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方法Method

环面仿射映射的周期点

Periodic points of affine toral maps · Toral endomorphism periodic points · 环面整数矩阵周期计数

把仿射环面的迭代固定方程化为Smith同余证书,分别返回空集、有限点或正维子环面,再恢复最小周期点与轨道。

形式陈述 ​

把实数坐标逐项按整数取模,得到 d 维环面

Td=Rd/Zd,d≥1,

并赋予商拓扑。给定整数矩阵 A∈Md(Z) 与向量 b∈Rd,定义仿射自映射

(1)f([x])=[Ax+b].

若把 x 换成 x+z,输出只差整数向量 Az,所以定义与代表元无关。b 也只需按模整数给出。当 b=0 时称为整数线性环面自映射;当 det⁡A=±1 时,整数逆矩阵给出同胚。

对正整数 n,令

bn=(I+A+⋯+An−1)b,Nn=An−I.

逐次代入得到 fn([x])=[Anx+bn],所以迭代的固定点集合为

(2)Fix(fn)={[x]:Nnx≡−bn(modZd)}.

这些点的最小周期整除 n,不一定等于 n。

给 Nn 一份整数Smith证书

(3)UNnV=D=diag(s1,…,sr,0,…,0),0<s1∣⋯∣sr,U,V∈GLd(Z).

令 c=−Ubn,则答案精确分成以下三类:

  • 若某个 i>r 满足 ci∉Z,固定点集合为空
  • 否则有 s1⋯sr 个连通分支,每个同胚于 Td−r
  • 特别地,r=d 时恰有 |det⁡Nn| 个点,对任意平移 b 都成立

当 r=0 时空乘积取一:若约束相容,整张 Td 都是固定点。不能把零行列式解释为零个固定点。

直觉

在实空间解 Nnx=−bn 只会得到少数解或无解;环面上允许右侧多加任意整数向量,所以同一个线性系统可以留下许多不同的模一解。Smith换基把彼此混合的整数约束分开,每个非零 si 留下一个 si 重周期,每个零因子则检查相容性并留下自由圆周方向。

这既是计数方法,也是列出位置的方法。只知道行列式绝对值能在满秩时给点数,却不能在秩亏时说明自由方向,更不能代替平移项的相容性检验。

坐标公式与完整性证明 ​

令 x=Vy。整数可逆的 U,V 都在环面上诱导自同构,故式(2)等价于

Dy≡c(modZd).

对 i≤r,全部解为

(4)yi=ci+jisi(mod1),ji=0,1,…,si−1.

若两个编号给同一模一坐标,则 si 整除它们之差;在指定范围内只能相同,因此不重。反过来,任何解都满足 siyi−ci∈Z,将这个整数按 si 取余就得到式(4),因此不漏。

对 i>r,方程是 0≡ci(mod1)。不相容时无解;相容时 yi 完全自由。将式(4)与自由坐标组合,再乘 V,便得到前述全部分支。这也证明各分支的连通性与数量,而不只是计算一个形式乘积。

若 b 的坐标有理,这是一份全有理证书。若允许任意实数黑箱,判定 ci 是否严格为整数本身可能没有有限算法;定理的集合分类不能被浮点“接近整数”自动代替。

平移什么时候可整体消掉 ​

若 I−A 在实数上可逆,取 p=(I−A)−1b。以 τp([x])=[x+p] 表示平移,则

τp−1fτp([x])=[Ax],

因为 Ap+b−p=0。因此这时仿射映射与线性映射共轭,所有周期点只是整体平移,最小周期也保持不变。

若 I−A 奇异,不能这样求逆;有无固定点要回到式(3)的相容性。即使某个迭代有固定点,原映射也可能完全没有固定点。

例子与边界

同一矩阵的十二个二次迭代固定点 ​

取

A=(3211),b=0.

其平方及差为

A2=(11843),N2=(10842).

选

(5)U=(1−22−5),V=(1−201),UN2V=diag(2,6).

两变换的行列式为 −1,1。因此全部固定点写成

(6)[x]=[(j02−j13,j16)],0≤j0<2,0≤j1<6.

它们的群结构为 Z/2⊕Z/6,并非一个十二阶循环群。

用共同分母六写点为 (a,b)/6,可将十二点逐一分成两条一周期轨道和五条二周期轨道:

(7)(0,0),(0,3),(1,1)↔(5,2),(1,4)↔(5,5),(2,2)↔(4,4),(2,5)↔(4,1),(3,0)↔(3,3).

式(7)所有坐标都还要除以六。逐点乘 A 并模六取余,即可核验箭头。直接说“十二个二周期点”会把前两个不动点算错;直接除以二得到六条轨道也不正确。

方形左右、上下边分别识别;蓝色编号1–5与右表对应,同编号的两点构成一条轨道;完整坐标和方向由式(7)核验。

零行列式:可以是一族圆周,也可以为空 ​

先取线性剪切

A=(1101),b=0.

由于 An−I=(0n00),式(2)只要求 nx2∈Z。因此 Fix(fn) 是 n 条圆周

x2=0,1/n,…,(n−1)/n,x1∈R/Z.

行列式为零,但不动点非空且无限。

保持同一个 A,改取 b=(0,1/2)。一次固定方程的第二行要求 0≡−1/2,所以无不动点;二次迭代却有

A2−I=(0200),b2=(1/2,1),

故 x2=1/4 或 3/4,x1 任意。两条圆周都由最小周期二的点组成,因为一次固定点已经排除。平移使同一个线性部分产生不同的固定集合,不能在秩亏时丢掉它。

有理网格与整个环面不是同一份输入 ​

对线性映射,分母整除 m 的有理点组成有限网格 (Z/m)d。整数矩阵保持这份网格;若 det⁡A=±1,它在每个网格上都是置换,所以每个有理点都是周期点。对一般非可逆映射则只保证最终进入循环:圆周倍映射将 1/2 送到零后永远停住,1/2 本身并不周期。

仍在 b=0 的线性情形,若 An−I 对每个正整数 n 都非奇异,则任意周期点由式(4)可知有理。没有这个条件,剪切的固定圆周中就有第一坐标无理的周期点。固定在某个分母网格上枚举,也可能漏掉别的分母上的周期点,不能冒称得到整个环面的答案。

推论与应用

从固定点数恢复最小周期与轨道 ​

设所讨论各次固定点集合有限,记

Fn=|Fix(fn)|,Pn=#{x:x 的最小周期为 n},On=#{长度恰为 n 的轨道}.

每个被 fn 固定的点都有一个最小正周期 d。对 n 除以 d,余数也会固定该点;最小性迫使余数为零,所以 d∣n。不同最小周期的点集不交,故

Fn=∑d∣nPd.

由约数偏序的Möbius反演,

(8)Pn=∑d∣nμ(n/d)Fd,On=1n∑d∣nμ(n/d)Fd.

最小周期为 n 的每条轨道恰有 n 个不同点,故第二式真是整数。这个论证不要求 f 在整个空间上可逆;它在一条周期轨道上自然构成循环置换。

对前面的 A=(3211),前四次结果是

n Fn=|det⁡(An−I)| Pn On
1 2 2 2
2 12 10 5
3 50 48 16
4 192 180 45

第四行只需扣掉最小周期一、二的点,即 P4=F4−F2=180,不应再减一次 F1。若某次固定集合含有整条圆周,不能把无穷点数塞入这里的有限整数反演;先返回集合结构才是正确终点。

与同调迹和映射环面互相检查 ​

对二维环面,乘积同调给 H0,H1,H2 的秩为 1,2,1。平移与恒等同伦,所以 f 在一阶同调上作用为 A;杯积给顶维作用为乘 det⁡A。因此

(9)L(fn)=1−tr(An)+det⁡(An)=det⁡(I−An).

若行列式非零,Smith解集给 Fn=|L(fn)|。更进一步,任意连续 g:T2→T2 若同伦于 fn,就有同一个非零Lefschetz数,由Lefschetz定理也必须有不动点;这里不再要求 g 是仿射映射。但精确点数的Smith算法只适用于式(2)的线性同余模型。

映射环面同调则使用整数余核 coker(I−An)。当矩阵满秩时,它与固定点群具有相同Smith因子,但对象不同:固定点在环面中,余核是整数格的商。例如式(5)同时说明二次迭代映射环面的一阶同调为 Z⊕Z/2⊕Z/6。

核算真正的计算任务 ​

求 An 可以用反复平方;同时追踪仿射项时,可对增广矩阵 (Ab01) 作幂运算。整数或有理数的位数会增长,不能把所有算术永久视为单位成本。Smith计算还需核对 UNnV=D 及 det⁡U,det⁡V=±1。

计数只需不变因子或满秩行列式,逐点输出则至少要写出 Fn 份坐标。Fn 可以随 n 指数增长,不能把“用少量矩阵乘法得到计数”说成“同样快地枚举全部点”。本单元脚本为可复查的小输入直接列点与轨道,并单独记录输出量。

参考资料
  • Michael Baake、John A. G. Roberts、Alfred Weiss,Periodic orbits of linear endomorphisms on the 2-torus and its lattices,Nonlinearity 21 (2008), 2427–2446;本文所读预印本§2.1 pp.3–4、§2.2 pp.5–6、§3.1 Fact 4 p.8:固定点、轨道反演及有限有理网格。原文Fact 4在行列式为零时计孤立点;本页明确返回整个固定集合,不把“没有孤立点”改写成“没有点”。
  • 本页的任意维Smith坐标、仿射相容条件及剪切迁移均已直接推导;完整复算见映射与周期证书终点。
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