KAM理论及其应用

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本文主要包含两部分内容.其一,利用KAM理论研究了一类次线性反转系统的Lagrange稳定性,即所有解是有界的;其二,利用KAM方法研究了一类退化的斜积系统(包含连续系统和离散系统)的可约化性.自A.N.Kolmogorov[29],V.I.Arnold[1]及J.K.Moser[48]建立KAM理论以来,该理论作为20世纪最伟大的数学成就之一,在天体力学和量子力学中发挥着重要的作用.动力系统理论主要研究物体随着时间变化的运动规律.通常分为两类:由微分方程描述的连续动力系统和由映射迭代描述的离散动力系统.我们也可认为动力系统的两类基本研究对象分别为微分方程和映射.作为动力系统理论研究的重要主题,微分方程和映射有着广泛的应用.例如,物理,特别是力学,天文学中许多数学模型都是用连续或离散动力系统描述的.  众所周知,Duffing方程在很多的学科中有重要的应用,Littlewood[40]提出研究Duffing方程解的有界性.许多学者利用KAM理论中的Moser扭转定理研究了Hamilton系统解的有界性,见[10,11,17,18,20,34,36,47,51,72,69,76].由于反转系统和Hamilton系统的某种相似性,很多Hamilton系统的结果可以推广到反转系统,见[32,37,70,60].与Hamilton系统情形类似,反转系统研究中最难的也是次线性情形.这方面的结果也是很少的.  黎雄[37]研究了次线性反转系统:(x)+f(x)(x)+|x|α-1x=e(t)(0.0.1)解的有界性.最近,王新平[60]考虑了更一般的情形(x)+f(x)g((x))+γ|x|α-1x=p(t),(0.0.2)其中0<α<1,γ≠0.同时,假设下列条件成立:  i)f(x),g(x)∈C4(R),p(t)∈C4(T),f(x),p(t)为奇函数,p(t)为1-周期函数.  ii)存在正常数μ使得,若|x|≥μ,则|xi+1f(i)|≤C|x|α/2-β,|yjg(j)|≤C|j|(Τ),其中β>1/2[1+(1+α)(Τ)],(Τ)>0.  则系统(0.0.2)所有解有界当且仅当γ>0.无论是[37]还是[60],方程中位势函数均不依赖于时间t.本文中,作者考虑一类具有周期驱动的次线性反转系统(x)+f(x)(x)+(B+εe(t))|x|α-1x=p(t),(0.0.3)其中B≠0,0<α<1.  假设该系统满足下列条件:  (A1)f(x)∈C4(R),p(t)∈C3(T)及e(t)∈C3(T),f(x)和p(t)是奇函数,e(t)是偶函数,并且e(t),p(t)均为以1为周期的周期函数,其中T=R/Z;  (A2)存在正常数μ使得不等式|xi+1f(i)(x)|≤C|x|α/2-β对所有的0≤i≤4及|x|≥μ成立,其中0<β<α/2,C为大于或等于1的常数.  则存在ε**>0,使得对任意的0<ε<ε**,系统(0.0.3)所有解有界当且仅当B>0.此外还证明了系统(0.0.3) Mather型解的存在性.  上述问题的主要研究思路是通过利用KAM定理(Moser扭转定理)来研究相应于微分方程的Poincaré映射来得到方程的Lagrange稳定性.  本文的另一个工作是利用KAM理论研究一类微分方程和斜积映射的可约化性.许多学者广泛的应用KAM理论来研究微分方程的可约化性问题.(A).Jorba[24,25]和徐君祥[67,68,66]分别研究了椭圆和半双曲退化等情形.  本文中,作者考虑更一般的退化情况{(x)=ym+∈(f)1(x,y,t)+h1(x,y,t),(0.0.4)(y)=xn+∈f2(x,y,t)+(h)2(x,y,t),其中mn>1,n≥m.考虑对应的Poincaré映射{(x)=x+ym+∈f1(x,y,θ,∈)+h1(x,y,θ,∈),(y)=y+ xn+∈f2(x,y,θ,∈)+h2(x,y,θ,∈),(0.0.5)(θ)=θ+ω,以及{(x)=x+y+xn+∈f1(x,y,θ,∈)+h1(x,y,θ,∈),(y)=y+ xn+∈f2(x,y,θ,∈)+h2(x,y,θ,∈),(0.0.6)(θ)=θ+ω.其中ω=(ω1,ω2,…,ωd)∈Rd.并且,fi和hi有形式f1(x,y,θ,∈)=Σ0≤i+j≤nf1ij(θ,∈)xiyj,h1(x,y,θ,∈)=Σi+j≥n+1 h1ij(θ,∈)xiyi,(0.0.7)f2(x,y,θ,∈)=Σ0≤i+j≤n f2ij(θ,∈)xiyj, h2(x,y,θ,∈)=Σi+j≥n+1h2ij(θ,∈)xiyj,(0.0.8)且f(0,0,θ,∈)≠0,h(0,0,θ,∈)=0,记f=(f1,f2)T,h=(h1,h2)T.当∈=0时,u(θ)=0为一双曲不变环.这里称f为低阶项,h为高阶项.不失一般性,我们假设n≥m.如果n≤m,可得类似的结果.  记(c,γ)类型的Diophantine向量的集合为DC(c,γ),即若ω∈DC(c,γ),有|(k,ω)-l|≥c|k|γ,(V)k∈Z{0}, l∈Z,其中|k|=|k1|+…+|kd|,c>0,γ>d-1.记[f]为函数f(θ)关于θ的平均.  令c>0,γ>d-1≥0,r>0,ρ>0.假设ω∈DC(c,γ),hi,fi关于x,y,∈在原点的一个开集上实解析,关于θ在一带状邻域上解析,且hi,fi分别形如(0.0.7)和(0.0.8),其中i=1,2.同时,设[f100]{<0当m是偶数时,≠0当m是奇数时,和[f200]{<0当n是偶数时,≠0当n是奇数时.则存在足够小的∈0>0,使得当∈<∈0时,映射(0.0.5)至少有一个解析的弱双曲不变环.  类似的,对于映射(0.0.6),得到如下结果:令c>0,γ>d-1≥0,r>0,ρ>0.假设ω∈DC(c,γ),hi,fi关于x,y,∈在原点的一个开集上实解析,关于θ在一带状邻域上解析,且hi,fi分别形如(0.0.7)和(0.0.8),其中i=1,2.同时,设[f200]{<0当n是偶数时,≠0当n是奇数时.则存在足够小的∈0>0,使得当∈<∈0时,映射(0.0.6)至少有一个解析的弱双曲不变环.  上述结果除了其本身所具有的意义之外,还解决了相应的具有半退化或完全退化平衡点的微分方程(0.0.4)的可约化性问题.  本文共分为四章,具体安排如下:  第一章,介绍了经典KAM理论及反转系统和可约化性的相关理论以及研究现状.同时还给出了本文的主要结果以及问题的难点.  第二章,考虑了反转系统(x)+ f(x)(x)+(B+εe(t))|x|α-1x=p(t)解的有界性.给出了一个充分必要条件.同时,证明了Mather型解的存在性.  第三章,考虑了一类退化系统{(x)=x+ym+∈f1(x,y,θ,∈)+h1(x,y,θ,∈),(y)=y+ xn+∈f2(x,y,θ,∈)+h2(x,y,θ,∈),(θ)=θ+ω,其中mn>1,n≥m,f为关于x,y低于阶n+1的低阶项,h为关于x,y高于阶n+1的高阶项,并且ω=(ω1,ω2,…,ωd)∈Rd为有理无关的频率向量.则如果ω是Diophantine的,且∈>0足够小,该映射至少有一个弱双曲不变环,其中弱的意思为相应的特征值接近于1.同时可得相应的微分方程有拟周期解.  第四章,我们考虑光滑映射{(z)=Az+∈f(z,θ)+h(z,θ),(θ)=θ+ω,其中z∈Rn,n≥1,f=(f1,f2)T,h=(h1,h2)T,f,h∈Ckr,ρ(Rn×Td,Rn),k∈{1,2,…,∞,ω},即函数f,h可以是任意阶光滑或解析的,A为n×n阶矩阵,且具有n个异于1的实特征值,即设A的特征值为(λ1,…,λn),则λi≠1,(i=1,…,n).我们利用隐函数定理证明了上述映射不变环面的存在性.
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