Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634655)
Контекстум
.

Гамильтонов хаос и фрактальная динамика (250,00 руб.)

0   0
Первый авторЗаславский Г. М.
АвторыЛоскутов А. Ю.
ИздательствоМ.: Институт компьютерных исследований
Страниц472
ID301417
АннотацияМонография известного специалиста по теории динамического хаоса и физике нелинейных явлений включает обширный материал и объединяет трудные, а также еще не решенные задачи общей теории хаотических систем. Помимо известных вещей, таких как эргодичность, элементы теории КАМ, перемешивание, нелинейный резонанс, гиперболичность и др., здесь читатель найдет широкие сведения о гамильтоновой динамике и сепаратрисному хаосу, математических бильярдах, фрактальных свойствах хаотических траекторий, теории возмущения за пределами КАМ-теории, полетах Леви и случайных блужданиях, диффузионных процессах и кинетике. Большой раздел посвящен исследованиям фрактального кинетического уравнения. Последняя часть книги содержит важную информацию, относящуюся к фундаментальным вопросам обоснования статистической физики. Особое место в монографии занимают такие достаточно новые и интересные разделы, как возвращения Пуанкаре и демон Максвелла, неэргодичность, динамические квазизахваты, сложность и энтропия, log-периодичность, динамическое охлаждение и пространственно-временная фрактальность, и др.
Кому рекомендованоКнига может быть полезна студентам, аспирантам, преподавателям и всем, кто интересуется современными проблемами динамического хаоса.
ISBN978-5-93972-834-8
УДК530.182.2
ББК22.31
Заславский, Г.М. Гамильтонов хаос и фрактальная динамика = Hamiltonian Chaos and Fractional Dynamics : [монография] / ред. А.Ю. Лоскутов; Г.М. Заславский .— Москва : Институт компьютерных исследований ; Ижевск : Регулярная и хаотическая динамика, 2010 .— 472 с. : ил. — Пер. с англ. - Библиогр.: с. 437-452 (387 назв.) .— ISBN 978-5-93972-834-8 .— URL: https://rucont.ru/efd/301417 (дата обращения: 23.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Помимо известных вещей, таких как эргодичность, элементы теории КАМ, перемешивание, нелинейный резонанс, гиперболичность и др., здесь читатель найдет широкие сведения о гамильтоновой динамике и сепаратрисному хаосу, математических бильярдах, фрактальных свойствах хаотических траекторий, теории возмущений за пределами КАМ-подхода, полетах Леви и случайных блужданиях, диффузионных процессах и кинетике. <...> Особое место в монографии занимают такие достаточно новые и интересные разделы, как возвращения Пуанкаре и демон Максвелла, неэргодичность, динамические квазизахваты, сложность и энтропия, log-периодичность, динамическое охлаждение и пространственно-временная фрактальность, и др. <...> Условия Колмогорова и противоречие с динамикой . <...> Процессы Леви, полеты Леви и случайное блуждание Вейерштрасса . <...> Полиномиальная и смешанная сложности и аномальный транспорт . <...> Аномальные свойства бильярдов Синая и Бунимовича . <...> Хаос имеет строгое определение, или, если быть более точными, определения, которые могут быть не тождественны друг другу, но тем не менее обладать одним общим свойством: ни одно из этих определений нельзя применить к реалистической гамильтоновой динамике. <...> В первом параграфе основное внимание уделяется топологии фазового пространства, симметрии паутин и теории ре ПРЕДИСЛОВИЕ xiii нормгруппы для динамики вблизи сепаратрисы. <...> В этой части рассматриваются динамическое охлаждение, построение демона Максвелла и взаимодействие между экспоненциальной и полиномиальной неустойчивостью в различных моделях динамики. <...> Читатели найдут здесь некоторые обсуждения, которые, как правило, не включаются в стандартные тексты, это — возвращения Пуанкаре и демон Максвелла, неэргодичность, log-периодичность, динамические квазизахваты, динамическое охлаждение и стирание хаоса, пространственновременная фрактальность, сложность и энтропия по направлению, хаос и происхождение статистических законов, симметричные <...>
Гамильтонов_хаос_и_фрактальная_динамика.pdf
Стр.4
Стр.5
Стр.6
Стр.7
Стр.8
Стр.9
Стр.10
Гамильтонов_хаос_и_фрактальная_динамика.pdf
УДК 531 ББК 22.236 З 362  Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту №07-02-07053. ЗаславскийГ.М. Гамильтонов хаос и фрактальная динамика. — М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский институт компьютерных исследований, 2010. — 472 с. Монография известного специалиста по теории динамического хаоса и физике нелинейных явлений включает обширный материал и объединяет трудные, а также еще не решенные задачи общей теории хаотических систем. Помимо известных вещей, таких как эргодичность, элементы теории КАМ, перемешивание, нелинейный резонанс, гиперболичность и др., здесь читатель найдет широкие сведения о гамильтоновой динамике и сепаратрисному хаосу, математических бильярдах, фрактальных свойствах хаотических траекторий, теории возмущений за пределами КАМ-подхода, полетах Леви и случайных блужданиях, диффузионных процессах и кинетике. Большой раздел посвящен исследованиям фрактального кинетического уравнения. Последняя часть книги содержит важную информацию, относящуюся к фундаментальным вопросам обоснования статистической физики. Особое место в монографии занимают такие достаточно новые и интересные разделы, как возвращения Пуанкаре и демон Максвелла, неэргодичность, динамические квазизахваты, сложность и энтропия, log-периодичность, динамическое охлаждение и пространственно-временная фрактальность, и др. Книга может быть полезна студентам, аспирантам, преподавателям и всем, кто интересуется современными проблемами динамического хаоса. ISBN 978-5-93972-834-8 Перевод на русский язык: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010 c http://shop.rcd.ru http://ics.org.ru ББК 22.236
Стр.4
Оглавление Предисловие . ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. xi ЧАСТЬ I. ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА 1 ГЛАВА 1. Гамильтонова динамика ... .. ... .. .. ... .. 3 1.1. Уравнения Гамильтона ... .... .... .... ... .... 3 1.2. Динамика фазового пространства . .... .... ... .... 5 ГЛАВА 2. Примеры гамильтоновой динамики .. .. .. ... .. 12 2.1. Маятник .... .... ... .... .... .... ... .... 12 2.2. Колебания в бесконечной потенциальной яме . . . . . .... 15 2.3. Магнитные моменты . ... .... .... .... ... .... 16 2.4. Поведение силовых линий . .... .... .... ... .... 18 2.5. Уравнения Гамильтона для ABC-потока .. .... ... .... 20 ГЛАВА 3. Возмущенная динамика . ... .. ... .. .. ... .. 23 3.1. Теорема Луивилля–Арнольда об интегрируемости ... .... 23 3.2. Следствия интегрируемости .... .... .... ... .... 25 3.3. Неинтегрируемость и условие Козлова . . .... ... .... 26 3.4. Резонансы ... .... ... .... .... .... ... .... 28 3.5. Нелинейный резонанс и цепочка островов .... ... .... 29 3.6. Теория Колмогорова–Арнольда–Мозера (КАМ) . . . . .... 33 ГЛАВА 4. Хаотическая динамика . ... .. ... .. .. ... .. 37 4.1. Естественная мера ... ... .... .... .... ... .... 37 4.2. Эргодичность, перемешивание и слабое перемешивание . . . 40 4.3. Локальная неустойчивость и показатели Ляпунова .. .... 43 4.4. Гиперболические системы . .... .... .... ... .... 48 4.5. Энтропия динамических систем .. .... .... ... .... 49 4.5.1. Разбиение и огрубление ... .... .... ... .... 49 4.5.2. Энтропия Колмогорова–Синая . . . .... ... .... 50
Стр.5
vi ОГЛАВЛЕНИЕ 4.5.3. Топологическая энтропия .. .... .... ... .... 53 4.5.4. Физическая интерпретация . .... .... ... .... 53 4.5.5. Энтропия и показатели Ляпунова . .... ... .... 55 4.6. Определение хаотической динамики .... .... ... .... 55 4.7. Критерий перекрытия резонансов Чирикова ... ... .... 56 ГЛАВА 5. Физические модели хаоса ... .. ... .. .. ... .. 60 5.1. Динамика отображений ... .... .... .... ... .... 60 5.2. Универсальное и стандартное отображения .... ... .... 63 5.3. Отображение–паутина (осциллятор под действием ударов) . . 68 5.4. Отображение Кеплера . ... .... .... .... ... .... 72 ГЛАВА 6. Сепаратрисный хаос .. ... .. ... .. .. ... .. 76 6.1. Описание моделей ... ... .... .... .... ... .... 76 6.2. Сепаратрисное отображение .... .... .... ... .... 77 6.3. Стохастический слой . ... .... .... .... ... .... 82 6.4. Стохастический слой стандартного отображения . ... .... 85 6.5. Скрытая ренормгруппа вблизи сепаратрисы ... ... .... 87 6.6. Ренормализация резонансов .... .... .... ... .... 94 6.7. Скрытая ренормализация для связанных осцилляторов .... 96 ГЛАВА 7. Слабый хаос и симметрия .. .. ... .. .. ... .. 102 7.1. Стохастические паутины .. .... .... .... ... .... 102 7.2. Стохастическая паутина с квазикристаллической симметрией 105 7.3. Каркас стохастической паутины .. .... .... ... .... 107 7.4. Симметрии и их динамические порождения ... ... .... 118 7.5. Ширина стохастической паутины . .... .... ... .... 121 7.6. Симметрия в искусстве и природе . .... .... ... .... 125 7.6.1. Симметрия и хаос . . .... .... .... ... .... 125 7.6.2. Орнаменты ... ... .... .... .... ... .... 127 7.6.3. Узоры в природе ... .... .... .... ... .... 127 ГЛАВА 8. За рамками теории КАМ ... .. ... .. .. ... .. 134 8.1. Малая нелинейность . ... .... .... .... ... .... 134 8.2. Торы–паутина . .... ... .... .... .... ... .... 136 8.3. Ширина стохастической паутины . .... .... ... .... 143 8.4. Переход от КАМ-торов к торам–паутине . .... ... .... 145 8.4.1. Задачи .. .... ... .... .... .... ... .... 148
Стр.6
ОГЛАВЛЕНИЕ vii ГЛАВА 9. Хаос в фазовом пространстве . . . ... .. .. ... .. 149 9.1. Топологическая неуниверсальность хаоса . .... ... .... 150 9.2. Примеры с бильярдами ... .... .... .... ... .... 152 9.3. Островки режима акселератора .. .... .... ... .... 154 9.4. Островки баллистического режима .... .... ... .... 162 9.5. Канторо–торы . .... ... .... .... .... ... .... 163 9.6. Области залипания и уходы .... .... .... ... .... 165 ЧАСТЬ II. ФРАКТАЛЬНОСТЬ ХАОСА 169 ГЛАВА 10. Фракталы и хаос .. .. ... .. ... .. .. ... .. 171 10.1. Фрактальная динамика ... .... .... .... ... .... 171 10.2. Обобщенная фрактальная размерность . . .... ... .... 173 10.3. Ренормгруппа и обобщенная фрактальная размерность .... 175 10.4. Мультифрактальные спектры .... .... .... ... .... 176 10.5. Термодинамическая интерпретация .... .... ... .... 180 10.6. Комплексная размерность и log-периодичность . ... .... 182 ГЛАВА 11. Возвращения Пуанкаре ... .. ... .. .. ... .. 187 11.1. Теорема Пуанкаре о возвращении . .... .... ... .... 187 11.2. Распределения времени возвращения и лемма Каца .. .... 188 11.3. Распределение возвращений при равномерном перемешивании191 11.4. Другие асимптотики для возвращений .. .... ... .... 194 ГЛАВА 12. Динамические захваты ... .. ... .. .. ... .. 202 12.1. Определение динамического захвата ... .... ... .... 202 12.2. Ловушка типа «Иерархическая система островков» (ИСО) . . 205 12.3. Перенормировка для распределения времени выхода . .... 208 12.4. Захват стохастическим слоем .... .... .... ... .... 212 ГЛАВА 13. Фрактальное время .. ... .. ... .. .. ... .. 216 13.1. Фрактальное время .. ... .... .... .... ... .... 216 13.2. Фрактальные и мультифрактальные возвращения ... .... 219 13.3. Мультифрактальное пространство–время и спектр его размерности .... .... ... .... .... .... ... .... 223 13.4. Критический показатель для возвращений Пуанкаре . .... 226
Стр.7
viii ОГЛАВЛЕНИЕ ЧАСТЬ III. ХАОТИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА 229 ГЛАВА 14. Общие принципы кинетики . . . ... .. .. ... .. 231 14.1. Масштабы времени . . ... .... .... .... ... .... 232 14.2. Уравнение Фоккера–Планка–Колмогорова (ФПК) . . . .... 233 14.3. Принцип детального баланса .... .... .... ... .... 237 14.4. Решения и нормальный транспорт . .... .... ... .... 238 14.5. Возрастание энтропии . ... .... .... .... ... .... 239 14.6. Условия Колмогорова и противоречие с динамикой . . .... 240 14.7. Усеченные распределения .. .... .... .... ... .... 242 ГЛАВА 15. Процессы Леви, полеты Леви и случайное блуждание Вейерштрасса .. .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 246 15.1. Распределение Леви .. ... .... .... .... ... .... 247 15.2. Процессы Леви .... ... .... .... .... ... .... 249 15.3. Возвращения Пуанкаре и теоремы Феллера ... ... .... 251 15.4. Полеты Леви и противоречие с динамикой .... ... .... 253 15.5. Случайные блуждания Вейерштрасса (СБВ) ... ... .... 259 ГЛАВА 16. Фрактальное кинетическое уравнение (ФКУ) ... .. 264 16.1. Выведение ФКУ .... ... .... .... .... ... .... 265 16.2. Условия для ФКУ ... ... .... .... .... ... .... 269 16.3. Эволюция моментов (транспорт) . . .... .... ... .... 270 16.4. Противоречие с динамикой . .... .... .... ... .... 271 16.5. Динамическое возникновение критических показателей . . . 273 16.6. Принципы моделирований . .... .... .... ... .... 278 ГЛАВА 17. Ренормгруппа кинетики (РГК) . ... .. .. ... .. 281 17.1. Пространственно-временные масштабирования . ... .... 281 17.2. Log-периодичность . . ... .... .... .... ... .... 284 17.3. Двойственность динамики и возникновение мультифрактальности .... .... ... .... .... .... ... .... 285 17.4. Мультифрактальная кинетика ... .... .... ... .... 288 ГЛАВА 18. Фрактальное кинетическое уравнение: решения и видоизменения .. .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 295 18.1. Решения ФКУ (ряды) . ... .... .... .... ... .... 295 18.2. Решения ФКУ (разделение переменных) . .... ... .... 297 18.3. Непрерывное по времени случайное блуждание (НВСБ) . . . 298 18.4. Блуждания Леви и другие обобщения НВСБ ... ... .... 303
Стр.8
ОГЛАВЛЕНИЕ ix 18.5. Противоречие с динамикой . .... .... .... ... .... 304 18.6. Субдиффузия и супердиффузия . . .... .... ... .... 305 ГЛАВА 19. Псевдохаос ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 310 19.1. Бильярды в многоугольниках .... .... .... ... .... 310 19.2. Непрерывные дроби и масштабирования траекторий . .... 314 19.3. Фрактальная кинетика иррациональных траекторий . . .... 320 19.4. Другие примеры псевдохаоса .... .... .... ... .... 326 19.4.1. Бильярд в ромбе ... .... .... .... ... .... 327 19.4.2. Другие типы бильярдов ... .... .... ... .... 329 19.4.3. Пилообразное отображение-паутина .... ... .... 330 ЧАСТЬ IV. ПРИЛОЖЕНИЯ 337 ГЛАВА 20. Сложность и энтропия динамики ... .. .. ... .. 339 20.1. Сложность в фазовом пространстве .... .... ... .... 340 20.2. Символическая и топологическая сложности ... ... .... 341 20.3. Топологическая и метрическая энтропии . .... ... .... 344 20.4. Противоречие с динамикой . .... .... .... ... .... 349 ГЛАВА 21. Функции сложности и энтропии ... .. .. ... .. 351 21.1. Определения функции сложности . .... .... ... .... 351 21.2. Вероятность -расхождения . .... .... .... ... .... 354 21.3. Вычисление функции локальной сложности ... ... .... 356 21.4. Функция сложности полетов .... .... .... ... .... 357 21.5. Энтропийная функция . . . . .... .... .... ... .... 361 21.6. Полиномиальная и смешанная сложности и аномальный транспорт .... .... ... .... .... .... ... .... 362 21.7. Бегущие волны и инварианты Римана энтропии и сложности 365 ГЛАВА 22. Хаос и обоснование статистической механики .. .. 369 22.1. Парадоксы Цермело и Лошмидта . .... .... ... .... 370 22.1.1. Исторические комментарии . .... .... ... .... 370 22.1.2. Парадокс возвращения ... .... .... ... .... 371 22.1.3. Парадокс обратимости ... .... .... ... .... 371 22.1.4. Замечания Больцмана .... .... .... ... .... 372 22.2. Хаос и парадоксы ... ... .... .... .... ... .... 372 22.3. Аномальные свойства бильярдов Синая и Бунимовича .... 373 22.4. Демон Максвелла и хаос . . .... .... .... ... .... 376
Стр.9
xОГЛАВЛЕНИЕ 22.5. Демон Максвелла как динамическая модель ... ... .... 378 22.6. Замечания о применении эргодической теории . . ... .... 381 22.7. Замечания о динамическом охлаждении и исчезновении хаоса 383 ГЛАВА 23. Хаотическая адвекция (динамика трасеров) ... .. 387 23.1. Потоки Бельтрами с q-кратной симметрией .... ... .... 387 23.2. Сжимаемые спиральные потоки .. .... .... ... .... 390 23.3. Сжимаемый поток с квазисимметрией . . .... ... .... 396 ГЛАВА 24. Адвекция вследствие точечных вихрей . . . ... .. 402 24.1. Основные уравнения для точечных вихрей и адвекции .... 402 24.2. Адвекция в системах с тремя вихрями .. .... ... .... 405 24.3. Транспорт адвективных частиц (вихрей) . .... ... .... 408 ПРИЛОЖЕНИЕ A. Эллиптические интегралы и эллиптическиефункции .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 423 ПРИЛОЖЕНИЕ B. Спектр задачи Кеплера .. ... .. .. ... .. 425 ПРИЛОЖЕНИЕ C. Дробное интегро-дифференцирование ... .. 428 ПРИЛОЖЕНИЕ D. Формулы дробного исчисления .. .. ... .. 433 Литература .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 437 Предметный указатель ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 453
Стр.10