Chaotic diffusion of orbits in systems with divided phase space

In this paper we discuss the relevance of diffusive processes in multidimensional Hamiltonian systems. By means of a rather simple model, we present evidence that for moderate-to-strong chaotic systems the stochastic motion remains confined to disjoint domains on the energy surface, at least for mild motion times. We show that only for extremely large timescales and for rather large perturbations, does the chaotic component appear almost fully connected through the relics of the resonance structure. The discussion whether diffusion over the energy surface could actually occur in asteroidal or galaxy dynamics is also included.Fil: Giordano, Claudia Marcela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Astrofísica La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Instituto de Astrofísica La Plata; ArgentinaFil: Cincotta, Pablo Miguel. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; Argentin

Chaotic diffusion of orbits in systems with divided phase space

In this paper we discuss the relevance of diffusive processes in multidimensional Hamiltonian systems. By means of a rather simple model, we present evidence that for moderate-to-strong chaotic systems the stochastic motion remains confined to disjoint domains on the energy surface, at least for mild motion times. We show that only for extremely large timescales and for rather large perturbations, does the chaotic component appear almost fully connected through the relics of the resonance structure. The discussion whether diffusion over the energy surface could actually occur in asteroidal or galaxy dynamics is also included.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Phase correlations in chaotic dynamics: a Shannon entropy measure

In the present work, we investigate phase correlations by recourse to the Shannon entropy. Using theoretical arguments, we show that the entropy provides an accurate measure of phase correlations in any dynamical system, in particular when dealing with a chaotic diffusion process. We apply this approach to different low-dimensional maps in order to show that indeed the entropy is very sensitive to the presence of correlations among the successive values of angular variables, even when it is weak. Later on, we apply this approach to unveil strong correlations in the time evolution of the phases involved in the Arnold’s Hamiltonian that lead to anomalous diffusion, particularly when the perturbation parameters are comparatively large. The obtained results allow us to discuss the validity of several approximations and assumptions usually introduced to derive a local diffusion coefficient in multidimensional near-integrable Hamiltonian systems, in particular the so-called reduced stochasticity approximation.Instituto de Astrofísica de La Plat

Phase correlations in chaotic dynamics: a Shannon entropy measure

In the present work, we investigate phase correlations by recourse to the Shannon entropy. Using theoretical arguments, we show that the entropy provides an accurate measure of phase correlations in any dynamical system, in particular when dealing with a chaotic diffusion process. We apply this approach to different low-dimensional maps in order to show that indeed the entropy is very sensitive to the presence of correlations among the successive values of angular variables, even when it is weak. Later on, we apply this approach to unveil strong correlations in the time evolution of the phases involved in the Arnold’s Hamiltonian that lead to anomalous diffusion, particularly when the perturbation parameters are comparatively large. The obtained results allow us to discuss the validity of several approximations and assumptions usually introduced to derive a local diffusion coefficient in multidimensional near-integrable Hamiltonian systems, in particular the so-called reduced stochasticity approximation.Instituto de Astrofísica de La Plat

Ecuaciones diferenciales parciales

El texto reúne los contenidos del curso semestral Ecuaciones Diferenciales Parciales que se dicta desde agosto de 2002 en la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la UNLP para alumnos avanzados. Se requiere por parte del lector de una formación básica sobre Análisis Matemático en una y varias variables reales y en variable compleja, así como sobre Álgebra y Álgebra Lineal. Se halla organizado en ocho capítulos, y seis apéndices que incluyen material complementario. En estas notas desarrollaremos parte de lo que es una teoría general y clásica de EDP. El capítulo 1 desarrolla la teoría de integración de las ecuaciones generales de primer orden, presentando el método de las características para la obtención de soluciones generales, introduce los distintos tipos de soluciones o superficies integrales y trata la resolución de un problema de valor inicial o problema de Cauchy, discutiendo las condiciones necesarias y suficientes para la existencia de una solución única. El capítulo 2 aborda la clasificación y reducción a sus formas normales de las EDP de segundo orden. El capítulo 3 se dedica al estudio con cierto detalle de la ecuación de ondas en una dimensión espacial, paradigma de las ecuaciones lineales hiperbólicas. El estudio de procesos de conductividad térmica o difusión en una dimensión espacial descriptos por el arquetipo de las ecuaciones lineales parabólicas se incluye en el capítulo 4. La teoría relativa a la ecuación de Laplace y los problemas de contorno a ella asociados se aborda en el capítulo 5, brindando una detallada descripción de las condiciones necesarias para que los problemas sean ”bien planteados"; también se presentan interesantes propiedades de las funciones armónicas de frecuente aparición en el planteo matemático de problemas de la física. Las ecuaciones hiperbólicas y parabólicas en más de una dimensión espacial se estudian en los capítulos 6 y 7. El capítulo 8 presenta la teoría de los potenciales de volumen y de superficie, de doble y simple capa, y su aplicación al tratamiento de problemas de contorno para las ecuaciones de Laplace, Poisson y la ecuación de Helmholtz mediante la resolución de ecuaciones integrales. Los apéndices A, B y D cubren tópicos que resultan auxiliares para el abordaje de los problemas de contorno objeto de estudio de modo que el texto sea autocontenido. El método de separación de variables tratado en C constituye un tema importante que nos conducirá a los problemas de Sturm-Liouville y sus autovalores, resultados que se aplican en varios de los problemas resueltos y se describen en el apéndice E. Finalmente, el apéndice F brinda una introducción a los métodos de resolución de ecuaciones integrales. El libro contiene numerosos ejemplos resueltos, con el propósito de consolidar la comprensión de los tópicos abordados, y también un buen número de problemas propuestos, con sus soluciones respectivas, destinados a desarrollar en el lector la habilidad de resolverlos y el dominio de las estructuras matemáticas a ellos asociados.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

La integración numérica del problema perturbado de N cuerpos

Utilizando como método básico de perturbaciones para N cuerpos el ideado por STUMPFF y SCHUBART, se ha resuelto el problema del mejoramiento de una órbita extendida a varias oposiciones. Se describe en forma sucinta la metodología desarrollada.Asociación Argentina de Astronomí

Diffusion and Lyapunov timescales in the Arnold model

In the present work, we focus on two dynamical timescales in the Arnold Hamiltonian model: the Lyapunov time and the diffusion time when the system is confined to the stochastic layer of its dominant resonance (guiding resonance). Following Chirikov's formulation, the model is revisited, and a discussion about the main assumptions behind the analytical estimates for the diffusion rate is given. On the other hand, and in line with Chirikov's ideas, theoretical estimations of the Lyapunov time are derived. Later on, three series of numerical experiments are presented for various sets of values of the model parameters, where both timescales are computed. Comparisons between the analytical estimates and the numerical determinations are provided whenever the parameters are not too large, and those cases are in fact in agreement. In particular, the case in which both parameters are equal is numerically investigated. Relationships between the diffusion time and the Lyapunov time are established, like an exponential law or a power law in the case of large values of the parameters.Fil: Cincotta, Pablo Miguel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Astrofísica La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Instituto de Astrofísica La Plata; ArgentinaFil: Giordano, Claudia Marcela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Astrofísica La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Instituto de Astrofísica La Plata; ArgentinaFil: Shevchenko, Ivan. Saint Petersburg State University; Rusi

Analytical relation between two chaos indicators: FLI and MEGNO

We report an intrinsic relation between the mean exponential growth factor of nearby orbits (MEGNO) and the fast Lyapunov indicator (FLI), two variational methods that have been widely applied to stability issues in astronomy. For both continuous-time and discrete-time systems, we arrive at an analytic formula that expresses the MEGNO in terms of the FLI and its time-average. This connection, unknown for more than 10 years, allows us to understand the differences and similarities in the performance of both indicators.Facultad de Ciencias Astronómicas y GeofísicasInstituto de Astrofísica de La Plat

Analytical relation between two chaos indicators: FLI and MEGNO

We report an intrinsic relation between the mean exponential growth factor of nearby orbits (MEGNO) and the fast Lyapunov indicator (FLI), two variational methods that have been widely applied to stability issues in astronomy. For both continuous-time and discrete-time systems, we arrive at an analytic formula that expresses the MEGNO in terms of the FLI and its time-average. This connection, unknown for more than 10 years, allows us to understand the differences and similarities in the performance of both indicators.Facultad de Ciencias Astronómicas y GeofísicasInstituto de Astrofísica de La Plat

Estimation of the diffusion time in a triaxial galactic potential

In this work we apply the Shannon entropy based method to derive a diffusion or instability time in a triaxial model resembling an elliptical galaxy. We succeed in getting an accurate time-scale for diffusion using this no v el technique after adopting a particular initial starting space, the one defined by the unperturbed integrals of the system. Comparisons with other standard techniques, such as a least-squares fit on the variance evolution of the integrals and the straight numerical integrations of the equations of motion, are included. The physical results provided in this effort reveal that the role of chaotic motion in triaxial galactic models is almost irrele v ant in galactic time-scales, in agreement with previous qualitative approaches to this issue.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica