Zagadnienia

1. Układy dynamiczne- definicje i przykłady

1.1. Co to jest układ dynamiczny

  • Układ dynamiczny (topologiczny)

    X -przestrzeń topologiczna (najczęściej- metryczna), ϕ:X→X- przekształcenie ciągłe.

  • Układ dynamiczny (metryczny)

    X,M,μ- przestrzeń z miarą probabilistyczną.

    ϕ:X→X przekształcenie mierzalne zachowujące miarę μ.

    Tu definicja:

    Definicja 1.1

    X,M,μ przestrzeń z miarą. Mówimy że przekształcenie ϕ:X→X jest mierzalne jeśli dla każdego A∈M przeciwobraz ϕ-1⁢A również należy do σ- ciała M.

    Definicja 1.2

    Przekształcenie mierzalne ϕ:X→X zachowuje miarę μ jeśli dla każdego A∈M μ⁢ϕ-1⁢A=μ⁢A.

  • Układ dynamiczny (gładki), z czasem dyskretnym

    M- gładka rozmaitość, f:M→M dyfeomorfizm (lub endomorfizm) klasy C1

  • Układ dynamiczny (gładki) z czasem ciąglym

    M- gładka rozmaitość (na ogół zakłada się też zwartość), X- pole wektorowe na M, klasy C1, ϕt- potok pola wektorowego X. Jest to rodzina dyfeomorfizmów, tzn φt+s=φt∘φs

    dd⁢t⁢ϕt⁢x|t=t0=X⁢ϕt0⁢x

    Jeśli rozmaitość jest zwarta to z twierdzenia o przedłużaniu trajektorii wynika że potok pola wektorowego X jest określony dla wszystkich t∈R. Rodzina przekształceń ϕt jest więc jednoparametrową grupą dyfeomorfizmów M.

Definicja 1.3

Niech T będzie układem dynamicznym z czasem dyskretnym. Trajektorią punktu x nazywamy ciąg nieskończony x,T⁢x,…⁢Tn⁢x,….

1.2. Najprostsze przykłady

Przykład 1.1 (Obrót na okręgu)

Niech S1=z:z=1; określamy przekształacenie

T⁢α⁢z=e2⁢π⁢i⁢α⁢z

To przekształcenie zachowuje oczywiście miarę Lebesgue'a na okręgu. Zauważmy że jeśli α jest wymierne- każda trajektoria jest okresowa, a gdy α jest niewymierne- każda trajektoria jest gęsta (dlaczego?).

Przykład 1.2 (Przesunięcie na torusie)

Torus możemy utożsamiać z przestrzenią ilorazową R2/Z2; gdzie relacja utożsamienia jest następująca:

x1,y1≈x2,y2⇔x1-x2,y1-y2∈Z2

Zatem - torus można też utożsamiać z produktem dwóch okręgów S1×S1. Na płaszczyźnie rozważamy przekształcenie x,y↦x+a,y+b. Wyznacza ono przekształcenie torusa

S1×S1∋z1,z2↦w1⁢z1,w2⁢z2

gdzie w1=e2⁢π⁢i⁢a,w2=e2⁢π⁢i⁢b.

Zauważmy że jeśli w1,w2 są pierwiastkami z jedynki (rówmoważnie- jeśli a,b są wymierne) to każda trajektoria jest okresowa.

Załóżmy że a,b są niezależne nad pierścieniem Z, to znaczy n⁢a+m⁢b∈Z ma tylko jedno rozwiązanie w liczbach całkowitych: n=m=0. Poniżej sprawdzimy że wtedy każda trajektoria jest gęsta w T2.

Natomiast jeśli a,b są zależne nad Z, ale przynajmniej jedna z tych liczb jest niewymierna, to mamy jeszcze inna sytuację (niewidoczną w przypadku jednowymiarowym): niech, np a∉Q,b=0. Wówczas torus jest sumą niezmienniczych okręgów; każda trajektoria jest gęsta na ”swoim” okręgu, ale żadna trajektoria nie jest gęsta na torusie.

W następnym rozdziale zbadamy ogólną sytuację przesunięcia na n-wymiarowym torusie. Wprowadzimy tez ważne w Układach Dynamicznych pojęcie topologicznej tranzytywności.

Przykład 1.3 (Układ z ciągłym czasem na torusie)

Określamy jednoparametrową grupę przekształceń torusa:

S1×S1∋z1,z2↦e2⁢π⁢i⁢α⁢t⁢z1,e2⁢π⁢i⁢β⁢t⁢z2

Te przekształcenia w R2 przed utożsamieniem, mają postać

x,y↦x+α⁢t,y+β⁢t.

Jest to więc potok pola wektorowego (równania różniczkowego) na płaszczyźnie:

x˙=a,y˙=b
Przykład 1.4 (Układ z ciągłym czasem na płaszczyźnie)
x˙=-y+μ⁢x⁢1-x2-y2
y˙=x+μ⁢y⁢1-x2-y2

Ten układ we współrzędnych biegunowych ma postać

θ˙=1
2˙=μ⁢r⁢1-r2

Zatem - dla każdego punktu x,y, poza stacjonarnym punktem 0,0, zbiór punktów granicznych trajektorii jest okręgiem z=1, ten okrąg jest trajektorią zamkniętą.

Przykład 1.5 (Układ z ciągłym czasem na płaszczyźnie)
x˙=y
y˙=x-x3-μ⁢y⁢2⁢y2-2⁢x2+x4

Jest to zaburzenie układu

x˙=y
y˙=x-x3

Łatwo sprawdzić że dla tego drugiego układu funkcja H⁢x,y=2⁢y2-2⁢x2+x4 jest całką pierwszą. Zatem - trajektorie są zawarte w poziomicach funkcji H.

Ćwiczenie 1.1

Naszkicować poziomice H. Następnie, badając znak pochodnej dd⁢t⁢H⁢x⁢t,y⁢t dla wyjściowego układu, naszkicować jego trajektorie. Zbadać punkty skupienia trajektorii.

1.3. Topologiczna tranzytywność: przykład- przesunięcie na torusie

Definicja 1.4

Niech X będzie przestrzenią metryczną zwartą, T:X→X- przekształceniem ciągłym. Mówimy że T jest topologicznie tranzytywne jeśli dla dowolnych otwartych podzbiorów U,V∈X istnieje n∈N takie że

Tn⁢U∩V≠∅ (1.1)

Wykażemy

Stwierdzenie 1.1

Niech X będzie metryczną przestrzenią zwartą i ośrodkową. Niech T:X→X będzie przekształceniem ciągłym. Wówczas T jest topologicznie tranzytywne wtedy i tylko wtedy gdy istnieje x∈X takie że trajektoria x jest gęsta w X.

Jeśli istnieje gęsta trajektoria to istnieją k,l>k takie że Tk⁢x∈U, Tl⁢x∈V. Zatem Tl-k⁢U∩V≠∅. Aby dowieść drugą implikację, ustalmy przeliczalną bazę topologii Un. Ustalamy jeden zbiór z tej rodziny Un0. Rozpatrzmy teraz zbiór Dn0 złożony z punktów, których trajektorie omijają Un0:

Dn0=x∈X:∀n≥0⁢⁢⁢⁢Tn⁢x∉Un0.

Ten zbiór jest domknięty i brzegowy (ta druga własność wynika stąd że założyliśmy (1.1)). Z Twierdzenia Baire'a (zauważmy że przestrzeń X jest zupełna) wynika że zbiór

D=⋃nDn

jest brzegowy, i -w szczególności- niepusty. Każdy punkt x∈X∖D ma gęstą trajektorię.

∎

Zbadamy teraz topologiczną tranzytywność przesunięć na n-wymiarowych torusach. Oczywiście, przesunięcie na Tn=S1×…×S1 jest dane wzorem

T⁢z1,z2⁢…⁢zn=exp⁡2⁢π⁢i⁢a1⁢z1,exp⁡2⁢π⁢i⁢a2⁢z2⁢…⁢exp⁡2⁢π⁢i⁢an⁢zn. (1.2)

Mamy

Stwierdzenie 1.2

Niech T będzie przesunięciem na torusie Tn. Wówczas T jest topologicznie tranzytywne wtedy i tylko wtedy gdy a1,a2,…⁢an są niezależne nad Z, tj. jeśli dla pewnych k1,k2⁢…⁢kn∈Z

k1⁢a1+k2⁢a2+…⁢kn⁢an∈Z

to k1=k2=…=0.

Załóżmy że współrzedne przesunięcia (a1,…an są zależne; k1⁢a1+…+kn⁢an∈Z. Rozważmy funkcję

ϕ⁢z1,…⁢zn=z1k1⁢…⁢znkn.

Wówczas ϕ∘T=ϕ (mówimy że funkcja ϕ jest T- niezmiennicza). Rozważmy ψ=re⁢ϕ; ta funkcja też jest t- niezmiennicza. Widzimy że dla pewnego t∈R zbiory Ut=x:ψ⁢x<t i Vt=x:ψ⁢x>t są niepuste. Ponadto, są one otwarte i T-niezmiennicze: T⁢Ut=Ut, T⁢Vt=Vt. Przeczy to tranzytywności.

Załóżmy teraz że T nie jest tranzytywne, czyli dla pewnych otwartych U,V i dla wszystkich naturalnych n Tn⁢U∩V=∅. Biorąc U~=⋃n=-∞∞Tn⁢U i V~=⋃n=-∞∞Tn⁢V widzimy że są to dwa otwarte, rozłączne, T- niezmiennicze podzbiory.

Rozważmy funkcję g=1U~- czyli funkcję charakterystyczną U~

Chcemy użyć rozwinięcia Fouriera tej funkcji, dokładniej- mamy

Stwierdzenie 1.3

W przestrzeni L2⁢Tn mamy ortonormalną bazę daną przez funkcje postaci

z1k1⁢z2k2⁢…⁢znkn,

k1,k2⁢…⁢kn∈Zn.

Korzystając z tego stwierdzenia, możemy napisać

g=∑k1,k2⁢…⁢knbk1,k2⁢…⁢kn⁢z1k1⁢z2k2⁢…⁢znkn

i rozkład ten jest jednoznaczny.

Wówczas

g∘T=∑k1,k2⁢…⁢knbk1,k2⁢…⁢kn⁢z1k1⁢z2k2⁢…⁢znkn⁢exp⁡2⁢π⁢i⁢k1⁢a1⁢exp⁡2⁢π⁢i⁢k2⁢a2⁢…⁢exp⁡2⁢π⁢i⁢kn⁢an

Z jednoznaczności rozwinięcia Fouriera wynika więc że

bk1,k2⁢…⁢kn=bk1,k2⁢…⁢kn⋅exp⁡2⁢π⁢i⁢a1⁢exp⁡2⁢π⁢i⁢a2⁢…⁢exp⁡2⁢π⁢i⁢an

Ponieważ funkcja g nie jest stała, jej rozwinięcie ma więcej niż jeden składnik. Wynika stąd że dla pewnych k1,…⁢kn (nie wszystkich równych zero) mamy

k1⁢a1+…⁢kn⁢an∈Z.
∎

Zauważmy jeszcze

Uwaga 1.1

Dla przesunęcia na torusie mamy równowżność: pewna trajektoria jest gęsta jest równoważne temu że każda trajektoria jest gęsta. Wynika to stąd że trajektorie dwóch różnych punktów różnią sie o przesunięcie (mnożenie przez element grupy Tn)

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.