WikiDer > Стабильный коллектор

В математика, и в частности изучение динамические системы, идея стабильные и нестабильные наборы или же устойчивые и неустойчивые многообразия дать формальное математическое определение общим понятиям, воплощенным в идее аттрактор или же репеллент. В случае гиперболическая динамика, соответствующее понятие - понятие гиперболический набор.

Физический пример

Гравитационные приливные силы, действующие на кольца Сатурна предоставьте простой для визуализации физический пример. В приливные силы расплющите кольцо в экваториальной плоскости, даже если они растягивают его в радиальном направлении. Представляя кольца как частицы песка или гравия («пыль») на орбите вокруг Сатурна, приливные силы таковы, что любые возмущения, толкающие частицы выше или ниже экваториальной плоскости, приводят к тому, что частица ощущает восстанавливающую силу, толкая ее обратно в самолет. Частицы эффективно колеблются в гармонической яме, затухая от столкновений. Устойчивое направление перпендикулярно кольцу. Неустойчивое направление - вдоль любого радиуса, где силы растягивают и разрывают частицы. Две частицы, которые стартуют очень близко друг к другу в фазовое пространство будут испытывать радиальные силы, заставляющие их радиально расходиться. Эти силы имеют положительный Показатель Ляпунова; траектории лежат на гиперболическом многообразии, и движение частиц по существу хаотичный, блуждая по кольцам. В центральный коллектор проходит по касательной к кольцам, при этом частицы не испытывают ни сжатия, ни растяжения. Это позволяет преобладать гравитационным силам второго порядка, и поэтому частицы могут быть увлечены лунами или лунами в кольцах, фазовая синхронизация им. Гравитационные силы лун эффективно обеспечивают регулярно повторяющийся небольшой толчок каждый раз вокруг орбиты, похожий на выбитый ротор, например, найденный в ФАПЧ.

Движение частиц в кольце в дискретном времени можно аппроксимировать уравнением Карта Пуанкаре. Карта эффективно предоставляет матрица передачи системы. Собственный вектор, связанный с наибольшим собственным значением матрицы, - это Собственный вектор Фробениуса-Перрона, который также является инвариантная мера, т.е. фактическая плотность частиц в кольце. Все остальные собственные векторы передаточной матрицы имеют меньшие собственные значения и соответствуют затухающим модам.

Определение

Ниже приводится определение для случая системы, которая является либо повторяющаяся функция или имеет динамику в дискретном времени. Аналогичные понятия применимы к системам, эволюция которых во времени задается поток.

Позволять ${displaystyle X}$ быть топологическое пространство, и ${displaystyle fcolon X o X}$ а гомеоморфизм. Если ${displaystyle p}$ это фиксированная точка за ${displaystyle f}$, то стабильный набор ${displaystyle p}$ определяется

${displaystyle W ^ {s} (f, p) = {qin X: f ^ {n} (q) o p {mbox {as}} n o infty}}$

и нестабильный набор ${displaystyle p}$ определяется

${displaystyle W ^ {u} (f, p) = {qin X: f ^ {- n} (q) o p {mbox {as}} n o infty}.}$

Здесь, ${displaystyle f ^ {- 1}}$ обозначает обратный функции ${displaystyle f}$, т.е.${displaystyle fcirc f ^ {- 1} = f ^ {- 1} circ f = id_ {X}}$, куда ${displaystyle id_ {X}}$ тождественная карта на ${displaystyle X}$.

Если ${displaystyle p}$ это периодическая точка наименьшего периода ${displaystyle k}$, то это неподвижная точка ${displaystyle f ^ {k}}$, а устойчивые и неустойчивые наборы ${displaystyle p}$ находятся

${displaystyle W ^ {s} (f, p) = W ^ {s} (f ^ {k}, p)}$

и

${displaystyle W ^ {u} (f, p) = W ^ {u} (f ^ {k}, p).}$

Учитывая район ${displaystyle U}$ из ${displaystyle p}$, то локальные устойчивые и неустойчивые множества из ${displaystyle p}$ определены

${displaystyle W_ {mathrm {loc}} ^ {s} (f, p, U) = {qin U: f ^ {n} (q) в U {mbox {для каждого}} ngeq 0}}$

и

${displaystyle W_ {mathrm {loc}} ^ {u} (f, p, U) = W_ {mathrm {loc}} ^ {s} (f ^ {- 1}, p, U).}$

Если ${displaystyle X}$ является метризуемый, мы можем определить устойчивые и неустойчивые множества для любой точки с помощью

${displaystyle W ^ {s} (f, p) = {qin X: d (f ^ {n} (q), f ^ {n} (p)) o 0 {mbox {for}} n o infty}}$

и

${displaystyle W ^ {u} (f, p) = W ^ {s} (f ^ {- 1}, p),}$

куда ${displaystyle d}$ это метрика за ${displaystyle X}$. Это определение явно совпадает с предыдущим, когда ${displaystyle p}$ - периодическая точка.

Предположим теперь, что ${displaystyle X}$ это компактный гладкое многообразие, и ${displaystyle f}$ это ${displaystyle {mathcal {C}} ^ {k}}$ диффеоморфизм, ${displaystyle kgeq 1}$. Если ${displaystyle p}$ является гиперболической периодической точкой, теорема о стабильном многообразии уверяет, что в каком-то районе ${displaystyle U}$ из ${displaystyle p}$, локальные устойчивые и неустойчивые множества равны ${displaystyle {mathcal {C}} ^ {k}}$ встроенные диски, чьи касательные пространства в ${displaystyle p}$ находятся ${displaystyle E ^ {s}}$ и ${displaystyle E ^ {u}}$ (устойчивые и неустойчивые пространства ${displaystyle Df (p)}$), соответственно; более того, они непрерывно (в определенном смысле) изменяются в окрестности ${displaystyle f}$ в ${displaystyle {mathcal {C}} ^ {k}}$ топология ${displaystyle mathrm {Diff} ^ {k} (X)}$ (пространство всех ${displaystyle {mathcal {C}} ^ {k}}$ диффеоморфизмы из ${displaystyle X}$ себе). Наконец, устойчивые и неустойчивые множества равны ${displaystyle {mathcal {C}} ^ {k}}$ инъективно погруженные диски. Вот почему их обычно называют устойчивые и неустойчивые многообразия. Этот результат справедлив и для непериодических точек, если они лежат в некоторой гиперболический набор (теорема о стабильном многообразии для гиперболических множеств).

Замечание

Если ${displaystyle X}$ является (конечномерным) векторное пространство и ${displaystyle f}$ изоморфизм, его стабильное и неустойчивое множества называются стабильным пространством и нестабильным пространством соответственно.

Смотрите также

• Инвариантное многообразие
• Центральный коллектор
• Ограничение установлено
• Юля набор
• Медленный коллектор
• Инерционный коллектор
• Нормально гиперболическое инвариантное многообразие
• Лагранжева когерентная структура

Рекомендации

• Авраам, Ральф; Марсден, Джерролд Э. (1978). Основы механики. Месса для чтения: Benjamin / Cummings. ISBN 0-8053-0102-X.
• Ирвин, Майкл С. (2001). «Устойчивые многообразия». Гладкие динамические системы. World Scientific. С. 143–160. ISBN 981-02-4599-8.
• Шритаран, С. С. (1990). Теория инвариантных многообразий для гидродинамического перехода. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 0-582-06781-2.

В этой статье используется материал из стабильного коллектора PlanetMath, который находится под лицензией Лицензия Creative Commons Attribution / Share-Alike.