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Defini¸c˜oes e Exemplos

No documento COORDENADAS DO ESPAÇO DE (páginas 50-57)

Antes de definirmos o conceito de superf´ıcie de Riemann, vamos definir alguns conceitos da teoria das fun¸c˜oes de uma vari´avel complexa, que ser˜ao fundamentais para o entendimento do trabalho.

Seja U ⊂ C um aberto do plano complexo e seja f : U → C uma aplica¸c˜ao de classe

C1 (f e f0 cont´ınuas). Dizemos que f ´e uma aplica¸c˜ao conforme se f preserva ˆangulos

e preserva a orienta¸c˜ao do plano. Dizemos que f ´e anti-conforme se f preserva ˆangulos, mas inverte a orienta¸c˜ao do plano.

Observa¸c˜ao: uma aplica¸c˜ao holomorfa injetora ´e sempre uma aplica¸c˜ao conforme.

Defini¸c˜ao 2.3.1 Um espa¸co topol´ogico de Hausdorff S ´e uma superf´ıcie de Riemann

se existir uma fam´ılia {(ϕi, Ui), i ∈ I}, chamada de atlas tal que:

1. {Ui, i ∈ I} ´e uma cobertura aberta de S.

2. cada ϕi : Ui → Vi ´e um homeomorfismo de Ui sobre um aberto Vi do plano complexo.

Essas aplica¸c˜oes s˜ao chamadas de cartas locais de S. 3. Se Ui∩ Uj 6= ∅, ent˜ao

ϕij = ϕj ◦ ϕ−1i : ϕi(Ui∩ Uj) −→ ϕj(Ui∩ Uj)

Figura 2.1: mudan¸ca de cartas anal´ıtica ϕj ◦ ϕ−1i ϕi ϕj Ui Uj

Todas as Superf´ıcies de Riemann s˜ao variedades orient´aveis pois o determinante da matriz Jacobiana de uma aplica¸c˜ao biholomorfa ´e sempre positivo.

Defini¸c˜ao 2.3.2 Sejam S1 e S2 superf´ıcies de Riemann. Uma aplica¸c˜ao cont´ınua

f : S1 → S2 ´e uma aplica¸c˜ao anal´ıtica em p ∈ S1 se para qualquer carta local ϕ1 : U1 → V1

de S1 ao redor de p e para qualquer carta local ϕ2 : U2 → V2 de S2 ao redor de f (p), a

aplica¸c˜ao ϕ2◦ f ◦ ϕ−11 for anal´ıtica complexa numa vizinhan¸ca de ϕ1(p) .

Mais ainda, dizemos que f : S1 → S2 ´e anal´ıtica se ela for anal´ıtica em todos os

pontos de S1.

Figura 2.2: aplica¸c˜ao anal´ıtica entre superf´ıcies de Riemann ϕ2◦ f ◦ ϕ−11 ϕ1 ϕ2 U1 V1 U2 V2 p f f (p)

Vejamos alguns exemplos de Superf´ıcies de Riemann:

Exemplo 2.3.3 O plano complexo C .

Exemplo 2.3.4 A esfera de Riemann C∞= C ∪ {∞} .

Exemplo 2.3.5 Dom´ınios: subconjuntos abertos e conexos de uma Superf´ıcie de Riemann.

Exemplo 2.3.6 Toros.

Defini¸c˜ao 2.3.7 Duas Superf´ıcies de Riemann s˜ao conformemente equivalentes se existir

um homeomorfismo anal´ıtico, cuja inversa ´e anal´ıtica, entre essas superf´ıcies. Isto define uma rela¸c˜ao de equivalˆencia na classe de todas as superf´ıcies de Riemann.

O pr´oximo teorema nos d´a uma maneria de construirmos exemplos de superf´ıcies de Riemann a partir da a¸c˜ao de um grupo Kleiniano no plano complexo estendido.

Teorema 2.3.8 Seja G um Grupo Kleiniano agindo em C∞ com conjunto regular Ω.

Seja p : Ω →

G a proje¸c˜ao usual. Ent˜ao existe uma estrutura anal´ıtica

G que a torna uma superf´ıcie de Riemann e torna p uma aplica¸c˜ao anal´ıtica.

A demonstra¸c˜ao desse teorema poder ser encontrada no livro [7], p´agina 27.

O teorema seguinte, conhecido como Riemann Mapping Theorem, garante que existem apenas trˆes tipos de superf´ıcies de Riemann compactas simplesmente conexas: o plano complexo, isomorfo ao R2, o plano hiperb´olico (disco unit´ario aberto) e a esfera de

Riemann C.

Teorema 2.3.9 Seja S superf´ıcie de Riemann compacta simplesmente conexa. Ent˜ao:

S = R2 ou S = H2 ou S = S2 .

A demonstra¸c˜ao desse teorema pode ser encontrada no livro [3], p´aginas 179-188.

Por ´ultimo, o Teorema de Uniformiza¸c˜ao de Riemann, que ´e fundamental para o entendimento e constru¸c˜ao das superf´ıcies de Riemann compactas.

Teorema 2.3.10 Seja S superf´ıcie de Riemann compacta. Ent˜ao S ´e analiticamente

equivalente `a superf´ıcie Se

G, sendo eS o recobrimento universal de S e G um grupo Kleiniano agindo em eS = R2 ou H2 ou S2. G = π

Cap´ıtulo 3

Espa¸co de Teichm¨uller

3.1

Introdu¸c˜ao

O Problema de Moduli de Riemann ´e descrever as classes de isomorfismo de todas as superf´ıcies de Riemann em uma dada classe topol´ogica.

Riemann resolveu esse problema para superf´ıcies de Riemann simplesmente conexas. O Teorema de Uniformiza¸c˜ao de Riemann afirma que existem somente trˆes tipos diferentes de superf´ıcies de Riemann simplesmente conexas: o disco unit´ario, o plano complexo e a esfera de Riemann. No caso de superf´ıcies “duplamente” conexas X, pode-se mostrar que elas s˜ao isomorfas a um dom´ınio plano do tipo:

A(rX, RX) = {z ∈ C | rX < |z| < RX}

para algum rX e RX com 0 ≤ rX ≤ RX ≤ ∞. Al´em disso, quando X n˜ao ´e o plano

furado ou um disco furado, o quociente r = RX/rX determina a classe de isomorfismos

da superf´ıcie duplamente conexa X. Desse modo, o espa¸co de moduli dessas superf´ıcies

X ´e identificado com a semi-reta {r ∈ R | r > 0}.

A situa¸c˜ao torna-se mais interessante quando a topologia da superf´ıcie de Riemann em quest˜ao ´e mais complicada. Em primeiro lugar, complica¸c˜oes j´a s˜ao encontradas em

superf´ıcies de Riemann “triplamente conexas”, isto ´e, em cal¸cas: Uma cal¸ca ´e um superf´ıcie de Riemann homeomorfa a

S := ½ z ∈ C : |z| ≤ 1, |z −1 2| ≥ 1 4, |z + 1 2| ≥ 1 4 ¾

equipada com uma m´etrica hiperb´olica de tal modo que suas trˆes curvas de fronteira s˜ao geod´esicas.

Figura 3.1: dom´ınio trˆes-c´ırculo

Com o objetivo de resolver o problema de Moduli de Riemann para uma cal¸ca, na pr´oxima se¸c˜ao, demostraremos o seguinte reultado:

Teorema 3.1.1 A estrutura conforme (hiperb´olica) de uma cal¸ca ´e unicamente deter-

minada pelos comprimentos de suas trˆes curvas de fronteira c1, c2 e c3. Reciprocamene,

dados quaisquer n´umeros reais positivos λ1, λ2 e λ3, existe uma cal¸ca S cujas curvas de

fronteira c1, c2 e c3 possuem os comprimentos λ1, λ2 e λ3 respectivamente.

Esse teorema d´a origem `a seguinte constru¸c˜ao: seja

M (S) = { X | X ´e uma estrutura complexa em S }.

Observe que o grupo de homeomorfismos que preservam orienta¸c˜ao de uma cal¸ca S, deno- tado por Homeo+(S), age em M (S) do seguinte modo: seja X ∈ M (S) uma estrutura

complexa em S e seja f ∈ Homeo+(S). Definimos f∗(X ) ∈ M (S) como a estrutura

complexa em S tal que a aplica¸c˜ao

f : (S, f∗(X )) → (S, X )

´e uma equivalˆencia holomorfa entre essas duas superf´ıcies de Riemann. Para ser mais claro, se ϕi : Ui ⊂ S → C ´e uma carta da estrutura complexa X , ent˜ao ψi = ϕi◦f : f−1(Ui) → C

´e uma carta da estrutura complexa f∗(X ).

Desse modo, ´e natural identificarmos essas duas estruturas complexas de S em M (S). Assim, o espa¸co de Moduli de S ´e definido por:

Mod (S) = M (S)

Homeo+(S)

.

Entretanto, vamos analisar mais cuidadosamente as aplica¸c˜oes de Homeo+(S) que

deixam invariante cada uma das curvas de fronteira c1, c2 e c3 de S.

Argumentos topol´ogicos mostram que f ∈ Homeo+(S) deixa cada uma das curvas

de fronteira de S invariante se, e somente se, f ´e homot´opica `a identidade. Seja ent˜ao

Homeo0(S) o subgrupo de Homeo+(S) constitu´ıdo de todas as aplica¸c˜oes homot´opicas `a

identidade.

Naturalmente, da constru¸c˜ao acima, como Homeo0(S) ´e subgrupo de Homeo+(S),

podemos considerar a a¸c˜ao de Homeo0(S) em M (S). O espa¸co quociente obtido desta

a¸c˜ao ´e chamado espa¸co de Teichm¨uller de S: Teich (S) = M (S)

Homeo0(S)

.

Das considera¸c˜oes anteriores e do Teorema 3.1.1, o espa¸co de Teichm¨uller de uma cal¸ca S com curvas de fronteira c1, c2 e c3 possui a seguinte caracteriza¸c˜ao como conjunto:

seja [X ] ∈ Teich (S) a classe de equivalˆencia de uma certa estrutura complexa em S. Os comprimentos l(c1), l(c2) e l(c3) das curvas de fronteira de S, quando S est´a munida da

de um representante X em [X ]. Isso define uma aplica¸c˜ao: Φ : Teich (S) → R+× R+× R+

[X ] 7→ (l(c1), l(c2), l(c3))

O teorema 3.1.1 implica imediatamente em:

Teorema 3.1.2 A aplica¸c˜ao Φ descrita acima ´e uma bije¸c˜ao.

Desse modo, o espa¸co de Teichm¨uller de uma cal¸ca possui uma descri¸c˜ao razoavel- mente simples. Voltemos agora ao problema de analisarmos o espa¸co de Moduli de S. ´E claro que Homeo+(S) cont´em aplica¸c˜oes que permutam as trˆes curvas de fronteira de S

de todas as seis maneiras poss´ıveis. Da´ı conclu´ımos que Mod (S) = R+× R+× R+

permuta¸c˜ao de coordenadas .

Esse exemplo simples, o estudo dos espa¸cos de Moduli e de Teichm¨uller de uma cal¸ca, serve para ilustrar a diferen¸ca entre o espa¸co de Teichm¨uller e o espa¸co de Moduli de uma superf´ıcie de Riemann.

Vamos agora estender as defini¸c˜oes anteriores para qualquer superf´ıcie e vamos, nas pr´oximas se¸c˜oes, determinar o espa¸co de Teichm¨uller de uma superf´ıcie de Riemann com- pacta de gˆenero ≥ 2 .

3.2

Defini¸c˜oes de espa¸co de Moduli e de Teichm¨uller

No documento COORDENADAS DO ESPAÇO DE (páginas 50-57)

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