Integrable geodesic flows on orientable two-dimensional surfaces and topological billiards

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The authors have recently introduced the class of topological billiards. Topological billiards are glued fromelementary planar billiard sheets (bounded by arcs of confocal quadrics) along intervals of their boundaries. It turns out that the integrability of the elementary billiards implies that of the topological billiards. We show that all classicallinearly and quadratically integrable geodesic flows on tori and spheres are Liouville equivalent to appropriate topological billiards. Moreover, the linear and quadratic integrals of the geodesic flows reduce to a singlecanonical linear integral and a single canonical quadratic integral on the billiard. These results are obtained within theframework of the Fomenko–Zieschang theory of the classification of integrable systems.

About the authors

Viktoriya Viktorovna Vedyushkina

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics

Email: arinir@yandex.ru
Doctor of physico-mathematical sciences

Anatoly Timofeevich Fomenko

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics

Email: fomenko@mech.math.msu.su
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

References

  1. В. В. Козлов, Д. В. Трещeв, Биллиарды. Генетическое введение в динамику систем с ударами, Изд-во Моск. ун-та, М., 1991, 168 с.
  2. С. Табачников, Геометрия и биллиарды, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, Ин-т компьютерных исследований, М.–Ижевск, 2011, 180 с.
  3. В. Драгович, М. Раднович, Интегрируемые биллиарды, квадрики и многомерные поризмы Понселе, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, М.–Ижевск, 2010, 338 с.
  4. E. Gutkin, “Billiard dynamics: a survey with the emphasis on open problems”, Regul. Chaotic Dyn., 8:1 (2003), 1–13
  5. A. Plakhov, S. Tabachnikov, D. Treschev, “Billiard transformations of parallel flows: a periscope theorem”, J. Geom. Phys., 115 (2017), 157–166
  6. A. Glutsyuk, “On quadrilateral orbits in complex algebraic planar billiards”, Mosc. Math. J., 14:2 (2014), 239–289
  7. A. Glutsyuk, On polynomially integrable Birkhoff billiards on surfaces of constant curvature
  8. А. А. Глуцюк, “О двумерных полиномиально интегрируемых бильярдах на поверхностях постоянной кривизны”, Докл. РАН, 481:6 (2018), 594–598
  9. М. Бялый, А. Е. Миронов, “О полиномиальных интегралах четвертой степени бильярда Биркгофа”, Современные проблемы механики, Сборник статей, Тр. МИАН, 295, МАИК «Наука/Интерпериодика», М., 2016, 34–40
  10. M. Bialy, A. E. Mironov, “Algebraic non-integrability of magnetic billiards”, J. Phys. A, 49:45 (2016), 455101, 18 pp.
  11. M. Bialy, A. E. Mironov, “Algebraic Birkhoff conjecture for billiards on sphere and hyperbolic plane”, J. Geom. Phys., 115 (2017), 150–156
  12. С. В. Болотин, “Вырожденные бильярды”, Современные проблемы механики, Сборник статей, Тр. МИАН, 295, МАИК «Наука/Интерпериодика», М., 2016, 53–71
  13. А. П. Веселов, “Интегрируемые системы с дискретным временем и разностные операторы”, Функц. анализ и его прил., 22:2 (1988), 1–13
  14. V. Dragovic, M. Radnovic, “Bifurcations of Liouville tori in elliptical billiards”, Regul. Chaotic Dyn., 14:4-5 (2009), 479–494
  15. В. В. Фокичева, “Описание особенностей системы “биллиард в эллипсе””, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех., 2012, № 5, 31–34
  16. В. В. Фокичева, “Описание особенностей системы бильярда в областях, ограниченных софокусными эллипсами или гиперболами”, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех., 2014, № 4, 18–27
  17. В. В. Фокичева, “Топологическая классификация биллиардов в локально плоских областях, ограниченных дугами софокусных квадрик”, Матем. сб., 206:10 (2015), 127–176
  18. В. В. Ведюшкина (Фокичева), А. Т. Фоменко, “Интегрируемые топологические биллиарды и эквивалентные динамические системы”, Изв. РАН. Сер. матем., 81:4 (2017), 20–67
  19. В. В. Ведюшкина, “Слоение Лиувилля невыпуклых топологических биллиардов”, Докл. РАН, 478:1 (2018), 7–11
  20. V. F. Lazutkin, KAM theory and semiclassical approximations to eigenfunctions, Ergeb. Math. Grenzgeb. (3), 24, Springer-Verlag, Berlin, 1993, x+387 pp.
  21. Е. А. Кудрявцева, “Интегрируемые по Лиувиллю обобщенные биллиардные потоки и теоремы типа Понселе”, Фундамент. и прикл. матем., 20:3 (2015), 113–152
  22. В. В. Фокичева, “Классификация биллиардных движений в областях, ограниченных софокусными параболами”, Матем. сб., 205:8 (2014), 139–160
  23. В. В. Ведюшкина, “Инварианты Фоменко–Цишанга топологических бильярдов, ограниченных софокусными параболами”, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех., 2018, № 4, 22–28
  24. А. Т. Фоменко, “Теория Морса интегрируемых гамильтоновых систем”, Докл. АН СССР, 287:5 (1986), 1071–1075
  25. А. Т. Фоменко, Х. Цишанг, “О типичных топологических свойствах интегрируемых гамильтоновых систем”, Изв. АН СССР. Сер. матем., 52:2 (1988), 378–407
  26. А. Т. Фоменко, Х. Цишанг, “Топологический инвариант и критерий эквивалентности интегрируемых гамильтоновых систем с двумя степенями свободы”, Изв. АН СССР. Сер. матем., 54:3 (1990), 546–575
  27. A. V. Bolsinov, “Methods of calculation of the Fomenko–Zieschang invariant”, Topological classification of integrable systems, Adv. Soviet Math., 6, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1991, 147–183
  28. В. В. Козлов, Методы качественного анализа в динамике твердого тела, Изд-во Моск. ун-та, М., 1980, 231 с.
  29. А. А. Ошемков, “Топология изоэнергетических поверхностей и бифуркационные диаграммы интегрируемых случаев динамики твердого тела на $operatorname{SO}(4)$”, УМН, 42:6(258) (1987), 199–200
  30. А. А. Ошемков, “Описание изоэнергетических поверхностей интегрируемых гамильтоновых систем с двумя степенями свободы”, Труды семинара по векторному и тензорному анализу, 23, Изд-во МГУ, М., 1988, 122–132
  31. A. A. Oshemkov, “Fomenko invariants for the main integrable cases of the rigid body motion equations”, Topological classification of integrable systems, Adv. Soviet Math., 6, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1991, 67–146
  32. П. В. Морозов, “Лиувиллева классификация интегрируемых систем случая Клебша”, Матем. сб., 193:10 (2002), 113–138
  33. П. В. Морозов, “Топология слоений Лиувилля случаев интегрируемости Стеклова и Соколова уравнений Кирхгофа”, Матем. сб., 195:3 (2004), 69–114
  34. Н. С. Славина, “Классификация семейства систем Ковалевской–Яхьи с точностью до лиувиллевой эквивалентности”, Докл. РАН, 452:3 (2013), 252–255
  35. В. А. Кибкало, “Топология аналога случая интегрируемости Ковалевской на алгебре Ли $operatorname{so}(4)$ при нулевой постоянной площадей”, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех., 2016, № 3, 46–50
  36. С. С. Николаенко, “Топологическая классификация интегрируемого случая Горячева в динамике твердого тела”, Матем. сб., 207:1 (2016), 123–150
  37. С. С. Николаенко, “Топологическая классификация систем Чаплыгина в динамике твердого тела в жидкости”, Матем. сб., 205:2 (2014), 75–122
  38. А. Ю. Москвин, “Топология слоения Лиувилля интегрируемого случая Дуллина–Матвеева на двумерной сфере”, Матем. сб., 199:3 (2008), 95–132
  39. Е. О. Кантонистова, “Лиувиллева классификация интегрируемых гамильтоновых систем на поверхностях вращения”, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1 Матем. Мех., 2015, № 5, 41–44
  40. Е. О. Кантонистова, “Топологическая классификация интегрируемых гамильтоновых систем на поверхностях вращения в потенциальном поле”, Матем. сб., 207:3 (2016), 47–92
  41. Д. С. Тимонина, “Лиувиллева классификация интегрируемых геодезических потоков на торе вращения в потенциальном поле”, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех., 2017, № 3, 35–43
  42. А. В. Болсинов, А. Т. Фоменко, “Геодезический поток эллипсоида траекторно эквивалентен интегрируемому случаю Эйлера в динамике твердого тела”, Докл. РАН, 339:3 (1994), 253–296
  43. А. В. Болсинов, А. Т. Фоменко, “Траекторная классификация геодезических потоков двумерных эллипсоидов. Задача Якоби траекторно эквивалентна интегрируемому случаю Эйлера в динамике твердого тела”, Функц. анализ и его прил., 29:3 (1995), 1–15
  44. В. В. Козлов, “Топологические препятствия к интегрируемости натуральных механических систем”, Докл. АН СССР, 249:6 (1979), 1299–1302
  45. В. В. Козлов, Симметрии, топология и резонансы в гамильтоновой механике, Изд-во Удмуртского ун-та, Ижевск, 1995, 429 с.
  46. В. В. Фокичева, А. Т. Фоменко, “Интегрируемые биллиарды моделируют важные интегрируемые случаи динамики твердого тела”, Докл. РАН, 465:2 (2015), 150–153
  47. А. В. Болсинов, А. Т. Фоменко, Интегрируемые гамильтоновы системы. Геометрия, топология, классификация, т. 1, 2, Изд. дом “Удмуртский университет”, Ижевск, 1999, 444 с., 447 с.
  48. А. Т. Фоменко, “Симплектическая топология вполне интегрируемых гамильтоновых систем”, УМН, 44:1(265) (1989), 145–173
  49. Е. А. Кудрявцева, И. М. Никонов, А. Т. Фоменко, “Максимально симметричные клеточные разбиения поверхностей и их накрытия”, Матем. сб., 199:9 (2008), 3–96
  50. A. T. Fomenko, A. Yu. Konyaev, “New approach to symmetries and singularities in integrable Hamiltonian systems”, Topology Appl., 159:7 (2012), 1964–1975
  51. A. T. Fomenko, A. Konyaev, “Algebra and geometry through Hamiltonian systems”, Continuous and distributed systems. Theory and applications, Solid Mech. Appl., 211, Springer, Cham, 2014, 3–21
  52. Е. А. Кудрявцева, А. Т. Фоменко, “Группы симметрий правильных функций Морса на поверхностях”, Докл. РАН, 446:6 (2012), 615–617
  53. В. Н. Колокольцов, “Геодезические потоки на двумерных многообразиях с дополнительным полиномиальным по скоростям первым интегралом”, Изв. АН СССР. Сер. матем., 46:5 (1982), 994–1010
  54. В. С. Матвеев, “Квадратично интегрируемые геодезические потоки на торе и бутылке Клейна”, Regul. Chaotic Dyn., 2:1 (1997), 96–102
  55. И. К. Бабенко, Н. Н. Нехорошев, “О комплексных структурах на двумерных торах, допускающих метрики с нетривиальным квадратичным интегралом”, Матем. заметки, 58:5 (1995), 643–652
  56. Нгуен Тьен Зунг, Л. С. Полякова, Е. Н. Селиванова, “Топологическая классификация интегрируемых геодезических потоков с дополнительным квадратичным или линейным по импульсам интегралом на двумерных ориентируемых римановых многообразиях”, Функц. анализ и его прил., 27:3 (1993), 42–56
  57. Е. Н. Селиванова, “Классификация геодезических потоков лиувиллевых метрик на двумерном торе с точностью до топологической эквивалентности”, Матем. сб., 183:4 (1992), 69–86
  58. В. В. Калашников, “Топологическая классификация квадратично-интегрируемых геодезических потоков на двумерном торе”, УМН, 50:1(301) (1995), 201–202
  59. В. С. Матвеев, Особенности отображения момента и топологическое строение интегрируемых геодезических потоков, Дисс. … канд. физ.-матем. наук, МГУ, мех.-матем. ф-т, М., 1996, 75 с.
  60. К. Якоби, Лекции по динамике, ОНТИ, М.–Л., 1936, 272 с.
  61. Дж. Д. Биркгоф, Динамические системы, Изд. дом “Удмуртский университет”, Ижевск, 1999, 408 с.
  62. В. В. Ведюшкина, “Инварианты Фоменко–Цишанга невыпуклых топологических биллиардов”, Матем. сб., 210:3 (2019), 17–74
  63. В. В. Ведюшкина, А. Т. Фоменко, И. С.Харчева, “Моделирование невырожденных бифуркаций замыканий решений интегрируемых систем с двумя степенями свободы интегрируемыми топологическими биллиардами”, Докл. РАН, 479:6 (2018), 607–610
  64. В. В. Ведюшкина, И. С. Харчева, “Биллиардные книжки моделируют все трехмерные бифуркации интегрируемых гамильтоновых систем”, Матем. сб., 209:12 (2018), 17–56

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2019 Vedyushkina V.V., Fomenko A.T.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).