Множество пар комплексных чисел (х, у), удовлетворяющих уравнению f (х, у) = 0, называется комплексной кривой. С вещественной точки зрения это двумерная поверхность в четырехмерном пространстве. Как правило почти при любых коэффициентах многочлена f) комплексная кривая — неособая. Из предыдущих рассуждений следует, что все неособые кривые данной степени топологически одинаковы. Чтобы найти топологию этих поверхностей, достаточно поэтому изучить одну из неособых комплексных кривых данной степени.
Ответ оказывается таким: поверхность получается из сферы приделыванием g = (n — 1 )(n — 2)/2 ручек и выкидыванием из образовавшейся поверхности n точек. Например, комплексная прямая (n = 1) — это вещественная плоскость (сфера без одной точки), комплексная окружность — вещественный цилиндр (сфера без двух точек)" комплексная кривая степени 3 топологически устроена как поверхность тора, проколотая в трех местах.
Рис. 75. Риманова поверхность плоской алгебраической кривой
Самый простой способ в этом убедиться — получить неособую кривую небольшим шевелением из набора п прямых. Начнем, скажем, с n вещественных прямых, расположенных общим образом на плоскости и потому пересекающихся в n (n — 1)/2 точках (рис. 75). Каждая прямая задается линейным неоднородным уравнением вида l = 0, где l = ах + by + с. Перемножим соответствующие n прямым линейные функции I. Произведение обращается в нуль в точности на n прямых. Замена распадающейся на прямые кривой f = 0 на неособую кривую f = (малое число) и есть нужное шевеление.
При переходе к комплексным х и у каждая прямая становится в вещественном смысле плоскостью, так что кривая f = О превращается при комплексификации в набор n плоскостей. Каждые две такие плоскости в четырехмерном пространстве пересекаются по точке (ведь точки при комплексификации так и остаются точками). При описанном выше шевелении поверхность становится гладкой. Сглаживание устроено так: окрестность точки пересечения на каждой из обеих пересекающихся плоскостей выкидывается и затем две образовавшихся окружности склеиваются друг с другом (так, чтобы получилась ориентируемая поверхность).
Например, из трех попарно пересекающихся по точке сфер при сглаживании трех точек пересечения получается тор (рис. 75), Точно так же из п сфер получается сфера с (п — 1) (п — 2)/2 ручками, а из n плоскостей — сфера со столькими же ручками без n точек.
Тем самым мы решили задачу о топологическом строении неособой комплексной алгебраической кривой степени n (сфера с ручками, возникшая в этой конструкции, называется римановой поверхностью кривой)[9].
Что же касается топологического строения вещественной кривой степени n, то оно до сих пор известно лишь для кривых малой степени (неизвестно уже, как могут располагаться ветви кривой степени 8 на плоскости).
Подобно теории кривых, теория особенностей также упрощается при переходе в комплексную область; многие явления, кажущиеся с вещественной точки зрения совершенно загадочными, в комплексной области получают прозрачное объяснение.
Рассмотрим, например, строение простейших критических точек комплексных функций (т. е. комплексификацию теории максимумов и минимумов).
Для вещественной функции критические точки связаны с перестройками линий или поверхностей уровня. Например, вещественная линия уровня х2 + у2 = с функции f = х2 + у2 пуста при с < 0и является окружностью при с > 0. Для функции х2 — у2 перестройка иная: асимптоты гиперболы х2 — у2 = c по-разному соединены ветвями этой гиперболы в зависимости от знака с. В этих примерах единственное критическое значение с = 0. Многообразия критического уровня — негладкие, некритического — гладкие.
В комплексном случае ось значений функции становится плоскостью комплексного переменного с. Критические значения лежат в этой плоскости изолированно и не делят ее на части. Поэтому многообразия уровня с при всех некритических значениям с устроены топологически одинаково. Если с, изменяясь, проходит через критическое значение, то никакой перестройки не происходит: многообразие уровня, правда, становится особым в момент прохождения с через критическое значений, но затем мгновенно возвращается в первоначальное состояние.
В комплексном случае вместо того, чтобы проходить через критическое значение, нужно обходить вокруг него (проявление общего принципа, согласно которому комплексным аналогом вещественного понятия "край" является "разветвленное накрытие").
Итак, рассмотрим на плоскости комплексного переменного с путь, обходящий критическое значение.
9
Между прочим, из топологических свойств тора (а именно из того, что пара меридианов делит тор на две части) следует, что периоды колебаний с одинаковой полной энергией в обеих ямах механической системы с потенциальной энергией четвертой степени одинаковы (на торической римановой поверхности множества уровня энергии — фазовые кривые обеих ям — разные меридианы).