Главная > ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (Д.Бирктоф)
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
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

Пуанкаре показал, что существование бесконечного множества периодических орбит в ограниченной проблеме трех тел и других динамических задачах тотчас следует из некоторой геометрической теоремы, с которой лемма $\S 1$ тесно связана.
Для удобства мы прежде всего сформулируем эту теорему.

Геометрическая теорема Пуанкаре. Пусть нам дано кольцо $0<a \leqslant$ $\leqslant r \leqslant b$ в плоскости, определяемой полярными координатами $r, \vartheta$ и некоторое одно-однозначное непрерывное, сохраняющее площадь преобразование $T$ этого кольца в себя и при этом такое, что точки окружности $r=$ а передвигаются при этом преобразовании вперед (т.е. в направлении возрастающих $\vartheta$ ), а точки окружности $r=b$ передвигаются назад (в направлении убывающих $\vartheta$ ). Тогда в кольце будут существовать по меньшей мере две точки, инвариантные при преобразовании $T$.
Мы наметим вкратце доказательство этой теоремы.
Будем считать $x=\vartheta$ и $y=r^{2}$ прямоугольными координатами точки на плоскости $(x, y)$. Наше кольцо будет на этой плоскости представлено полоской $a^{2} \leqslant y \leqslant b^{2}$. Преобразование $T$ этой полоски в себя передвигает точки границы $y=a^{2}$ вправо, а точки границы $y=b^{2}$ – влево. Кроме того, преобразование $T$ сохраняет площади в плоскости $(x, y)$, так как $2 r d r d \vartheta=d x d y$, и перемещает одинаковым образом любые две точки, имеющие одинаковую ординату и абсциссы, различающиеся на число, кратное $2 \pi$.

Присоединим к $T$ новое преобразование $T_{\varepsilon}$, совершающее перенос всех точек плоскости $(x, y)$ на расстояние $\varepsilon>0$ в направлении возрастающих $y$. Композиция преобразований $T$ и $T_{\varepsilon}$, (в порядке сначала $T$, потом $T_{\varepsilon}$,) дает сохраняющее площадь преобразование $T T_{\varepsilon}$ которое переводит данную полоску $a^{2} \leqslant y \leqslant b^{2}$ в полоску $a^{2}+\varepsilon \leqslant y \leqslant b^{2}+\varepsilon$.

Предположим, что преобразование $T$ не имеет инвариантных точек, тогда существует такое положительное количество $d$, что все точки перемещаются на расстояние, не меньшее $d$ при преобразовании $T\left({ }^{8}\right)$. Выберем за $\varepsilon$ число, меньшее $d$.
${ }^{1}$ Этот параграф по существу совпадает с $\S 34$ моей статьи «Dynamical Systems with Two Degrees of Freedom», Trans. Amer. Math. Soc., vol. 18, 1917.

Рассмотрим теперь узкую полоску $a^{2} \leqslant y \leqslant a^{2}+\varepsilon$. При преобразовании $T T_{\varepsilon}$, нижний край $y=a^{2}$ этой полоски переходит в верхний, а вся полоска превращается в новую полоску, лежащую целиком над прежней, за исключением их общего края. Повторяя преобразование $T T_{\varepsilon}$, переводим вторую полоску в третью и т. д.

Продолжая этот процесс, мы получим ряд полос, образующих последовательные слои. Каждый из этих слоев совмещается с самим собой при передвижении на $2 \pi$ направо. Это следует из того, что оба преобразования $T$ и $T_{\varepsilon}$ однозначны в кольце.
Рис. 2
В кольце эти слои будут изображаться системой замкнутых кольцевых слоев, которые, разумеется, все имеют одинаковую площадь, потому что преобразование $T T_{\varepsilon}$, сохраняет площадь относительно $r, \vartheta$ так же, как в плоскости $(x, y)$. Следовательно, какой-нибудь из этих слоев на бесконечной полоске, скажем $k$-й слой, должен перейти гденибудь через верхнюю границу $y=b^{2}$ нашей полоски. Пусть теперь в плоскости $(x, y) Q$ будет точка верхнего края $k$-й полоски, для которой $y$ достигает наибольшей величины (рис. 2). Обозначим через $P$ точку прямой $y=a^{2}$, которая $k$-кратным повторением преобразования $T T_{\varepsilon}$ переводится в $Q$, и пусть $P^{\prime}, P^{\prime \prime}, \ldots, P^{(k)}=Q$ обозначают образы точки $P$ при последовательной итерации преобразования $T T_{\varepsilon}$. Проведем прямолинейный отрезок $P P^{\prime}$, который будет, разумеется, лежать целиком в первом слое. Последовательные образы этого отрезка $P^{\prime} P^{\prime \prime} \ldots P^{(k-1)} P^{(k)}$ будут все находиться в соответственных слоях и не будут иметь между собой общих точек, если не считать того, что две последовательные дуги $P^{(i-1)} P^{(i)}$ и $P^{(i)} P^{(i+1)}$ имеют общий конец $P^{(i)}$. Таким образом, соединяя эти дуги вместе, получим одну дугу $P Q$ без двойных точек.

Рассмотрим теперь вектор $L L^{\prime}$, идущий от какой-нибудь точки $L$ к ее образу $L^{\prime}$ при преобразовании $T T_{\varepsilon}$, и будем двигать начало $L$ вектора от $P$ к $P^{(k-1)}$ вдоль линии $P Q$. Угол, образуемый этим вектором с
положительным направлением оси абсцисс, мы можем считать в начале пути (при $L=P$ ) положительным острым углом, так как образ $P^{\prime}$ точки $P$ лежит справа и сверху от самой точки $P$. Когда точка $L$ перешла в конечное положение $P^{(k-1)}$ своего пути, этот угол будет лежать во втором квадранте, потому что, по условиям теоремы и определению $Q=P^{(k)}, P^{(k)}$ лежит слева и сверху от $P^{(k-1)}\left({ }^{9}\right)$.

Из способа построения последовательных дуг $P P^{\prime}, P^{\prime} P^{\prime \prime}, \ldots$ совершенно очевидно, что когда $L$ движетея по кривой $P Q$ от $P$ к $P^{(k-1)} L^{\prime}$ движется вдоль той же кривой от $P^{\prime}$ к $Q$. Поэтому легко видеть на pис. 2, что вектор $L L^{\prime}$ при переходе из начального положения $P P^{\prime}$ к конечному $P^{(k-1)} P(k)$ делает поворот на наименьший положительный угол $\left({ }^{10}\right)$. Если теперь двигать $L^{\prime}$ дальше от $Q$ по вертикальному направлению до встречи с прямой $y=b^{2}+\varepsilon$, то утверждение о вращении вектора на наименьший положительный угол останется справедливым при условии, что $\varepsilon$ достаточно мало, так как $Q$ лежит самое большее на $\varepsilon$ над прямой $y=b^{2}\left({ }^{11}\right)$.

Предположим теперь, что $L$ движется любым способом от какойнибудь точки прямой $y=a^{2}$ до какой-нибудь точки прямой $y=b^{2}$, оставаясь, конечно, все время на нашей полоске $a^{2} \leqslant y \leqslant b^{2}$. Преобразование $T T_{\varepsilon}$ не имеет инвариантных точек, и, следовательно, точка $L$, никогда не будет совпадать со своим образом $L^{\prime}$. В начальном положении угол, образуемый $L L^{\prime}$, лежит в первой четверти; в конечном же положении этот угол лежит во второй четверти. Но полное изменение угла при движении $L$ от $y=a^{2}$ до $y=b^{2}$ оказалось в одном частном случае равным наименьшему возможному положительному углу $\left({ }^{12}\right)$. Следовательно, так как любой путь точки $L$ от $y=a^{2}$ до $y=b^{2}$ может быть непрерывно преобразован в любой другой, это изменение будет всегда равно наименьшему положительному углу.

Пусть теперь $\varepsilon$ стремится к нулю. При уменьшении $\varepsilon$ вектор $L L^{\prime}$, где $L$ – любая точка нашей полоски, все время имеет определенное направление, так как преобразование $T T_{\varepsilon}$ не имеет инвариантных точек. Посредством предельного перехода мы получаем, что для преобразования $T$ угловое изменение направления вектора $L L^{\prime}$ будет равно наименьшему возможному положительному углу $\left({ }^{13}\right)$. Этот наименьший положительный угол, разумеется, равен $\pi$, потому что начальное направление $L L^{\prime}$ при $L$, лежащем на прямой $y=a^{2}$, будет совпадать с положительным направлением оси абсцисс, а конечное направление $L L^{\prime}$ при $y=b^{2}$ будет совпадать с отрицательным направлением оси абсцисс.

Рассмотрим теперь обратное преобразование $T^{-1}$, которое принадлежит к тому же типу, что и $T$, с той только разницей, что оно передвигает точки прямой $y=a^{2}$ налево, а точки прямой $y=b^{2}$ – направо. Рассуждением, совершенно подобным тому, которое было приведено выше, мы докажем, что если начальная точка $L$ вектора $L L^{(-1)}$, конец которого есть $L^{(-1)}=T^{-1} L$, движется от какой-нибудь точки прямой $y=a^{2}$ до точки прямой $y=b^{2}$, то полное изменение угла вектора с осью абсцисс будет равно наименьшему отрицательному углу, т. е. $-\pi$.

Но полный поворот вектора $L L^{(-1)}$ в точности равен полному повороту обратно направленного вектора $L^{(-1)} L$, соединяющего точку $L^{(-1)}$ на $y=a^{2}$ с ее образом $L$ при преобразовании $T$.

Следовательно, по предыдущему полное изменение направления вектора $L L^{(-1)}$, при движении $L$ (или $L^{(-1)}$ ) от прямой $y=a^{2}$ до прямой $y=b^{2}$, должно быть равно $\pi$, между тем как мы только что получили, что оно должно быть равно – . Мы пришли, таким образом, к противоречию, из которого следует, что преобразование $T$ должно иметь по крайней мере одну инвариантную точку.

Для того, чтобы доказать, что таких точек должно быть не менее чем две, мы можем применить способ, примененный Пуанкаре.
Пусть точка $L$ описывает основной прямоугольник
\[
0 \leqslant x \leqslant 2 \pi, \quad a^{2} \leqslant y \leqslant b^{2}
\]

в плоскости $(x, y)$ в положительном направлении. Очевидно, что при этом полный поворот вектора $L L^{\prime}$ будет равен нулю, потому что вектор $L L^{\prime}$ не изменяет направления вдоль стороны $y=a^{2}$ и вдоль стороны $y=b^{2}$, а повороты вектора вдоль сторон $x=0$ и $x=2 \pi$ дают в сумме нуль. Но если $L$ описывает замкнутый путь вокруг простой инвариантной точки, то поворот вектора $L L^{\prime}$ будет равен $\pm 2 \pi$. Следовательно, мы видим, что либо имеются по крайней мере две простые инвариантные точки, такие, что повороты вектора $L L^{\prime}$ вокруг них равны $+2 \pi$ и $-2 \pi$ соответственно, либо по крайней мере одна кратная инвариантная точка. В действительности будут всегда существовать по крайней мере две геометрически различные инвариантные точки ${ }^{1}$.

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru