Dynamique fractionnaire pour le chaos hamiltonien

Fractional dynamics for hamiltonian chaos

• Auteur / Autrice : Pierre Inizan
• Direction : Jacky Cresson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Vienne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacky Cresson, Rudolf Hilfer, François Dubois, Xavier Leoncini, Denis Matignon, Philippe Robutel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rudolf Hilfer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations aux dérivées partielles

Chaos (théorie des systèmes)

Systèmes hamiltoniens

Fractions

Résumé

De nombreuses caractéristiques des systèmes hamiltoniens chaotiques, notamment mises en évidence à l'aide de simulations numériques, restent encore mal comprises. Parmi différentes pistes de recherches, Zaslavsky propose une analyse de ces systèmes à l'aide de dérivées fractionnaires. Même si son travail n'est pas complètement formalisé, ses résultats semblent prometteurs. Le calcul fractionnaire permet de généraliser des équations différentielles afin de prendre en compte certains phénomènes complexes. Pour les systèmes lagrangiens et hamiltoniens, le plongement fractionnaire développé par Cresson fournit une procédure basée sur le principe de moindre action pour construire des équations fractionnaires de la dynamique. L'objectif principal de cette thèse est d'utiliser ce formalisme afin de consolider le travail de Zaslavsky. Après avoir présenté quelques éléments sur le calcul fractionnaire, nous enrichissons le plongement fractionnaire en le conciliant avec le principe de causalité et en le rendant dimensionnellement homogène. Nous tentons ensuite de comprendre comment peut émerger une dynamique fractionnaire dans les systèmes hamiltoniens chaotiques, à travers deux pistes respectivement basées sur les travaux de Stanislavsky et Hilfer. Si la première reste problématique, la seconde se concrétise en un modèle simple de dynamique où une dérivée fractionnaire apparaît lorsqu'est prise en compte l'analyse de Zaslavsky. Enfin, en marge de l'étude de ces systèmes, nous montrons que la formulation causale du plongement permet de doter certaines équations dissipatives de structures lagrangiennes fractionnaires, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles modélisations numériques.

Many properties of chaotic Hamiltonian systems have been exhibited by numerical simulations but still remain not properly understood. Among various directions of research, Zaslavsky carries on an analysis which involves fractional derivatives. Even if his work is not fully formalized, his results seem promising. Fractional calculus, also used in several other fields, generalizes differential equations in order to take into account some complex phenomena. Concerning Lagrangian and Hamiltonian systems, the fractional embedding developped by Cresson provides a procedure based on the least action principle to build fractional dynamical equations. The main goal of the thesis consists in using this formalism to consolidate Zaslavsky's work. After a presentation of the fractional calculus adapted to our work, we enhance the fractional embedding by reconciling it with the causality principle and by making it dimensionally homogeneous. Once this formal framework is established we try to understand how a fractional dynamics can emerge in chaotic Hamiltonian systems, through two tracks respectively based on Stanislavsky's and Hilfer's works. The first one faces two difficulties, but the second leads to a simple dynamical model, where a fractional derivative appears when Zaslavsky's analysis is taken into account. We finally leave chaotic systems to show that thanks to the causal formulation of the fractional embedding, some classical dissipative equations reveal fractional Lagrangian structures, which could be of numerical interest.