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Un paseo crítico por la teoría de las ecuaciones  diferenciales, y algunos resultados recientes

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Resumen: El viernes vamos a comentar la siguiente historia de las 
ecuaciones diferenciales (ver abajo o [1]) y así motivar trabajos 
recientes. Estos últimos permiten, en sus primeras implementaciones 
pruebas asistidas por computadora de la existencia de caos para mapas 
del anillo en amplias familias analíticas. Se espera que puedan ser 
aplicados sistemáticamente, en particular en mapas que surgen en 
distintas ciencias, los cuales en bajos grados de libertad suelen 
tener un mapa discreto del anillo como sección de retorno. La idea es 
hacer una charla amplia, no necesariamente para especialistas del área.

[1] http://www.scholarpedia.org/article/History_of_dynamical_systems


Breve Historia

Las ecuaciones diferenciales relevantes hasta el siglo 20 surgen de la 
mecánica Hamiltoniana, es decir, aquellas que admiten potenciales, y 
por lo tanto conservan la energía mecánica. Aunque las soluciones 
explícitas se fueron complicando, como sucede al intentar resolver la 
ecuación del péndulo simple o el problema de Kepler en donde aparece 
la necesidad de utilizar primitivas que no son usuales (funciones 
elípticas en dichos casos), nuestros ancestros matemáticos se las 
fueron ingeniando para aumentar la lista de funciones concebidas y 
tomar sus versiones analíticas forma parte del inicio de la teoría de 
superficies de Riemann. Otro aspecto algebraico importante que 
apareció a finales del siglo 19, hoy se conoce como el Teorema de 
Arnold-Liouville: Si encontramos suficientes cantidades conservadas 
"independientes", entonces con un cambio de coordenadas veremos que 
las soluciones de nuestra ecuación diferencial viven genéricamente en 
toros y son flujos lineales en ellos, y fuera de ellos habrán 
singularidades y posibles conexiones entre ellas: un ejemplo simple 
pero muy importante de esto el caso del flujo asociado al péndulo 
físico. Las cantidades conservadas forman un álgebra de Poisson, y los 
toros surgen de intersectar las curvas de nivel de las distintas 
funciones. Esta nueva victoria Algebraica, llevó la idea de que el 
problema de entender las ecuaciones diferenciales Hamiltonianas se 
había acabado. Sin embargo, a finales de siglo 19 y principios del 20, 
el problema de los 3-cuerpos no se dejaba dominar por este método, 
faltaban cantidades conservadas. Entra aquí Poincaré, quien de hecho 
"prueba" que no podrán existir suficientes cantidades conservadas, 
pero más importante que esto, es que da cuenta del fenómeno que lo 
prohíbe: Intersecciones entre variedades estables en inestables de un 
mismo punto silla para un mapa discreto en un cilindro, que surge como 
mapa de retorno de la ecuación diferencial en cuestión. A su vez, en 
aquellos años las ecuaciones diferenciales no Hamiltonianas cobraron 
importancia a partir de circuitos eléctricos que irrumpieron, como el 
famoso circuito de Van der Pol (primer intento de modelar el corazón 
como un c.e.), y nuevamente, por ser una e.d.o. de orden 2, 
periódicamente forzada, admite un mapa de retorno en un plano, que es 
un cilindro si removemos el origen. Poincaré entiende que la teoría de 
ecuaciones diferencial debe admitir estudios cualitativos, ya que no 
tiene sentido seguir extendiendo la lista de fórmulas, y que aunque lo 
hiciéramos, no nos darían información relevante, y dedica sus últimos 
trabajos en matemática a estudiar mapas del anillo con condiciones 
"twist", ya que los mapas que provienen de e.d. suelen tener tal 
condición. Esto lo continúa Birkhoff, y se abre una teoría, que son 
los sistemas dinámicos de superficies. Por supuesto, una pregunta 
central durante el desarrollo de esta área fue, y es, decidir si una 
dinámica dada es caótica o no, tanto en el mundo conservativo 
(Hamiltoniano) como disipativo (ecuaciones tipo Van der Pol).

Decidir si un mapa del anillo es caótico o no ha sido un problema 
central en los sistemas dinámicos desde entonces, y aunque se llenó de 
modelos matemáticos para el caos, la teoría falla en decidir 
formalmente su existencia. Si nos vienen con un mapa dado desde otra 
ciencia (está repleto de casos), la prueba rigurosa de la existencia 
de caos es hoy casi imposible. Por otro lado, está lleno de resultados 
numéricos que dan "evidencia" echando mano al concepto de exponente de 
Lyapunov estimados numéricamente, y luego suelen cometer la 
imprudencia de confundir al lector con que hay una prueba formal 
detrás de todo eso, como sucede por ejemplo en el caso del péndulo 
doble. Del lado matemático, ante no poder decidir cuándo un mapa es 
caótico o no, se ha tomado por muchos autores el punto de vista 
genérico, donde para el caso conservativo se tiene la existencia 
genérica de caos. De cualquier modo, esto deja afuera las familias que 
puedan surgir en aplicaciones. Por último, existen honorables trabajos 
donde intentan probar caos formalmente para mapas del anillo, y es 
increíble ver lo difícil que resulta, y lo pobre que son los 
resultados, en el sentido de que se deben hacer restricciones infames 
de los parámetros para que los métodos utilizados funcionen.

En base a esta breve historia, queremos discutir avances en la 
pregunta, ¿es este mapa caótico?

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Viernes 31/5 a las 14:30
Salón de seminarios del IMERL

Contacto: Santiago Martinchich - Luis Pedro Piñeyrúa - 
santiago.martinchich@fcea.edu.uy - lpineyrua@fing.edu.uy

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El seminario será transmitido por el siguiente link si alguien 
manifiesta interés de que así ocurra hasta el día antes del seminario:
https://salavirtual-udelar.zoom.us/j/83020032334?pwd=djAxdmg2K3NDVEU0V3RZSXkxNW8xUT09

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