Singular Equivariant Spectral Asymptotics of Schrödinger Operators in R^n and Resonances of Schottky Surfaces

This work consists of four self-containedly presented parts. In the first part we prove equivariant spectral asymptotics for h-pseudo- differential operators for compact orthogonal group actions generalizing re- sults of El-Houakmi and Helffer (1991) and Cassanas (2006). Using recent results for...

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1. Verfasser: Weich, Tobias
Beteiligte: Ramacher, Pablo (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2014
Reine und Angewandte Mathematik
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2014.0351
Schlagworte:
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author Weich, Tobias
spellingShingle Weich, Tobias
Diese Arbeit besteht aus vier eigenständigen Teilen. Im ersten Teil beweisen wir äquivariante spektrale Asymptotiken für h-Pseudodifferentialoperatoren und für kompakte, orthogonale Gruppenwirkungen. Diese Ergebnisse verallgemeinern bisher bekannte Resultate von El-Houakmi und Helffer (1991) sowie Cassanas (2006). Indem wir neue Ergebnisse für oszillierende Integrale mit singulärer kritischer Menge (Ramacher 2010) nutzen, können wir eine schwache Form des Weyl-Gesetzes beweisen. Außerdem erhalten wir vollständige asymptotische Entwicklungen für die Gutzwiller-Spurformeln ohne eine zusätzliche Bedingung an die Gruppenwirkung zu stellen, indem wir die Annahmen an die Dynamik des Hammilton Flusses geeignet verallgemeinern. Im zweiten und dritten Teil untersuchen wir Resonanzketten, die in vielen unterschiedlichen physikalischen und mathematischen Streuproblemen beobachte wurden. Im zweiten Teil präsentieren wir eine mathematisch rigorose Untersuchung der Resonanzketten auf Schottky-Flächen mit drei hyperbolischen Trichtern. Wir zeigen die analytische Fortsetzbarkeit der verallgemeinerten Zetafunktionen, die das zentrale Werkzeug zum Verständnis der Resonanzketten liefern. Außerdem beweisen wir, dass die Resonanzen nach geeigneter Reskalierung, für ein festes, rationales Verhältnis zwischen den Trichterweiten und im Grenzwert großer Weiten äquidistant auf Geraden angeordnet sind. Die Position dieser Geraden ist vollständig durch ein explizites Polynom gegeben, das nur vom Verhältnis der Trichterweiten abhängt. Im dritten Teil präsentieren wir einen vereinheitlichenden Ansatz zu den Resonanzketten durch eine Verallgemeinerung der dynamischen Zetafunktionen. Mittels einer detaillierten numerischen Untersuchung illustrieren wir, dass die verallgemeinerten Zetafunktionen den Mechanismus erklären, der diese Ketten erzeugt und der sich sowohl auf klassische Ruelle-Resonanzen und Quantenresonanzen in 3-Disk Systemen anwenden lässt, als auch auf geometrische Resonanzen auf Schottkyflächen. Desweiteren präsentieren wir eine System-inhärente Definition der kontinuierlichen Linien, auf denen die Resonanzen aufgereiht sind, indem wir sie als Projektionen analytischer Varietäten schreiben. Außerdem zeigt dieser Ansatz, dass die Ausbildung von Resonanzketten direkt mit einer Clusterbildung im klassischen Längenspektrum um Vielfache einer Basislänge verknüpft ist. Schließlich nutzen wir diese Erkenntnis um neue Beispiele konstruieren, in denen sogar mehrere Kettenstrukturen koexistieren. Der vierte Teil behandelt die Symmetriereduzierung dynamischer Zetafunktionen für holomorphe iterierte Funktionensysteme. Wir führen den Begriff einer endlichen Symmetriegruppe für ein solches iteriertes Funktionensystem ein und zeigen, dass die dynamische Zeta-Funktion in ganze symmetriereduzierte Zetafunktionen faktorisiert, welche durch die irreduziblen Charaktäre der Symmetriegruppe parametrisiert werden. Unter einer Annahme an die Gruppenwirkung auf den Symbolen der symbolischen Dynamik gelingt es uns, die Formeln für die symmetriereduzierten Zetafunktionen noch weiter zu vereinfachen. Als Anwendungsbeispiel wenden wir die Faktorisierung auf Selberg-Zetafunktionen von symmetrischen Schottkyflächen mit n Trichtern an und wir zeigen, dass durch die Faktorsierung die numerische Suche der Nullstellen enorm vereinfacht wird.
Singular Equivariant Spectral Asymptotics of Schrödinger Operators in R^n and Resonances of Schottky Surfaces
Analysis
asymptotic analysis
Mathematik
language English
institution Reine und Angewandte Mathematik
description This work consists of four self-containedly presented parts. In the first part we prove equivariant spectral asymptotics for h-pseudo- differential operators for compact orthogonal group actions generalizing re- sults of El-Houakmi and Helffer (1991) and Cassanas (2006). Using recent results for certain oscillatory integrals with singular critical sets (Ramacher 2010) we can deduce a weak equivariant Weyl law. Furthermore, we can prove a complete asymptotic expansion for the Gutzwiller trace formula without any additional condition on the group action by a suitable generalization of the dynamical assumptions on the Hamilton flow. In the second and third part we study resonance chains which have been observed in many different physical and mathematical scattering problems. In the second part we present a mathematical rigorous study of the reso- nance chains on three funneled Schottky surfaces. We prove the analyticity of the generalized zeta function which provide the central mathematical tool for understanding the resonance chains. Furthermore we prove for a fixed ratio between the funnel lengths and in the limit of large lengths that after a suitable rescaling the resonances in a bounded domain align equidistantly along certain lines. The position of these lines is given by the zeros of an explicit polynomial which only depends on the ratio of the funnel lengths. In the third part we provide a unifying approach to these resonance chains by generalizing dynamical zeta functions. By means of a detailed numerical study we show that these generalized zeta functions explain the mechanism that creates the chains of quantum resonance and classical Ruelle resonances for 3-disk systems as well as geometric resonances on Schottky surfaces. We also present a direct system-intrinsic definition of the continuous lines on which the resonances are strung together as a projection of an analytic vari- ety. Additionally, this approach shows that the existence of resonance chains is directly related to a clustering of the classical length spectrum on multiples of a base length. Finally, this link is used to construct new examples where several different structures of resonance chains coexist. The fourth part deals with a symmetry factorization of dynamical zeta functions for holomorphic iterated function schemes. We introduce the no- tion of a finite symmetry group for these iterated function schemes and prove that the dynamical zeta function factorizes into entire symmetry reduced zeta functions that are parametrized by the irreducible characters of the symme- try group. Under an assumption on the group action on the symbols of the symbolic dynamics, we are able to simplify the formulas for the symmetry reduced zeta functions considerably. As an application we apply the symme- try factorization to Selberg zeta functions of symmetric n-funneled Schottky surfaces and show that the symmetry reduction simplifies the numerical cal- culation of the resonances strongly.
publishDate 2014
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contents Diese Arbeit besteht aus vier eigenständigen Teilen. Im ersten Teil beweisen wir äquivariante spektrale Asymptotiken für h-Pseudodifferentialoperatoren und für kompakte, orthogonale Gruppenwirkungen. Diese Ergebnisse verallgemeinern bisher bekannte Resultate von El-Houakmi und Helffer (1991) sowie Cassanas (2006). Indem wir neue Ergebnisse für oszillierende Integrale mit singulärer kritischer Menge (Ramacher 2010) nutzen, können wir eine schwache Form des Weyl-Gesetzes beweisen. Außerdem erhalten wir vollständige asymptotische Entwicklungen für die Gutzwiller-Spurformeln ohne eine zusätzliche Bedingung an die Gruppenwirkung zu stellen, indem wir die Annahmen an die Dynamik des Hammilton Flusses geeignet verallgemeinern. Im zweiten und dritten Teil untersuchen wir Resonanzketten, die in vielen unterschiedlichen physikalischen und mathematischen Streuproblemen beobachte wurden. Im zweiten Teil präsentieren wir eine mathematisch rigorose Untersuchung der Resonanzketten auf Schottky-Flächen mit drei hyperbolischen Trichtern. Wir zeigen die analytische Fortsetzbarkeit der verallgemeinerten Zetafunktionen, die das zentrale Werkzeug zum Verständnis der Resonanzketten liefern. Außerdem beweisen wir, dass die Resonanzen nach geeigneter Reskalierung, für ein festes, rationales Verhältnis zwischen den Trichterweiten und im Grenzwert großer Weiten äquidistant auf Geraden angeordnet sind. Die Position dieser Geraden ist vollständig durch ein explizites Polynom gegeben, das nur vom Verhältnis der Trichterweiten abhängt. Im dritten Teil präsentieren wir einen vereinheitlichenden Ansatz zu den Resonanzketten durch eine Verallgemeinerung der dynamischen Zetafunktionen. Mittels einer detaillierten numerischen Untersuchung illustrieren wir, dass die verallgemeinerten Zetafunktionen den Mechanismus erklären, der diese Ketten erzeugt und der sich sowohl auf klassische Ruelle-Resonanzen und Quantenresonanzen in 3-Disk Systemen anwenden lässt, als auch auf geometrische Resonanzen auf Schottkyflächen. Desweiteren präsentieren wir eine System-inhärente Definition der kontinuierlichen Linien, auf denen die Resonanzen aufgereiht sind, indem wir sie als Projektionen analytischer Varietäten schreiben. Außerdem zeigt dieser Ansatz, dass die Ausbildung von Resonanzketten direkt mit einer Clusterbildung im klassischen Längenspektrum um Vielfache einer Basislänge verknüpft ist. Schließlich nutzen wir diese Erkenntnis um neue Beispiele konstruieren, in denen sogar mehrere Kettenstrukturen koexistieren. Der vierte Teil behandelt die Symmetriereduzierung dynamischer Zetafunktionen für holomorphe iterierte Funktionensysteme. Wir führen den Begriff einer endlichen Symmetriegruppe für ein solches iteriertes Funktionensystem ein und zeigen, dass die dynamische Zeta-Funktion in ganze symmetriereduzierte Zetafunktionen faktorisiert, welche durch die irreduziblen Charaktäre der Symmetriegruppe parametrisiert werden. Unter einer Annahme an die Gruppenwirkung auf den Symbolen der symbolischen Dynamik gelingt es uns, die Formeln für die symmetriereduzierten Zetafunktionen noch weiter zu vereinfachen. Als Anwendungsbeispiel wenden wir die Faktorisierung auf Selberg-Zetafunktionen von symmetrischen Schottkyflächen mit n Trichtern an und wir zeigen, dass durch die Faktorsierung die numerische Suche der Nullstellen enorm vereinfacht wird.
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We prove the analyticity of the generalized zeta function which provide the central mathematical tool for understanding the resonance chains. Furthermore we prove for a fixed ratio between the funnel lengths and in the limit of large lengths that after a suitable rescaling the resonances in a bounded domain align equidistantly along certain lines. The position of these lines is given by the zeros of an explicit polynomial which only depends on the ratio of the funnel lengths. In the third part we provide a unifying approach to these resonance chains by generalizing dynamical zeta functions. By means of a detailed numerical study we show that these generalized zeta functions explain the mechanism that creates the chains of quantum resonance and classical Ruelle resonances for 3-disk systems as well as geometric resonances on Schottky surfaces. We also present a direct system-intrinsic definition of the continuous lines on which the resonances are strung together as a projection of an analytic vari- ety. Additionally, this approach shows that the existence of resonance chains is directly related to a clustering of the classical length spectrum on multiples of a base length. Finally, this link is used to construct new examples where several different structures of resonance chains coexist. The fourth part deals with a symmetry factorization of dynamical zeta functions for holomorphic iterated function schemes. We introduce the no- tion of a finite symmetry group for these iterated function schemes and prove that the dynamical zeta function factorizes into entire symmetry reduced zeta functions that are parametrized by the irreducible characters of the symme- try group. Under an assumption on the group action on the symbols of the symbolic dynamics, we are able to simplify the formulas for the symmetry reduced zeta functions considerably. As an application we apply the symme- try factorization to Selberg zeta functions of symmetric n-funneled Schottky surfaces and show that the symmetry reduction simplifies the numerical cal- culation of the resonances strongly. 2014 Diese Arbeit besteht aus vier eigenständigen Teilen. Im ersten Teil beweisen wir äquivariante spektrale Asymptotiken für h-Pseudodifferentialoperatoren und für kompakte, orthogonale Gruppenwirkungen. Diese Ergebnisse verallgemeinern bisher bekannte Resultate von El-Houakmi und Helffer (1991) sowie Cassanas (2006). Indem wir neue Ergebnisse für oszillierende Integrale mit singulärer kritischer Menge (Ramacher 2010) nutzen, können wir eine schwache Form des Weyl-Gesetzes beweisen. Außerdem erhalten wir vollständige asymptotische Entwicklungen für die Gutzwiller-Spurformeln ohne eine zusätzliche Bedingung an die Gruppenwirkung zu stellen, indem wir die Annahmen an die Dynamik des Hammilton Flusses geeignet verallgemeinern. Im zweiten und dritten Teil untersuchen wir Resonanzketten, die in vielen unterschiedlichen physikalischen und mathematischen Streuproblemen beobachte wurden. Im zweiten Teil präsentieren wir eine mathematisch rigorose Untersuchung der Resonanzketten auf Schottky-Flächen mit drei hyperbolischen Trichtern. Wir zeigen die analytische Fortsetzbarkeit der verallgemeinerten Zetafunktionen, die das zentrale Werkzeug zum Verständnis der Resonanzketten liefern. Außerdem beweisen wir, dass die Resonanzen nach geeigneter Reskalierung, für ein festes, rationales Verhältnis zwischen den Trichterweiten und im Grenzwert großer Weiten äquidistant auf Geraden angeordnet sind. 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Schließlich nutzen wir diese Erkenntnis um neue Beispiele konstruieren, in denen sogar mehrere Kettenstrukturen koexistieren. Der vierte Teil behandelt die Symmetriereduzierung dynamischer Zetafunktionen für holomorphe iterierte Funktionensysteme. Wir führen den Begriff einer endlichen Symmetriegruppe für ein solches iteriertes Funktionensystem ein und zeigen, dass die dynamische Zeta-Funktion in ganze symmetriereduzierte Zetafunktionen faktorisiert, welche durch die irreduziblen Charaktäre der Symmetriegruppe parametrisiert werden. Unter einer Annahme an die Gruppenwirkung auf den Symbolen der symbolischen Dynamik gelingt es uns, die Formeln für die symmetriereduzierten Zetafunktionen noch weiter zu vereinfachen. Als Anwendungsbeispiel wenden wir die Faktorisierung auf Selberg-Zetafunktionen von symmetrischen Schottkyflächen mit n Trichtern an und wir zeigen, dass durch die Faktorsierung die numerische Suche der Nullstellen enorm vereinfacht wird. 2014-06-25 2014-06-13 opus:5591 Singular Equivariant Spectral Asymptotics of Schrödinger Operators in R^n and Resonances of Schottky Surfaces Y. Colin deVerdì ere. Spectrum of the Laplace operator and periodic geodesics: thirty years after. In ANNALES-INSTITUT FOURIER, vol- ume 57, page 2429. Association des Annales de l'Institute Fourier; 1999, 2007. 1999 Spectrum of the Laplace operator and periodic geodesics: thirty years after Association des Annales de l'Institute Fourier J. Wiersig and J. Main. Fractal Weyl law for chaotic microcavities: Fres- nel's laws imply multifractal scattering. Physical Review E, 77(3):36205, 2008. 2008 Fractal Weyl law for chaotic microcavities: Fresnel's laws imply multifractal scattering V. Petkov and L. Stoyanov. 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