Проблема Гильберта

Проблема Гильберта

Проблема Гильберта — Арнольда в теории динамических систем относится к классу задач, связанных с оценкой числа предельных циклов. В ней требуется доказать, что в типичном конечно-параметрическом семействе гладких векторных полей на сфере с компактной базой параметров число предельных циклов равномерно ограничено по всем значениям параметра. Данная проблема исторически связана с 16-й проблемой Гильберта. В настоящий момент (2009) решены только некоторые упрощенные версии проблемы Гильберта — Арнольда.

Математический контекст и постановка задачи

Напомним один из вариантов 16-й проблемы Гильберта. Рассмотрим систему полиномиальных дифференциальных уравнений на плоскости


	\begin{cases}
		\dot x=P_n(x,y),\\
		\dot y=Q_n(x,y),
	\end{cases}\quad (x,y)\in \mathbb R^2,
((*))

где P_n, Q_n — многочлены степени не выше n.

Задача (Экзистенциальная проблема Гильберта). Доказать, что для всякого n\in \mathbb N существует такое число H(n)<\infty, что любая система вида (*) обладает не более чем H(n) предельными циклами.

Числа H(n) называются числами Гильберта для предельных циклов.

Для дальнейшего, нам будет удобно перейти к компактному фазовому пространству и компактной базе параметров. Для этого мы используем приём, известный как компактификация Пуанкаре. Продолжая полиномиальное векторное поле на плоскости до аналитического поля направлений на проективной плоскости мы компактифицируем базу параметров, а затем используя центральную проекцию сферы на проективную плоскость, получаем аналитическое поле направлений на сфере (с конечным числом особых точек). Тем самым, в пространстве всех аналитических полей направлений на сфере выделяется конечно-параметрическое семейство полей с компактной базой параметров, порождаемых полиномиальными системами заданной степени. При этом экзистенциальная проблема Гильберта становится частным случаем следующей (более сильной) гипотезы:

Задача (Проблема глобальной конечности). В любом конечно-параметрическом аналитическом семействе аналитических векторных полей на сфере с компактной базой параметров B число предельных циклов равномерно ограничено при всех значениях параметра \varepsilon\in B.

Полиномиальные векторные поля представляют собой естественный пример конечно-параметрического семейства, и на момент постановки 16-й проблемы Гильберта это было, вероятно, единственным известным явным семейством такого рода. Однако со временем подходы изменились, и внимание математиков стали привлекать вопросы не о конкретном семействе, а о свойствах типичных семейств из некоторого класса. В ходе работы над обзором [AAIS] (1986), В. И. Арнольд предложил рассматривать конечно-параметрические семейства гладких векторных полей и сформулировал несколько гипотез на эту тему.

Какие содержательные вопросы можно задавать о предельных циклах в типичных конечно-параметрических семействах? Очевидно, прямой аналог 16-й проблемы Гильберта в данном случае не имеет смысла: у типичной гладкой системы на сфере может быть сколь угодно большое число гиперболических предельных циклов, не разрушаемых малым шевелением, а значит спрашивать о верхней оценке на число предельных циклов в типичном семействе бессмысленно. Однако, гладкий аналог гипотезы глобальной конечности имеет смысл. Он был сформулирован явно Ю. С. Ильяшенко [I94] и получил название проблемы Гильберта — Арнольда:

Задача (Проблема Гильберта — Арнольда). В любом типичном конечно-параметрическом семействе гладких векторных полей на сфере с компактной базой параметров число предельных циклов равномерно ограничено при всех значениях параметра.

Аналитические семейства весьма сложны для изучения — например, они не допускают локальных возмущений в окрестности точки, поэтому нет оснований считать, что решение проблемы Гильберта — Арнольда само по себе позволит доказать гипотезу глобальной конечности, а с ней и 16-ю проблему Гильберта. Однако, исследователи полагают, что изучение гладких векторных полей может дать полезные идеи по поводу 16-й проблемы, а также представляет собой самостоятельную содержательную задачу.

Локальная проблема Гильберта — Арнольда

Полицикл

Благодаря компактности базы параметров и фазового пространства, мы можем свести проблему Гильберта — Арнольда к локальной проблеме изучения бифуркаций специальных вырожденных векторных полей. Напомним необходимые определения.

Определение. Полициклом векторного поля называется циклически занумерованный набор особых точек p_1,\ldots,p_n (возможно, с повторениями) и набор дуг фазовых кривых \gamma_1,\ldots,\gamma_n (без повторений), последовательно соединяющих указанные особые точки — то есть дуга \gamma_j соединяет точки p_j и p_{j+1}, где p_{n+1}\equiv p_1, j = 1,\ldots,n.

Определим «цикличность полицикла», то есть количество предельных циклов, рождающихся при его бифуркации:

Определение. Рассмотрим некоторое семейство векторных полей \{v_\varepsilon(x)\}_{\varepsilon\in B^k}. Пусть при \varepsilon=\varepsilon_* система имеет полицикл \gamma. Цикличностью полицикла \gamma в семействе \{v_\varepsilon\} называется такое минимальное число \mu, что найдется такая окрестность полицикла U\supset \gamma и такая окрестность V критического значения параметра (\mathbb R^k \supset V \ni \varepsilon_*), что для всех \varepsilon \in V в области U одновременно существует не более \mu предельных циклов, причем хаусдорфово расстояние между этими циклами и \gamma стремится к нулю при \varepsilon \to \varepsilon_*.

Таким образом, цикличность зависит не только от векторного поля, содержащего полицикл, но и от семейства, в которое оно включается.

Определение. Бифуркационным числом B(k) называется максимальная цикличность нетривиального полицикла в типичном k-параметрическом семействе гладких векторных полей на сфере.

Определение бифуркационного числа уже не зависит от семейства, а только от размерности пространства параметров. Сформулируем локальную проблему Гильберта — Арнольда:

Задача. Доказать, что для всякого k>0 существует B(k)<\infty, и найти явную верхнюю оценку.

Из соображений компактности следует, что если в некотором семействе число предельных циклов не ограничено, то они обязаны накапливаться к какому-то полициклу, имеющему тем самым бесконечную цикличность. Таким образом, решение локальной проблемы Гильберта — Арнольда влечет за собой решение глобальной.

Локальная проблема Гильберта — Арнольда решена для k=1 и k=2 (B(1)=1, B(2)=2). Для k=3 существует стратегия решения, но она в настоящий момент не завершена. Применение этой же стратегии для оценки B(4) представляется совершенно безнадежной задачей. Основные результаты в этой области для произвольных k получены для упрощенной версии локальной проблемы Гильберта—Арнольда, в которой рассматриваются только полициклы, содержащие лишь элементарные особые точки.

Определение. Особая точка называется элементарной, если её матрица линеаризации имеет хотя бы одно ненулевое собственное значение. Полицикл называется элементарным , если все его вершины являются элементарными особыми точками.

Элементарным бифуркационным числом E(k) называется максимальная цикличность элементарного полицикла в типичном k-параметрическом семействе.

Теорема (Ю. С. Ильяшенко, С. Ю. Яковенко, 1995 [IYa]). Для всякого k>0 существует E(k)<\infty.
Теорема (В. Ю. Калошин, 2003 [K]). Для всякого k>0 справедлива оценка E(k)<25^{k^2}.

Литература


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Проблема Гильберта" в других словарях:

  • Проблема Гильберта — Арнольда — Проблемой Гильберта Арнольда также иногда называют инфинитезимальную 16 ю проблему Гильберта Проблема Гильберта Арнольда в теории динамических систем относится к классу задач, связанных с оценкой числа предельных циклов. В ней требуется доказать …   Википедия

  • Десятая проблема Гильберта — Десятая проблема Гильберта  одна из 23 задач, которые Давид Гильберт предложил 8 августа 1900 года на II Международном конгрессе математиков. Она состоит в нахождении универсального метода целочисленного решения произвольного алгебраического …   Википедия

  • Четырнадцатая проблема Гильберта — Четырнадцатая проблема Гильберта  четырнадцатая из проблем, поставленных Давидом Гильбертом в его знаменитом докладе на II Международном Конгрессе математиков в Париже в 1900 году. Она посвящена вопросу конечной порождённости возникающих при …   Википедия

  • Третья проблема Гильберта — Третья проблема Гильберта  третья из проблем, поставленных Давидом Гильбертом в его знаменитом докладе на II Международном Конгрессе математиков в Париже в 1900 году. Эта проблема посвящена вопросам равносоставленности многогранников:… …   Википедия

  • Седьмая проблема Гильберта — Седьмая проблема Гильберта  одна из 23 х задач, которые Давид Гильберт предложил 8 августа 1900 года на II Международном конгрессе математиков. Задача связана с доказательством и изучением трансцендентности и иррациональности некоторых… …   Википедия

  • Шестнадцатая проблема Гильберта — Шестнадцатая проблема Гильберта  одна из 23 задач, которые Давид Гильберт предложил 8 августа 1900 года на II Международном конгрессе математиков. Исходно, проблема называлась «Проблема топологии алгебраических кривых и поверхностей»… …   Википедия

  • Четвёртая проблема Гильберта — в списке проблем Гильберта касается базовой системы аксиом геометрии. Проблема связана с определением всех реализаций систем аксиом классических геометрий (Евклида, Лобачевского, Римана) с точностью до изоморфизма, если в них опустить аксиомы… …   Википедия

  • Девятая проблема Гильберта — Девятая проблема Гильберта  одна из 23 проблем Гильбета, которые Давид Гильберт высказал в 1900 году на II Международном конгрессе математиков в Париже и которые оказали исключительное влияние на развитие математики в XX веке. Проблема… …   Википедия

  • Тринадцатая проблема Гильберта — Тринадцатая проблема Гильберта  одна из 23 задач, которые Давид Гильберт предложил 8 августа 1900 года на II Международном конгрессе математиков. Она была мотивирована применением методов номографии к вычислению корней уравнений… …   Википедия

  • Семнадцатая проблема Гильберта — одна из 23 проблем Гильбета, которые Давид Гильберт высказал в 1900 году на II Международном конгрессе математиков в Париже и которые оказали исключительное влияние на развитие математики в XX веке. Формулировка задачи по Гильберту такова:… …   Википедия

Книги

Другие книги по запросу «Проблема Гильберта» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»