Analytical Mechanics This page intentionally left blank


Download 10.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet35/55
Sana30.08.2017
Hajmi10.87 Mb.
#14604
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   55
520

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.5

completely canonical transformation transforming (12.82) to a Hamiltonian that



is independent of the new angle variables.

In general the series (12.86) and (12.87) diverge, and hence perturbations of

harmonic oscillators do not give rise to integrable problems. The divergence of the

Birkhoff series can be easily illustrated by an example, as is shown in Problem 7

of Section 12.8. In addition, there holds a theorem analogous to Theorem 12.7

(see Siegel 1941, 1954), which we simply state.

Consider the set

H of the Hamiltonians h : R

2l

→ R which are analytic and



of the form (12.82). We can associate with every Hamiltonian h its power series

expansion

h(p, q) =

k,n∈N


l

h

k,n



p

k

1



1

. . . p


k

l

l



q

n

1



1

. . . q


n

l

l



.

(12.95)


Comparing with (12.82) it follows that for every r

≥ 3 we have

f

r

(p, q) =



|k|+|n|=r

h

k,n



p

k

1



1

. . . p


k

l

l



q

n

1



1

. . . q


n

l

l



,

(12.96)


where

|k| = k


1

+

· · · + k



l

.

D



efinition 12.8 Let h

∈ H. A neighbourhood of h



in

H is given by the set



of all Hamiltonians h

∈ H such that for every k, n ∈ N

l

we have


|h

k,n


− h

k,n



| < ε

k,n


,

(12.97)


where

k,n



}

k,n∈N


l

is an arbitrary fixed sequence of positive numbers such that

ε

k,n


→ 0 for |k| + |n| → ∞.

Two Hamiltonians are therefore close if all the coefficients of the corresponding

power series expansions are close.

T

heorem 12.10 (Siegel) In every neighbourhood of a Hamiltonian h



∈ H there

exists a Hamiltonian h such that the corresponding flow does not admit a first

integral of the motion which is analytic and independent of h.

Systems which are not (completely canonically) integrable are therefore dense

in

H, and hence the set of Hamiltonians for which the Birkhoff series diverge is



also dense.

Remark 12.9

Siegel’s theorem also shows how, in general, the Hamilton–Jacobi equation

does not admit a complete integral near a point of linearly stable equilib-

rium (see Remark 11.2). Indeed, moving the equilibrium point into the origin,

the Hamiltonian has the form (12.82), and therefore it belongs to

H. If the

Hamilton–Jacobi equation admitted a complete integral, the system would have

l first integrals of the motion, independent of h. By Theorem 12.10 this is not

the case for any h in a dense subset of

H.

Birkhoff series, although divergent, are very important in practice, for the



qualitative study of degenerate Hamiltonian systems, and for the study of the

12.5

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

521

stability of the Hamiltonian flow for finite but long time. Indeed, there holds



the following remarkable result (see Nekhoroshev 1977, Gallavotti 1984).

T

heorem 12.11 Consider a Hamiltonian quasi-integrable system, degenerate and



of the form (12.78), and assume that:

(1) the Hamiltonian (12.78) is analytic with respect to J,

χ and ε for |ε| ≤ 1;

(2) the frequency vector ω satisfies a diophantine condition (12.79).

Then there exist two constants ε

0

> 0 and ρ



0

> 0 and a completely canonical

transformation, analytic and near the identity:

J = J + εA(J ,

χ , ε),

χ = χ + εB(J , χ , ε),



(12.98)

defined for

|ε| ≤ ε

0

and



J

≤ ρ


0

, such that the transformed Hamiltonian

H (J ,

χ , ε) is of the form



H (J ,

χ , ε) = ω · J + εK (J , ε) +

ε

ε

0



exp

−(l + 3)


ε

ε

0



1/(l+3)

R(J ,


χ , ε),

(12.99)


where K

and R are analytic functions of their arguments and K (J , 0) = 0,

R(J ,

χ , 0) = 0.



An interesting consequence is the following.

C

orollary 12.1 There exist two constants C



1

> 0 and C

2

> 0 such that if



(J(t),

χ(t)) is the solution of Hamilton’s equations for the Hamiltonian (12.78)

with initial data (J(0),

χ(0)), for every time t such that

|t| ≤ C

1

exp (l + 3)



ε

ε

0



1/(l+3)

,

(12.100)



we have

|J(t) − J(0)| ≤ C

2

ε

ε



0

.

(12.101)



Proof (sketch)

From equation (12.99) it follows that

˙J = −

ε

ε



0

exp


−(l + 3)

ε

ε



0

1/(l+3)


χ

R(J ,



χ , ε),

(12.102)


and therefore, if t is chosen as in (12.100), then

|J (t) − J (0)| ≤ C

3

ε

ε



0

,

(12.103)



522

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.6

where J (0) is the initial condition corresponding to J(0),



C

3

= max



|∇

χ

R(J , χ , ε)



|,

(12.104)


and the maximum is taken as J varies on the sphere of radius ρ

0

, while



χ ∈ T

l

and ε



∈ [−ε

0

, ε



0

]. The inequality (12.101) follows from the remark that the

canonical transformation (12.98) is near the identity and from the inequality

|J(t) − J(0)| ≤ |J(t) − J (t)| + |J (t) − J (0)| + |J (0) − J(0)|.

(12.105)

It is not difficult to convince oneself, by a careful inspection of (12.100) as the

ratio ε/ε

0

varies in [



−1, 1], that the order of magnitude of the time over which

the previous corollary ensures the validity of (12.101) can be very large. As an

example, in the applications to celestial mechanics (see Giorgilli et al. 1989) one

can obtain stability results for the restricted three-body problem for times of

the order of billions of years, and hence comparable with the age of the Solar

System.


Littlewood (1959a,b), who first thought of a ‘rigorous’ application of Birkhoff

series to the three-body problem, wrote that, ‘while not eternity, this is a

considerable slice of it.’

12.6


The Kolmogorov–Arnol’d–Moser theorem

In Section 12.4 we saw that, under fairly general hypotheses, the fundamental

equation of perturbation theory does not admit regular solutions. In Section 12.5

we studied a special case, which does not satisfy the assumptions of Theorems 12.7

and 12.8 of Poincar´

e. Under appropriate hypotheses of non-resonance, for these

systems it is possible to write formally the series of the canonical theory of

perturbations to all orders. However, these series are in general divergent (see

Theorem 12.10).

It would therefore seem impossible to prove the existence of quasi-periodic

motions for Hamiltonian quasi-integrable systems, and the theory of perturb-

ations seems, from this point of view, bound to fail. (It can still yield

interesting information about the stability problem, though. This is shown by

Theorem 12.11.)

Consider a quasi-integrable Hamiltonian system. If ε = 0 the system is integ-

rable and all motions are bounded and quasi-periodic. When ε =

/ 0, instead

of requiring that this property is preserved, and hence that the system is still

integrable, as we did so far, we can ask if at least some of these quasi-periodic

unperturbed motions persist in the perturbed version. We shall not therefore

seek a regular foliation of the phase space in invariant tori, but simply try to

prove the existence, for values ε =

/ 0, of ‘some’ invariant tori, without requiring

that their dependence on the action J is regular as J varies in an open subset

A of R

l

.



12.6

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

523

The Kolmogorov–Arnol’d–Moser (KAM) theorem gives a positive answer to



this question: for sufficiently small values of ε the ‘majority’ (in a sense to be

clarified shortly) of invariant tori corresponding to diophantine frequencies ω

are conserved, and are slightly deformed by the perturbation. The motions on

these tori are quasi-periodic with the same frequency ω which characterises them

for ε = 0.

To be able to state the KAM theorem precisely, we must first give a meaning

to the statement that ‘the invariant tori are slightly deformed’ under the action

of a perturbation.

Let

H(J,


χ, ε) = H

0

(J) + εF (J,



χ)

(12.106)


be a quasi-integrable Hamiltonian system. Suppose that, for fixed ε

0

> 0, H :



A

×T

l



×(−ε

0

, ε



0

)

→ R is an analytic function and that H



0

is non-degenerate (cf.

Definition 12.4). Every invariant l-dimensional unperturbed torus

T

0



=

{J

0



} ×

T

l



⊂ A×T

l

is uniquely characterised by the vector



ω

0

=



ω(J

0

) of the frequencies



of the quasi-periodic motions that stay on it.

D

efinition 12.9 Let ε



0

> 0 be fixed. A one-parameter family

{T

ε

}



ε

∈(−ε


0

0



)

of

l-dimensional submanifolds of R



2l

is an analytic deformation of a torus

T

0

=



{J

0

} × T



l

if, for every ε

∈ (−ε

0

, ε



0

),

T



ε

has parametric equations

J = J

0

+ εA(ψ, ε),



χ = ψ + εB(ψ, ε),

(12.107)


where ψ

∈ T


l

, A : T


l

× [−ε


0

, ε


0

]

→ R



l

and B : T

l

× [−ε


0

, ε


0

]

→ T



l

are analytic

functions.

Note that setting ε = 0 in (12.107) we again find the torus

T

0

=



{J

0

} × T



l

.

Remark 12.10



The function B in (12.107) has the additional property that its average ˆ

B

0



on the torus T

l

is zero. Indeed, εB =



χ − ψ, and since χ and ψ are both

coordinates on a torus T

l

we have


ε

(2π)


l

T

l



B(ψ, ε) d

l

ψ =



1

(2π)


l

T

l



χ d

l

χ −



T

l

ψ d



l

ψ = 0.


For fixed ε

∈ (−ε


0

, ε


0

), equations (12.107) establish a correspondence of every

point ψ

0

∈ T



l

with the point

T

ε

of coordinates



J = J

0

+ εA(ψ



0

, ε),


χ = ψ

0

+ εB(ψ



0

, ε).


(12.108)

Denote by (J(t, ψ

0

), χ(t, ψ



0

)) the solution of the Hamilton equations associated

with (12.106) and passing through the point of coordinates (12.108) at time t = 0.


524

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.6

D

efinition 12.10 A deformation {T



ε

}

ε



∈(−ε

0



0

)

of



T

0

is a deformation of



T

0

into



invariant tori for the quasi-integrable system (12.106) if, for fixed ε

∈ (−ε


0

, ε


0

),

and every choice of ψ



0

∈ T


l

the Hamiltonian flow (J(t, ψ

0

),

χ(t, ψ



0

)) can be

obtained from equations (12.107) by setting ψ = ψ

0

+



ω(J

0

)t:



J(t, ψ

0

) = J



0

+ εA(ψ


0

+

ω(J



0

)t, ε),


χ(t, ψ

0

) = ψ



0

+

ω(J



0

)t + εB(ψ

0

+

ω(J



0

)t, ε).


(12.109)

It follows that (J(t, ψ

0

),

χ(t, ψ



0

)) belongs to

T

ε

for every t



∈ R.

Remark 12.11

The motions on

T

ε



are quasi-periodic with the same frequency vector

ω

0



of

the motions on

T

0

.



We now show how it is possible to carry out, by means of a perturbative

approach, the computation of the functions A and B.

Setting

ω

0



=

ω(J


0

) and ψ = ψ

0

+

ω



0

t, from equation (12.109) it follows that

˙J = ε

dA

dt



(ψ, ε) = ε

ω

0



· ∇

ψ

A(ψ, ε),



˙

χ = ω


0

+ ε


dB

dt

(ψ, ε) =



ω

0

+ ε



ω

0

· ∇



ψ

B(ψ, ε),


(12.110)

to be compared with Hamilton’s equations associated with (12.106) and computed

along the flow (12.109):

˙J = −ε∇


χ

F (J(t, ψ

0

),

χ(t, ψ



0

)) =


−ε∇

χ

F (J



0

+ εA(ψ, ε), ψ + εB(ψ, ε)),

˙

χ = ω(J(t, ψ



0

)) + ε


J

F (J(t, ψ



0

),

χ(t, ψ



0

))

=



ω(J

0

+ εA(ψ, ε)) + ε



J

F (J



0

+ εA(ψ, ε), ψ + εB(ψ, ε)).

(12.111)

Expanding A and B in power series in ε (the so-called Lindstedt series):

A(ψ, ε) =

k



=0

ε

k



A

(k)


(ψ) = A

(0)


(ψ) + εA

(1)


(ψ) +

· · · ,


B(ψ, ε) =

k



=0

ε

k



B

(k)


(ψ) = B

(0)


(ψ) + εB

(1)


(ψ) +

· · · ,


(12.112)

and


ω in Taylor series around J

0

:



ω(J

0

+ εA(ψ, ε)) =



ω

0

+ ε



J

ω(J



0

)

· A(ψ, ε) + · · · ,



(12.113)

and then comparing (12.111) and (12.110) to first order in ε, we find

ε

ω

0



· ∇

ψ

A



(0)

(ψ) =


−ε∇

χ

F (J



0

, ψ),


(12.114)

ε

ω



0

· ∇


ψ

B

(0)



(ψ) = ε

J



ω(J

0

)



· A

(0)


(ψ) + ε

J



F (J

0

, ψ).



(12.115)

12.6

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

525

Equation (12.114) can be solved immediately by expanding A



(0)

and F in


Fourier series: setting

A

(0)



(ψ) =

m∈Z


l

ˆ

A



(0)

m

e



im·ψ

,

(12.116)



since

χ



F (J

0

, ψ) =



m∈Z

l

im ˆ



F

m

(J



0

)e

im·ψ



,

(12.117)


by the uniqueness of Fourier series we have for all m

∈ Z


l

that


im

· ω


0

ˆ

A



(0)

m

=



−im ˆ

F

m



(J

0

).



(12.118)

The solution, if

ω

0

=



ω(J

0

) is non-resonant, is given by



ˆ

A

(0)



m

=



m ˆ

F

m



(J

0

)



m

· ω


0

,

(12.119)



for m =

/ 0, while for the time being the average ˆ

A

(0)


0

of A on the torus T

l

is

undetermined.



Substituting the solution (12.116), (12.119) into the expression (12.115), and

expanding in turn B

(0)

in Fourier series, we similarly find the coefficients ˆ



B

(0)


m

for m =


/ 0. Note that integrating both sides of (12.115) on T

l

, and taking into



account the periodicity of B with respect to ψ, we find

J



ω(J

0

)



· ˆ

A

(0)



0

+



J

ˆ

F



0

(J

0



) = 0.

(12.120)


Since

J



ˆ

F

0



(J

0

) can be non-zero, for equation (12.120) (hence also (12.115)) to



have a solution we must require that the matrix

J



ω(J

0

) =



2

H



0

∂J

i



∂J

k

(J



0

)

(12.121)



be invertible, and hence that the unperturbed Hamiltonian H

0

be non-degenerate



in a neighbourhood of J

0

∈ A. In this case



ˆ

A

(0)



0

=

−(∇



J

ω(J


0

))

−1



J

ˆ



F

0

(J



0

),

(12.122)



and this determines the average of A

(0)


on T

l

.



This discussion can be summarised in the following proposition.

P

roposition 12.4 If the Hamiltonian H



0

is non-degenerate on the open set A,

for fixed J

0

∈ A such that ω



0

=

ω(J



0

) is non-resonant, the system (12.114),

(12.115) admits a formal solution.

We can in fact prove that the argument we have just presented to obtain

functions A and B as first-order perturbations can be iterated to all orders.


526

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.6

Under the hypotheses of non-degeneracy for H



0

and of non-resonance for

ω

0

as in Proposition 12.2 it is possible to define for every k



≥ 0 the functions A

(k)


and B

(k)


in (12.112) through their Fourier series expansions:

A

(k)



(ψ) =

m∈Z


l

ˆ

A



(k)

m

e



im·ψ

,

B



(k)

(ψ) =


m∈Z

l

,



m=0

ˆ

B



(k)

m

e



im·ψ

,

(12.123)



at least formally, and hence neglecting the problem of the convergence of the

series (12.123). The coefficients ˆ

A

(k)


m

and ˆ


B

(k)


m

of the series expansions (12.123)

can be computed from the solution of a system of the form

ω

0



· ∇

ψ

A



(k)

(ψ) =


A

(k)


(J

0

, ψ),



(12.124)

ω

0



· ∇

ψ

B



(k)

(ψ) =


B

(k)


(J

0

, ψ),



(12.125)

where


A

(k)


and

B

(k)



depend on A

(0)


, . . . , A

(k−1)


, B

(0)


, . . . , B

(k−1)


and on the

derivatives of F with respect to J and

χ up to order k + 1. Here B

(k)


also

depends on A

(k)

and on the derivatives of



ω with respect to J up to order k + 1

(hence on the derivatives of H

0

with respect to J up to order k + 2).



Note that the structure of equations (12.124) and (12.125) is the same as that

of the fundamental equation of perturbation theory (12.13), and it constitutes

the natural generalisation of equation (12.46) to the case l > 2.

Indeed, Poincar´

e proved in chapter IX of his M´

ethodes Nouvelles (second

volume, 1893) that the functions

A

k



and

B

k



appearing on the right-hand side of

(12.124) and (12.125) have zero mean on the torus T

l

, and therefore the formal



solvability of the two equations is guaranteed.

It follows that we have the following significant extension of Proposition 12.2.

P

roposition 12.5 If the Hamiltonian H



0

is non-degenerate in the open set A,

for any fixed J

0

∈ A such that ω


Download 10.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   55




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling