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Weiches ChaosAm Beispiel des Henon-Heiles-Potentials
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt
Universitat Heidelberg
01 Dezember 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 1
Beispiel Doppelpendel
Fur Interessierte
httpsavtibeumedia14902
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 2
Beispiel Doppelpendel
Fur Interessierte
httpsavtibeumedia14902
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 2
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-Potential
Bewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in Galaxien
Poincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
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Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Beispiel Doppelpendel
Fur Interessierte
httpsavtibeumedia14902
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 2
Beispiel Doppelpendel
Fur Interessierte
httpsavtibeumedia14902
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 2
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-Potential
Bewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in Galaxien
Poincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Beispiel Doppelpendel
Fur Interessierte
httpsavtibeumedia14902
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 2
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-Potential
Bewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in Galaxien
Poincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-Potential
Bewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in Galaxien
Poincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-Potential
Bewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in Galaxien
Poincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in Galaxien
Poincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-Schnitte
Henon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-Potential
Analyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene Energien
Weiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
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Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
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Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 3
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 4
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
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Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Einfuhrung
PhasenraumDer Zustand eines Systems wird durch die Lage im Phasenraumbeschrieben
ξξξ(t) = (qqq(t)ppp(t)) = (q1(t) qn(t) p1(t) pn(t)) (1)
Integrale der BewegungEine physikalische Groszlige f = f (qqqppp t) die fur alle Zeiten denselbenWert hat
dfdt = 0 lArrrArr f ist ein Integral der Bewegung (2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 5
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
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Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sind
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Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
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Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
DefinitionEin System mit n unabhangigen Freiheitsgraden heiszligt integrabel fallsmindestens n linear unabhangige Erhaltungsgroszligen Jα existierensodass samtliche Poissonklammern verschwinden
Jα Jβ = 0 forallα β isin 1 n (3)
Fur integrable Systeme lasst sich stets eine kanonischeTransformation
qqqppp minusrarr θθθ(qqqppp)JJJ(qqqppp) (4)
finden sodass Jα die neuen kanonischen Impulse sindEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 6
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
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Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
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Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Integrabilitat
Nach der Transformation sind alle Impulse Jα konstant und damit alleθαrsquos zyklisch
Jα = 0 = minus partHpartθα
rArr Jα = constα (5)
rArr H = H(JJJ) (6)
Auszligerdem
θα = partH(JJJ)partJα
= θα(J1 Jn) rArr θα = constα = ωα (7)
rArr θα = ωαt + θ0α (8)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 7
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als Torus
Die Bewegung eines integrablen Systems mit n Freiheitsgraden im2n-Phasenraum lasst sich als eine Bewegung auf einemn-dimensionalen Torus beschreiben
Abbildung Beschreibung als Torus 1
1Quelle [9] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 8
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusTorusvariablenDie Jα nennt man die Wirkungsvariablen die θα heiszligenWinkelvariablen
Abbildung Torusvariablen 2
2Quelle [2] (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 9
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale Tori
Fur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Darstellung als TorusRationale und irrationale ToriFur periodische Bahnen muss gelten
n middot∆θ2 = 2π middotm (9)
mit ω1
ω2= m
n rational (10)81 Coexistence of Regular and Irregular Motion 165
Figure 128 Torus in phase space
For irrational frequency ratios the orbit never repeats itself but approaches every point onthe two-dimensional manifold infinitesimally close in the course of time In other words themotion is ergodic on the torus (Note that the dimension 2 of the torus is different from thedimension 3 of the manifold defined by H(p q) = E = const)
812 Perturbation Theory and Vanishing Denominators
Let us now add to H0 a perturbation εH1 and see how it affects the previously regular motionthat is we consider the Hamiltonian
H(J θ) = H0(J)+ εH1(J θ) (818)
(where we expressed H1 in the action-angle variables J = (J1 J2) θ = (θ1 θ2) of the unper-turbed system) and we try to solve the HamiltonndashJacobi equation
H
partS
partθ θ
= H00(Jprime) (819)
Writing the generating function S as
S(Jprime θ) = θ middot Jprime + εS1(Jprime θ) (820)
and expanding M to order ε we obtain
H0(Jprime)+ εpartH0
partJmiddot partS1(Jprime θ)
partθ+ εH1( jprime θ)+O(ε2) = H00(Jprime) (821)
S1 is determined by requiring that the left-hand side in (821) is independent of θ i e
ω middot partS1(Jprime θ)
partθ= minusH1(Jprime θ) (822)
Abbildung Tori [8]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 10
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 12
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 11
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Integrabilitat und Chaos
Chaos
Kleine Anderungen δqqq(t0) und δppp(t0) in den Anfangsbedingungenhaben enorme Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung derBewegung
periodische Bahnendliche Menge vonPunktenrsquorationale Torirsquo
aperiodische Bahndichte Mengersquoirrationale Torirsquo
p
q
bull Charakteristisch fur chaotische Bahnen ist dass eine kleine Anderungδq(t0) δp(t0) der Anfangsbedingungen nach kurzer Zeit zu groszligen Abwei-chungen von der ursprunglichen Bahn fuhrt Bei regularen Bahnen bleibendagegen die Abweichungen klein (vgl Abschn 74)
t
t
t(q p )0 0
ξ (t)
ξ(t)+δξ (t)1
ξ(t)+δξ (t)2
chaotische Bahn
ξ(t)+δξ (t)2
ξ(t)+δξ (t)1
ξ (t)
tt t
(q p )0 0
regulaere Bahn
711 Spezialfall N = 2
In einem zweidimensionalen System (N = 2) ergibt sich fur den Poincare-SchnittFolgendes Aufgrund der Energieerhaltung
H =1
2m(p2
x + p2y) + V (x y) = E (162)
liegen die Bahnen ξ(t) auf einer dreidimensionalen Energieschale R3E Einer der
Impulse zB px wird dadurch festgelegt
px = px(E py x y) = plusmn
2mE minus p2y minus 2mV (x y) (163)
und kann eliminiert werden Eine weitere Variable wird durch Wahl der Poin-care-Schnittflache festgelegt (oder umgekehrt) zB x = 0 Damit verbleibennoch zwei freie Variablen welche die Punkte (y py) isin Σ bilden Ein Punkt(y py)(t0) legt demnach eine Bahn ξ(t) eindeutig fest (bei vorgegebener EnergieE) Der Poincare-Schnitt ergibt also ein vollstandiges Portrait der Bahn Wirdeine genugend groszlige Zahl von Anfangspunkten (und damit von verschiedenenBahnen) gewahlt so erhalt man ein mehr oder weniger komplettes Portrait vonder Dynamik des untersuchten Systems Praktisch sieht das bei der Wahl derSchnittflache (y py) (mit x = 0) so aus
35
Abbildung Trajektorien fur kleine Storung in den Anfangsbedingungen [2]
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Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
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Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Bewegung von Sternen in Galaxien
BeschreibungZylinderkoordinatenR θ z
AnnahmenGravitationspotential Ug ist
zeitunabhangigzylindersymmetrisch
rArr Ug (R z)Abbildung Beschreibung derSternenbewegung 3
3Quelle httpsdewikipediaorgwikiSombrerogalaxie (bearbeitet)Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 13
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andere
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im PhasenraumZielWelchen Teil des 6-dimensionalen Phasenraums (R θ z R θ z) fulltdie Trajektorie eines Sterns wenn man ihn fur eine lange Zeitverfolgt
Benotigen6 Erhaltungsgroszligen Jα(R θ z R θ z) = constαJede Erhaltungsgroszlige reprasentiert eine HyperflacheTrajektorie ist die Schnittkurve aller Hyperflachen
Wir kennenJ1 = Ug (R z) + 1
2 (R2 + R2θ2 + z2)J2 = R2θ
=rArr Gibt es noch andereEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 14
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
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Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Vereinfachungen
Fuhre Funktion einU(R z) = Ug (R z) + L2
2R2 (L Drehimpuls)
Problem wird unabhangig von θ
=rArr Ersetze R und z durch x und y
ResultatPhasenraum ist 4-dimensional (x y x y)J1 = U(x y) + 1
2 (x2 + y 2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 15
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
Prinzipiell moglich dennWir kennen eine ErhaltungsgroszligeBrauchen drei Koordinaten und konnen die vierte aus derErhaltungsgroszlige berechnenKonnen 3-dimensionalen Phasenraum plotten und untersuchen
Aber
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 16
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Bewegung von Sternen in Galaxien
Betrachtung im Phasenraum Darstellung
132 2 Beispiele mechanischer Systeme
In [14] = pic2=KCPlot [ sol
In [15] = Show [
x[t] y[t] py[t] AxesLabel-gt
x[t] y[t] Subscript[py] [t]
DisplayFunction-gt Identity
] j
pic2 Graphics3D[RGBColor[OOl]hc] Axes-gtTrue DisplayFunction-gt
$DisplayFunction ViewPoint-gt1563-2885O829
] j
y[t ]
02
o
02
04
x [ t ]
Die Projektion der Tra-jektorie im Dreidimen-sionalen darstellen
Beide Darstellungen ge-meinsam anzeigen Die Kurve in der Ebene z = 0 soll dabei blau gezeichnet werden
Abb 220 Eine regulaumlre Phasentrajektorie des Henon-Heiles-Systems aus dem vierdimensionalen Phasenraum sind zur Darstellung die x y und Pli Komponente ausgewaumlhlt worden In der Pli = -12 Ebene die zweidimensionale Projektion Abbildung Bewegung im Phasenraum [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 17
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
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Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
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Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-Schnitte
DefinitionSchnitte der Kurve ξξξ(t) mit einer(2n minus 1)-dimensionalenHyperflachesum
qi = ξξξ isin R2n qi = q(0)i
Dies ergibt ein stroboskopischesAbbild der Trajektorie mit einerdiskreten Folge von Punkten ξξξ(tn) Abbildung Poincare-Schnitt
[2] (bearbeitet)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 18
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Poincare-Schnitte
Poincare-SchnitteIn unserem Fall
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
134 2 Beispiele mechanischer Systeme
Abb 221 Die Ebene x = 0 und die dreidimensionale Projektion der Trajektorie Die Schnittpunkte der Kurve mit der Ebene bilden den Poincare-Schnitt
02
01 I I I I
0
I
0 1
0 2
-01 0 01 0 2 03
Abb 222 Die Schnittpunkte (y Pli) fuumlr die Trajektorie aus der Abb 221
Abbildung Poincare-Schnitt beim Henon-Heiles-Potential [5]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 19
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
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Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
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Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
Henon-Heiles-Potential
U(x y) = 12(x2 + y 2
)︸ ︷︷ ︸
Harmonischer Oszillator
+ ε(
x2y minus 13y 3
)(11)
Eigenschaftenanalytisch einfachkompliziert genugreprasentiert den allgemeinen Fall
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 20
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Form des Potentials
Abbildung Henon-Heiles-Potential 4
4Quelle httpsenwikipediaorgwikiHenonndashHeiles systemEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 21
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
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Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel
=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Henon-Heiles-Potential
Bewegung im Potential
Mit FFF = minusnablaU folgen die Bewegungsgleichungen
x = minuspartUpartx = minusx minus 2xy (12)
y = minuspartUparty = minusy minus x2 + y 2 (13)
=rArr Nicht integrabel=rArr Aber Numerische Untersuchung der Bewegung moglich
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 22
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehen
Sets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Niedrige Energien
Abbildung Ergebnisse fur E = 112 [4]
Was ist zu sehenSets aus Punkten rarr aperiodische Bahnengesamter energetisch verfugbarer Raum ausgefulltstabile Bewegung
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 23
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandert
immer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 18 [4]
Was hat sich verandertimmer noch einige Punkte-Sets erkennbarscheinbar willkurlich verteilte isolierte Durchstoszligpunktevon Bahnen uberdeckte Flache nimmt ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 24
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
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Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Erneute Erhohung der Energie
Abbildung Ergebnisse fur E = 16 [4]
kaum Punkte-Sets zu erkennenchaotische Trajektorie bedeckt nahezu gesamten Bereich rarrergodische Bewegunguberdeckte Flache nimmt weiter ab
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 25
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Analyse fur verschiedene Energien
Wann findet dieser Ubergang stattExistenz einer kritischen Energie Ekrit
Berechnung fur das untersuchte Henon-Heiles-PotentialEkrit 011
Abbildung Relativ uberdeckte Schnittflache der Bewegung fur dasHenon-Heiles-Potential [4]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 26
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich
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FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
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Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das Henon-Heiles-Potential Weiches Chaos
Weiches Chaos
Weiches Chaos bezeichnet im Allgemeinen die Koexistenz regularerund irregularer chaotischer Bewegungen im Poincare-SchnittEine weitere charakteristische Eigenschaft ist wie zuvor festgestelltdas Abnehmen der Bahnkurven-Dichte im energetisch zugelassenenBereich 6
FIG 3 A Poincare Surface of Section for the perturbed Earth-Sun orbit system demonstrating the KAM theorem The regionswhere our points appear to lie on deformed circles are created by slicing through the stretched squeezed and twisted versions ofthe invariant tori left over as guaranteed by the KAM theorem The chaotic regions occur where points appear to be scatteredrandomly Note that the chaos is ldquocontainedrdquo and does not spread throughout the full phase space this is soft chaos
the phase space picture of classical mechanics the invari-ant torus structure leads to an extremely simple pictureof time evolution of a regular system in phase space In-deed it turns out that the path traced out by time evolv-ing some initial point in phase space (using Hamiltonrsquosequations) can be thought of as ldquowindingrdquo around the in-variant torus it lies on More precisely if we think of theinvariant torus as the set of n angles described above andlet (ϕ1(0)ϕ2(0) middot middot middot ϕ3n(0)) represent the initial setupfor our regular system on this invariant torus we have thevery simple time evolution
ϕi(t) = ωit + ϕi(0)
where ωi is a constant Thus we can think of each ϕi aswinding around a circle with an angular velocity of ωiWe call the ordered tuple
ω = (ω1ω2 middot middot middot ω3n)
the winding number for the time evolution of our initialpoint With some thought one can see that we end upback at our initial point after some time if and only ifeach ωi is a rational multiple of one another ie we canfind integers k1 k2 middot middot middot k3n such that
k1ω1 + k2ω2 + middot middot middot + k3nω3n = 0
In such a case the path traced out in phase space by timeevolving the initial point is a closed curve on our invarianttorus In the case of a two-dimensional invariant torusthis would look like Fig 2b (where we are looking fromthe ldquotoprdquo down on our torus) If ω does not satisfy thecondition above then it turns out that the path traced outby time evolving our initial point not only never closes upon itself it ldquofillsrdquo up the entire torus To get a feeling forwhat this means physically assume we place our (regular)physical system in an initial setup represented by a point
on some invariant torus Then choose a phase space pointon the same invariant torus representing some other setupB of our system Then if the winding number does notsatisfy the condition above if we wait long enough thesystem will at some point in time look as arbitrarily closeas we want to the setup B
It turns out that the winding number is independentof our choice of initial point on the invariant torus Thatis a single winding number is assigned to each invarianttorus every initial point on that torus time evolves withthe same winding number If the winding number for ourinvariant torus satisfies the condition above (the compo-nents ωi are rational multiples of one another) then theinvariant torus is said to be rational (sometimes also re-ferred to as resonant) otherwise our invariant torus issaid to be irrational Just as the rational numbers forma negligible set compared to the irrational numbers (therational numbers are said to form a set of measure zero)in a regular system rational tori will be extremely rarecompared to irrational tori [13]
We conclude this discussion of invariant tori by con-trasting these structure with the phase space for thegeneric case of non-regular systems Indeed non-regularsystems do not contain many symmetries of the motionand hence the path formed by time evolving some ini-tial point in phase space does not necessarily lie on asubspace in the generic case the path can flow aroundin the full 6n-dimensional phase space Thus our sim-ple characterization of the time-evolution of a physicalsystem in terms of winding numbers does not hold fornon-regular systems Indeed most of the time we cannoteven write down explicit equations governing our time-evolution and computers are necessary to numericallyplot the time-evolution path in phase space These prop-erties of non-regular systems are the foundations for sen-sitive dependence on initial conditions and many other
Abbildung Poincare-Schnitt des durch Jupiter gestortenSonne-Erde-Orbits [6]Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 27
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 28
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
StorungstheorieBetrachte integrables System mit kleinem Storterm
H(JJJ θθθ) = H0(JJJ) + εH1(JJJ θθθ) (14)
FrageUnter welchen Bedingungen bleibt das System in erster Ordnungintegrabel
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast)nahe der Identitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuenVariablen in erster Ordnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2) (15)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 29
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
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Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
Storungstheorie
Wir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiert
Die Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
StorungstheorieWir finden dass die erzeugende Funktion der kanonischenTransformation folgende Form haben muss
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisum
nnnisinZn
hn(JJJ)DH0(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
(16)
wobei hn(JJJ) die Fouriertransformierte von H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) ist und DH0(JJJ) = ωωω(JJJ)
Der Nenner darf nicht Null werden da sonst die Reihe sicherdivergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0 (17)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 30
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)
Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbar
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort
Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert
Verhalten in der Nahe irrationaler ToriVermeintlich chaotische Trajektorien deren Initialzustande imPhasenraum nahe an irrationalen Tori liegen folgen deren Bahnzumindest fur einige Zeit und bleiben somit kontrollierbarEugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 31
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 Dimensionen
Unter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Das KAM-Theorem
KAM-Theorem
Fur 2 DimensionenUnter einer hinreichend kleinen Storung bleiben diejenigen Torierhalten deren Frequenzverhaltnis ω1ω2 genugend irrational ist∣∣∣∣ω1
ω2minus r
s
∣∣∣∣ gt k(ε)s25 r s isin Z 0
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 32
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Zusammenfassung
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 33
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Poincare-SchnittePoincare-Schnitte liefern neue Methode Bewegungen im Phasenraumgenauer zu analysieren
Weiches ChaosKoexistenz regularer und chaotischer Bewegung fur variierendeInitialbedingung moglich
KAM-TheoremDas KAM-Theorem liefert Aussagen uber die Phasenraum-Dynamikphysikalischer Systeme unter Storung O(ε)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 34
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
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Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Quellen
Gliederung
1 Integrabilitat und Chaos
2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von Sternen in GalaxienPoincare-SchnitteHenon-Heiles-PotentialAnalyse fur verschiedene EnergienWeiches Chaos
3 Das KAM-Theorem
4 Zusammenfassung
5 Quellen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 35
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Quellen
Quellen I
Arnold V IMathematische Methoden der klassischen MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash034ndash86669ndash9Brack MNichtlineare Dynamik (Vorlesungsskript)Regensburg WS 0102
Hebecker ATheoretische Physik II - Analytische Mechanik ampThermodynamikStatistikHeidelberg SS 2017
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 36
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Quellen
Quellen II
Henon M Heiles CThe Applicability of the Third Integral Of Motion SomeNumerical ExperimentsIn The Astronomical Journal 69 (1964) Nr 1
Kuska Jens-PeerMathematica Rcopy und C in der modernen Theoretischen Physik -mit Schwerpunkt QuantenmechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2013 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash60494ndash2Mainiero TSoft Chaos amp the KAM TheoremPasadena [httpsitesugcscaltechedu˜mainieroarticleskamthmpdf]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 37
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Quellen
Quellen III
Nolting WolfgangGrundkurs Theoretische Physik 2 - Analytische MechanikBerlin Heidelberg New York Springer-Verlag 2014 ndashISBN 978ndash3ndash642ndash41980ndash5Schuster H G Just WDeterministic Chaos - An IntroductionNew York John Wiley amp Sons 2006 ndashISBN 978ndash3ndash527ndash60641ndash2Teufel StefanMathematische Physik Klassische MechanikTubingen WS 1516
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 38
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Anhang
Anhang StorungstheorieDie zugehorigen Bewegungsgleichungen zum gestorten Hamiltonian sind
θθθ = partH0(JJJ)partJJJ + ε
partH1(θθθJJJ)partJJJ
JJJ = εpartH1(θθθJJJ)
partθθθ
Wir suchen eine kanonische Transformation Tε (JJJ θθθ) minusrarr (JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) nahe derIdentitat sodass der gestorte Hamiltonian in den neuen Variablen in ersterOrdnung nur von JlowastJlowastJlowast abhangt
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = (H Tminus1ε )(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H0(JlowastJlowastJlowast) + εH prime1(JlowastJlowastJlowast) +O(ε2)
Denn dann ware ∣∣∣∣ ddt JlowastJlowastJlowast
∣∣∣∣ = O(ε2)
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 39
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Anhang
Anhang Storungstheorie
Um eine solche kanonische Transformation zu finden wenden wir die Methodeder erzeugenden Funktion an Da wir nahe der Identitat liegen wollen wahlen wir
S(JJJ θlowastθlowastθlowast) = JJJ middot θlowastθlowastθlowast + εS1(JJJ θlowastθlowastθlowast)
Also
JlowastJlowastJlowast = partSpartθlowastθlowastθlowast
= JJJ + εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θθθ = partSpartJJJ = θlowastθlowastθlowast + ε
partS1partJJJ
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 40
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 41
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 42
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Anhang
Anhang Storungstheorie
Einsetzen in die Hamiltonfunktion und Taylorentwicklung fur kleine ε liefert
H prime(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) = H (JJJ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast) θθθ(JlowastJlowastJlowast θlowastθlowastθlowast))
= H(
JlowastJlowastJlowast minus εpartS1partθlowastθlowastθlowast
θlowastθlowastθlowast + εpartS1partJJJ
)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1
partθlowastθlowastθlowast) + εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast
+ εH1(JJJ θlowastθlowastθlowast) +O(ε2)
= H0(JlowastJlowastJlowast) + ε
(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minus DH0(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)+O(ε2)
=rArr Wir mussen S also so wahlen dass(H1(JJJ θlowastθlowastθlowast)minusωωω(JJJ) middot partS1
partθlowastθlowastθlowast
)unabhangig von
θlowastθlowastθlowast ist=rArr Nullsetzen
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
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Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
- Bewegung von Sternen in Galaxien
- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Anhang
Anhang Storungstheorie
Es liegt nahe die Fourierreihen zu betrachten
H1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
hn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) =sumnnnisinZn
sn(JJJ)e innnθlowastθlowastθlowast
Mit
partS1partθlowastθlowastθlowast
= isumnnnisinZn
sn(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
ergibt sich die Bedingung
hn(JJJ)minus isn(JJJ)ωωω(JJJ)nnn = 0 forallnnn isin Zn
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Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
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Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
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-
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- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
Anhang
Anhang Storungstheorie
Wir konnen also die erzeugende Funktion durch ihre Fourierkoeffizientendefinieren
S1(JJJ θlowastθlowastθlowast) = minusisumnnnisinZn
hn(JJJ)ωωω(JJJ)nnne innnθlowastθlowastθlowast
Der Nenner darf nicht Null werden da die Reihe dann sicher divergiertDie Bahn darf also nicht periodisch (geschlossen) sein
ωωω(JJJ) middot nnn 6= 0 fur alle nnn isin Zn 0
=rArr Wie irrational das Verhaltnis der ωrsquos sein muss liefert das KAM-Theorem
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 43
Anhang
Anhang KAM-Theorem
Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
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- Das Heacutenon-Heiles-Potential
-
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- Poincareacute-Schnitte
- Heacutenon-Heiles-Potential
- Analyse fuumlr verschiedene Energien
- Weiches Chaos
-
- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-
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Kommentar zum KAM-TheoremrdquoIn honor of its discoverer and those who proved it Komolgorovrsquostheorem is referred to the KAM (Komolgorov-Arnold-Moser) theoremand it helped to not only show that physicists and engineers cancontinue using regular models to approximate systems but itrevolutionized the understanding of classical mechanics In particularthe KAM theorem and results rooted in this theorem now play anessential role in the study of chaos in classical systems Indeed weoften see both chaotic and regular dynamics in arbitrary physicalsystems even those which are not derived from some perturbedmodelrdquo [6]
Eugen Dizer Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 44
- Integrabilitaumlt und Chaos
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-
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- Poincareacute-Schnitte
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- Das KAM-Theorem
- Zusammenfassung
- Quellen
-