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Weiches Chaos Am Beispiel des H´ enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨ at Heidelberg 01. Dezember 2017 Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Weiches Chaos 1

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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

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

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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

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
Page 2: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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
Page 3: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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
Page 4: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Gliederung

1 Integrabilitat und Chaos

2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von 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

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
Page 5: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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

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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

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
Page 6: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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
Page 7: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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

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
Page 8: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 9: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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
Page 10: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Gliederung

1 Integrabilitat und Chaos

2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von 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

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)

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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

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
Page 11: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Gliederung

1 Integrabilitat und Chaos

2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von 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
Page 12: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Gliederung

1 Integrabilitat und Chaos

2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von 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

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

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
Page 13: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Gliederung

1 Integrabilitat und Chaos

2 Das Henon-Heiles-PotentialBewegung von 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

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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

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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
Page 14: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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
Page 15: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 16: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 17: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 18: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 19: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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

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
Page 20: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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 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)

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
Page 21: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 22: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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
Page 23: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 24: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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

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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
Page 25: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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
Page 26: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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
Page 27: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 28: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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

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
Page 29: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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)

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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)

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)

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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
Page 30: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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)

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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

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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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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
Page 31: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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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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

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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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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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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
Page 32: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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
Page 33: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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
Page 34: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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
Page 35: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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
Page 36: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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)

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
Page 37: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 38: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 39: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 40: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 41: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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)

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
Page 42: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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

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
Page 43: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 44: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 45: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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
Page 46: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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
Page 47: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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
Page 48: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 49: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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
Page 50: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 51: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 52: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 53: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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
Page 54: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 55: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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
Page 56: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 57: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 58: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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]

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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

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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)

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
Page 59: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 60: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 61: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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

Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)

Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort

Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert

Verhalten 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
Page 62: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 63: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 64: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 65: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 66: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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)

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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

Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)

Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort

Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert

Verhalten 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

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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)

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

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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

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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

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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
Page 67: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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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)

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

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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

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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

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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

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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]

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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

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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
Page 68: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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)

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

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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)

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

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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]

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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

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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
Page 69: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 70: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 71: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
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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
Page 73: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 74: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 75: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 76: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Das KAM-Theorem

Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)

Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort

Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert

Verhalten 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
Page 77: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Das KAM-Theorem

Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort

Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert

Verhalten 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
Page 78: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Das KAM-Theorem

Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort

Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert

Verhalten 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
Page 79: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

Das KAM-Theorem

Aussagen des KAM-TheoremsWir erhalten wertvolle Aussagen uber das Verhalten der Tori unterStorung O(ε)Rationale ToriDie rationalen Tori die periodische Bahnen charakterisieren werdendurch die Storung zerstort

Irrationale ToriDie irrationalen Tori verschwinden nicht sondern werden lediglichdeformiert

Verhalten 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)

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]

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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
Page 80: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 81: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 82: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 83: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 84: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
Page 85: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
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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
Page 87: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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
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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

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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 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

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)= 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
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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

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)= H0(JlowastJlowastJlowast minus εpartS1

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= H0(JlowastJlowastJlowast)minus εDH0(JlowastJlowastJlowast) middot partS1partθlowastθlowastθlowast

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)+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
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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 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
Page 91: Weiches Chaos - Am Beispiel des Hénon-Heiles-Potentialsmielke/ws1718p20171201.pdf · Weiches Chaos Am Beispiel des H´enon-Heiles-Potentials Eugen Dizer, Mathieu Kaltschmidt Universit¨at

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

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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
    • Bewegung von Sternen in Galaxien
    • Poincareacute-Schnitte
    • Heacutenon-Heiles-Potential
    • Analyse fuumlr verschiedene Energien
    • Weiches Chaos
      • Das KAM-Theorem
      • Zusammenfassung
      • Quellen
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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

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    • Bewegung von Sternen in Galaxien
    • Poincareacute-Schnitte
    • Heacutenon-Heiles-Potential
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      • Zusammenfassung
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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

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    • Bewegung von Sternen in Galaxien
    • Poincareacute-Schnitte
    • Heacutenon-Heiles-Potential
    • Analyse fuumlr verschiedene Energien
    • Weiches Chaos
      • Das KAM-Theorem
      • Zusammenfassung
      • Quellen
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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

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    • Bewegung von Sternen in Galaxien
    • Poincareacute-Schnitte
    • Heacutenon-Heiles-Potential
    • Analyse fuumlr verschiedene Energien
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      • Das KAM-Theorem
      • Zusammenfassung
      • Quellen
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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

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    • Bewegung von Sternen in Galaxien
    • Poincareacute-Schnitte
    • Heacutenon-Heiles-Potential
    • Analyse fuumlr verschiedene Energien
    • Weiches Chaos
      • Das KAM-Theorem
      • Zusammenfassung
      • Quellen