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¿Existen pequeños barrios en un clásico sistema mecánico sin pares de puntos focales?

La pregunta que yo le pregunte hace sentido en mucho más generalidad, pero les dejo la traducción para los expertos, ya que sólo estoy buscando un caso especial (y no me sorprendería si la respuesta no generalizar). Voy a dar algunos antecedentes y, a continuación, pedir a mi pregunta como una conjetura, separadas del texto principal.

Deje $\mathbb R^n$ tienen su habitual métrica, y elegir un diferencial de un formulario (= vector de campo) $B$ ("magnético potencial") y un diferencial de cero de la forma (= función) $C$ (el "potencial eléctrico"). A continuación, considere el siguiente de segundo orden de la educación a distancia para con parámetros trazados $\gamma: [0,T] \to \mathbb R^n$: $$ 0 = \ddot \gamma + dB \cdot \dot\gamma + dC \quad\quad \text{(EOM)} $$ Voy a dejar de recoger las señales de cómo los dos forman $dB$ come el vector $\dot\gamma$; acaba de ser coherente.

Entonces (MOE) es no degenerada, y de modo que una solución está determinada por sus condiciones iniciales $(\dot\gamma(0),\gamma(0))$. Para cada una de las $T \in \mathbb R$, vamos a $\phi_T: \mathbb R^{2n} \to \mathbb R^n$ ser el "flujo del tiempo $T$" (en realidad, se define sólo en un subconjunto de a $\mathbb R^{2n}$, dado por $\phi_T(v,q) = \gamma(T)$ para la solución de $\gamma\\,$ a (MOE) con las condiciones iniciales $(\dot\gamma(0),\gamma(0)) = (v,q)$. A continuación, $\phi_T$ es suave; de hecho, es suave en la $T$ variable. Esto se desprende de algunas normas fundamentales resultado en Odas, para la que no tengo una buena referencia.

Un camino de $\gamma: [0,T] \to \mathbb R^n$ es clásica si satisface (MOE); su duración es el número de $T$. También podemos considerar las rutas con duración negativos por los que fluye hacia atrás, aunque no será necesario hacerlo.

Definición: Un punto de $(v,q) \in \mathbb R^{2n}$ es focal para la duración de la $T$ fib ($\phi_T(v,q)$ está definido y) $\det(\partial \phi_T(v,q)/\partial v) = 0$; es decir, fijar la $q$, creo que de $\phi_T(-,q)$ como una función de la $v$ solamente, y pedir que su diferencial es degenerado. Mediante la identificación de $(v,q)$ con su clásica ruta, vamos a hablar de "focal (clásica) rutas de acceso" para determinado de duración.

Es un estándar de los resultados (ver, por ejemplo, Milnor del Morse Teoría) que para un determinado punto de $(v,q) \in \mathbb R^{2n}$, las duraciones $T\in \mathbb R$ por que es focal discretamente separados. Tenga en cuenta que todos los $(v,q)$ es focal para la duración de la $T=0$.

La proposición: Vamos a $\gamma$ ser una clásica ruta de acceso de duración $T$. Entonces es no-focal si y sólo si se extiende a una familia de las clásicas rutas sin problemas parametrizadas por el límite de las posiciones de $(\gamma(0),\gamma(T))$.

Croquis de la Prueba: Ser focal para la duración de la $T$ es un estado cerrado en $\mathbb R^{2n}$, de modo que puede variar $\gamma(0) = q$, mientras que los restantes no focal. Pero para no focal caminos que podemos variar $\gamma(T)$ mediante el teorema de la función inversa.

De todos modos, pick $q \in \mathbb R^n$, e $v = B(q)$ (o $-B(q)$ dependiendo de su convención de signos: para los expertos, yo quiero que el impulso a desaparecer). Luego de algunos $\epsilon>0$, para todos los $T\in (0,\epsilon)$, $(v,q)$ no es focal para la duración de la $T$. Por lo tanto, para cada una de las $T \in (0,\epsilon)$, puedo encontrar una abierta vecindario $q \in \mathcal O_0 \subseteq \mathbb R^n$ y el otro abierto vecindario $\mathcal O_1 \subseteq \mathbb R^n$, de modo que para $(q_0,q_1) \in \mathcal O_0 \times \mathcal O_1$, hay un no-focal clásica ruta de $\gamma$ de duración $T$ con $\gamma(0) = q_0$, $\gamma(T) = q_1$, según suavemente sobre las condiciones de frontera, y de tal manera que la clásica ruta de acceso de duración $T$ y condiciones iniciales $(\dot\gamma(0),\gamma(0)) = (v,q)$ está contenida dentro de esta familia.

Tenga en cuenta que como $T \to 0$, la clásica ruta de acceso con condiciones iniciales $(\dot\gamma(0),\gamma(0)) = (v,q)$ termina en un punto muy cercano a $q$. No sé si puedo tomar la $\mathcal O_1$ que realmente contenga $q$.

Me gustaría invertir la dirección de decisiones: me gustaría recoger $\mathcal O_0,\mathcal O_1$ primera.

Pregunta/Conjetura: Vamos A $q \in \mathbb R^n$. Entonces existen abiertos vecinales $\mathcal O_0,\mathcal O_1 \subseteq \mathbb R^n$,$q \in \mathcal O_0,\mathcal O_1$, e $\epsilon>0$ tal forma que:

  1. Existe una familia de las clásicas rutas de $\gamma$ con el límite de los valores de variación en $\mathcal O_0,\mathcal O_1$ y con una duración que varía en $(0,\epsilon)$. I. e. deje $\Delta = \{ (T,t) \in \mathbb R^2 : T \in (0,\epsilon), t\in [0,T] \}$; entonces no es una función suave $\gamma: \mathcal O_0 \times \mathcal O_1 \times \Delta \to \mathbb R^n$ con: (a) $\gamma(q_0,q_1,T,-)$ es clásica para cada una de las $(q_0,q_1,T) \in \mathcal O_0 \times \mathcal O_1 \times (0,\epsilon)$, y (b) $\gamma(q_0,q_1,T,0) = q_0$$\gamma(q_0,q_1,T,T) = q_1$.
  2. Para cada una de las $T \in (0,\epsilon)$, la clásica ruta de acceso de duración $T$ con condiciones iniciales $(B(q),q)$ aparece como algunos $\gamma(q,q_1,T,-)$.

Para la comparación, el correspondiente teorema acerca de geodesics en un colector de Riemann es estándar: alrededor de cualquier punto usted puede encontrar un pequeño barrio tal que dos puntos cualesquiera en el barrio puede ser conectado por una única geodésica que no salir del barrio. De hecho, se sigue de la proposición y la observación de que los cambios en la duración de una geodésica fija las condiciones de contorno cantidades a una lineal volver a parametrizar.

3voto

Schof Puntos 859

Para una suficientemente grandes partículas de energía, el problema original puede ser transformado a un problema de geodésica de movimiento de la siguiente manera:

El movimiento de un clásico de la partícula en un campo magnético externo en n-dimensiones pueden ser visto como un simpléctica reducción de una geodésica de movimiento de n+1 dimensiones (Rn * S1) a través de la Kaluza-Klein construcción, dado por ejemplo en la sección 7.6 de Marsden libro. El problema restante es una geodésica de movimiento en un campo potencial eléctrico. Ahora supongamos que existe una región en la vecindad del origen, donde la el potencial eléctrico es limitada desde arriba, y la partícula de la energía (El valor de la Kaluza-Klein Hamiltonianos que es una constante de movimiento) es mayor que el máximo de su potencial. En este caso, las trayectorias en esta región son el equivalente de hasta un reparametrization gratis geodésica de movimiento en la Jacobi métrica (véase la sección 7.7). Por lo tanto, en este caso, el problema original es equivalente a un problema de Riemann.

1voto

Jon Galloway Puntos 320

Además DBM (totalmente correcta) respuesta anterior, me di cuenta de que probablemente hay una forma mucho más simple respuesta. Si estoy equivocado, espero que alguien me de la derecha.

Deje $\mathcal O$ ser un barrio en $\mathbb R^n$ compacto con cierre. Considerar a la familia de ecuaciones diferenciales: $$ 0 = \ddot\gamma + \epsilon \, db \cdot \dot \gamma + \epsilon^2 \,dc \quad\quad ({\rm EOM}_\epsilon)$$ Las soluciones a $\rm (EOM_0)$ son sólo líneas rectas. Para cada una de las $\epsilon$, considera el flujo $\phi_\epsilon: {\rm T}\mathcal O \to \mathbb R^{2n}$, que envía a $(v,q)$ $\bigl(\varphi_\epsilon(v,q),q\bigr)$donde $\varphi_\epsilon(v,q) \in \mathbb R^n = \gamma_\epsilon(1)$ donde $\gamma_\epsilon$ resuelve $\rm (EOM_\epsilon)$ con condiciones iniciales $\bigl(\dot\gamma(0),\gamma(0)\bigr) = (v,q)$. Por los resultados estándar de Odas, $\phi_\epsilon$ es suave cuando se define, y depende suavemente en $\epsilon$.

Pero el cierre de $\mathcal O$ es compacto, por lo $\phi_\epsilon$ está definido por suficientemente pequeño$\epsilon$, dependiendo únicamente de la $\mathcal O$. Por otra parte, $\phi_0(v,q) = (q+v,q)$ es uno-a-uno, y $\phi_\epsilon$ es demasiado para $\epsilon$ suficientemente pequeño dependiendo $\mathcal O$. Pero el flujo por tiempo $1$$\rm (EOM_\epsilon)$, hasta un lineal volver a parametrizar, equivalente al flujo por tiempo $\epsilon$$\rm (EOM_1) = (EOM)$.

Así pues, tenemos una solución a la parte 1. de la conjetura o la pregunta. Y la parte 2. es, esencialmente, obvio, porque esta familia contiene todos los de "baja energía" caminos " que tienen ambos extremos en $\mathcal O$. Así que no muy 2. como se ha dicho, pero la sustitución de $\mathcal O$ $\mathcal O_0 \subseteq \overline{\mathcal O_0} \subseteq \mathcal O_1 \subseteq \overline{\mathcal O_1}$ compacto hace el truco.

0voto

runeh Puntos 1304

{\bf Contraejemplo.} (Pero mira mi comentario anterior por favor.) Tome su $B$ muertos cero: no hay campo magnético, o de fricción (sin embargo usted está pensando de la misma). Su campo de fuerza es ahora puro potencial. Su inicial velocidades de $\nu$ son todos cero. Tome $C = (1/2)|q|^2$ -- un oscilador armónico, para que su "MOE" es $\ddot q = - q$. Lleve a su "base" $q \ne 0$ de su pregunta/conjetura. La conservación de la energía afirma que cualquier $q_1 = \gamma(t)$ conectado a un $q$ por la clásica ruta de $\gamma(t)$ con condición inicial $(q, \nu) = (q,0)$ satisface $|q_1|^2 \le |q|^2$. De hecho, $|\gamma(t)|^2 \le |q|^2$ con igualdad si y sólo si $t$ es un múltiplo de a $\pi$. En particular, para todos lo suficientemente pequeño tiempo hemos $|\gamma(t)| < |q|$. (Usted tiene que esperar un tiempo $2 \pi$ para volver a $q$. ) Por lo tanto, si usted realmente quiere que su intervalos de tiempo los pequeños de tipo $(0, \epsilon)$ $\epsilon$ pequeños que están jodidos! Usted no puede tener tanto en $\mathcal O_0$ $\mathcal O_1$ contiene $q$, desde $\mathcal O_0 \times \mathcal O_1$ no puede contener cualquier punto a lo largo de la diagonal.

Yo podría haber conseguido $q$ $q_1$ invertido en relación a su labellings de su pregunta/conjetura, pero el mismo truco aun funciona. Las tripas del asunto es que una bola de condiciones iniciales de la forma $(q, \nu) = (q,0)$ se reduce en $q$-espacio bajo el oscilador de flujo: la fuerza es atractiva, después de todo!

El mismo truco está obligado a trabajar para que no sea cero $B$.

Usted podría ser capaz de `salvar' su conjetura por reformular la frase, por ejemplo. no insistir en que $\mathcal O_0 \times \mathcal O_1$ se cruzan las diagonales, pero mantener el oscilador en la mente, y tal vez de decir claramente que usted está realmente dirigido en la publicación de esta pregunta/conjetura.

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