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KAM理论证明了近可积Hamilton系统多数轨道的动力学稳定性。应用KAM理论于两个自由度的自治系统或一个自由度的时间周期系统,可保证所有轨道都是稳定(沿着轨道作用量不会发生太大的变化)的。
Arnold在其著名的文章[Ar2]中构造了一个具有两个自由度的时间周期的近可积系统,其摄动项非常特殊,以至于足够多的双曲型低维环面得到保存,故用Melnikov方法可构造传递链,沿着传递链,轨道的作用量可发生任意大的改变。虽然他的例子绝非通有,但他仍以此例支持他的猜测[Ar4],[AKN]:典型的高维近可积Hamilton系统拓扑不稳定。这就是著名的Arnold扩散问题。
自Arnold扩散问题提出以来,大量的优秀数学家投身于此问题的研究,其中以Mather建立Mather理论最为杰出,他为解决Arnold扩散指出了一条光明的道路。程崇庆和严军[ChY1],[ChY2]由此出发,引入了大量有趣的想法和巧妙的技巧,已经基本解决了先验不稳定情形下的Arnold扩散;Mather也宣布在先验稳定情形取得了重大进展[Mat9]。
用Mather理论来研究Arnold扩散,基本思路是构造不同上同调类的Aubry集之间的连接轨道。这就要求我们要对Aubry集的结构有足够的了解。事实上,Aubry集的结构非常复杂,Mather[Mat10]甚至构造出了商Aubry集等距于闭区间的例子。在本文中,我们将探求Aubry集的结构。
本文研究Aubry集的同宿轨及相关的一些问题。为了叙述方便,我们引入几个记号:我们用?<,c>和?<,c>来表示c上同调类所对应的Mather集和Aubry集,其投影分别记为M<,c>和A<,c>。为了记号简单,当c=0时,我们略去下标。不失一般性,我们假设Mather的α函数和β函数满足α(0)=β(0)=0。在Mather集?唯一遍历和A的一阶相对上同调群非平凡的假设下,我们得到了以下三个方面的结果:
1.对?的?<,->半静态同宿轨做了研究,证明了?<,->半静态同宿轨的存在性,并刻划了对于取在A的一阶相对上同调群和α函数的平台的交集的边界上的c,这些?-半静态同宿轨和Aubry集?<,c>之间的联系。这可使我们了解Aubry集随上同调类的变化情况。同时,我们还把Mather的Lipschitz图性质从Aubry集?<,c>推广到了?<,c>和?的某些?-半静态同宿轨的并集上。
2.证明了Aubry集?无穷多条同宿轨的存在性。分两种情形:(1).不存在孤立的?-半静态同宿轨,此时有无穷多?-半静态同宿轨;(2).存在孤立的?-半静态同宿轨,此时在其附近Aubry集?有无穷多multi-bump同宿轨。
3.证明了孤立?-半静态同宿轨附近无穷多周期轨的存在性,和2中情形(2)的结果一起,刻划了孤立?-半静态同宿轨附近的混沌行为。