puntos críticos de una función suave en el círculo


En esta breve nota demostraremos que cada función f:S^1\to{\mathbb{R}}^1 que tenga un punto crítico aislado debe de tener otro.

Entonces supongamos que existe un punto p en S^1 talque {\rm grad}f(p)=\left[\frac{\partial f}{\partial x}|_p,\frac{\partial f}{\partial y}|_p\right]=\vec{0}, pero si elegimos la parametrización \phi:\ ]0,2\pi[\longrightarrow S^1 dada por t\longmapsto\left(\begin{array}{c}\cos(t)\\ \\ \sin(t)\end{array}\right), entonces tenemos una función g=f\circ\phi para la cual, la regla de la cadena implica que g'=f'(\phi)\phi' satisface

\frac{d g}{dt}|_{t_0}=\left[\frac{\partial f}{\partial x}|_p,\frac{\partial f}{\partial y}|_p\right]\left(\begin{array}{c}-\sin\\ \\ \cos\end{array}\right)_{|_{t_0}}

i.e.

\frac{d g(t_0)}{dt}=-\frac{\partial f(p)}{\partial x}\sin(t_0)+\frac{\partial f(p)}{\partial y}\cos(t_0)

entonces si {\rm grad}f(p)=\vec{0} tendremos \frac{d g(t_0)}{dt}=0, en otras palabras g tiene puntos críticos en t_0 y en t_0+2\pi.

Pero además g(t_0)=f\circ\phi(t_0)=f(p) tanto como

g(t_0+2\pi)=f\circ\phi(t_0+2\pi)=f\circ\phi(t_0)=f(p)

es decir g(t_0)=g(t_0+2\pi) y entonces –por el teorema de Rolle– existe t_1 en el intervalo abierto ]t_0,t_0+2\pi[ talque \frac{d g(t_1)}{dt}=0.

Pero si nos restringimos a S^1\setminus\{p\} entonces f=g\circ\phi^{-1},
y así (también por la regla de la cadena) tenemos {\rm grad}f=\frac{dg}{dt}\ {\rm grad}\ \phi^{-1} i.e.

\left[\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y}\right]=\frac{dg}{dt}\left[\frac{\partial\phi^{-1}}{\partial x},\frac{\partial\phi^{-1}}{\partial y}\right]

que evaluando en t_1 implica

\frac{\partial f(q)}{\partial x}=\frac{dg(t_1)}{dt}\frac{\partial\phi^{-1}(q)}{\partial x}=0

tanto como

\frac{\partial f(q)}{\partial y}=\frac{dg(t_1)}{dt}\frac{\partial\phi^{-1}(q)}{\partial y}=0

por lo tanto {\rm grad}f(q)=\vec{0}, donde q\neq p \Box

critical points of functions on the circle

Leave a comment

Filed under calculus on manifolds, low dimensional topology, math, math analysis

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s