Periodischer Orbit

Die Bewegung eines harmonischen Oszillators ergibt einen periodischen Orbit im Phasenraum.
Die Bahn eines Planeten ist wegen der Apsidendrehung nicht exakt periodisch, die Animation übertreibt diesen Effekt sehr stark.

In der mathematischen Theorie der dynamischen Systeme ist eine periodische Bahn oder ein periodischer Orbit (auch: geschlossener Orbit) eine Bewegungsbahn, die stets nach einer bestimmten Zeitdauer (der „Periode“) zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehrt, die also in sich geschlossen ist und somit einer sich ständig wiederholenden, periodischen Bewegung entspricht. Punkte auf periodischen Orbiten werden als periodische Punkte bezeichnet.

Beispiele periodischer Orbiten sind die Bewegung eines harmonischen Oszillators oder die Planetenbahnen (die allerdings nicht mehr exakt periodisch sind, wenn man die Apsidendrehung berücksichtigt).

Definition

Es sei in einem zeitkontinuierlichen dynamischen System, d. h. mit :

ein Fluss auf einem Zustandsraum . Der Orbit

eines Punktes heißt periodischer Orbit wenn es ein gibt, so dass

für alle gilt. Die kleinstmögliche solche positive Zahl heißt die Periode des Orbits.

Dieselbe Definition wird für diskrete dynamische Systeme verwandt, hier sind dann und jeweils ganze Zahlen.

Periodische Orbits zeitlich kontinuierlicher Systeme besitzen die Topologie eines Kreises, während sie bei diskreten Systemen (iterierten Abbildungen) aus einer der Periode entsprechenden Anzahl von Punkten bestehen, die zyklisch aufeinander abgebildet werden.[1]

Seifert-Vermutung

Die Frage, ob die Flüsse aller stetigen Vektorfelder auf der 3-dimensionalen Sphäre einen periodischen Orbit haben, wurde als Seifert-Vermutung bekannt. Es gibt Gegenbeispiele zu dieser Vermutung selbst bei beliebig starken Bedingungen an die Differenzierbarkeit des Vektorfeldes.[2]

Reeb-Orbiten

Die Gegenbeispiele zur Seifert-Vermutung zeigen, dass Vektorfelder auf der 3-dimensionalen Sphäre sehr pathologische Dynamik haben können. Ein regelmäßigeres Verhalten hat man für das sogenannte Reeb-Vektorfeld der Standard-Kontaktstruktur auf der 3-Sphäre und allgemeiner für Reeb-Vektorfelder auf 3-Mannigfaltigkeiten. Für diese lässt sich beweisen, dass es immer periodische Orbiten gibt (sogenannte Reeb-Orbiten) und man verfügt über Methoden (z. B. Kontakthomologie) zum Abzählen der periodischen Orbiten.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998.
  2. Artikel mit Gegenbeispielen:
    • V. Ginzburg, B. Gürel: A-smooth counterexample to the Hamiltonian Seifert conjecture in ]. In: Ann. of Math. (2) 158, no. 3, 2003, S. 953–976.
    • J. Harrison: counterexamples to the Seifert conjecture. In: Topology. 27, no. 3, 1988, S. 249–278.
    • G. Kuperberg: A volume-preserving counterexample to the Seifert conjecture. In: Comment. Math. Helv. 71, no. 1, 1996, S. 70–97.
    • K. Kuperberg: A smooth counterexample to the Seifert conjecture. In: Ann. of Math. (2) 140, no. 3, 1994, S. 723–732.
    • G. Kuperberg, K. Kuperberg: Generalized counterexamples to the Seifert conjecture (Memento des Originals vom 2. Januar 2016 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/front.math.ucdavis.edu. In: Ann. of Math. (2) 143, no. 3, 1996, S. 547–576.
    • H. Seifert: Closed integral curves in 3-space and isotopic two-dimensional deformations. In: Proc. Amer. Math. Soc. 1, 1950, S. 287–302.
    • P. A. Schweitzer: Counterexamples to the Seifert conjecture and opening closed leaves of foliations. In: Ann. of Math. (2) 100, 1974, S. 386–400.

Auf dieser Seite verwendete Medien

Precessing Kepler orbit 280frames e0.6 smaller.gif
Autor/Urheber: WillowW, Lizenz: CC BY 3.0
Made by me on 18 January 2008 using Blender. A gradually precessing elliptical orbit, such as might result from a 1/r3 force, as occurs in general relativity.
Simple Harmonic Motion Orbit.gif
Animation demonstrating the simple harmonic motion of a mass on a spring in both real space and phase space. Note that the phase space axes are switched from the standard convention in order to align the two diagrams.