Imagina llenar un paisaje con agua: al subir el nivel puede aparecer una isla, unirse dos regiones o cerrarse un hueco. La teoría de Morse convierte esa imagen en un estudio preciso de funciones sobre variedades. Primero aprenderemos a reconocer cada punto crítico; después veremos qué cambio de topología puede producir.
Si necesitas repasar:
1. El primer dato es dónde se anula el diferencial
Para una función suave f: M→R, un punto crítico p cumple df_p=0: ninguna dirección tangente produce variación de primer orden allí. En una carta esto significa que todas sus primeras derivadas parciales se anulan. El gradiente usa una métrica; la condición df_p=0 no depende de elegirla.
En un punto crítico, las segundas derivadas forman una forma bilineal simétrica intrínseca: la Hessiana. Al cambiar de coordenadas aparecen términos con primeras derivadas de f, pero justo allí se anulan. Por eso el signo de sus direcciones es un dato geométrico del punto crítico.
Encontrar un único punto crítico
f(x, y)=x²+3y².
Primeras derivadas
=2x y
=6y.
Anular ambas
2x=0 y 6y=0 dan (x, y)=(0,0).Hessiana
La matriz es diag(2,6), positiva en todas las direcciones no nulas.
El origen es un mínimo crítico.
Fuera de él al menos una derivada no es cero; no se busca anular solo una de las dos.
Una derivada que nunca se anula
f(x, y)=x+y² en R².
Derivar
=1 y
=2y.
Comprobar
La primera componente del diferencial siempre es uno.
Concluir
No hay ningún punto crítico, ni siquiera sobre y=0.
Hacer =0 no basta para que df=0.
La Hessiana diag(0,2) es singular, pero no clasifica puntos críticos porque aquí no hay ninguno.
2. No degenerado significa Hessiana invertible; el índice cuenta signos negativos
Un punto crítico es no degenerado si su Hessiana es invertible. Su índice λ es el número de autovalores negativos, contados con multiplicidad. La ley de inercia de Sylvester garantiza que ese número no cambia al usar otras coordenadas.
En dimensión n, índice cero significa mínimo local no degenerado; índice n, máximo; los índices intermedios corresponden a sillas. El determinante solo informa del producto de autovalores: un determinante positivo no distingue por sí solo mínimo de máximo en dimensión par.
Una silla del plano
f(x, y)=x²−y².
Crítico
df=(2x,−2y), así que el único crítico es el origen.Hessiana
diag(2,−2) tiene determinante −4 y no es singular.
Índice
Un autovalor es negativo: λ=1.
El origen es una silla no degenerada de índice uno.
En el eje x la función sube desde cero y en el eje y baja.
Mismo determinante positivo, tipos distintos
Comparar x²+y² y −x²−y².
Matrices
Las Hessianas son diag(2,2) y diag(−2,−2).
Determinantes
Ambas tienen determinante cuatro.
Signos
La primera tiene índice cero; la segunda índice dos.
Un mínimo y un máximo pueden tener el mismo determinante.
Hay que contar signos o usar un criterio equivalente que los distinga.
3. El lema de Morse elimina los términos superiores mediante nuevas coordenadas
Cerca de un punto crítico no degenerado de índice λ existen coordenadas u centradas en él en las que . Es una igualdad local exacta después del cambio de coordenadas, no solo una aproximación de Taylor.
Una función de Morse es aquella cuyos puntos críticos son todos no degenerados. Esos puntos son aislados. Si además M es compacta, hay un número finito: el conjunto crítico es cerrado y un conjunto de críticos aislados no puede acumularse dentro de él.
Hacer explícito un cambio de coordenada
f(x)=x²+x⁴ cerca de cero.
Factorizar
f=x²(1+x²).Cambiar variable
Definir u=x√(1+x²); su derivada en cero es uno, así que es coordenada local.
Reescribir
f=u² exactamente.
El término de grado cuatro queda incorporado en la coordenada u.
No se ha dicho que x⁴ sea cero ni se ha borrado como aproximación.
Leer una forma normal de tres variables
f=7−u²−v²+w².
Valor crítico
En el origen f=7.Descensos
Las direcciones u y v tienen signo negativo.
Índice
λ=2 en una variedad de dimensión tres.
Es una silla de índice dos.
El valor siete desplaza la altura, pero no cambia el tipo ni el índice.
4. Entre niveles sin críticos hace falta controlar que el flujo no escape
Si la franja f⁻¹([a, b]) es compacta y no contiene puntos críticos, el campo satisface df(V)=1. Por tanto su flujo aumenta f a velocidad uno y transporta unos niveles a otros.
Con los extremos regulares y las condiciones usuales sin borde, esto da el teorema de ausencia de cambios entre niveles: los subniveles son difeomorfos tras ajustar el flujo y uno se retrae sobre el otro. La compacidad de la franja asegura la existencia del flujo durante el tiempo necesario; sin ella pueden aparecer cambios desde el infinito.
Subir por una corona sin encontrar un crítico
f(x, y)=x²+y² y niveles de uno a cuatro.
Franja
1≤x²+y²≤4 es una corona compacta.Campo
∇f=(2x,2y), así que V=(x, y)/(2(x²+y²)).Variación
df(V)=2x·x/(2r²)+2y·y/(2r²)=1.
Los círculos de radios uno y dos son niveles del mismo tipo.
El origen crítico queda fuera de la franja considerada.
El flujo puede escapar sin un crítico
f(x)=eˣ en R, con nivel cero incluido como extremo.
Críticos
f′=eˣ es siempre positiva.Subniveles
M₀ es vacío, mientras M₁=(−∞,0] no lo es.Hipótesis
f⁻¹([0,1])=(−∞,0] no es compacto; bajar el nivel a cero exige escapar a menos infinito.
No hay contradicción con el teorema: falta compacidad.
El valor cero es regular por fibra vacía, pero eso no controla lo que ocurre en el infinito.
5. Cruzar un punto de índice λ añade un asa con núcleo de dimensión λ
Supongamos una franja compacta con un único punto crítico no degenerado de índice λ, entre dos valores regulares. Al cruzarlo, el subnivel superior se obtiene, hasta el marco preciso de asas, añadiendo por
. La pieza completa tiene dimensión n; su núcleo
es la celda de dimensión λ que describe el cambio de homotopía.
Un asa de índice uno puede unir dos componentes o abrir un ciclo en una misma componente: depende de dónde se peguen sus extremos. El índice especifica el tipo de pieza, pero no todo el mapa de pegado.
Unir dos discos por una banda
Una superficie tiene dos componentes, ambas discos, antes de un asa de índice uno.
Pieza
El asa es D¹×D¹, una banda rectangular.
Pegar
Un extremo se pega al primer disco y el otro al segundo.
Cambio
Las dos componentes quedan unidas en una sola; no se crea necesariamente un ciclo nuevo.
El número de componentes baja en uno.
Si ambos extremos se pegasen a una misma componente, el efecto homológico podría ser distinto.
El índice no es la dimensión de la variedad
Un punto de índice dos en una variedad de dimensión cinco.
Asa
La pieza es D²×D³, de dimensión 2+3=5.Zona de pegado
Es S¹×D³.
Núcleo
La celda que registra el cambio de homotopía es D²×{0}.
La variedad sigue teniendo dimensión cinco.
Solo el núcleo del asa tiene dimensión igual al índice.
6. El complejo de Morse registra también cómo se conectan los críticos
En una variedad cerrada, elegimos una función de Morse y una métrica con condición Morse–Smale: las variedades estables e inestables del flujo negativo del gradiente se cortan transversalmente. En grado j, el grupo tiene un generador por cada crítico de índice j.
La frontera cuenta trayectorias de flujo entre críticos de índices consecutivos, identificando las que solo difieren por trasladar el tiempo. Sobre F₂ se cuentan módulo dos; sobre Z se necesitan orientaciones coherentes. El análisis de trayectorias rotas demuestra ∂²=0, y el teorema de homología de Morse identifica H_*(C,∂) con H_*(M).
Aquí enunciamos esos resultados globales y practicamos su álgebra.
Dos caminos del círculo se cancelan módulo dos
Una altura de S¹ tiene un máximo y un mínimo.
Índices
El máximo genera C₁ y el mínimo genera C₀.
Trayectorias
Hay dos arcos descendentes del máximo al mínimo; tras dividir por traslación temporal dan dos trayectorias.
Frontera
En F₂, dos es cero: ∂=0; sobreviven H₁=F₂ y H₀=F₂.
No basta ver una flecha posible: se cuentan las dos.
Con signos coherentes sobre enteros también se cancelan, pero no por la igualdad 2=0.
Un par algebraico puede cancelarse
Modelo de cadenas sobre F₂: C₁=⟨a, c⟩, C₀=⟨b, d⟩, con ∂a=b y ∂c=0.
Núcleo
αa+γc tiene frontera αb; el núcleo es ⟨c⟩.
Imagen
La imagen en grado cero es ⟨b⟩.
Homología
Sin otros grupos, H₁=⟨c⟩ y H₀ está generado por la clase de d.
Cuatro generadores de cadenas han dado dos clases de homología.
Este es un modelo algebraico, no la afirmación de que cualquier colección de flechas provenga de una función de Morse concreta.
7. Las desigualdades comparan críticos con homología, sin identificarlos siempre
Si cuenta críticos de índice j y
es la dimensión de
(M; K) sobre un cuerpo K, se cumple
≥
. Las desigualdades fuertes se expresan mediante M(t)=∑
ʲ y P(t)=∑
ʲ:
, donde Q tiene coeficientes no negativos.
Una función perfecta sobre K cumple =
en todos los grados; no toda función es perfecta.
Críticos extra compatibles con un círculo
Una función de Morse en S¹ tiene tres mínimos y tres máximos.
Polinomios
M(t)=3+3t y P(t)=1+t.Restar
M−P=2+2t=(1+t)·2.Euler
3−3=0, como χ(S¹).
Puede haber más críticos que los mínimos exigidos por la homología.
La diferencia es compatible con Q=2; no cambia los números de Betti del círculo.
Una lista que no puede corresponder a S²
Se proponen un mínimo, una silla y un máximo.
Índices
Los recuentos serían m₀=1, m₁=1, m₂=1.Suma alternada
1−1+1=1.Comparar
χ(S²)=2, así que esos recuentos no pertenecen a una función de Morse en S² cerrada.
La característica de Euler detecta la imposibilidad.
No se concluye que las sillas estén prohibidas: pueden aparecer acompañadas de otros críticos.
8. La esfera y el toro muestran el paso del cálculo a la topología
Para la altura f(x, y, z)=z en S² unidad, los críticos son los polos. Cerca del sur, z=−√(1−x²−y²) tiene Hessiana +I en el origen; cerca del norte, +√(1−x²−y²) tiene Hessiana −I. Los índices son cero y dos.
En el toro abstracto T²=S¹×S¹ con ángulos θ, φ módulo 2π, usamos f=cos θ+2 cos φ. Las primeras derivadas son −sin θ y −2 sin φ. Las cuatro soluciones tienen θ, φ en {0, π}; la Hessiana diag(−cos θ,−2 cos φ) permite clasificarlas sin imaginar una superficie inclinada.
La altura de la esfera
Contar los críticos de cada índice.
Sur
Es mínimo, índice cero, valor −1.
Norte
Es máximo, índice dos, valor uno.
Recuento
M(t)=1+t² y χ=1+1=2.
Esta función es perfecta sobre cualquier cuerpo: coincide con los Betti de S².
No hay crítico de índice uno en esta función concreta.
Calcular las dos sillas del toro
f=cos θ+2 cos φ.
Primer punto
En (0, π), f=−1 y Hess=diag(−1,2): índice uno.Segundo punto
En (π,0), f=1 y Hess=diag(1,−2): índice uno.Completar
(π, π) es mínimo de valor −3; (0,0), máximo de valor tres; χ=1−2+1=0.
Los dos valores de silla quedan separados y el recuento coincide con el toro.
La separación de alturas permite estudiar los cambios de subnivel de uno en uno.
9. Un mínimo puede ser degenerado y un dominio abierto requiere otras hipótesis
No degenerado es una condición más fuerte que ser máximo o mínimo. La función x⁴ tiene mínimo estricto en cero y segunda derivada cero; x³ también tiene derivada y segunda derivada cero allí, pero ni siquiera tiene un extremo. Una Hessiana singular deja la clasificación abierta.
Las fórmulas finitas anteriores se han enunciado para variedades cerradas. En variedades no compactas suelen pedirse condiciones como función propia, acotación inferior y control de críticos; con borde hay resultados adicionales sobre el comportamiento en él. Las perturbaciones genéricas producen funciones de Morse en el marco adecuado, pero no permiten ignorar condiciones fijadas ni el infinito.
Distinguir dos críticos degenerados
Comparar f=x⁴ y g=x³ en cero.
Derivadas
f′(0)=g′(0)=0 y f″(0)=g″(0)=0.Valores próximos
x⁴>0 si x≠0; x³ cambia de signo al cruzar cero.Tipos
El primero es mínimo estricto; el segundo no es extremo; ninguno es crítico de Morse.
El valor cero de la Hessiana no determina el comportamiento.
No se asigna índice de Morse a un crítico degenerado usando solo el número de autovalores negativos.
No aplicar Euler compacto a una recta abierta
f(x)=x en R.
Críticos
f′=1, así que no hay ninguno.Topología
R es contráctil y tiene χ=1 para su homología ordinaria.Hipótesis
La igualdad de suma finita de críticos con χ de una variedad cerrada no se aplica aquí.
El recuento cero no contradice χ(R)=1.
La función no es acotada inferiormente y la variedad no es compacta.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un punto silla
Clasifica f(x,y)=x²−y².
Función
f(x, y)=x²−y².Punto crítico
Las derivadas 2x y −2y se anulan simultáneamente solo en el origen.
Hessiana
Las segundas derivadas forman diag(2,−2).
No degeneración
El determinante es −4, distinto de cero.
Índice
Hay un autovalor negativo, por lo que el índice es uno.
Interpretación
Al movernos sobre x aumenta f y sobre y disminuye: es una silla de Morse.
Es un punto de Morse de índice 1.
La función toma signos positivos y negativos cerca del origen.
EJEMPLO RESUELTO 2
Altura en S²
Una altura usual en S² tiene un mínimo y un máximo. Calcula χ.
Función sobre la esfera
La altura es f(x, y, z)=z restringida a S².Críticos
Las variaciones tangentes anulan df solo en el polo norte y el sur.
Sur
La expansión de −√(1−x²−y²) tiene Hessiana +I: mínimo de índice cero.
Norte
La de +√(1−x²−y²) tiene Hessiana −I: máximo de índice dos.
Recuento
Hay un crítico de índice cero, ninguno de índice uno y uno de índice dos.
Euler
1−0+1=2, la característica de Euler de la esfera.
χ(S²)=2.
No aparecen puntos silla.
Los símbolos que hemos usado
- f:M→R
- Función suave sobre una variedad suave de dimensión n.
- Punto crítico p
- Punto donde dfₚ=0; no requiere elegir una métrica.
- Hessₚf
- Forma bilineal de segundas derivadas en un punto crítico.
- λ(p)
- Índice de Morse: número de direcciones negativas de la Hessiana no degenerada.
- M_a
- Subnivel {x∈M:f(x)≤a}.
- m_j
- Número de puntos críticos de índice j de una función de Morse.
- b_j
- Dimensión de H_j(M;k) para un cuerpo k.
- Asa de índice λ
- Producto D^λ×D^{n−λ}, pegado por S^{λ−1}×D^{n−λ}.
- Morse–Smale
- Condición de transversalidad de las variedades estables e inestables del gradiente elegido.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
Practicar este tema →