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解法: 区間演算による厳密な計算機支援証明、Tucker(1999年)

ステップ 6/8: 鋭敏な依存性を厳密にする:拡大する方向の場
ざっくり言うと

軌道を有界な領域に閉じ込めるだけではカオスを証明するのに十分ではない—退屈で完璧に繰り返すループも閉じ込められてしまうからである。必要な追加の要素は初期条件への鋭敏な依存性である:近くの点は時間とともに確実に離れていかなければならず、収束してはならない。Tuckerはこれを幾何学的に証明する。閉じ込められた領域内のすべての点に、許容される方向の狭い「錐」を割り当て、再び保証された区間計算を用いて、流れの導関数が常に、この錐の内側を指すベクトルを、(新しい)錐の内側にとどまりつつ以前より測定可能なほど長くなった新しいベクトルへ送ることを検証する。

ある写像が、錐の中のすべてのベクトルを引き伸ばしながら常にその錐自身へ送り返す錐は、不安定性の幾何学的証明書である:それは、拡大の方向が消え去るのではなく、一段階ごとに持続し累積することを意味する—これはまさに、微小な差異をカオスに伴う激しく発散する軌道へと増幅する仕組みそのものである。

DPx(v)∈C(P(x)) and ∥DPx(v)∥≥κ∥v∥ (κ>1)whenever v∈C(x)DP_x(v) \in \mathcal{C}(P(x)) \text{ and } \|DP_x(v)\| \ge \kappa\|v\| \ (\kappa>1) \quad \text{whenever } v \in \mathcal{C}(x)
詳しい解説

有界性だけでなくカオスを証明するために、Tuckerは前段階のトラップ領域に錐の場を備え付ける:各点 xx において、選ばれた拡大方向のある角度閾値内にあるベクトルからなる接空間の部分集合 C(x)\mathcal{C}(x) である。帰還写像の導関数 DPxDP_x に対する厳密な区間評価(流れの変分方程式を通じて写像自体と並行して計算される)を用いて、Tuckerはトラップ領域全体で二つの性質を検証する:錐の場が不変であること、DPx(C(x))⊂C(P(x))DP_x(\mathcal{C}(x)) \subset \mathcal{C}(P(x))、そして拡大的であること、すなわちある固定された κ>1\kappa>1 とすべての v∈C(x)v\in\mathcal{C}(x) に対して ∥DPx(v)∥≥κ∥v∥\|DP_x(v)\| \ge \kappa\|v\| である。

この二つの性質を合わせたものが、Guckenheimer–Williamsのテンプレートの中心にある特異双曲性の幾何学的定義である:それらは、分離ベクトルが錐の場の内側から始まる近くの二点が、帰還写像を繰り返し適用するもとで指数的な速さで離れていかなければならないことを保証し、これはまさに初期条件への鋭敏な依存性の数学的形式化である。決定的に重要なのは、原点の鞍点構造のために、錐の場が相空間全体にわたって古典的な(Anosov・公理A)意味で一様双曲的になりえないため、この弱いが十分な特異双曲性の概念(Morales、Pacifico、Pujalsによる)こそが、Guckenheimer–Williamsのテンプレートが要求し、かつ区間演算が厳密に証明できるものだということである。

前方不変性(前段階)とこの拡大する錐場の両方が確立されたことで、帰還写像がGuckenheimer–Williamsの抽象モデルが要求するまさにその組合せ論的・幾何学的構造を持つことが検証され、最終的な組み立ての段階へとつながる。

このステップの用語
特異双曲性
Lorenzのような、アトラクタが平衡点を含む流れを扱うために設計された、古典的な(一様)双曲性の弱化版であり、相空間のすべての点においてあらゆる方向に一様に拡大することではなく、明確に定義された錐場に沿った拡大を要求する。
このステップで使う知識