Теория катастроф

Pause

Тео́рия катастро́ф — направление математики, изучающее качественные перестройки состояний системы при изменении параметров, в том числе резкие переходы, возникающие на фоне плавного изменения внешних условий. Её математическую основу составляют теория особенностей гладких отображений и теория бифуркаций. В классической, или элементарной, теории катастроф центральную роль играют семейства гладких потенциальных функций и вырождение их критических точек[1][2][3].

Слово «катастрофа» здесь обозначает математический тип перестройки, а не обязательно разрушительное событие. Теория описывает, например, появление и исчезновение равновесий, изменение числа локальных минимумов, перестройки каустик и скачкообразную смену оптимального состояния. Она не тождественна ни общей теории природных бедствий, ни теории хаоса[4][5].

Общие сведения
Что важно знать
Теория катастроф
Область использования математика, теория особенностей, теория бифуркаций, динамические системы, физика, биология, экономика
Дата появления 1960—1970-е годы
Место появления Франция / СССР
Автор понятия Рене Том (классификация элементарных катастроф), В. И. Арнольд (классификация простых особенностей), Х. Уитни (основоположник теории особенностей отображений)
Ключевые слова бифуркация, структурная устойчивость, версальное развёртывание, нормальная форма, гистерезис, дискриминант
Базовые понятия гладкое отображение, критическая точка, матрица Гессе, теория Морса, росток

История

Геометрические основания

Одной из непосредственных математических предпосылок теории стала работа Хасслера Уитни «On Singularities of Mappings of Euclidean Spaces. I. Mappings of the Plane into the Plane», опубликованная в 1955 году. Уитни исследовал особенности гладких отображений плоскости в плоскость; складка и сборка стали основными локальными моделями типичных особенностей таких отображений[6]. Этот подход перенёс внимание с отдельных «исключительных» функций на особенности, сохраняющиеся в семействах и при малых возмущениях. В дальнейшем теория гладких отображений и теория развёртываний обеспечили строгий аппарат для классификации, изложение которого, включая роль результатов Джона Мазера, представлено в математическом обзоре Мартина Голубицкого 1978 года[3].

Работы Тома и Арнольда

Как самостоятельная исследовательская программа теория катастроф сформировалась в работах Рене Тома 1960-х годов. В книге «Stabilité structurelle et morphogenèse», вышедшей в 1972 году, Том связал структурную устойчивость, локальные особенности и задачи происхождения форм. Английский перевод «Structural Stability and Morphogenesis» был опубликован в 1975 годуNewman S. A. Morphogenesis [Review of: Structural Stability and Morphogenesis: An Outline of a General Theory of Models by René Thom] (англ.) // BioScience : журнал. — 1976. — Vol. 26, no. 5. — P. 346.. Наряду с классификацией простейших потенциальных моделей Том предлагал более широкую программу качественного описания морфогенеза. Математические теоремы о локальных особенностях и его интерпретации биологических форм составляли разные уровни этой программы и не имели одинакового статуса доказанности.

Владимир Арнольд развивал классификацию вырожденных критических точек и её связи с геометрией и алгеброй. Его статья 1972 года о нормальных формах, группах Вейля и лагранжевых особенностях стала одним из основных источников обозначений и представлений, связывающих катастрофы с более общей теорией простых особенностей[7].

Распространение и дискуссии

В 1970-е годы заметную роль в распространении идей сыграл Кристофер Зиман, представив семь элементарных катастроф широкой аудитории[8].

В 1978 году обзор Голубицкого в SIAM Review изложил основные теоремы и разобрал приложения к изгибу упругих стержней, оптике и законам сохранения с явной математической постановкой. Обзор Берри и Апстилла 1980 года развил описание каустик и дифракционных картин. Эти работы показывают различие между строгими геометрическими результатами, их проверяемыми приложениями и более спекулятивными интерпретациями[3].

Предмет и математическая постановка

Состояния и управляющие параметры

В потенциальной постановке рассматривается гладкая функция

Переменные описывают состояние, а  — управляющие параметры. В механике потенциалом может служить потенциальная энергия, в задачах оптимизации — целевая функция. В других приложениях функция является эффективной моделью и не обязана иметь смысл физической энергии[9].

Стационарные состояния задаются системой

Совокупность всех таких состояний вместе с соответствующими значениями параметров образует множество равновесий

Теория исследует геометрию этого множества и то, как меняются его сечения при фиксировании параметров. Один набор параметров может соответствовать нескольким различным состояниям[3].

Критические точки и устойчивость

Критическая точка потенциала называется невырожденной, если его матрица Гессе по переменным состояния

невырождена, то есть . По теореме о неявной функции такое равновесие при малом изменении параметров продолжается в гладкую локальную ветвь . Вырождение гессиана означает, что этот способ продолжения может перестать работать[3].

Интерпретация критических точек как устойчивых или неустойчивых состояний требует задания динамики. Для градиентной системы

при фиксированных параметрах выполняется . Невырожденные локальные минимумы асимптотически устойчивы; невырожденные максимумы и седловые точки неустойчивы. В одномерном случае эти условия сводятся соответственно к и . При необходимо учитывать производные более высокого порядка[10].

Потенциал сам по себе не задаёт скорости переходов, величины шума и правила выбора между несколькими минимумами. Поэтому одинаковая геометрия критических точек может сочетаться с различными наблюдаемыми сценариями движения[9].

Дискриминант и проекция равновесий

При обычном условии регулярности системы множество является гладким многообразием размерности . Рассматривается его проекция на пространство параметров:

Критические точки этой проекции соответствуют вырожденным критическим точкам потенциала. Их образы образуют дискриминант, или бифуркационное множество вырожденных равновесий[3].

В потенциальной постановке оно задаётся исключением переменных состояния из условий

В одномерном случае это система . Пересечение дискриминанта может сопровождаться рождением или исчезновением пары критических точек. Однако само наличие вырожденной точки ещё не означает, что наблюдаемое состояние обязательно совершит скачок[11].

Локальные модели и развёртывания

Лемма Морса и существенные переменные

Теория катастроф продолжает локальное исследование критических точек, лежащее в основе теории Морса. По лемме Морса в окрестности невырожденной критической точки подходящей гладкой заменой координат потенциал приводится к сумме постоянной и невырожденной квадратичной формы:

Число отрицательных квадратов является индексом Морса критической точки[3].

Для вырожденной точки лемма о расщеплении позволяет отделить невырожденную квадратичную часть. Оставшаяся функция зависит от существенных, или активных, переменных; их число равно корангу гессиана — размерности его ядра. Поэтому модель с большим исходным числом переменных может иметь локальную катастрофу, описываемую одной или двумя активными переменными[9].

Ростки, нормальные формы и версальность

Локальные свойства функции формализуются понятием ростка: две функции определяют один росток в точке, если совпадают в некоторой её окрестности. При классификации ростки сравнивают с точностью до допустимых гладких обратимых замен переменных. Для семейств допускаются соответствующие изменения параметров и добавление функции, зависящей только от параметров; последнее не меняет уравнения критических точек[3].

Нормальная форма — простая функция, представляющая соответствующий локальный тип. Для особенностей конечной определённости достаточно конечного числа членов разложения Тейлора: более высокие члены могут быть устранены допустимой заменой координат. Это не равносильно произвольному отбрасыванию высших степеней без проверки условий теории[7].

Развёртыванием, или деформацией, ростка называется семейство с . Развёртывание версально, если всякая достаточно малая деформация исходного ростка получается из него заменой параметров и допустимыми преобразованиями переменных. Версальное развёртывание с минимальным числом параметров называют миниверсальным[9].

В элементарной теории катастроф коразмерностью обычно называют минимальное число существенных параметров такого развёртывания после исключения аддитивной константы потенциала. Например, росток требует двух параметров и представлен семейством . Одно лишь специальное однопараметрическое подсемейство этого семейства не описывает всех его малых возмущений[3].

Структурная устойчивость

Структурная устойчивость означает сохранение качественного геометрического типа при достаточно малых допустимых возмущениях. Её не следует смешивать с устойчивостью отдельного равновесия во времени. Вырожденная критическая точка отдельной функции обычно разрушается при возмущении, но тип её развёртывания и соответствующая геометрия складок могут быть структурно устойчивыми[5].

Именно поэтому особые точки возникают в типичных семействах, хотя типичная отдельная функция имеет только невырожденные критические точки. Управляющие параметры позволяют семейству пересекать множества функций с вырождениями; коразмерность характеризует число независимых условий, необходимых для такого пересечения[3].

Складка

Складка — простейшая элементарная катастрофа, обозначаемая . Одна из её нормальных форм имеет вид

Критические точки удовлетворяют уравнению . При имеются две точки: и . Первая является минимумом, вторая — максимумом, поскольку . При они сливаются; при критических точек нет[11].

undefined

График равновесий гладок, однако его проекция на ось параметра имеет складку. В точке вырождения выполняются , но ; параметр существенно воздействует на уравнение равновесия, так как . В соответствующей градиентной динамике эта перестройка представляет собой седло-узловую бифуркацию[10][12].

Кубическая нормальная форма описывает только окрестность исчезающего равновесия. Она не ограничена снизу на всей вещественной прямой и потому сама по себе не определяет, в какое новое состояние перейдёт реальная система. Направление последующего движения и его конечное состояние зависят от глобального потенциала, ограничений и динамических уравнений[3].

Сборка

Потенциал и поверхность равновесий

Сборка (англ. cusp), обозначаемая , описывается двумя управляющими параметрами:

Уравнение критических точек и условие их невырожденности имеют вид

Поверхность равновесий можно параметризовать переменными и , положив . Эта поверхность гладка; складки возникают у её проекции на плоскость , а не вследствие разрыва самой поверхности[11][13].

Бифуркационное множество

Из системы , получается параметризация линии складок

Её проекция на пространство управляющих параметров является полукубической параболой

Точка  — точка сборки, в которой сходятся две ветви складок[11].

undefined

Число действительных корней кубического уравнения определяется его дискриминантом . Поэтому при имеются три различные критические точки: два минимума и максимум между ними. При остаётся один минимум. На линии складок вне начала координат один корень двойной, а другой простой; в начале координат корень тройной[11].

При потенциал равен , и вырожденная критическая точка остаётся минимумом. Этот пример показывает, почему математическое вырождение не следует автоматически отождествлять с потерей устойчивости или наблюдаемым скачком.

Множество Максвелла

Наряду с дискриминантом рассматривают множество Максвелла: значения параметров, при которых несколько различных минимумов имеют одинаковое значение потенциала. Внутри области двух минимумов сборки это множество задаётся условиями , . Минимумы находятся в точках и имеют общее значение [11][14].

Если состояние выбирается по правилу абсолютного минимума, то при и переходе через оно меняется между положительной и отрицательной ветвями. При отрицательном глубже правый минимум, при положительном — левый. В точке перехода оба минимума невырождены: . Следовательно, смена глобального минимума не требует исчезновения локального равновесия[11].

undefined

Дискриминант и множество Максвелла характеризуют разные события. Первый фиксирует вырождение критической точки, второе — равенство значений в разных критических точках. Смешение этих множеств приводит к неверному отождествлению порога потери устойчивости с порогом смены глобально оптимального состояния[15].

Гистерезис и выбор состояния

Гистерезис возникает, когда состояние зависит не только от текущих параметров, но и от предыстории. В идеализированном квазистатическом сценарии система остаётся в занятом локальном минимуме, даже если другой минимум уже стал глубже, и покидает его лишь при слиянии с максимумом на складке. Такой сценарий предполагает разделение временных масштабов и отсутствие воздействий, способных раньше перевести систему через потенциальный барьер[11].

Для сборки при уравнение равновесий принимает вид . Точки складок соответствуют значениям

При увеличении положительная устойчивая ветвь исчезает в точке ; при обратном изменении параметра отрицательная ветвь сохраняется до . Различие порогов прямого и обратного переходов образует петлю гистерезиса[11].

undefined

Если вместо сохранения локального минимума постулировать мгновенный выбор глобального минимума, переход в обоих направлениях произойдёт на множестве Максвелла, то есть при . Скачок выбранного состояния при этом возможен, но разные пороги прямого и обратного переходов отсутствуют. Таким образом, сама поверхность сборки ещё не задаёт единственного закона наблюдаемого поведения[11].

В гладкой системе обыкновенных дифференциальных уравнений траектория при конечной скорости изменения параметров остаётся непрерывной, пока существует решение. Изображаемый скачок равновесия — идеализация быстрого перехода в квазистатическом пределе. Конечная скорость управления может приводить к задержке потери устойчивости; шум и иные возмущения могут, напротив, вызывать более ранний выход из локального минимума[10].

Семь элементарных катастроф

Классификация и нормальные формы

Классификация Тома выделяет семь именованных типов локальных катастроф коразмерности не выше четырёх. После отделения невырожденных квадратичных переменных они имеют одну или две активные переменные. В таблице приведены стандартные представители их развёртываний; коэффициенты нормированы так, чтобы производные однопеременных потенциалов имели простой вид[3][16].

Элементарные катастрофы
Тип Обозначение Активных переменных Коразмерность Представитель потенциального семейства
Складка 1 1
Сборка 1 2
Ласточкин хвост 1 3
Бабочка 1 4
Эллиптическая омбилика 2 3
Гиперболическая омбилика 2 3
Параболическая омбилика 2 4

Число активных переменных в этой таблице не ограничивает общее число физических степеней свободы системы: остальные переменные могут входить в отделённую квадратичную часть. Коразмерность также не равна степени многочлена. Например, особенность задаётся ростком четвёртой степени, но требует двух существенных управляющих параметров[9].

При вещественной классификации существенны допустимые знаки старших членов и сигнатура отделённой квадратичной формы. Семь названий группируют традиционные геометрические типы и не означают тождества минимумов и максимумов. В частности, замена на сохраняет множество критических точек, но меняет их устойчивость в динамике [3].

Ласточкин хвост и более сложные перестройки

Для ласточкина хвоста можно выбрать потенциал

Уравнение критических точек имеет четвёртую степень. Из условий , после обозначения критического значения состояния через , получается параметризация дискриминанта:

В трёхмерном пространстве параметров эта поверхность содержит линии сборок и самопересечений. Последние соответствуют различным критическим точкам, одновременно удовлетворяющим условиям складки, а не самопересечению траектории состояния[11].

undefined

В начале координат критическая точка имеет тип . Для бабочки требуется четыре существенных параметра. Омбилические катастрофы описывают вырождение по двум активным направлениям, которое не сводится к рассмотрению независимых однопеременных складок[11].

Область действия классификации

Утверждение о семи типах предполагает гладкость, локальность рассмотрения, конечную коразмерность и общее положение семейства. При большем числе управляющих параметров появляются другие особенности. Дополнительные симметрии, ограничения на переменные или на допустимые возмущения изменяют задачу классификации[3].

Так, симметричная подсемья сборки инвариантна относительно . В градиентной системе изменение даёт вилочную бифуркацию: при устойчиво состояние , при устойчивы два состояния . Ненулевой параметр нарушает симметрию. Поэтому особенности симметричной модели нельзя без оговорок считать типичными среди всех её возмущений[10].

Классификация одной вырожденной критической точки также не описывает автоматически все возможные взаимодействия нескольких удалённых минимумов. Глобальные задачи выбора состояния и одновременные особенности в разных точках требуют дополнительного анализа.

Вычислительные методы

Для построения поверхностей равновесий и бифуркационных диаграмм применяются методы численного продолжения. Алгоритмы типа предиктор-корректор позволяют отслеживать ветви решений уравнений при изменении параметров. Особую сложность представляет прохождение через точки бифуркаций, где якобиан вырождается[17][18]. Современные системы компьютерной алгебры позволяют автоматически приводить потенциалы к нормальным формам, вычислять дискриминанты и исследовать условия версальности развёртываний. Алгоритмы основаны на вычислении базисов Тана и анализе локальных алгебр особенностей[19].

Примечания

  1. ↑ Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и её приложения. — М.: Мир, 1980. — С. 25—27.
  2. ↑ Арнольд В. И. Теория катастроф. — 3-е изд., доп.. — М.: Наука, 1990. — 128 с. — ISBN 5-02-014230-1.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Golubitsky M. An introduction to catastrophe theory and its applications // SIAM Review. — 1978. — Т. 20, № 2. — С. 352–387.
  4. ↑ Гилмор Р. Прикладная теория катастроф : в 2 кн. / пер. с англ. под ред. Ю. П. Гупало, А. А. Пионтковского. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — С. 9—12.
  5. ↑ 1 2 Arnold V. I. Catastrophe Theory. — London: Springer, 2012. — ISBN 978-3-64-296799-3.
  6. ↑ Whitney H. On singularities of mappings of Euclidean spaces. I. Mappings of the plane into the plane // Annals of Mathematics. — 1955. — Т. 62, № 3. — С. 374–410. — doi:10.2307/1970070.
  7. ↑ 1 2 Arnold V. I. Normal forms of functions near degenerate critical points // Functional Analysis and Its Applications. — 1972. — Т. 6, № 4. — С. 254–272. — doi:10.1007/BF01077644.
  8. ↑ Zeeman E. C. Catastrophe Theory // Scientific American. — 1976. — Т. 234, № 4. — С. 65–83. — doi:10.1038/scientificamerican0476-65.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 Saunders P. T. An Introduction to Catastrophe Theory. — Cambridge: Cambridge University Press, 1980. — ISBN 978-0-5212-3042-1.
  10. ↑ 1 2 3 4 Арнольд В. И. Геометрические методы в теории обыкновенных дифференциальных уравнений. — М.: МЦНМО, 2012. — 379 с. — ISBN 978-5-4439-2069-6.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Saunders P. T. Chapters 4–6: Geometry of Catastrophes // An Introduction to Catastrophe Theory. — Cambridge: Cambridge University Press, 1980. — ISBN 978-0-521-29660-1.
  12. ↑ Гилмор Р. Прикладная теория катастроф : в 2 кн. / пер. с англ. под ред. Ю. П. Гупало, А. А. Пионтковского. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — С. 102—103.
  13. ↑ Гилмор Р. Прикладная теория катастроф : в 2 кн. / пер. с англ. под ред. Ю. П. Гупало, А. А. Пионтковского. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — С. 103—109.
  14. ↑ Гилмор Р. Прикладная теория катастроф : в 2 кн. / пер. с англ. под ред. Ю. П. Гупало, А. А. Пионтковского. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — С. 96—99.
  15. ↑ Арнольд В. И. Особенности каустик и волновых фронтов. — М.: Фазис, 1996. — 336 с. — ISBN 5-7036-0021-9.
  16. ↑ Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и её приложения. — М.: Мир, 1980. — С. 225—250.
  17. ↑ Кузнецов А. П., Седова Ю. В. Бифуркации трехмерных и четырехмерных отображений: универсальные свойства // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. — 2012. — № 5.
  18. ↑ Doedel E., Oldeman B. AUTO-07P: Continuation and Bifurcation Software for Ordinary Differential Equations. — Montreal: Concordia University, 2002. — 211 с.
  19. ↑ Bruce J. W., Giblin P. J. Curves and Singularities. — 2nd ed.. — Cambridge: Cambridge University Press, 1992. — 321 с. — ISBN 0-52141985-9.

Литература

  • Арнольд В. И. Теория катастроф. — 3-е изд., доп.. — М.: Наука, 1990. — 128 с. — ISBN 5-02-014230-1.
  • Гилмор Р. Прикладная теория катастроф : в 2 кн. / пер. с англ. под ред. Ю. П. Гупало, А. А. Пионтковского. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — 350 с.
  • Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и её приложения. — М.: Мир, 1980. — 608 с.
  • Golubitsky M. An introduction to catastrophe theory and its applications // SIAM Review. — 1978. — Т. 20, № 2. — С. 352–387.
  • Saunders P. T. An Introduction to Catastrophe Theory. — Cambridge: Cambridge University Press, 1980. — 144 с. — ISBN 978-0-521-29782-6.

Дополнительно по теме

Pause