Einfuhrung in die Analysis dynamischer Systeme

293 Pages·2005·3.554 MB·German

by  Manfred Denker (auth.)

Springer-Lehrbuch
Manfred Denker
Einführung in die Analysis
dynamischer Systeme
Mit48Abbildungen
123
ManfredDenker
UniversitätGöttingen
InstitutfürMathematischeStochastik
Maschmühlenweg8–10
37073Göttingen
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MathematicsSubjectClassification(2000):37-01
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Vorwort
Dynamische Systeme sind faszinierend. Sie verbinden angewandte Themen
mit anspruchsvollen mathematischen Theorien verschiedenster Ausrichtung
und erlauben dem interessierten Studenten, Lehrer und Forscher, Einblicke
in viele Teilgebiete der Mathematik zu gewinnen (etwa in die Zahlentheorie
oder die Stochastik). Es gibt kaum ein Gebiet der Mathematik, das nicht
seine speziellen, dynamisch ausgerichteten Spezialthemen besitzt. Die Natur
kenntaufderanderenSeiteGesetzm¨aßigkeiten,diezeitlichalsunver¨anderbar
gelten und eine zeitlich ver¨anderbare Bewegung (Entwicklung) steuern. Dies
kann etwa in Form physikalischer Gesetze formuliert werden, jedoch werden
in zunehmendem Maße auch andere Wissensgebiete mit einbezogen.
Letztlich ist es dieser Beweggrund, aus dem man sich mit Dynamik besch¨af-
tigt; der Leser wird aber nur recht sp¨arliche Hinweise hierauf im Text vor-
finden. In diesem Band soll vielmehr das Interesse u¨ber eine anspruchsvol-
lere analytische Einfu¨hrung in die Theorie das Interesse geweckt und ei-
ne Wissensgrundlage geschaffen werden, sich weiterhin mit diesem Thema
besch¨aftigen zu k¨onnen. Dabei unterstreicht die Vielzahl der verwendeten
Methoden aus der Analysis die (mathematische) Faszination.
Die mathematische Theorie dynamischer Systeme hat ihren Ursprung zwei-
felsohne in der Himmelsmechanik. Jules Henri Poincar´e hat in seiner Mono-
graphie Lesm´ethodesnouvellesdelam´ecaniquec´eleste“ wesentlicheGrund-
”
lagenderTheoriegelegt.InihrundweiterenArbeitenfindensichfundamen-
tale Begriffe wie Rekurrenz und sensitive Abh¨angigkeit vom Anfangszustand
wieder, aber auch S¨atze zu Fuchsschen Gruppen und zur Konjugation dyna-
mischer Systeme.
SicherlichhabenauchEntwicklungeninderTheoriederDifferentialgleichun-
gen ihre Spuren hinterlassen. Das Buch Dynamical Systems“ von Birkhoff
”
gibt einen ersten U¨berblick. Zentrales Interessengebiet aus mathematischer
Sicht bilden geod¨atische Flu¨sse, und nicht nur wegen ihrer Bedeutung in der
Theorie Hamiltonscher Systeme. Sie haben letztlich durch die Arbeiten von
E. Hopf und der russischen Schule um Anosov die hyperbolische Theorie ge-
pr¨agt.
Topologische Dynamik besch¨aftigt sich mit abstrakten topologischen Eigen-
schaften, etwa Rekurrenz, Minimalit¨at u.¨a. Sie hat sich heute zu einem ei-
genen Teilgebiet der Dynamik entwickelt. Von speziellem Interesse ist hier
VI Vorwort
die symbolische Dynamik, die sich mit total unzusammenh¨angenden Fol-
genr¨aumenundSchiebungsdynamikenbesch¨aftigt.InderInformatikgewinnt
dieserAspektderDynamikbesondereBedeutung.DasBuch TopologicalDy-
”
namics“ von Gottschalk und Hedlund kann als ein fru¨her Versuch betrachtet
werden, diese Theorie darzustellen.
Mit der Formulierung der Ergodenhypothese durch Boltzmann entstand das
Problem, Zeit- und Raummittel zu verbinden. Dies gelang erst relativ sp¨at
durch Birkhoff und von Neumann. Ihre Arbeiten begru¨ndeten den Zweig der
Dynamik, der sich mit messbaren Strukturen und nichtsingul¨aren Abbildun-
gen (Maßen) besch¨aftigt. Hopf’s Buch Ergodentheorie“ ist ein Klassiker zu
”
diesem Thema.
Die modernen Anforderungen an die Theorie dynamischer Systeme be-
schr¨ankensichseitlangemnichtmehraufphysikalischePh¨anomene.Anwen-
dungen in der Mathematik sind vielleicht noch bestens bekannt (etwa das
Newton-Verfahren zur Bestimmung von Nullstellen von Polynomen), dage-
gen solche aus der Biologie (etwa Populationsdynamiken) oder Wirtschafts-
wissenschaften(Zeitreihen) weniger.DynamikalsmathematischeTheorieist
sicherlich ein Zweig der theoretisch orientierten Mathematik; man sollte je-
doch nicht verkennen, dass dieses Gebiet gleichermaßen anwendungsbezogen
ist. Typisch hierfu¨r ist das Bestreben, geeignete Modelle zur Beschreibung
der Realit¨at zu finden, somit also eine Vielfalt an Modellen zu beschreiben
und zu klassifizieren.
Diesem Buch liegt das Bestreben zugrunde, eine Einfu¨hrung in die drei ge-
nannten Gebiete der Dynamik zu geben, wie sie in einer zweisemestrigen
vierstu¨ndigen Vorlesung (28 Wochen) dargestellt werden kann. Dabei ste-
hen die analytischen Methoden im Vordergrund. Es sei ausdru¨cklich darauf
hingewiesen,dasseinegeometrischgepr¨agteEinfu¨hrungindieTheoriedyna-
mischer Systeme andere Schwerpunkte setzen muss, auch weitgehend andere
Methoden und Beispiele benutzen wird. Zahlreiche Vorlesungen zu diesem
Themaw¨ahrendderletztendreiJahrzehntestandenPatezudiesemBuch.Im
erstenTeilderLiteraturliste(Nr.1–27)sinddiejenigenBu¨cheraufgefu¨hrt,die
imvorliegendenTextbenutztwerden.DieseListemagauchalsAnhaltdafu¨r
dienen,wasderLeseranVoraussetzungmitbringensollte,n¨amlichdieseLite-
raturalsNebenlektu¨rezubenutzen.Dieswirdetwadurcheineviersemestrige
Analysisvorlesung erreicht.
Das Buch ist nach den oben beschriebenen Gebieten gegliedert. Kapitel Drei
bisFu¨nfenthaltentopologischeunddifferenzierbareDynamiksowieErgoden-
theorie. Ich habe versucht, zu jedem Thema die wesentlichsten Grundlagen
darzustellen, aber auch herausragende S¨atze mit Beweisen zu formulieren.
Das gelang jedoch nicht in allen wu¨nschenswerten F¨allen. Einige wichtige
S¨atze werden deshalb am Ende einzelner Abschnitte lediglich zitiert und
kommentiert;imweiterenVerlaufderDarstellungwerdensienichtunbedingt
ben¨otigt. Die Beweise sind bewusst knapp gehalten, um in der Darstellung
an moderne Forschungsgebiete heranzufu¨hren. Aus demselben Grund wurde
Vorwort VII
auchdaraufverzichtet,diegrundlegendeTheorieinihrervollenBreitezuent-
wickeln. Einer eher knappen, aber hoffentlich ausreichenden Darstellung der
GrundlagenstehenetwaneunzigBeispieleundfu¨nfzigGraphikengegenu¨ber,
diehelfensollen,BegriffeundFaktenzuverdeutlichen.IndieserHinsichtun-
terscheidet sich wohl das Buch von g¨angigen Vorstellungen eines Textbuches
zueinerVorlesung.JedesKapitelbeginntmiteinerOrientierungu¨berseinen
Inhalt, die auch Urspru¨nge der Theorie ein wenig beschreibt.
Transformationen auf niedrig-dimensionalen R¨aumen sind zum Verst¨andnis
dynamischer Verhaltensweisen unabdingbar, insbesondere auch bei Simula-
tionen mittels Computern. Kapitel Zwei enth¨alt deshalb einen U¨berblick
u¨ber grundlegende Klassen solcher Systeme (ausgenommen Diffeomorphis-
men auf Fl¨achen). Sie bilden ein Grundgeru¨st zum Verst¨andnis dynamischer
Ph¨anomene und dienen als Motivation und Veranschaulichung der allgemei-
nen Theorie in den folgenden Kapiteln.
Eine generelle Einfu¨hrung in die Problemstellungen der Dynamik anhand
ausgesuchter Themen findet der Leser in Kapitel Eins. Die sechs Abschnit-
te dieses Kapitels sind gleichwohl geeignet, in je einer Vorlesungsstunde ein
interessantes Resultat der Dynamik zu besprechen.
Nun noch eine Bemerkung zu Kapitel Sechs, das sicherlich auch die Vorliebe
des Autors wiederspiegelt. Der Begriff des thermodynamischen Formalismus
ist durch die statistische Physik gepr¨agt. Hier handelt es sich jedoch um ein
Thema,dasreindynamischverstandenwerdensollte,vielerleimathematische
AnwendungenbesitztundinmanchanderenDisziplinenzubemerkenswerten
Ergebnissen gefu¨hrt hat.
ImWesentlichensinddieerstenfu¨nfKapitelunabh¨angigvoneinanderlesbar.
AneinigenStellenwerdenResultateausanderenTheorienzitiert(z.B.Funk-
tionentheorie oder Differentialgeometrie), und es wird erwartet, dass der Le-
ser diese bei Bedarf nachliest. U¨bungsaufgaben zu den sechs Kapiteln finden
sich im Anhang. Viele dieser Aufgaben sollte der Leser durch Literaturstu-
dium l¨osen; sie sind in der angegebenen Literatur u¨ber Dynamik zu finden.
DerLeserwirdauchbemerken,dassdieGraphikennichtprofessionellerstellt
worden sind. Der Grund hierfu¨r liegt darin, dass der Leser aufgefordert ist,
jede der im Buch abgebildeten Graphiken selbst zu zeichnen oder zu pro-
grammieren. Natu¨rlich sind etwa bei der Darstellung der Julia-Mengen in
Abschnitt 2.4 Bilder bekannt, die eine gr¨oßere Aufl¨osung besitzen. Jedoch
kann man dies nur mit großem Rechenaufwand und gr¨oßerem Speicherplatz
durchfu¨hren. Ich habe dagegen versucht mit m¨oglichst wenig Aufwand aus-
sagekr¨aftige Bilder zu erhalten, die im Allgemeinen jedoch nicht ohne ein
gewisses Verst¨andnis der Materie reproduziert werden k¨onnen.
DieLiteraturliste verzichtet auf dieAngabevon Originalarbeiten, dafu¨r wer-
den Bu¨cher angegeben, die als Erg¨anzung studiert werden k¨onnen, wie auch
solche, die einzelne Themen dieses Buches in gr¨oßerem Detail darstellen. Sie
enth¨alt ebenfalls im ersten Teil eine Auswahl von Bu¨chern zu den Gebieten
der Mathematik, aus denen Resultate in den Beweisen benutzt werden.
VIII Vorwort
DieLiteraturlistebelegteindrucksvoll,dassichmichbeiderKonzeptionund
derAusgestaltungdiesesBuchesaufetlicheausgezeichneteDarstellungenvon
Kollegenstu¨tzenkonnte.Ichhoffeabertrotzdem,Eigenst¨andigkeitundOrigi-
nalit¨atinderDarstellunggewahrtzuhaben.Ichm¨ochtemichandieserStelle
fu¨rvielf¨altigeUnterstu¨tzungdurchKollegenundStudentenbedanken,diebe-
wusstoderunbewusstdurchihreKommentarewertvolleHinweisegaben.Be-
sondersnennenm¨ochteichRobertKaufmann,AimoHinkkanen,AlicaMiller,
Feliks Przytycki, Shigehiro Ushiki, Yakov Pesin, Henk Bruin, Susanne Koch,
ManuelStadlbauer,GerhardKeller,ZiggyNitecki,BerndO.Stratmann,Do-
ris Fiebig, Gudrun Freitag, Michael Denker, Stefan-M. Heinemann und Ha-
jo Holzmann. Auch haben vier ungenannte Referenten wertvolle Hinweise
zur Verbesserung der Darstellung und der Konzeption des Bandes gegeben.
Schließlich gilt mein Dank auch Ludwig Arnold, dessenU¨berzeugungsku¨nste
mich zu diesem Buch verleiteten.
Zum Schluss m¨ochte ich die Institutionen erw¨ahnen, bei denen ich als Gast
auch an diesem Buch arbeiten konnte: das Mathematics Department“ der
”
Universit¨at von Illinois in Urbana-Champaign, dem Banach Zentrum und
der Akademie der Wissenschaften in Warschau, der polnischen Humboldt-
Stiftung Fundacja na Rzecz NAUKI Polskiej“ und der Universit¨at Kyoto.
”
VorallemaberhabeichdemSpringer-Verlagfu¨rdieUnterstu¨tzungbeidiesem
Projekt zu danken.
G¨ottingen im April 2004 Manfred Denker
Inhaltsverzeichnis
1 Mathematische Variationen u¨ber dynamische Systeme .... 1
1.1 Dynamische Systeme.................................... 3
1.2 Selbst¨ahnlichkeit ....................................... 12
1.3 Differentialgleichungen .................................. 17
1.4 Normalformen ......................................... 25
1.5 Bifurkation ............................................ 30
1.6 Diophantische Approximation............................ 36
2 Null- und eindimensionale dynamische Systeme........... 43
2.1 Intervallabbildungen .................................... 45
2.2 Topologische Markoff-Ketten............................. 55
2.3 Hom¨oomorphismen der Kreislinie......................... 62
2.4 Rationale Abbildungen.................................. 67
3 Topologische Dynamik.................................... 75
3.1 Topologische Transformationsgruppen..................... 76
3.2 Rekurrenz und Attraktion ............................... 83
3.3 Expansivit¨at........................................... 95
3.4 Symbolische Dynamik................................... 104
3.5 Topologische Entropie................................... 110
4 Differenzierbare Dynamik ................................ 117
4.1 Diffeomorphismen und Flu¨sse ............................ 118
4.2 Der Satz von Oseledets.................................. 128
4.3 Stabile und unstabile Mannigfaltigkeiten .................. 135
4.4 Strukturstabilit¨at....................................... 145
4.5 Transversalit¨at ......................................... 152
4.6 Hyperbolische Dynamik ................................. 159
4.7 Geod¨atische Flu¨sse ..................................... 168
5 Ergodentheorie und Dynamik............................. 179
5.1 Maßtheoretische dynamische Systeme ..................... 181
5.2 Ergodens¨atze .......................................... 184
5.3 Ergodizit¨at und Mischung ............................... 193
5.4 Information und Entropie ............................... 201
X Inhaltsverzeichnis
5.5 Isomorphie ............................................ 209
5.6 Unendliche invariante Maße.............................. 213
6 Thermodynamischer Formalismus......................... 225
6.1 Topologischer Druck .................................... 226
6.2 Gibbs-Maße ........................................... 231
6.3 Entropie und Liapunoff-Exponent ........................ 237
6.4 Zeta-Funktionen........................................ 242
6.5 Multifraktaler Formalismus .............................. 247
7 Epilog u¨ber Dynamik..................................... 253
7.1 Dynamische Betrachtungsweisen.......................... 253
7.2 Biographisches ......................................... 257
7.3 Kleine Aufgabensammlung .............................. 259
Literaturverzeichnis .......................................... 273
Index......................................................... 279
1 Mathematische Variationen u¨ber dynamische
Systeme
EinBuchu¨berdynamischeSystemebeginntoftmiteinerReihemotivierender
Beispiele, die der Physik entnommen oder historisch begru¨ndet sind. Die
allgemeineWertsch¨atzungdiesesKonzeptesru¨hrtsicherlichvonseinerbreiten
Anwendbarkeit in wissenschaftlichen Disziplinen her, und nicht nur in der
Physik.Einigewenigeausgew¨ahlteBeispieleimAnhangsolleneinenEindruck
vermitteln.
Auf diese Weise soll die Theorie in diesem einfu¨hrenden Kapitel jedoch nicht
motiviertwerden;diehiervorgestelltenBeispielesindmathematischerNatur
und beru¨hren einige Teilgebiete und Methoden der Mathematik. Konkrete
Anwendungen und historische Bemerkungen sind in den zitierten Werken
des Literaturverzeichnisses ausfu¨hrlich enthalten. An dieser Stelle erscheint
esdahersinnvoll,kurzindieFragestellungendeserstenKapitelseinzufu¨hren,
ihren historischen Hintergrund aufzuzeigen und ihre Fortfu¨hrung in den wei-
teren Abschnitten anzudeuten.
Die Wirkung einer Gruppe auf einer Menge bildet das Grundkonzept dyna-
mischer Systeme, das am besten durch eine Z-Operation erkl¨art wird, denn
diesekannalsiterativangwendeterAlgorithmusverstandenwerden.Indieser
Form stellen die Rotationen auf der S1 eine wichtige Beispielklasse dar. Sie
werden in den Abschnitten 2.3 und 4.4 bzgl. ihrer Konjugationseigenschaf-
ten n¨aher betrachtet. Der Satz von Borel (1871–1956) als einer der ersten
Ergodens¨atze (Gleichverteilungss¨atze) greift fu¨r diese Transformationen. Er
kann als Korollar zum Birkhoffschen Ergodensatz aufgefasst werden, der im
erstenAbschnittimergodischenFallwegen seinergrundlegendenBedeutung
bewiesen wird. Weitere Ergodens¨atze werden in Abschnitt 5.2 besprochen.
Probleme der (analytischen) Zahlentheorie sind oftmals mit Dynamiken ver-
bunden. Solche Probleme haben schon fru¨h das Interesse der Mathematiker
erweckt. Fu¨r die Kettenbruchentwicklung wurde bereits von Carl Friedrich
Gauß um 1800 die Existenz eines invarianten Maßes nachgwiesen, und G.
Boole (1815–1864) untersuchte die nach ihm benannte Abbildung um 1830.
Der Abschnitt 1.6 beschreibt ein typisches Resultat der messbaren Dynamik
anhand der Kettenbruchentwicklung, und und es wird der Zusammenhang
mit hyperbolischer Geometrie und Fuchsschen Gruppen aufgezeigt. Beide
Konzepte werden in den Abschnitten 4.7 und 5.6 fortgefu¨hrt, ohne dass auf
dieses Beispiel oder auf seine Verallgemeinerungen Bezug genommen wird.