콜모고로프-아르놀트-모저 정리

해밀턴 역학에서 콜모고로프-아르놀트-모저 정리(Колмогоров-Арнольд-Moser定理, 영어: Kolmogorov–Arnold–Moser theorem, 약자 KAM)는 적분가능계에 충분히 작은 섭동항을 추가하였을 때, 거의 모든 준주기적 해들이 살아남는다는 정리이다.

정의

$2n$차원 심플렉틱 다양체 $(M,\omega )$ 위의 적분가능계의 작용-각도 변수가 $(I^{i},\theta _{i})$라고 하자 ($I^{i}\in \mathbb {R}$, $\theta _{i}\in \mathbb {R} /2\pi \mathbb {Z}$). 즉, 해밀토니언 함수 $H_{0}(I)$는 작용 변수에만 의존하고, 각도 변수에 의존하지 않는다. 이 계의 운동 방정식은

${\dot {I}}^{i}=0$

${\dot {\theta }}_{i}=\omega _{ij}I^{j}$

이며, 따라서 $I^{i}$들은 운동 상수이며, 계의 $\theta _{i}$에 대한 주기는 $1/(2\pi \omega _{ij}I^{j})$이다. 만약 $I^{i}$들의 비가 유리수라면 이는 해밀턴 방정식의 주기적 해를 이루며, 무리수라면 이는 해밀턴 방정식의 준주기적(영어: quasiperiodic) 해를 이룬다. 각 $(I^{1},\dots ,I^{n})$에 대응하는 $n$차원 원환면을 불변 원환면(영어: invariant torus)이라고 한다.

이제, 해밀토니언 함수에 미세한 적분 불가능 섭동을 주자.

$H(I,\theta )=H_{0}(I)+V(I,\theta )$

그렇다면, 만약 $V$가 충분히 작다면 불변 원환면들이 그대로 유지되는지 물을 수 있다. 콜모고로프-아르놀트-모저 정리는 이 문제에 대한 해답을 제공한다.

구체적으로, 임의의 벡터 $\mathbf {v} \in \mathbb {R} ^{n}$에 대하여 다음 조건을 만족시키는 상수 $a,b>0$가 존재한다면, $v$가 디오판토스 벡터(영어: Diophantine vector)라고 하자.

$\forall \mathbf {u} \in \mathbb {Z} ^{n}\setminus \{0\}\colon |\mathbf {u} \cdot \mathbf {v} |\geq a\left(|u_{1}|+\cdots +|u_{n}|\right)^{-b}$

르베그 측도에 대하여 거의 모든 벡터가 디오판토스 벡터임을 보일 수 있다.

콜모고로프-아르놀트-모저 정리에 따르면, 만약 임의의 $(I^{0},\dots ,I^{n})\in \mathbb {R} ^{n}$에 대하여

• $\omega _{ij}I^{j}$가 디오판토스 벡터이며,
• 헤세 행렬 $\partial ^{2}H_{0}/\partial I^{i}\partial I^{j}$이 가역 행렬이라면,

충분히 작은 $V$에 대하여, 섭동된 해밀토니언 $H=H_{0}+V$에 대하여 주기가 $\omega _{ij}I^{j}$인 준주기적 해가 존재한다. (만약 $H_{0}$에 대한 해가 주기적이더라도, $H$에 대한 해는 일반적으로 준주기적이다.)

여기서 "충분히 작은 $V$에 대하여"는 구체적으로 다음과 같은 뜻이다.

$V\colon \mathbb {R} ^{n}\times \mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R}$

$V\colon (I^{i},\theta _{i})\mapsto V(I,\theta )$

가 $\{(I^{1},\dots ,I^{n})\}\times \mathbb {R} ^{n}$의 복소수 닫힌 근방

$\{(I^{1},\dots ,I^{n})\}\times \mathbb {R} ^{n}\subset U\subset {\bar {U}}\subset \mathbb {C} ^{n}\times \mathbb {C} ^{n}$

으로 해석적 연속될 수 있다고 하고,

$\|V\|=\sup _{x\in {\bar {U}}}|V(x)|$

라고 할 때, $\|V\|<\epsilon (a,b)$이라면 $(a,b)$-디오판토스 벡터에 대하여 준주기적인 해가 존재하게 되는 양의 실수 $\epsilon (a,b)\in \mathbb {R} ^{+}$이 존재한다. (이 실수는 디오판토스 벡터의 정의에서의 상수 $(a,b)$에 의존한다.)

역사

안드레이 콜모고로프 · 블라디미르 아르놀트 · 위르겐 모저 가 증명하였다.

참고 문헌

• Arnold, Vladimir Igorevich (1989). 《Mathematical Methods of Classical Mechanics》 (영어). Springer. ISBN 0-387-96890-3. 
• Rangarajan, Govindan (1998년 4월). “Kolmogorov-Arnold-Moser theorem: Can planetary motion be stable?” (영어) 3 (4): 43–53. doi:10.1007/BF02834611. ISSN 0971-8044. 
• Pöschel, Jürgen (2001). 〈A lecture on the classical KAM theorem〉 (PDF). 《Smooth ergodic theory and its applications》. Proceedings of Symposia in Pure Mathematics (영어) 69. American Mathematical Society. 707–732쪽. ISBN 978-0-8218-2682-9. 
• de la Llave, Rafael (2001). 〈A tutorial on KAM theory〉. 《Smooth ergodic theory and its applications》. Proceedings of Symposia in Pure Mathematics (영어) 69. American Mathematical Society. 707–732쪽. ISBN 978-0-8218-2682-9. 
• Cherchia, Luigi; Mather, John N. “Kolmogorov-Arnold-Moser Theory”. 《Scholarpedia》 (영어) 5 (9): 2123. doi:10.4249/scholarpedia.2123. ISSN 1941-6016. 
• Dumas, H. Scott (2014). 《The KAM story: a friendly introduction to the content, history, and significance of classical Kolmogorov–Arnold–Moser Theory》 (영어). World Scientific Publishing. doi:10.1142/8955. ISBN 978-981-4556-58-3. 
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외부 링크

• Weisstein, Eric Wolfgang. “Kolmogorov-Arnold-Moser theorem”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.