동역학에서의 불변 집합 📂동역학

동역학에서의 불변 집합

Invariant set in dynamics

정의1

공간 $X$ 와 함수 $f,g : X \to X$ 에 대해 벡터 필드, 맵이 다음과 같이 표현된다고 하자. $$ x' = f(x) \\ x \mapsto g(x) $$ $S \subset X$ 라고 하자.

  • (V): $\forall x_{0} \in S$ 가 모든 $t \in \mathbb{R}$ 에 대해 다음을 만족하면 벡터 필드 $x'=f(x)$ 하에서의 불변 집합이라 한다. $$ x(t,x_{0}) \in S $$
  • (M): $\forall x_{0} \in S$ 가 모든 $n \in \mathbb{Z}$ 에 대해 다음을 만족하면 맵 $x \mapsto g(x)$ 하에서의 불변 집합이라 한다. $$ g^{n} (x_{0}) \in S $$

불변 집합Invariant Set들은 조건에 따라 다음과 같이 불릴 수도 있다.

  1. 불변 집합 $S$ 의 시간이 $t \ge 0$ 혹은 $n \ge 0$ 까지만 고려되면 양불변집합Positively Invariant Set이라하고, 반대로 $t \le 0$ 혹은 $n \le 0$ 까지만 고려되면 음불변집합Negatively Invariant Set이라 한다.
  2. 불변 집합 $S$ 가 $C^{r}$ 미분가능한 매니폴드의 구조를 이루고 있으면 $C^{r}$ 불변 매니폴드라고 한다.

설명

불변 집합은 과거 시간이든 미래 시간이든 벗어날 수 없는 집합을 말한다. 과거 시간으로 벗어날 수 없다는 말은 바꿔말해 불변 집합의 외부에서 들어오는 것이 허용되지 않는다는 것이다. 모든 시간 $\mathbb{R}$ 을 고려하기 때문에 ‘움직임’처럼 역동적인 모양을 상상하기보다는 이미 결정된 ‘공간’으로 상상하는 것이 바람직하다.

매니폴드가 언급될 뿐만 아니라 아니라 공간 그 자체를 탐구한다는 점에서 위상수학과의 연관성을 떠올리는 사람이 많을텐데, 역사적으로도 동역학과 위상수학은 같은 뿌리에서 나왔기 때문에 서로 익숙한 것들이 자주 나올 수밖에 없다. 양쪽 모두에서 큰 업적을 남긴 학자로는 ‘푸앙카레 추측’으로도 유명한 앙리 푸앙카레Henri Poincaré가 있는데, 애초에 당시는 이들이 구분되지 않았기 때문에 양쪽에서 업적을 남겼다는 표현은 적절치 못할 수 있다. 1900년대 초반은 위상수학과 동역학의 태동기로써, 푸앙카레와 같은 학자들에 의해 발전한 이론들이 각자의 관심을 좇아 분화된 것으로 보아야한다.

주어진 시스템에서 불변 집합의 존재성을 찾는 메이저한 방법으로는 하다마드 메소드Hadamard’s Method와 랴푸노프-페론 메소드Liapunov-Perron Method 두 가지가 있으며, 그 안정성과 미분가능성 등에 대해서도 많은 관심을 가진다.

  1. Wiggins. (2003). Introduction to Applied Nonlinear Dynamical Systems and Chaos Second Edition(2nd Edition): p28. ↩︎

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