Chaos and integrability in $\operatorname{SL}(2,\mathbb R)$-geometry

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We review the integrability of the geodesic flow on a threefold $\mathcal M^3$ admitting one of the three group geometries in Thurston's sense. We focus on the $\operatorname{SL}(2,\mathbb R)$ case. The main examples are the quotients $\mathcal M^3_\Gamma=\Gamma\backslash \operatorname{PSL}(2,\mathbb R)$, where $\Gamma \subset \operatorname{PSL}(2,\mathbb R)$ is a cofinite Fuchsian group. We show that the corresponding phase space $T^*\mathcal M_\Gamma^3$ contains two open regions with integrable and chaotic behaviour, with zero and positive topological entropy, respectively.As a concrete example we consider the case of the modular threefold with the modular group $\Gamma=\operatorname{PSL}(2,\mathbb Z)$. In this case $\mathcal M^3_\Gamma$ is known to be homeomorphic to the complement of a trefoil knot $\mathcal K$ in a 3-sphere. Ghys proved the remarkable fact that the lift of a periodic geodesic on the modular surface to $\mathcal M^3_\Gamma$ produces the same isotopy class of knots as that which appears in the chaotic version of the celebrated Lorenz system and was studied in detail by Birman and Williams. We show that these knots are replaced by trefoil knot cables in the integrable limit of the geodesic system on $\mathcal M^3_\Gamma$.Bibliography: 60 titles.

About the authors

Aleksei Viktorovich Bolsinov

Department of Mathematical Sciences, Loughborough University; Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics; Moscow Center for Fundamental and Applied Mathematics

Email: bolsinov@mail.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

Aleksandr Petrovich Veselov

Department of Mathematical Sciences, Loughborough University; Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics; Steklov Mathematical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: A.P.Veselov@lboro.ac.uk
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

Yiru Ye

Xian Jiaotong-Liverpool University

Email: Y.Ye@lboro.ac.uk

References

  1. C. C. Adams, The knot book. An elementary introduction to the mathematical theory of knots, Rev. reprint of the 1994 original, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2004, xiv+307 pp.
  2. В. И. Арнольд, “Несколько замечаний о потоках линейных элементов и реперов”, Докл. АН СССР, 138:2 (1961), 255–257
  3. В. И. Арнольд, Математические методы классической механики, Наука, М., 1974, 431 с.
  4. E. Artin, “Ein mechanisches System mit quasiergodischen Bahnen”, Abh. Math. Sem. Univ. Hamburg, 3:1 (1924), 170–175
  5. Yu. Berest, P. Samuelson, “Double affine Hecke algebras and generalized Jones polynomials”, Compos. Math., 152:7 (2016), 1333–1384
  6. M. Bergeron, T. Pinsky, L. Silberman, “An upper bound for the volumes of complements of periodic geodesics”, Int. Math. Res. Not. IMRN, 2019:15 (2019), 4707–4729
  7. L. Bianchi, “Sugli spazii a tre dimensioni che ammettono un gruppo continuo di movimenti”, Mem. Soc. Ital. Sci. (3), 11 (1898), 267–352
  8. J. S. Birman, R. F. Williams, “Knotted periodic orbits in dynamical systems. I. Lorenz's equations”, Topology, 22:1 (1983), 47–82
  9. А. В. Болсинов, “Интегрируемые геодезические потоки на римановых многообразиях”, Совр. матем. и ее приложения, 1 (2003), 19–32
  10. A. Bolsinov, Jinrong Bao, “A note about integrable systems on low-dimensional Lie groups and Lie algebras”, Regul. Chaotic Dyn., 24:3 (2019), 266–280
  11. A. V. Bolsinov, I. A. Taimanov, “Integrable geodesic flows with positive topological entropy”, Invent. Math., 140:3 (2000), 639–650
  12. A. Brandts, T. Pinsky, L. Silberman, “Volumes of hyperbolic three-manifolds associated to modular links”, Symmetry, 11:10 (2019), 1206, 9 pp.
  13. K. Burns, G. P. Paternain, “Anosov magnetic flows, critical values and topological entropy”, Nonlinearity, 15:2 (2002), 281–314
  14. L. Butler, “A new class of homogeneous manifolds with Liouville-integrable geodesic flows”, C. R. Math. Acad. Sci. Soc. R. Can., 21:4 (1999), 127–131
  15. L. T. Butler, “Invariant fibrations of geodesic flows”, Topology, 44:4 (2005), 769–789
  16. К. Каратеодори, Конформное отображение, Современная математика, 5, Гостехиздат, М.–Л., 1934, 129 с.
  17. I. Cherednik, I. Danilenko, “DAHA and iterated torus knots”, Algebr. Geom. Topol., 16:2 (2016), 843–898
  18. D. Cooper, C. D. Hodgson, S. P. Kerckhoff, Three-dimensional orbifolds and cone-manifolds, MSJ Mem., 5, Math. Soc. Japan, Tokyo, 2000, x+170 pp.
  19. F. Dal'Bo, Geodesic and horocyclic trajectories, Universitext, Springer-Verlag London, Ltd., London; EDP Sciences, Les Ulis, 2011, xii+176 pp.
  20. Е. И. Динабург, “Связь между различными энтропийными характеристиками динамических систем”, Изв. АН СССР. Сер. матем., 35:2 (1971), 324–366
  21. М. П. до Кармо, Дифференциальная геометрия кривых и поверхностей, Ин-т компьютерных исследований, М.–Ижевск, 2013, 608 с.
  22. Б. А. Дубровин, С. П. Новиков, А. Т. Фоменко, Современная геометрия. Методы теории гомологий, Наука, М., 1984, 344 с.
  23. P. Foulon, B. Hasselblat, “Contact Anosov flows on hyperbolic 3-manifolds”, Geom. Topol., 17:2 (2013), 1225–1252
  24. E. Ghys, “Knots and dynamics”, International congress of mathematicians, v. 1, Eur. Math. Soc., Zürich, 2007, 247–277
  25. E. Ghys, J. Leys, Lorenz and modular flows: a visual introduction, 2006
  26. C. McA. Gordon, J. Luecke, “Knots are determined by their complements”, Bull. Amer. Math. Soc. (N. S.), 20:1 (1989), 83–87
  27. B. Gurevich, S. Katok, “Arithmetic coding and entropy for the positive geodesic flow on the modular surface”, Mosc. Math. J., 1:4 (2001), 569–582
  28. S. Halverscheid, A. Iannuzzi, “On naturally reductive left-invariant metrics of $operatorname{SL}(2,mathbb R)$”, Ann. Sc. Norm. Super. Pisa Cl. Sci. (5), 5:2 (2006), 171–187
  29. G. A. Hedlund, “Fuchsian groups and transitive horocycles”, Duke Math. J., 2:3 (1936), 530–542
  30. С. Хелгасон, Дифференциальная геометрия и симметрические пространства, Мир, М., 1964, 533 с.
  31. A. Katok, “Fifty years of entropy in dynamics: 1958–2007”, J. Mod. Dyn., 1:4 (2007), 545–596
  32. F. Klein, Ausgewählte Kapitel der Zahlentheorie, Vorlesung, gehalten im Wintersemester 1895/96. Ausgearbeitet von A. Sommerfeld, v. I, Göttingen, 1896, 391 pp.
  33. В. В. Козлов, “Топологические препятствия к интегрируемости натуральных механических систем”, Докл. АН СССР, 249:6 (1979), 1299–1302
  34. J. Llibre, “Brief survey on the topological entropy”, Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. B, 20:10 (2015), 3363–3374
  35. J. Llibre, R. S. MacKay, “A classification of braid types for diffeomorphisms of surfaces of genus zero with topological entropy zero”, J. London Math. Soc. (2), 42:3 (1990), 562–576
  36. E. N. Lorenz, “Deterministic nonperiodic flow”, J. Atmospheric Sci., 20:2 (1963), 130–141
  37. A. Manning, “Topological entropy for geodesic flows”, Ann. of Math. (2), 110:3 (1979), 567–573
  38. A. Mielke, “Finite elastoplasticity Lie groups and geodesics on $operatorname{SL}(d)$”, Geometry, mechanics and dynamics, Springer, New York, 2002, 61–90
  39. Дж. Милнор, Введение в алгебраическую $K$-теорию, Мир, М., 1974, 200 с.
  40. J. Milnor, “Curvatures of left invariant metrics on Lie groups”, Adv. Math., 21:3 (1976), 293–329
  41. J. A. G. Miranda, “Positive topological entropy for magnetic flows on surfaces”, Nonlinearity, 20:8 (2007), 2007–2031
  42. А. В. Моисеев, А. И. Нейштадт, “Фазовый портрет системы Лоренца при больших числах Рэлея”, Изв. РАН. МТТ, 1995, № 4, 23–30
  43. R. Montgomery, “A survey of singular curves in sub-Riemannian geometry”, J. Dynam. Control Systems, 1:1 (1995), 49–90
  44. J. Morgan, Gang Tian, The geometrization conjecture, Clay Math. Monogr., 5, Amer. Math. Soc., Providence, RI; Clay Math. Inst., Cambridge, MA, 2014, x+291 pp.
  45. J. Mostovoy, “Lattices in $mathbb C$ and finite subsets of a circle”, Amer. Math. Monthly, 111:4 (2004), 357–360
  46. P. T. Nagy, “On the tangent sphere bundle of a Riemannian 2-manifold”, Tôhoku Math. J. (2), 29:2 (1977), 203–208
  47. G. P. Paternain, “On the regularity of the Anosov splitting for twisted geodesic flows”, Math. Res. Lett., 4:6 (1997), 871–888
  48. Я. Б. Песин, “Характеристические показатели Ляпунова и гладкая эргодическая теория”, УМН, 32:4(196) (1977), 55–112
  49. K. A. Robbins, “Periodic solutions and bifurcation structure at high $R$ in the Lorenz model”, SIAM J. Appl. Math., 36:3 (1979), 457–472
  50. P. Samuelson, “Iterated torus knots and double affine Hecke algebras”, Int. Math. Res. Not. IMRN, 2019:9 (2019), 2848–2893
  51. P. Sarnak, “Linking numbers of modular knots”, Commun. Math. Anal., 8:2 (2010), 136–144
  52. S. Sasaki, “On the differential geometry of tangent bundles of Riemannian manifolds”, Tohoku Math. J. (2), 10:3 (1958), 338–354
  53. P. Scott, “The geometries of 3-manifolds”, Bull. London Math. Soc., 15:5 (1983), 401–487
  54. J. Stillwell, “Poincare and the early history of 3-manifolds”, Bull. Amer. Math. Soc., 49:4 (2012), 555–576
  55. S. H. Strogatz, Nonlinear dynamics and chaos. With applications to physics, biology, chemistry, and engineering, Addison-Wesley, Reading, MA, 1994, ix+498 pp.
  56. И. А. Тайманов, “О топологических свойствах интегрируемых геодезических потоков”, Матем. заметки, 44:2 (1988), 283–284
  57. И. А. Тайманов, “О примере перехода от хаоса к интегрируемости в магнитных геодезических потоках”, Матем. заметки, 76:4 (2004), 632–634
  58. W. P. Thurston, “Hyperbolic geometry and $3$-manifolds”, Low-dimensional topology (Bangor, 1979), London Math. Soc. Lecture Note Ser., 48, Cambridge Univ. Press, Cambridge–New York, 1982, 9–25
  59. W. P. Thurston, “Three dimensional manifolds, Kleinian groups and hyperbolic geometry”, Bull. Amer. Math. Soc. (N. S.), 6:3 (1982), 357–381
  60. В. И. Юдович, Асимптотика предельных циклов системы Лоренца при больших числах Рэлея, Деп. в ВИНИТИ 31.07.78 № 2611-78, РГУ, Ростов-на-Дону, 1978, 48 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2021 Bolsinov A.V., Veselov A.P., Ye Y.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».