Теория катастроф

Пример 3. Колчаном называется набор точек и соединяющих их стрелок. Если каждой точке сопоставлено линейное пространство (точка, прямая, плоскость,...), а каждой стрелке — линейное отображение (соответствующего началу стрелки пространства в соответствующее концу), то говорят, что задано представление колчана. Два представления называются эквивалентными, если одно переходит в другое при подходящих линейных преобразованиях пространств.

Колчан на рис. 82 слева прост, справа непрост (см. пример 1).

Рис. 82. Простой и непростой колчаны

Оказывается, все связные простые колчаны получаются произвольной расстановкой стрелок на изображенных на рис. 83 диаграммах Дынкина, образующих две бесконечные серии и три исключительные диаграммы.

Простые особенности каустик и волновых фронтов также образуют две бесконечные серии А_k и D_k и три исключительные особенности Е_k (начальные члены серий изображены на рис. 34 — 45).

Рис. 83. Диаграммы Дынкина, определяющие простые колчаны

Группы симметрий правильных многогранников в трехмерном пространстве также образуют две бесконечные серии и три исключения (исключения — группы симметрий тетраэдра (Е₆), октаэдра (Е₇) и икосаэдра (Е₈), серии — группы правильного многоугольника и правильного диэдра, т. е. двустороннего многоугольника с окрашенными в разные или одинаковые цвета гранями).

На первый взгляд, функции, колчаны, каустики, фронты и правильные многогранники не связаны между собой. На самом деле соответственные объекты не случайно обозначены одинаково: например, из икосаэдра можно построить функцию х² + у³ + z⁵, а из нее — диаграмму Е₈, а также каустику и волновой фронт того же имени.

Легко проверяемым свойствам одного из соответствующих друг другу объектов соответствуют не обязательно очевидные свойства других. Таким образом, связи между всеми А, D, Е-классификациями используются для одновременного изучения всех простых объектов, несмотря на то, что происхождение многих из них (например, связей между функциями и колчанами) остается необъясненным проявлением загадочного единства всего сущего.

По словам поэта:

Мир создан купно. Целостность его
Не устает показывать планета —
И вот в глаза бросается родство
То тут, то там сияющего света.
Наверно, есть какое-то ядро,
Откуда свет расходится повсюду:
И в зрелый свет сентябрьских щедрот,
И в нашей жизни трепетное чудо.

Описание в терминах теории особенностей было найдено в 1983 г. для всех групп Кокстера, порожденных отражениями в евклидовых пространствах, включая некристаллографические, вроде Н₃ и Н₄.

Группы В_k, С_k и F₄ связаны с краевыми особенностями функций (1978). Катастрофисты, кажется, все ещkkе не заметили связей теории краевых особенностей с простейшими (и важнейшими) случаями так называемой теории несовершенных бифуркаций. Более сложные случаи последней связаны с теорией Горюнова проектирований полных пересечений, которая является далеким обобщением теории краевых особенностей. В теории Горюнова, в частности, исключительная группа F₄ оказывается родоначальником целого семейства особенностей F_k, k ≥ 4.

Геометрическая интерпретация каустики F4 найдена И. Г. Щербак. Рассмотрим поверхность с краем в обычном трехмерном евклидовом пространстве. Каустика поверхности с краем состоит из трех поверхностей: фокального множества исходной поверхности (образованного ее центрами кривизны), фокального множества граничной кривой (являющегося огибающей семейства нормальных плоскостей) и поверхности, составленной из нормалей к исходной поверхности в граничных точках. Для поверхностей с краем общего положения в отдельных точках край касается направления главной кривизны. В окрестности фокальной точки на нормали к поверхности, проведенной в такой точке края, каустика поверхности локально диффеоморфна каустике группы F₄ (рис. 84).

Н₃, группа симметрий икосаэдра, связана с перестройками эвольвент плоской кривой вблизи ее точки перегиба. В соответствующей плоской задаче об обходе препятствий график многозначной функции времени диффеоморфен многообразию нерегулярных орбит группы Н₃; он диффеоморфен также объединению касательных к кривой х = t, у = t³, z = (О. В. Ляшко, О. П. Щербак). В задаче об обходе препятствия в трехмерном пространстве то же многообразие описывает особенность фронта в некоторых точках на поверхности препятствия.