Математические байки – Telegram
Математические байки
4.3K subscribers
1.44K photos
15 videos
27 files
914 links
Рассказы про разную математику.

Архив: http://dev.mccme.ru/~merzon/mirror/mathtabletalks/
Download Telegram
Кстати —
В. И. Арнольд, "Малые знаменатели и проблемы устойчивости движения в классической и небесной механике", УМН, 1963, http://mi.mathnet.ru/umn6441
Туда мы сейчас не пойдём — зато я покажу один пример из астрономии, щели Кирквуда.
Сейчас известно довольно много астероидов — счёт идёт на сотни тысяч. Если построить гистограмму, "сколько нам известно астероидов с данным периодом обращения вокруг Солнца" — то получается вот что:
То есть — на периодах, которые "хорошо соизмеримы" с периодом обращения Юпитера, мы астероидов почти не видим. В некоторых (весьма сильных) кавычках можно сказать, что на "хорошо иррациональных" орбитах влияние Юпитера усредняется. А вот на рациональных он на каждом обороте "подтягивает" астероид (точнее, параметры его орбиты) в одну и ту же сторону (а Юпитер, как-никак, аж 1/1000 от массы Солнца, так что эффект от него за миллионы лет весьма заметный) — и в итоге таких астероидов не остаётся.
(Давайте я сразу скажу, что соизмеримость периодов именно гарантированной проблемы не создаёт. Есть, к примеру, резонанс 1:2:4 между периодами обращения лун Юпитера — Ганимедом, Европой и Ио; см. https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_resonance . Но это, насколько я понимаю, скорее редкость.)
Но вернёмся к нашей комплексной динамике.
Мы выяснили, что если коэффициент r для динамики с λ=exp(2πi r) рациональный, r=p/q — то точка параболическая, и за ней начинается другая компонента.
Если иррациональный и рациональными плохо приближающийся — то рядом с такой точкой динамика приводится к виду "умножение на λ" (то есть точки не сближаются и не удаляются). Это то, что называется диском Зигеля, и вот пример такого множества Жюлиа — для r, равного золотому сечению:
Ну хорошо, если λ=exp(2πi r), и r рациональное, то мы ответ более-менее знаем. Если r иррациональное и рациональными числами плохо приближается — тоже. А если хорошо? Если, к примеру, r это классический пример трансцендентного числа — сумма ряда
\sum_n 1/10^{n!} ?
Если коротко, то "всё интересно" (и тут есть слова "точка Кремера" ).
Математические байки
И в продолжение — вот тут картинка, которая показывает, что происходит: https://twitter.com/matthen2/status/1262249113384452096
И по тропинкам, которые начинаются с этого вопроса — который почти автоматически возникает при взгляде на ту анимацию, с которой я весь этот рассказ начал — мы сейчас попробуем пройти.
Долгое время был открытым такой вопрос: может ли множество Жюлиа у полиномиального отображения иметь положительную меру?
Этот вопрос был бы тривиальным, если бы его задавали про заполненное множество Жюлиа — про те точки, которые не убегают на бесконечность. Например, для z^2 это (замкнутый) единичный диск.
Но — его спрашивали про настоящее множество Жюлиа, то, на котором динамика хаотична — иными словами, про границу заполненного множества Жюлиа.
Скажем, для z->z^2 это просто единичная окружность — конечно, имеющая меру ноль (то есть "занимающая нулевую площадь").
Так вот — всего, что мы сейчас увидели, достаточно, чтобы (в общих чертах) посмотреть, как Xavier Buff и Arnaud Cheritat построили (см. https://arxiv.org/pdf/math/0605514.pdf ) пример — причём как раз на главной кардиоиде:
Математические байки
Photo
И идея, собственно, очень простая и красивая. Давайте начнём с r (которое у них α), которое бы плохо приближалось рациональными. Например, с α, которое было бы золотым сечением. Тогда заполненное множество Жюлиа содержит диск Зигеля — который мы уже видели — и потому имеет положительную меру. А неподвижная точка сидит "в центре" этого диска — вокруг неё "всё крутится".
Математические байки
Photo
Теперь давайте обрубим цепную дробь α где-то глубоко-глубоко, получив вместо α близкое к нему рациональное число с огромным знаменателем q. Тогда мы получим параболическую точку, от которой будут убегать q узких "клювов неустойчивости" (таких же, как зазор между ушами и телом у "толстого кролика")
А что будет, если вместо того, чтобы обрубать совсем, мы заменим какой-нибудь большой по номеру элемент цепной дроби на огромное число — но цепная дробь после него останется?
С одной стороны, если это число и впрямь совсем-совсем огромное — то новое α' настолько близко к соответствующему p/q (как если бы мы в этом месте цепную дробь обрубили), что "клювы" неустойчивости (которые не принадлежат заполненному множеству Жюлиа) почти останутся — так что заполненное множество Жюлиа будет ими "прорезано". С другой — за счёт "хвоста" новое число α' всё ещё (асимптотически) плохо приближается рациональными — так что мы всё ещё увидим диск Зигеля, просто его граница начала заходить внутрь диска для исходного α.
И вот картинка из их статьи —
Остаётся повторить такую процедуру счётное число раз — и обеспечить, чтобы заполненное множество Жюлиа для такой последовательности α_n становилось бы всё более "изрезанным" — но чтобы на каждом шаге на эти разрезы терялась всё меньшая и меньшая часть площади. Тогда в пределе заполненное множество Жюлиа совпадёт со своей границей — с настоящим множеством Жюлиа — а мера у него всё ещё будет положительной. И ура!
Так что где-то в том "мелькании разрезов", которые мы видели на исходной анимации — появляются и построенные — в 2006 году, совсем не так давно — такой процедурой множества Жюлиа положительной меры.
(Ну и я, конечно, замёл какое-то число деталей под ковёр...)
Кстати, такой трюк — счётное число последовательных поправок, чтобы что-нибудь обеспечить в пределе — применяется довольно часто (собственно, на классическую канторову диагональ можно смотреть как на пример его применения).
Давайте посмотрим на пару точных картинок рядом с α-золотым сечением.
Вот тут, каюсь, я сжульничал и для большей похожести на картинку статьи перепрыгнул в одну из соседних компонент (как раз в точке, отвечающей рациональному приближению к золотому сечению):