Математика вокруг проблемы n тел: интегрируемые системы и КАМ-теория 2 // Ольга Ромаскевич / ЛШСМ 2014

Основной мотивацией для нас будет задача двух тел: задача о движении одной планеты вокруг Солнца в предположении о том, что как будто бы никаких других планет в округе нет. В этом случае траектории системы описываются коническими сечениями, а замкнутые орбиты являются эллипсами. В реальности все намного сложнее, однако в первом приближении планеты действительно ходят по эллипсам вокруг Солнца. Этот факт был экспериментально подмечен Иоганном Кеплером, а затем выведен Ньютоном из законов всемирного тяготения. Мы пройдем их путем, а также окинем эту историю более современным взглядом. Задача двух тел является одним из примеров так называемой интегрируемой гамильтоновой системы: динамической системы, в которой сохраняется не только энергия, а ещё достаточное количество дополнительных физических величин. Мы поговорим об общей теории таких систем, а также посмотрим на некоторые замечательные примеры. Одной из целей курса является понятно объяснить, что такое теория Колмогорова–Арнольда–Мозера, рассматривая игрушечные примеры. Программа курса: 1. Проблема двух тел, закон всемирного тяготения и законы Кеплера. «Нам повезло»: теорема Бертрана, выделяющая ньютоновский потенциал из всех прочих. 2. Интегрируемые гамильтоновы системы: арнольдовские торы на примерах. Проблема двух тел, волчки, геодезические на поверхностях вращения и на эллипсоиде. 3. Сложность задачи трёх тел – появление хаоса в окрестности периодической траектории (по аналогии с возмущением геодезических на торах вращения). Подкова Смейла в окрестности орбиты Ляпунова. 4. Надежда на некоторую простоту задачи трёх тел — квазипериодичность траекторий. Теорема КАМ в игрушечной модели теории возмущений (косом произведении на цилиндре). Как возникает теория чисел в гамильтоновой динамике: диофантовы числа вращения и «выживающие торы». Очень хочется, чтобы курс вышел понятным школьникам: целевой аудиторией таким образом будут 10–11 классы, однако вероятно, что и студентам будет интересно. Очень желательно знакомство с анализом: не бояться дифферецировать функции одной (а лучше – нескольких переменных), оперировать с рядами, интегрировать функции одной переменной, решать простейшие дифференциальные уравнения, иметь интуитивное представление о мере. Также желательно уметь работать со скалярным и векторным произведением в трехмерном пространстве. Если что-то из этого вам не знакомо, бояться приходить не стоит, и без всего этого аппарата общий смысл происходящего будет ясен. Материалы: Ромаскевич Ольга Леонидовна Летняя школа «Современная математика», г. Дубна 21-28 июля 2014 г.