдображення g не має точок зламу на промiжку (h(\alpha p), h(\alpha p+1)) та 1/2 \not \in (\alpha p, \alpha p+1). Для кожного p \in 1, . . . , t - 1 позначимо через ap та bp такi числа, що g(x) = apx + bp при x \in (h(\alpha p), h(\alpha p+1)). Нехай вiдображення f при цих же x визначається рiвнiстю f(x) = ax + b, де ax + b \equiv 2x або ax + b \equiv - 2x + 2. Додатково припустимо, що число x \in (\alpha , \beta ), зафiксоване на початку доведення леми, не збiгається з жодним iз чисел \alpha 2, . . . , \alpha t - 1, тобто x \in (\alpha p, \alpha p+1) при деякому p = 1, . . . , t - 1. Тодi для зафiксованої вище послiдовностi xn iснує таке N \in \BbbN , що при всiх n > N має мiсце включення xn \in (\alpha p, \alpha p+1). Для цих n пару функцiональних рiвнянь (3) можна записати у виглядi пари комутативних дiаграм x f - - - - \rightarrow ax+ b h \downarrow \downarrow h h(x) g - - - - \rightarrow aph(x) + bp та xn f - - - - \rightarrow axn + b h \downarrow \downarrow h h(xn) g - - - - \rightarrow aph(xn) + bp . (4) Не обмежуючи загальностi будемо вважати, що послiдовнiсть \{ xn\} така, що для всiх n має мiсце включення xn \in (\alpha p, \alpha p+1). Розглянемо довiльне число w = ax + b та послiдовнiсть wn = axn + bn. Оскiльки \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}n\rightarrow \infty xn = x, то \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}n\rightarrow \infty wn = w. Далi, оскiльки xn \not = x для всiх n, то wn \not = w для всiх n. Доведемо, що iснує границя \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}n\rightarrow \infty h(w) - h(wn) w - wn . З комутативностi дiаграм (4) випливає, що h(w) = aph(x) + bp та h(wn) = aph(xn) + bp. Тодi h(w) - h(wn) w - wn = ap(h(x) - h(xn)) a(x - xn) , що доводить лему, якщо взяти kp = ap a . Доведення леми 5. Розiб’ємо iнтервал (\alpha , \beta ) на пiдiнтервали (\alpha 1, \alpha 2), (\alpha 2, \alpha 3), . . . . . . , (\alpha t - 1, \alpha t), iснування яких гарантується лемою 8. Для кожного p вiдображення h дифе- ренцiйовне на промiжку f(\alpha p, \alpha p+1), i можемо повторити на ньому мiркування з доведення леми 8. Водночас, враховуючи, що вiдображення f є розтягуючим iз коефiцiєнтом 2, i засто- совуючи наведенi мiркування скiнченну кiлькiсть разiв (яку позначимо k), отримуємо рiвнiсть fk(\alpha , \beta ) = (0, 1). Крiм того, на кожному кроцi ми розбиваємо кожен з отриманих iнтерва- лiв на скiнченну кiлькiсть пiдiнтервалiв, кожен з яких є одним з iнтервалiв шуканого набору A1, . . . , As. Скiнченнiсть крокiв разом зi скiнченнiстю iнтервалiв розбиття на кожному кроцi доводять лему. Для подальших мiркувань нам потрiбнi два зауваження. Зауваження 2. Множина перiодичних точок вiдображення f є щiльною у множинi [0, 1]. Дiйсно, графiк n-ї iтерацiї fn складається з 2n вiдрiзкiв, кожен з яких має кутовий коефiцiєнт 2n або - 2n i вiдображає деякий пiдiнтервал iнтервалу [0, 1] у множину [0, 1]. Довжина кожного з iнтервалiв, якi вiдображаються в [0, 1] при дiї вiдображення fn, дорiвнює 1 2n i прямує до 0 при зростаннi n. При цьому кожен такий iнтервал мiстить нерухому точку вiдображення fn, а отже, деяку перiодичну точку вiдображення f. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 222 В. В. КИРИЧЕНКО, М. В. ПЛАХОТНИК Зауваження 3. Серед чисел k1, . . . , kt, визначених у лемi 5, жодне не дорiвнює нулю. Це випливає з того, що якщо для деякого i має мiсце рiвнiсть ki = 0, то на множинi f(Ai) вiдображення h є сталим. Останнє суперечить тому, що h — гомеоморфiзм. Оскiльки множина [0, 1]\setminus \scrA є скiнченною, то з зауваження 2 випливає такий наслiдок. Наслiдок 2. Множина перiодичних точок вiдображення f, траєкторiї яких мiстяться у множинi \scrA = s\bigcup i=1 Ai, щiльна в iнтервалi [0, 1]. Лема 9. Нехай x\ast — така перiодична точка вiдображення f, що її траєкторiя лежить у множинi \scrA = s\bigcup i=1 Ai, причому h\prime (x\ast ) \not = 0. Тодi в деякому околi цiєї точки похiдна h\prime вiдобра- ження h є сталою. Доведення. Нехай n — перiод точки x\ast . Позначимо через xi елементи траєкторiї точки x\ast , тобто xi = f i(x\ast ), причому x0 = x\ast = xn. Оскiльки траєкторiя точки x\ast лежить в \scrA , то для кожного i похiдна h\prime (xi) iснує. З леми 5 та зауваження 3 випливає, що для кожного i виконується нерiвнiсть h\prime (xi) \not = 0. Нехай Ac0 , Ac1 , . . . , Acn - 1 — множини з леми 4, яким належать точки траєкторiї (тобто xi \in Aci). Тодi з леми 5 маємо h\prime (x\ast ) = kc0 \cdot kc1 \cdot . . . \cdot kcn - 1h \prime (x\ast ). З огляду на те, що h\prime (x\ast ) \not = 0, отримуємо kc0 \cdot kc1 \cdot . . . \cdot kcn - 1 = 1. (5) Оскiльки множина Ac0 є вiдкритою та x\ast \in Ac0 , то iснує \varepsilon > 0 таке, що (x\ast - \varepsilon , x\ast +\varepsilon ) \subset Ac0 . З того, що траєкторiя точки x\ast мiститься в \scrA , випливає, що не обмежуючи загальностi можемо вважати, що першi n точок траєкторiї кожної точки iнтервалу (x\ast - \varepsilon , x\ast + \varepsilon ) також належать \scrA , причому для кожної точки \widetilde x \in (x\ast - \varepsilon , x\ast + \varepsilon ) та для кожного i, 1 \leq i \leq n, має мiсце включення f i(\widetilde x) \in Aci . Розглянемо вiдображення fn на iнтервалi (x\ast - \varepsilon , x\ast +\varepsilon ). Враховуючи, що це вiдображення є кусково-лiнiйним, не обмежуючи загальностi, тобто зменшивши при необхiдностi додатне число \varepsilon , можемо вважати, що вiдображення fn на iнтервалi (x\ast - \varepsilon , x\ast +\varepsilon ) є лiнiйним, причому fn(x\ast ) = x\ast . Вiдображення fn у згаданому околi точки x\ast має вигляд fn(x) = 2n(x - x\ast ) або fn(x) = - 2n(x - x\ast ). Припустимо, що fn(x) = 2n(x - x\ast ). Розглянемо довiльну точку \widetilde x \in (x\ast - \varepsilon , x\ast ) та послi- довнiсть прообразiв цiєї точки \widetilde xi, задану рiвнiстю \widetilde x0 = x\ast та \widetilde xi+1 = (fn) - 1(\widetilde xi), де пiд (fn) - 1 мається на увазi вiдображення, обернене до вiдображення fn на iнтервалi (x\ast - \varepsilon , x\ast + \varepsilon ). Оскiльки похiдна вiдображення fn на зазначеному iнтервалi бiльша за 1, то послiдовнiсть \widetilde xi зростає i прямує до x\ast . З рiвностi (5) та леми 5 випливає, що для кожного i \geq 0 виконується рiвнiсть h\prime (\widetilde xi) = h\prime (\widetilde xi - 1). Оскiльки вiдображення h є неперервно диференцiйовним, то з того, що \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}i\rightarrow \infty \widetilde xi = x\ast , випливає, що для кожного i \geq 0 має мiсце рiвнiсть h\prime (\widetilde xi) = h\prime (x\ast ), зокрема h\prime (\widetilde x) = h\prime (x\ast ). З довiльностi точки \widetilde x \in (x\ast - \varepsilon , x\ast ) маємо, що на iнтервалi (x\ast - \varepsilon , x\ast ) похiдна вiдображення h є сталою. Що стосується випадку, коли fn(x) = - 2n(x - x\ast ), то потрiбно розглянути не прообрази, а образи довiльної точки \widetilde x \in (x\ast - \varepsilon , x\ast ), пiсля чого доведення буде аналогiчним. Лему 9 доведено. 4. Доведення теорем 2 та 3. Доведення теорем будуть конструктивними. В доведеннi теореми 2 за зростаючою частиною кусково-лiнiйного вiдображення g однозначно будується такий кусково-лiнiйний гомеоморфiзм h, який задовольняє функцiональне рiвняння (1). Пiсля цього функцiональне рiвняння (1) дозволяє побудувати вiдображення g за вiдображенням f та знайденим гомеоморфiзмом h. Теореми 2 та 3 також можна iнтерпретувати так, що як ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 ТОПОЛОГIЧНО СПРЯЖЕНI КУСКОВО-ЛIНIЙНI УНIМОДАЛЬНI ВIДОБРАЖЕННЯ IНТЕРВАЛУ В СЕБЕ 223 вiдображення gl, так i вiдображення gr повнiстю визначає гомеоморфiзм h. Проте з леми 1 видно, що вiдображення gl не може бути довiльним, зокрема g\prime l(0) = 2. Для кусково-лiнiйного гомеоморфiзму h, яке задає топологiчну спряженiсть f вигляду (2), та унiмодального кусково-лiнiйного вiдображення g позначимо через k похiдну цього гомео- морфiзму в точцi 0. Також позначимо через \varepsilon абсцису точки першого зламу вiдображення g, тобто: а) h(x) = kx в деякому правому околi точки x = 0; б) g(x) = 2x для всiх x \in (0, \varepsilon ) та в) x = \varepsilon — точка зламу вiдображення g. Нехай A1, . . . , As — вiдкритi промiжки лiнiйностi g на iнтервалi [0, v], s\bigcup i=1 Ai = [0, v]. Лема 10. Для кожного x \in \Bigl[ 0, \varepsilon k \Bigr] виконується рiвнiсть h(x) = kx, причому точка \varepsilon k є точкою зламу вiдображення h. Доведення. Оскiльки вiдображення h є кусково-лiнiйним, то для деякого достатньо малого \delta рiвнiсть (1) набирає вигляду h(2x) = 2 \cdot kx при x \in [0, \delta ]. Величина числа \delta визначається тим, що кусково-лiнiйне вiдображення h задається формулою h(x) = kx для всiх x \in (0, \delta ), крiм того, для всiх x \in (0, k\delta ) має мiсце рiвнiсть g(x) = 2x. Проте з формули для h(x) при x \in [0, \delta ] випливає, що вiдображення h задається рiвнiстю h(x) = kx для всiх x \in \in (0, 2\delta ), що дозволяє розглянути функцiональне рiвняння h(2x) = g(kx) при x \in (0, 2\delta ). При таких x множина значень g(kx) буде iнтервалом [0, y0], де y0 = h(4\delta ) = g(2k\delta ). Максимальна величина промiжку для x, при якому функцiональне рiвняння (1) має вигляд h(2x) = 2 \cdot kx, — це \Bigl[ 0, \varepsilon 2k \Bigr] . При подальшому збiльшеннi цього промiжку функцiональне рiвняння (1) набере вигляду h(2x) = a2 \cdot kx+ b2, де g(x) = a2x+ b2 — формула для вiдображення g на наступному iнтервалi лiнiйностi пiсля (0, \varepsilon ). Лему 10 доведено. Фактично лема 10 стверджує, що вiдображення gl визначає довжину першого промiжку лiнiйностi гомеоморфiзму h залежно вiд кутового коефiцiєнта k цього гомеоморфiзму на його першому промiжку лiнiйностi. Лема 11. Нехай для деякого v \in (0, 1) та кусково-лiнiйних унiмодальних вiдображень g та\widetilde g iнтервалу [0, 1] в себе, котрi топологiчно спряженi з вiдображенням f, виконуються рiвностi g(v) = \widetilde g(v) = 1 та g(0) = g(1) = \widetilde g(0) = \widetilde g(1) = 0, причому g(x) = \widetilde g(x) при всiх x \in [0, v]. Тодi кутовi коефiцiєнти в нулi вiдповiдних цим вiдображенням спрягаючих гомеоморфiзмiв збiгаються. Ця лема є окремим випадком теореми 2. Лему 11 ми доведемо, обчисливши кутовий коефi- цiєнт в околi нуля для гомеоморфiзму h, який визначає топологiчну спряженiсть вiдображень f та g. При цьому будемо використовувати лише вiдображення gl, але не gr. Введемо ще одне по- значення, а саме, позначимо через Gl(\alpha , \beta ) = (f - 1 l (\alpha ), g - 1 l (\beta )) та Gr(\alpha , \beta ) = (f - 1 r (\alpha ), g - 1 r (\beta )) вiдображення квадрата [0, 1]2. З того, що гомеоморфiзм h монотонно зростає, випливає така лема. Лема 12. Нехай числа \alpha , \beta \in [0, 1] такi, що h(\alpha ) = \beta . Тодi графiк вiдображення h iнварi- антний вiдносно Gl та Gr, тобто h(f - 1 l (\alpha )) = g - 1 l (\beta ) та h(f - 1 r (\alpha )) = g - 1 r (\beta ). Доведення леми 11. Розглянемо точку \alpha = 1. За лемою 2 h(1) = 1. Розглянемо траєк- торiю точки (1, 1) при дiї вiдображення Gl. Тодi Gn l (1, 1) = (1/2n, g - n l (1)). За лемою 12 h(1/2n) = g - n l (1) для кожного n. За наслiдком 1 послiдовнiсть \{ g - n l (1)\} монотонно спадає до 0. Знайдемо k — кутовий коефiцiєнт гомеоморфiзму h в околi 0. За лемою 10 h(x) = kx при x \in (0, \varepsilon /k), де \varepsilon — абсциса точки першого зламу кусково-лiнiйного вiдображення g. При ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 224 В. В. КИРИЧЕНКО, М. В. ПЛАХОТНИК достатньо великих n має мiсце включення 1/2n \in (0, \varepsilon /k), яке означає, що послiдовнiсть kn = 2ng - n l (1) стабiлiзується на деякому значеннi, яке i дорiвнює k. Лему 11 доведено. Зауваження 4. Як i при доведеннi леми 11, можна показати, що для кожних \alpha , \beta \in (0, 1) таких, що h(\alpha ) = \beta , послiдовнiсть kn = 2ng - n l (\beta ) \alpha стабiлiзується незалежно вiд того, є го- меоморфiзм h кусково-лiнiйним чи нi. Кускова лiнiйнiсть гомеоморфiзму h означає, що для кожної пари чисел \alpha , \beta \in (0, 1) побудована послiдовнiсть стабiлiзується саме на значеннi k, яке отримане в доведеннi леми 11 i не залежить вiд \alpha та \beta . Доведення теореми 2. Припустимо, що гомеоморфiзм h задає топологiчну спряженiсть вiдображень f та h. Використовуючи мiркування з доведення леми 11, за вiдображенням gl однозначно будуємо число k, яке є кутовим коефiцiєнтом вiдображення h в околi 0. Тодi за лемою 10 гомеоморфiзм h визначається рiвнiстю h(x) = kx для всiх x \in \Bigl[ 0, \varepsilon k \Bigr] , де \varepsilon — аб- сциса точки першого зламу кусково-лiнiйного вiдображення g. Розглянемо настiльки велике натуральне число n, щоб виконувалася нерiвнiсть 1 2n < \varepsilon k . Для кожного t \geq 0 з рiвнян- ня (1) для x \in \biggl[ 1 2n - t+1 , 1 2n - t \biggr] та значень гомеоморфiзму h, визначених ранiше на промiжку\biggl[ 1 2n - t+1 , 1 2n - t \biggr] , знаходимо значення h на промiжку \biggl[ 1 2n - t+1 , 1 2n - t \biggr] . При t = n - 1 рiвнян- ня (1) буде визначеним на множинi x \in \biggl[ 1 4 , 1 2 \biggr] , i це завершує процес знаходження вiдобра- ження h на всьому вiдрiзку [0, 1]. Пiсля цього вiдображення gr встановлюється з рiвняння h(fr(x)) = gr(h(x)) при x \in [1/2, 1] з допомогою рiвностi gr(x) = h(fr(h - 1(x))). Теорему 2 доведено. Лема 1 встановлює обмеження на вiдображення g в околi точки 0 для того, щоб iснував кусково-лiнiйний гомеоморфiзм h, який визначає топологiчну спряженiсть вiдображень f та g. Має мiсце аналог цiєї леми для околу додатної нерухомої точки вiдображення g. Лема 13. Нехай x0 — нерухома точка кусково-лiнiйного унiмодального вiдображення g, яке спряжене з вiдображенням f вигляду (2) з допомогою кусково-лiнiйного вiдображення. Тодi iснує \varepsilon > 0 таке, що для кожного x \in (x0 - \varepsilon , x0 + \varepsilon )\setminus \{ x0\} має мiсце рiвнiсть (g2)\prime (x0) = 4, де g2, як i ранiше, позначає другу iтерацiю вiдображення g. Для вiдображення h, яке визначає топологiчну спряженiсть вiдображень f та g, маємо h(2/3) = x0, оскiльки 2/3 — нерухома точка вiдображення f. Нехай в лiвому околi точки x0 вiдображення g задається формулою g1(x) = a1x + b1, а в правому околi — формулою g2(x) = a2x+ b2. Зауваження 5. У введених позначеннях довести лему 13 — це те саме, що довести, що a1a2 = 4. Дiйсно, оскiльки вiдображення g спадає на промiжку [v, 1], то для досить малого \varepsilon > 0 виконуються включення g(x0, x0 + \varepsilon ) \subset (v, x0) та g(x0 - \varepsilon , x0) \subset (x0, 1). Тодi в лiвому околi (x0 - \varepsilon , x0) вiдображення g2 задається рiвнiстю g2(x) = g2(g1(x)), а в правому околi (x0, x0+\varepsilon ) — рiвнiстю g2(x) = g1(g2(x)). Проте i в першому, i в другому випадку вiдображення g2 буде лiнiйним у вiдповiдному околi i матиме кутовий коефiцiєнт a1a2. Доведення леми 13. Нехай в лiвому околi точки 2/3 вiдображення h задається формулою h1(x) = a3x+ b3, а в правому околi — формулою h2(x) = a4x+ b4. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 ТОПОЛОГIЧНО СПРЯЖЕНI КУСКОВО-ЛIНIЙНI УНIМОДАЛЬНI ВIДОБРАЖЕННЯ IНТЕРВАЛУ В СЕБЕ 225 Для достатньо малого \varepsilon вiзьмемо довiльне число \beta \in (x0, x0 + \varepsilon ) та розглянемо послiдов- нiсть Gn r (\alpha , \beta ), де \beta = h(\alpha ). Ця послiдовнiсть збiгається до точки (2/3, x0). Першi три елементи зазначеної послiдовностi мають вигляд (\alpha , \beta ) \rightarrow (f - 1 r (\alpha ), g - 1 r (\beta )) \rightarrow (f - 2 r (\alpha ), g - 2 r (\beta )), тобто (\alpha , \beta ) \rightarrow (f - 1 r (\alpha ), g - 1 1 (\beta )) \rightarrow (f - 2 r (\alpha ), g - 2 2 (\beta )), бо \beta > x0 та вiдображення g спадає в околi точки x0. Вiдображення g - 1 r (\beta ) та g - 2 r (\beta ) знайдемо як g - 1 r (\beta ) = \beta - b1 a1 та g - 2 r (\beta ) = (\beta - b1)a - 1 1 - b2 a2 = \beta - b1 - a1b2 a1a2 . Крiм того, f - 1 r (\alpha ) = 1 - \alpha 2 та f - 2 r (\alpha ) = 1 2 + \alpha 4 . Також мають мiсце рiвностi \beta = a4\alpha + b4, g - 1 r (\beta ) = a3f - 1 r (\alpha ) + b3, g - 2 r (\beta ) = a4f - 2 r (\alpha ) + b4. Пiдставляючи першi двi з цих рiвностей у третю, отримуємо (a4\alpha + b4) - b1 - a1b2 a1a2 = a4 \biggl( 1 2 + \alpha 4 \biggr) + b4. (6) Оскiльки вибiр числа \beta у вiдповiдному околi точки x0 є довiльним, з неперервностi вi- дображення h випливає, що множина значень \alpha таких, що h(\alpha ) = \beta , де \beta вибрано з околу точки x0, є деяким околом точки 2/3. Тому рiвнiсть (6) є тотожнiстю у вiдповiдному околi точки \alpha . Тепер, прирiвнюючи коефiцiєнти при \alpha , маємо a1a2 = 4, що i потрiбно було довести. Лему 13 доведено. Доведення теореми 3. Нехай x0 — додатна нерухома точка вiдображення g та вiдображення\widetilde g, h — кусково-лiнiйний гомеоморфiзм, який визначає спряженiсть вiдображень f та g. Оскiльки за лемою 2 h(2/3) = x0, то iснує \varepsilon > 0 таке, що h(x) = k(x - 2/3) + x0 для всiх x \in \in (2/3, 2/3 + \varepsilon ). Розглянемо траєкторiю точки (1, 1) пiд дiєю вiдображення Gl. Позначимо через (xn, yn) n-ту iтерацiю вказаної точки, тобто Gn l (1, 1) = (xn, yn). З леми 12 для кожної точки цiєї траєкторiї отримуємо h(xn) = yn. (7) Послiдовнiсть xn може бути задана рiвнiстю xn = f - 1 r (xn - 1) i прямує до точки 2/3, причому для кожного k \in \BbbN мають мiсце включення (f - 1 r )2k(1) \in (1/2, 2/3) та (f - 1 r )2k+1(1) \in \in (2/3, 1) i, крiм того, \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}i\rightarrow \infty xn = 2/3. Враховуючи, що для досить великих непарних n виконується включення xn \in (2/3, 2/3+\varepsilon ), рiвнiсть (7) можна записати як yn = k(xn - 2/3)+x0, звiдки k = yn - x0 xn - 2/3 . (8) Крiм того, з огляду на лему 13 без обмеження загальностi можемо вважати, що при цих досить великих n для всiх yn вiдображення g2(x) задається рiвнiстю g2(x) = 4(x - x0) + x0. (9) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2 226 В. В. КИРИЧЕНКО, М. В. ПЛАХОТНИК Як i при доведеннi леми 13, можемо показати, що якщо xn \in (2/3, 2/3+ \varepsilon ), то yn - x0 xn - 2/3 = = yn+2 - x0 xn+2 - 2/3 . З рiвняння (9) маємо yn+2 = yn + 3x0 4 . Також xn+2 можна знайти з формули xn+2 = = (f - 1 r )2(xn), тобто xn+2 = 1 2 + xn 4 . Пiдставляючи отриманi вирази у формулу yn+2 - x0 xn+2 - 2/3 , пiсля спрощення маємо yn+2 - x0 xn+2 - 2/3 = yn - x0 xn - 2/3 . Таким чином, h(2/3) = x0 та гомеоморфiзм h має кутовий коефiцiєнт k, що визначається формулою (8) для кожного x \in (2/3, 2/3 + \varepsilon ). Нехай \scrA 1 = (2/3, 2/3 + \varepsilon ) та розглянемо послiдовнiсть множин \scrA i+1 = f(\scrA i). Очевидно, що для деякого скiнченного t \in \BbbN справджується рiвнiсть f t(\scrA 1) = [0, 1]. Для кожного i та кожного x \in \scrA i рiвняння (1) дозволяє визначити значення гомеоморфiзму h на множинi \scrA i+1 за припущення, що цей гомеоморфiзм вже визначено на множинi \scrA i. Послiдовне застосуван- ня цього рiвняння дозволяє визначити значення гомеоморфiзму h на всьому iнтервалi [0, 1]. Фактично ми довели, що вiдображення g своїми значеннями на промiжку [v, 1] повнiстю ви- значає значення гомеоморфiзму h на iнтервалi [0, 1], а цей гомеоморфiзм, в свою чергу, визначає вiдображення g на всьому iнтервалi [0, 1]. Теорему 3 доведено. Автори висловлюють подяку В. В. Сергейчуку за цiннi зауваження при пiдготовцi цiєї роботи. Лiтература 1. Лебег Х. Интегрирование и отыскание примитивных функций. – М.; Л., 1934. 2. Мун Ф. Хаотические колебания. – М.: Мир, 1990. – 312 c. 3. Пуанкаре А. Новые методы небесной механики. – М.: Наука, 1971. – Т. 1. 4. Рисс Ф., Секефальви-Надь Б. Лекции по функциональному анализу. – М.: Мир, 1979. – 592 с. 5. Шарковский А. Н., Коляда с. Ф., Сивак А. Г., Федоренко В. В. Введение в теорию функциональных уравнений. – Киев: Наук. думка, 1989. – 216 с. 6. Fedorenko V., Kyrychenko V., Plakhotnyk M. Exponent matrices and topological equivalence of maps // Algebra and Discrete Math. – 2007. – № 4. – P. 45 – 58. 7. Skufca J. D., Bolt E. M. A concept of homeomorphic defect for defining mostly conjugate dynamical systems // Chaos. – 2008. – № 03118. – P. 1 – 18. Одержано 14.01.15, пiсля доопрацювання — 16.03.15 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 2
id umjimathkievua-article-1835
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-03-24T02:13:33Z
publishDate 2016
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/a6/a4b4e36b13b6587ed4465a7730b2ada6.pdf
spelling umjimathkievua-article-18352019-12-05T09:29:16Z Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself Топологічно спряжені кусково-лінійні унімодальні відображення інтервалу в себе Kirichenko, V. V. Plakhotnyk, M. V. Кириченко, В. В. Плахотник, М. В. Let $f, g : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ be a pair of continuous piecewise linear unimodal mappings and let $f$ be defined as follows: $f(x) = 2x$ for $x \leq 1/2$ and $f(x) = 2 - 2x$ for $x &gt; 1/2$. Also let $h : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ be a piecewise differentiable homeomorphism such that $fh = hg$. Then $h$ is piecewise linear and the mapping $f$ completely determines $g$ and $h$, together with the ascending or descending monotone parts of $g$. Пусть $f, g : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$ — пара непрерывных кусочно-линейных унимодальных отображений, причем $f$ определяется следующим образом: $f(x) = 2x$ при $x \leq 1/2$ и $f(x) = 2 - 2x$ при $x &gt; 1/2$. Пусть $fh = hg$ для кусочно-непрерывного дифференцируемого гомеоморфизма $h : [0, 1] \rightarrow [0, 1]$. Тогда $h$ кусочно-линейный, причем отображение $f$, а также возрастающая и убывающая монотонные части отображения $g$ полностью определяют $g$ и $h$. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2016-02-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1835 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 68 No. 2 (2016); 217-226 Український математичний журнал; Том 68 № 2 (2016); 217-226 1027-3190 uk https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1835/817 Copyright (c) 2016 Kirichenko V. V.; Plakhotnyk M. V.
spellingShingle Kirichenko, V. V.
Plakhotnyk, M. V.
Кириченко, В. В.
Плахотник, М. В.
Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
title Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
title_alt Топологічно спряжені кусково-лінійні унімодальні відображення інтервалу в себе
title_full Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
title_fullStr Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
title_full_unstemmed Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
title_short Topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
title_sort topological conjugate piecewise linear unimodal mappings of an interval into itself
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1835
work_keys_str_mv AT kirichenkovv topologicalconjugatepiecewiselinearunimodalmappingsofanintervalintoitself
AT plakhotnykmv topologicalconjugatepiecewiselinearunimodalmappingsofanintervalintoitself
AT kiričenkovv topologicalconjugatepiecewiselinearunimodalmappingsofanintervalintoitself
AT plahotnikmv topologicalconjugatepiecewiselinearunimodalmappingsofanintervalintoitself
AT kirichenkovv topologíčnosprâženíkuskovolíníjníunímodalʹnívídobražennâíntervaluvsebe
AT plakhotnykmv topologíčnosprâženíkuskovolíníjníunímodalʹnívídobražennâíntervaluvsebe
AT kiričenkovv topologíčnosprâženíkuskovolíníjníunímodalʹnívídobražennâíntervaluvsebe
AT plahotnikmv topologíčnosprâženíkuskovolíníjníunímodalʹnívídobražennâíntervaluvsebe