On Normal Forms and Splitting of Separatrices in Reversible Systems

Abstract

És difícil dibuixar una frontera, dins la Teoria de Sistemas Dinàmics, entre lleis de conservació i simetries doncs, sovint, les seves característiques es confonen. Un clar exemple d'aquest fenómen el constitueixen els sistemes Hamiltonians i els sistemes reversibles.<br/><br/>Breument, un sistema dinàmic es diu temps-reversible (o, per nosaltres, simplement reversible) si és invariant sota l'acció d'un difeomorfisme involutiu a l'espai i una inversió en el sentit del temps. és en aquest marc on cal situar aquesta memòria. Concretament, ens centrem en dos punts molt particulars: la Teoria de Formes Normals i el fenómen del trencament de separatrius, tots dos introduïts per Poincaré a la seva tesi (1890).<br/><br/>Respecte al primer d'aquests punts, en aquesta tesi s'introdueix el concepte de Pseudo Forma Normal (breument PNF), inspirat en idees d'en Moser, i que permet transformar, sota certes hipotesis, un sistema analític en un d'equivalent d'aspecte el més simple possible. Aquesta PNF és una generalització de la coneguda Forma Normal de Birkhoff amb la qual coincideix si el sistema considerat és Hamiltonià o reversible. Com a conseqüència, s'obté, en determinats casos, l'equivalència local entre aquests dos tipus de sistemes. Aquesta PNF pot esdevenir una eina útil per estudiar la dinàmica d'un sistema analític a l'entorn d'un equilibri (un punt, una òrbita periòdica o un tor).<br/><br/>El segon punt, l'escissió de separatrius, fa referència a l'intersecció transversal de varietats invariants procedent del trencament d'una certa connexió homoclínica a l'afegir al sistema una petita pertorbació. Un dels motius d'interés sobre aquest fenòmen és que és un dels principals causants de comportament estocàstic en sistemes Hamiltonians.<br/><br/>Un problema relacionat amb aquest trencament de separatrius és el de mesurar-lo, sigui a partir del càlcul de l'angle amb el que es troben aquestes varietats per primer cop, per l'àrea que tanquen entre elles, etc. El mètode habitualment utilitzat per a estimar-lo és l'anomenat mètode de Poincaré-Melnikov. Malhauradament, si la pertorbació és ràpidament oscil-latòria els termes que proporciona aquest mètode són exponencialment petits en el paràmetre pertorbador, fet que dificulta el seu càlcul. En aquesta tesi s'ha demostrat, tal i com passa en el cas Hamiltonià, que en el cas d'un sistema reversible, respecte a una involució lineal, 2-dimensional i pertorbat de manera ràpidament periòdica i reversible, el mètode de Poincaré-Melnikov és correcte i dóna en primer ordre l'anomenada funció de Melnikov.

It is difficult, in the Theory of Dynamical Systems, to draw a boundary line between conservation laws and symmetries because often their effects on the dynamics are very similar. This is the case of the Hamiltonian and the Reversible systems.<br/><br/>Briefly, a dynamical system is called time-reversible (or, simply, reversible) if it is invariant under the action of an involutive spatial diffeomorphism and a reversion in time's arrow. This is the frame where this work must be placed. Precisely, we focus our attention in two particular points: the Theory of Normal Forms and the phenomenon of the splitting of separatrices, both introduced by Poincare in his thesis (1890).<br/><br/>Regarding the first one of this topics, we introduce the concept of Pseudo-normal Form (PNF in short). It comes from ideas of Moser and allows to transform, under suitable conditions, an analytic system around an equilibrium in another equivalent one having a quite simple form. This PNF is a generalization of the celebrated Birkhoff Normal Form and both coincide if the system is Hamiltonian or reversible. Consequently, the local equivalence between both types of systems is derived in some cases. This PNF can become a useful tool to study the dynamics of an analytic system in a neighborhood of an equilibrium (a fixed point, a periodic orbit or a torus).<br/><br/>The second topic, the splitting of separatrices, is related to the transversal intersection of invariant manifolds derived from the splitting of a given homoclinic connection when some small perturbation is considered. One of the reasons that makes this phenomenon interesting is that it seems to be one of the main causes of the stochastic behavior in Hamiltonian systems.<br/><br/>One problem related to this splitting of separatrices becomes to measure it, studying, for instance, some angle the form when they meet for the first time, the area of the first lobe, etc. The standard method to estimate this size is the celebrated Poincaré-Melnikov method. Unfortunately, if the perturbation oscillates rapidly the terms provided by this method are exponentially small in the perturbation parameter, and this fact makes this computation more involved. In this work we prove, like it happens in the Hamiltonian case, that in the case of a 2-dimensional analytic reversible system (reversible with respect to a linear spatial involution) perturbed by a rapidly periodic reversible perturbation, the Poincaré-Melnikov method works and it provides, at first order, the well known Melnikov Function.