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\subsection*{Un premier exemple d'étude de système dynamique} \subsection*{Un premier exemple d'étude de système dynamique}
% Emmanuel Militon % Emmanuel Militon
Dans la théorie des systèmes dynamiques, on modélise un système qui dépend du temps (discret) à l'aide d'une application $\function{T}{X}{X}$. On appellera une telle application un système dynamique. Un point qui se trouve en $x \in X$ à l'instant $0$ se trouve en $T(x)$ à l'instant $1$ puis en $T^2(x) = T \composes T(x)$ à l'instant $2$ et ainsi de suite. On appelle orbite d'un tel système dynamique l'ensemble $\{ T^n(x) | n > 0 \}$. L'objet de la théorie des systèmes dynamiques est de comprendre le comportement asymptotique des orbites de tels systèmes. Dans la théorie des systèmes dynamiques, on modélise un système qui dépend du temps (discret) à l'aide d'une application $\function{T}{X}{X}$. On appellera une telle application un système dynamique. Un point qui se trouve en $x \in X$ à l'instant $0$ se trouve en $T(x)$ à l'instant $1$ puis en $T^2(x) = T \composes T(x)$ à l'instant $2$ et ainsi de suite. On appelle orbite d'un tel système dynamique l'ensemble $\{ T^n(x) \mid n > 0 \}$. L'objet de la théorie des systèmes dynamiques est de comprendre le comportement asymptotique des orbites de tels systèmes.
Dans ce sujet introductif, on va s'intéresser au cas où $X = [0, 1]$ et $T$ est l'application $\function{T}{x}{mx \mod 1}$, avec $m \ge 2$ entier. L'étude de ce système dynamique est étroitement relié à l'écriture d'un nombre en base $m$. On va chercher à comprendre quels sont les points périodiques de ce système (c'est-à-dire les points $x \in [0, 1]$ tels qu'il existe $n \ge 1$ avec $T^n(x) = x$). On va ensuite chercher, s'il en existe, des orbites denses dans $[0, 1]$ puis quels sont les ensembles invariants (les parties $F$ de $[0, 1]$ telles que $T(F) = F$ de sorte qu'une orbite qui démarre dans $F$ reste dans $F$). Ensuite, si le temps le permet on va relier l'étude de ces systèmes dynamiques avec l'étude des systèmes dynamiques de la forme Dans ce sujet introductif, on va s'intéresser au cas où $X = [0, 1]$ et $T$ est l'application $\function{T}{x}{mx \mod 1}$, avec $m \ge 2$ entier. L'étude de ce système dynamique est étroitement relié à l'écriture d'un nombre en base $m$. On va chercher à comprendre quels sont les points périodiques de ce système (c'est-à-dire les points $x \in [0, 1]$ tels qu'il existe $n \ge 1$ avec $T^n(x) = x$). On va ensuite chercher, s'il en existe, des orbites denses dans $[0, 1]$ puis quels sont les ensembles invariants (les parties $F$ de $[0, 1]$ telles que $T(F) = F$ de sorte qu'une orbite qui démarre dans $F$ reste dans $F$). Ensuite, si le temps le permet, on va relier l'étude de ces systèmes dynamiques avec l'étude des systèmes dynamiques de la forme
$$\function{T}{[0, 1]}{[0, 1]}$$ $$\function{T}{[0, 1]}{[0, 1]}$$
$$\functiondef{x}{\lambda x(1 - x)}$$ $$\functiondef{x}{\lambda x(1 - x)}$$
avec $0 < \lambda \le 4$. avec $0 < \lambda \le 4$.
\subsubsection*{Premier pas ...} \subsubsection*{Premier pas}
Pour l'instant, nous nous intéressont à la fonction suivante : Pour l'instant, nous nous intéresserons à la fonction suivante :
$$\function{T_b}{[0, 1]}{[0, 1]}$$ $$\function{T_b}{[0, 1]}{[0, 1]}$$
$$\functiondef{x}{b x \mod 1}$$ $$\functiondef{x}{b x \mod 1}$$
Par induction sur le nombre d'application successives $n$ on trouve immédiatement que $T_b^n = b^n x \mod 1$ Par induction sur le nombre d'applications successives $n$ on trouve immédiatement que $T_b^n = b^n x \mod 1$
En écrivant $x \in [0, 1]$ en écriture décimale en base $b$ i.e. En écrivant $x \in [0, 1]$ en écriture décimale en base $b$ i.e.
$$x $$x
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_i}{b^i} = \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_i}{b^{i + 1}}
= 0. d_1 d_2 d_3 \cdots d_m \cdots$$ = 0. d_0 d_1 d_2 \cdots d_m \cdots$$
avec $\forall i \in N^*, d_i \in \discreteInterval{0, b - 1}$, en appliquant $T_b$ cela donne avec $\forall i \in \N, d_i \in \discreteInterval{0, b - 1}$, en appliquant $T_b$ cela donne
$$T_b(x) $$T_b(x)
= b \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_i}{b^i} \mod 1 = b \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_i}{b^{i + 1}} \mod 1
= d_1 \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_{i + 1}}{b^i} \mod 1 = d_1 + \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_{i + 1}}{b^{i + 1}} \mod 1
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_{i + 1}}{b^i} \mod 1 = \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{d_{i + 1}}{b^{i + 1}} \mod 1
= 0. d_2 d_3 d_4 \cdots d_{m + 1} \cdots$$ = 0. d_1 d_2 d_3 \cdots d_{m + 1} \cdots$$
Cela est équivalent à glisser les décimales vers la gauche. Donc pour étudier les orbites de $T_b$ cela revient à étudier la périodicités des décimales $d_i$, hors, si une périodicité existe, le nombre $x$ est nécéssairement rationnel \ref{theorem:repeating_decimals}. Cela est équivalent à glisser les décimales vers la gauche. Donc pour étudier les orbites de $T_b$ cela revient à étudier la périodicité des décimales $d_i$, hors, si une périodicité existe, le nombre $x$ est nécessairement rationnel \ref{theorem:repeating_decimals}.
\begin{theorem_sq} \begin{theorem_sq}
Le tuple $([0, 1], d)$ avec la fonction $d$ défini comme : Le tuple $([0, 1], d)$ avec la fonction $d$ défini comme :
$$\function{d}{[0, 1]^2}{\R_+}$$ $$\function{d}{[0, 1]^2}{\R_+}$$
$$\functiondef{(x, y)}{\sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - y_i}}{b^i}}$$ $$\functiondef{(x, y)}{\sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - y_i}}{b^{i + 1}}}$$
est un espace métrique. est un espace métrique.
\end{theorem_sq} \end{theorem_sq}
\begin{proof} \begin{proof}
Comme $[0, 1]$ est habité, il suffit de montrer que la fonction $d$ est nul pour la distance un élément et lui même, symétrique et respecte l'inégalité triangulaire. Comme cette fonction est basé sur la métrique $\norm{.}_1$, les preuves sont immédiates : Comme $[0, 1]$ est habité, il suffit de montrer que la fonction $d$ est une métrique. Comme cette fonction est basée sur la métrique $\norm{.}_1$, les preuves sont immédiates :
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item{Nul avec un élément et lui même : $\forall x \in [0, 1], d(x, x) \item{Nul avec un élément et lui-même : $\forall x \in [0, 1], d(x, x)
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - x_i}}{b^i} = \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - x_i}}{b^{i + 1}}
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{0}{b^i} = \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{0}{b^{i + 1}}
= 0$} = 0$}
\item{Symétrie : $\forall (x, y) \in [0, 1]^2, d(x, y) \item{Symétrie : $\forall (x, y) \in [0, 1]^2, d(x, y)
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - y_i}}{b^i} = \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - y_i}}{b^{i + 1}}
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{y_i - x_i}}{b^i} = \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{\abs{y_i - x_i}}{b^{i + 1}}
= d(y, x)$} = d(y, x)$}
\item{Inégalité triangulaire : $\forall (x, y, z) \in [0, 1]^3, d(x, y) \item{Inégalité triangulaire : $\forall (x, y, z) \in [0, 1]^3, d(x, y)
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - y_i}}{b^i} = \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - y_i}}{b^{i + 1}}
\le \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - z_i} + \abs{z_i - y_i}}{b^i} \le \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - z_i} + \abs{z_i - y_i}}{b^{i + 1}}
= \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - z_i}}{b^i} + \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{z_i - y_i}}{b^i} = \sum\limits_{i = 0}^{+\infty} \frac{\abs{x_i - z_i}}{b^{i + 1}} + \sum\limits_{i = 1}^{+\infty} \frac{\abs{z_i - y_i}}{b^{i + 1}}
= d(x, z) + d(z, y)$} = d(x, z) + d(z, y)$}
\end{itemize} \end{itemize}
\end{proof} \end{proof}
\begin{definition_sq}
Un endomorphisme continue d'un espace topologique $(E, \tau_E)$ est dit \textbf{topologiquement transitif} si pour toute paire d'ouverts non-vide $U, V \subseteq E$ il existe $n \in \N$ tel que $f^n(U) \intersection V \ne \emptyset$.
\end{definition_sq}