Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Применим теперь обе вспомогательные теоремы Зундмана к отысканию координат $q_{k}(k=1, \ldots, 9)$ в задаче трех тел в виде функций новой независимой переменной, заданной выражением $(8 ; 17)$ Если $h$ есть значение постоянной энергии для рассматриваемого решения, то положим теперь в отличие от $(7 ; 15)$ Аналогично переходу от $(7 ; 6)$ к $(7 ; 16)$ получим из уравнений движения $(7 ; 2)$ систему Гамильтона причем штрих обозначает дифференцирование по $s$ и, кроме того, Функция $F$ на рассматриваемом решении тождественно равна нулю. Мы докажем теперь как третью вспомогательную теорему следующее утверждение: Если для начальных значений выполнены неравенства ( $9 ; 7)$, то существует такая положительная величина $\delta=\delta(A, m)$, зависящая только от $A$ и масс, что координаты $q$, взаимные расстояния трех тел и время $t$ будут регулярными аналитическими функциями от $s=\sigma+i Для доказательства используем опять теорему существования Коши. Мы уже знаем, что рассматриваемое решение можно аналитически продолжить для всех конечных действительных значений времени; вспомним, что в соответствии с подстановкой (1) действительной оси $t$ при этом соответствует действительная ось $s$. Пусть $s=s_{1}$ есть произвольно выбранное действительное число. Мы докажем, что $q_{k}$ ( $k=$ $=1, \ldots, 9), r_{\varkappa \lambda}(1 \leqslant \varkappa<\lambda \leqslant 3)$ и $t$ будут регулярными в круге $\left|s-s_{1}\right|<\delta$, причем $\delta$ не зависит от $s_{1}$ и зависит только от $A$ и масс. Мы будем обозначать в этом параграфе, как и раньше, индексом 1 значения соответствующих функций при $s=s_{1}$. Введем действительное число $B \geqslant A+1$, которое позднее будет определено точнее, и будем различать в дальнейшем два случая. Прежде всего пусть при $s=s_{1}$ значение $U=U_{1} \leqslant B$. Для применения теоремы существования к уравнениям (3), (4) достаточно найти положительное число $b$, зависящее только от $B$ и от масс, такое, чтобы функции $F$ и $(U+1)^{-1}$ в комплексной окрестности были регулярны относительно $q_{k}, p_{k}$ и чтобы их абсолютные значения оставались меньше некоторой величины, зависящей только от $B$ и масс. Вследствие определения (2), это нужно доказать только для $T$ и $(U+1)^{-1}$. В дальнейшем под $b_{1}, \ldots, b_{5}$ будем понимать надлежащим образом выбранные положительные числа, которые зависят только от масс и от $B$. Для $s=s_{1}$ и $(7 ; 1)$ показывает, что в комплексной окрестности справедлива оценка вида $|T|<b_{1}$, причем регулярность $T$ очевидна. Вернемся теперь к соответствующему исследованию $(U+1)^{-1}$ и определим прежде всего такую окрестность $q_{k 1}$, чтобы там наверное было $|U+1|>\frac{1}{4}$. Для этого достаточно, чтобы там было $\left|U-U_{1}\right|<\frac{3}{4}$, так как тогда получается Если обозначить через $\mu$ наименьшую и через $m$ — наибольшую из масс $m_{k}(k=1,2,3)$, то достаточно в соответствии с $(5 ; 2)$ найти такую окрестность $q_{k 1}$, в которой будут выполнены три условия Тогда, вследствие соотношения будем иметь Заметим теперь, что выражение $\left(u^{2}+v^{2}+w^{2}\right)^{-1 / 2}-1$ как функция трех комплексных переменных $u, v, w$ будет регулярно во всех точках действительной сферы и равно там нулю. Следовательно, оно меньше по абсолютной величине, чем $b_{2}$, в подходящей комплексной окрестности Если положить где $x, y, z$ опять рассматриваются как декартовы координаты, то условие (6) выполняется при и, следовательно, по неравенству (7) тем более выполняется для Тогда в этой окрестности $(U+1)^{-1}$ меньше по абсолютной величине, чем 4 , и регулярно, как это следует из (8). Вследствие оценок (5) и (9) получим нужное $b$, полагая $b=\min \left(1, b_{4}\right)$. Из теоремы существования Коши тотчас следует регулярность $q_{k}, p_{k}$ и $t$ при $\left|s-s_{1}\right|<b_{5}$. Теперь рассмотрим случай $U_{1}>B$. Это охватывает, в частности, случай столкновения, так как тогда $U_{1}$ имеет бесконечное значение. Пусть для $s=s_{1}$ опять $r_{13}$ — наименьшая из сторон треугольника. Введем каноническими преобразованиями $(7 ; 4),(7 ; 5)$ и $(7 ; 30),(7 ; 33)$ вместо $q_{k}, p_{k}$ новые переменные $\xi_{k}, \eta_{k}(k=1, \ldots, 6)$. При этом система Гамильтона (3) переходит в причем функция $F$, определенная равенством (2), выражается теперь по формулам преобразования через $\xi_{k}, \eta_{k}$. Тогда с введенными ранее Для применения теоремы существования к системе (10), (4) нужно теперь ближе рассмотреть три функции $x, x T,(x U+x)^{-1}$ от двенадцати независимых переменных $\xi_{k}, \eta_{k}(k=1, \ldots, 6$ ) в достаточно малой комплексной окрестности $\xi_{k 1}, \eta_{k 1}$. Сначала рассмотрим $x$ и $x T$. Вследствие неравенства $U_{1}>B$ имеем при $s=s_{1} 3 m^{2} x^{-1}>B$, поэтому Так как было предположено, что для начальных значений выполнены неравенства $(9 ; 7)$, то справедливо неравенство $(9 ; 38)$. Далее, пусть теперь Тогда тем более значит, для двух других сторон имеем Тогда из следует и, согласно $(8 ; 2)$, далее Вследствие $(7 ; 5)$ для скорости $v$ точки $P_{2}$ справедливо соотношение откуда в соответствии с $(10 ; 12)$ получается оценка Далее, также и при выполнении неравенств (12): (16) получаем Из $(8 ; 2),(17),(18)$ следует, что и по неравенству (15), наконец, Положим опять и подчиним $B$ условию Тогда и из $\xi \eta^{2}=x$ затем следует, кроме того, В комплексной окрестности будет теперь следовательно, там регулярно и $\xi=\left(\xi_{1}^{2}+\xi_{2}^{2}+\xi_{3}^{2}\right)^{1 / 2}$. Вследствие $(8 ; 2)$ функция $x T \xi^{-1}$ является многочленом четвертой степени относительно $\eta_{k}(k=1, \ldots, 6)$. Тогда в комплексной окрестности, заданной неравенствами (22) и согласно неравенствам (17), (20), (21) и (23), функции $x T$ и $x=\xi \eta^{2}$ регулярны и имеют оценки Обратимся теперь к соответствующему исследованию функции $(x U+x)^{-1}$. Согласно неравенствам (12) и (14), Пусть теперь еще тогда Выражение $x U$ как функция $\xi_{k}(k=1, \ldots, 6)$ и $\eta_{k}(k=1,2,3)$ задано равенствами $(8 ; 3),(8 ; 4),(8 ; 5)$ и $(8 ; 6)$. Эта функция регулярна, пока $\xi$, $r_{12}$ и $r_{23}$ не равны нулю. Определим теперь постоянную $c_{49}$ так, чтобы в комплексной окрестности было выполнено неравенство Если обозначить теперь через $r$ какую-нибудь из двух сторон $r_{12}, r_{23}$, то неравенство (29) наверное будет выполнено, если Так как в окрестности, заданной неравенствами (22) и (24), согласно (25), выполняется неравенство $|x|<c_{47}$, то достаточно найти такое $c_{49}>10 c^{-1}$, чтобы в области (28) выполнялись условия тогда действительно Но тогда выполняется, аналоичино неравенству (6), первое из неравенств (30), если переменные $x_{k}, \xi_{k+3}(k=1,2,3)$, входящие в выражение $(8 ; 4)$ для $r^{2}$, будут находиться в окрестности причем будет выполняться также и второе неравенство (30). Наконец, так как, согласно $(8 ; 5)$, переменные $x_{1}, x_{2}, x_{3}$ являются многочленами третьей степени относительно $\xi_{k}, \eta_{k}(k=1,2,3)$, то нужную нам величину $c_{49}$ легко найти. В окрестности (28) величины $\xi, r_{12}, r_{23}$ отличны от нуля, следовательно, там $x U+x$ регулярно и в соответствии с неравенствами (27) и (29) удовлетворяет неравенствам Этим доказано, что в окрестности обе функции $F$ и $(U+1)^{-1}$ регулярны и остаются там по абсолютной величине меньше некоторой постоянной $c_{51}$. По теореме существования Коши решения $\xi_{k}, \eta_{k},(k=1, \ldots, 6)$ и $t$ системы (4), (10) регулярны при $\left|s-s_{1}\right|<c_{52}^{-1}$. Из соотношений $(7 ; 4),(8 ; 5)$ и теоремы о движении центра инерции видно, что первоначальные декартовы координаты $q_{k}$ $(k=1, \ldots, 9)$ также регулярны в той же области. Выберем теперь для $B$ наименьшее число $B \geqslant A+1$, которое удовлетворяет первоначально поставленным условиям (13), (19) и (26). Если $B=c_{53}$, то $b_{5}=c_{54}^{-1}$. Если обозначить $\delta=\min \left(c_{52}^{-1}, c_{54}^{-1}\right)$, то $\delta$ обладает свойством, сформулированным в третьей вспомогательной теореме. При этом легко видеть, что три расстояния $r_{k l}$ будут регулярными функциями от $s=\delta+i Отобразим теперь конформно полосу $-\delta< на единичный круг $|\omega|<1$. При этом $s=0$ переходит в $\omega=0$ и действительная ось $s-$ в действительный диаметр. Тогда прямоугольные декартовы координаты $x_{k}, y_{k}, z_{k}$, расстояния $r_{k l}$ и время $t$ будут регулярными функциями новой независимой переменной во всех внутренних точках единичного круга и, следовательно, могут быть разложены в ряды по степеням $\omega$, наверное сходящиеся при $|\omega|<1$. Эти степенные ряды будут представлять движение для всех действительных моментов времени, так как интервалу $0<\omega<1$ соответствуют моменты времени $t>\tau$, а интервалу $-1<\omega<0$ — предшествующие моменты времени $t<\tau$. Наконец, можно отбросить предположение о том, что центр инерции находится в начале координат, и предположить, что система отсчета равномерно поступательно движется. Это можно сделать, в частности, линейным преобразованием переменных $x, y, z$ и $t$ : при этом координаты опять будут регулярными относительно $\omega$. Еще раз сформулируем наш главный результат, теорему Зундмана: Если постоянные площадей при неподвижном положении центра инерции не все равны нулю, то декартовы координаты и расстояния между тремя телами, так же как и время $t$, могут быть разложены в ряды по степеням переменной $\omega$, которые сходятся при $|\omega|<1$ и описывают движение для всех действительных значений времени; $\omega$ определяется подстановками и $\delta$ есть положительное число, которое определяется массами, начальными значениями координат и составляющими скорости для момента $t=\tau$. Необходимо заметить, что в исследованиях Зундмана теорема доказана в несколько иной формулировке, так как там вместо $s$ стоит вспомогательная переменная, определенная другим образом. Интересующийся этими вопросами читатель может легко установить, что обе формулировки качественно совершенно равнозначны. Впрочем, Зундманом были даны явные оценки для входящих здесь постоянных, в то время как мы от этого в целях сокращения отказались. Если написать уравнения движения прямо с переменной $\omega$, то $q_{k}$ $(k=1, \ldots, 9)$ и $t$ можно определить с помощью степенных рядов с неопределенными коэффициентами. При этом $\omega$ вводится следующим образом: Входящая здесь величина $\delta$ может быть выражена и оценена, как известно, с помощью масс и начальных значений. Из найденных оценок можно сделать вывод, насколько хороши приближения при использовании частичных сумм; однако таким путем мы не получим практически пригодного способа для вычисления орбит. Из наших разложений можно получить все возможные столкновения, если определить нули производной $d t / d \omega$ в интервале $-1<\omega<1$. Так как нули аналитической функции не могут накапливаться внутри круга единичного радиуса, то опять получаем тот же результат: моменты столкновения не могут накапливаться на конечном отрезке времени. Все же очень возможно, что нули накапливаются при $\omega=1$ или $\omega=$ $=-1$, и это можно проиллюстрировать соответствующими примерами. Чтобы с помощью найденных разложений в ряд можно было исследовать свойства движения при $t \rightarrow \pm \infty$, необходимо рассмотреть равномерную сходимость рядов во всем открытом интервале $-1<\omega<1$; при этом ничего не известно о сходимости при $\omega= \pm 1$. В заключение заметим, что интервал времени между двумя последующими столкновениями, если таковые вообще происходят, имеет нижнюю грань. Для доказательства примем, что при $s=s_{1}$ произошло столкновение. Тогда в этот момент $\eta_{k 1}=0(k=1,2,3),(\xi)_{1}=c>0,(x)_{1}=0,(x U)_{1}=m_{1} m_{3}$ и по соотношениям $(8 ; 2),(8 ; 3),(8 ; 4),(8 ; 5)$ и (11) Соответствующим поворотом осей координат можно достичь выполнения равенства $\left(\xi_{1}\right)_{1}=(\xi)_{1}$. В комплексной области (32) функция $F$ будет регулярной; по абсолютной величине она здесь меньше $c_{51}$. Но тогда из интегральной формулы Коши следует оценка если при соответствующем $c_{55}$ выполнены условия В частности, для действительных $\xi_{k}, \eta_{k}$ Тогда для действительного $s$ в силу уравнений (10) на рассматриваемом решении если для всего интервала от $s_{1}$ до $s$ будут выполнены условия (33). Но это будет по теореме существования иметь место для области $\mid s-$ $-s_{1} \mid \leqslant c_{56}^{-1}<c_{52}^{-1}$, и в соответствии с оценками (23), (27) и (29) имеем тогда Отсюда и из неравенства (34) получаем и по (4), наконец, Из второго неравенства (35) усматриваем, что $U$ будет бесконечной только в точке $s=s_{1}$ интервала $s_{1}-c_{56}^{-1} \leqslant s \leqslant s_{1}+c_{56}^{-1}$. Следовательно, в этом интервале для $s Чтобы приложить наши результаты к системе Земля-Солнце — Луна, примем, что эти тела являются материальными точками, притягивающимися точно по закону Ньютона; кроме того, будем пренебрегать влиянием всех остальных небесных тел и других сил природы. Наблюдения показывают, что три названные тела не двигаются в одной неподвижной плоскости, следовательно, для некоторого известного момента времени можно определить численное значение величины $A$. Тогда при сделанных предположениях можно прямым путем найти два положительных числа $\rho$ и $\varepsilon$; в случае столкновения Земли с Солнцем Луна будет иметь некоторое наименьшее расстояние $\rho$ от Земли, и потребуется добавочное время $\varepsilon$, чтобы оказалось возможным столкновение Луны с Землей. Этот пример приложения теории Зундмана помогает нам смотреть с уверенностью в будущее ${ }^{1}$.
|
1 |
Оглавление
|