Введение
Результаты в динамических системах
Теорема Колмогорова — Арнольда — Мозера (KAM) — это результат в динамических системах, касающийся устойчивости квазипериодических движений при малых возмущениях. Теорема частично решает проблему малых делителей, возникающую в теории возмущений классической механики. Суть проблемы заключается в том, приводит ли малое возмущение консервативной динамической системы к сохранению квазипериодической орбиты. Первое значительное решение этой проблемы было предложено Андреем Колмогоровым в 1954 году. Строгое доказательство и обобщение были даны Юргеном Мозером в 1962 году (для гладких отображений скручивания) и Владимиром Арнольдом в 1963 году (для аналитических гамильтоновых систем), и общий результат известен как теорема КАМ. Изначально Арнольд полагал, что эта теорема может быть применима к движению Солнечной системы или другим случаям n-тельной задачи, однако оказалось, что она работает только для трех тел из-за вырождения в его формулировке задачи для большего числа тел. Позднее Габриэлла Пинзари показала, как устранить это вырождение, разработав вращательно-инвариантный вариант теоремы.
The Kolmogorov–Arnold–Moser (KAM) theorem is a result in dynamical systems about the persistence of quasiperiodic motions under small perturbations. The theorem partly resolves the small divisor problem that arises in the perturbation theory of classical mechanics. The problem is whether or not a small perturbation of a conservative dynamical system results in a lasting quasiperiodic orbit. The original breakthrough to this problem was given by Andrey Kolmogorov in 1954. This was rigorously proved and extended by Jürgen Moser in 1962 (for smooth twist maps) and Vladimir Arnold in 1963 (for analytic Hamiltonian systems), and the general result is known as the KAM theorem. Arnold originally thought that this theorem could apply to the motions of the Solar System or other instances of the n body problem, but it turned out to work only for the three body problem because of a degeneracy in his formulation of the problem for larger numbers of bodies. Later, Gabriella Pinzari showed how to eliminate this degeneracy by developing a rotation invariant version of the theorem.
Интегрируемые гамильтоновые системы
Теорема КАМ обычно формулируется в терминах траекторий в фазовом пространстве интегрируемой гамильтоновой системы. Движение в интегрируемой системе ограничено инвариантным тором (поверхностью, имеющей форму тора или бублика). Различные начальные условия интегрируемой гамильтоновой системы будут описывать различные инвариантные торы в фазовом пространстве. График координат интегрируемой системы покажет, что они квазипериодичны.
Расстройства
Теорема КАМ утверждает, что если система подвергается слабому нелинейному возмущению, некоторые из инвариантных торов деформируются и сохраняются, то есть существует отображение с исходного многообразия на деформированное, которое непрерывно зависит от возмущения. Напротив, другие инвариантные торы разрушаются: даже сколь угодно малые возмущения приводят к тому, что многообразие перестает быть инвариантным, и не существует такого отображения на близлежащие многообразия. Сохраняющиеся торы удовлетворяют условию нерезонанса, то есть имеют «достаточно иррациональные» частоты. Это означает, что движение на деформированномторе остается квазипериодическим, с изменением независимых периодов (как следствие условия невырожденности). Теорема КАМ определяет величину возмущения, при которой это справедливо. Те торы КАМ, которые разрушаются возмущением, становятся инвариантными множествами Кантора, названными Кантори Иэном К. Персивалем в 1979 году. Условия нерезонанса и невырожденности теоремы КАМ становятся все более сложными для выполнения в системах с большим числом степеней свободы. С увеличением размерности системы объем, занимаемый торами, уменьшается. По мере роста возмущения и разрушения гладких кривых мы переходим от теории КАМ к теории Обри-Матера, которая требует менее строгих предположений и работает с множествами, подобными Кантору. Существование теоремы КАМ для возмущений квантовых многочастичных интегрируемых систем остается открытым вопросом, хотя предполагается, что сколь угодно малые возмущения разрушают интегрируемость в пределе бесконечного размера.
Последствия
Важным следствием теоремы КАМ является то, что для большого множества начальных условий движение остаётся постоянно квазипериодическим.
Теория КАМ
Методы, разработанные Колмогоровым, Арнольдом и Мозером, превратились в обширную область исследований, посвященную квазипериодическим движениям, ныне известную как теория КАМ. В частности, она была расширена на негамильтоновы системы (начиная с работ Мозера), на непертурбативные ситуации (как в работах Майкла Германа) и на системы с быстрыми и медленными частотами (как в работах Михаила Б. Севрюка).