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本文主要讨论微分动力系统中的一类重要的系统—哈密顿系统的平衡点附近的动力学.在本文的第二章中,我简要地介绍了哈密顿动力系统中的一些基本的概念,并进一步介绍了关于近可积系统的几个最经典的结果:Lyapunov中心定理,经典KAM定理,低维环面KAM定理和无限维KAM定理.
Lyapunov定理告诉我们,只要其他频率不是周期轨在平衡点频率的整数倍,这些周期轨将在扰动下保存下来.由于Lyapunov定理考虑的是周期轨的保存性,并不涉及到小分母问题.注意到Lyapunov中心定理对非线性项的形式没有限制.
如果研究平衡点附近拟周期解的存在性,K A M理论是有力的甚至是唯一的方法.在经典KAM理论和低维环面KAM理论中,考虑的是维数≥2的环面的保存性,不可避免的会碰到小分母问题.为了解决这个困难,人们必须对哈密顿系统作非退化假设.一开始,人们加的是Kolmogorov非退化条件:未扰动频率映射是局部微分同胚.后来,这个条件被改进为Rüssmann非退化条件:未扰动频率映射的像集不落在任何过原点的超平面上.
为了将KAM定理运用到平衡点附近,除对λ必须加一定的限制外,还需要用规范形理论对相应的哈密顿函数作有限次标准形变换,得到如下哈密顿函数H=<λ,I>+h(I)+P,Ii=1/2(x2i+x2i+n),i=1,…,n,至少满足Rüssmann非退化条件的时候,我们才能由KAM定理得到n维环面的保存性.这就对方程(1.1)的高阶项作了限制.这个限制使得人们不能对任意的高阶非线性扰动得出结果.
对解析Hamilton系统,为了得到平衡点附近的拟周期解的存在性,我们是否一定要对非线性扰动加限制?这个问题是本文关心的中心问题.
Herman在[H1]中猜测:在椭圆平衡点附近,对一个具有Diophantine频率的2n-维线性可积系统,作高阶的实解析扰动,大多数的n-维环面会被保存下来.到现在为止,这仍然是个公开问题.
在椭圆平衡点附近,对给定的2n-维线性可积系统,作高阶的实解析扰动,如果不加非退化条件,我们还可以考虑r维环面的存在性问题(1<r≤n).这可以看作是Lyapunov中心定理(r=1)的推广.这个问题比Herman猜测(r=n)更一般.
在第三章中,我们考虑了r=2的情形.证明了:在椭圆平衡点附近,对给定2n-维线性可积系统,如果其频率有理无关的并且存在两个频率满足小分母条件(3.2)和(3.3),则对任意的高阶实解析扰动2维不变环面总是存在的。在这些2维不变环面上系统作拟周期运动.
关于哈密顿偏微分方程周期解和拟周期解的存在性,已经有了大量的工作.Wayne,Kuksin,Poschel给出了1维哈密顿偏微分方程在狄氏边值条件的KAM定理,证明了Cantor簇拟周期解的存在性以及解的线性稳定性.哈密顿偏微分方程在周期边界条件下拟周期解的存在性,先是由Craig—Wayne—Bourgain的方法给出的。但用这个方法得不到拟周期解的线性稳定性.后来,Chierchia,耿建生,尤建功和梁振国给出了一些在周期边界条件下的KAM定理.
对固定位势的偏微分方程,人们必须对高阶非线性项作了明确的限制,以保证可以用标准形理论由高阶非线性项产生扭转(非退化).通常人们假设三次非线性项存在.如果不对高阶实解析非线性项作特别的限制,那么我们无法从非线性项中导出扭转.因此无法应用经典的KAM.
在第四章中,我将第三章的结果推广到无限维,并且给出其在波动方程中的应用.