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Taux de diffusion moyen dans le modèle du vent dans les arbres

Average diffusion rate of Ehrenfest wind-tree billiards

Simon BARAZER
Taux de diffusion moyen dans le modèle du vent dans les arbres
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  • Année : 2025
  • Fascicule : 4
  • Tome : 153
  • Format : Électronique
  • Langue de l'ouvrage :
    Anglais
  • Class. Math. : 37D40, 37E20
  • Pages : 949-974
  • DOI : 10.24033/bsmf.2913

Une des versions du modèle du vent dans les arbres a été suggérée par Paul et Tatiana Ehrenfest plus d'un siècle auparavant; il peut être vu comme un billiard périodique dans le plan où des obstacles rectangulaires sont centrés sur le réseau $\mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z}$. Dans le papier fondateur de V. Delecroix, P. Hubert et S. Lelievre, les auteurs ont prouvé que le coefficient de diffusion des trajectoires dans un tel billiard est égal à $\frac{2}{3}$. En d'autres termes, la distance maximale atteinte par une trajectoire typique sur l'intervalle de temps $[0,t]$ croit comme $t^{\frac{2}{3}}$ pour de grandes valeurs de $t$. Le coefficient $\frac{2}{3}$ est le coefficient de Lyapunov associé à un processus de renormalisation des trajectoires.  Ce résultat ne précise pas si les trajectoires passent une grande partie du temps loin de la position initiale.

Dans cet article on prouve que la moyenne de la distance à l'origine grandit elle aussi comme $t^{\frac{2}{3}}$. Ce qui montre qu'une trajectoire passe une grande partie de son temps aussi loin que possible de la position initiale (même si il est connu que le flot du vent dans les arbres est récurent et occasionnellement, les tractoires passent près du point initial).

Plus généralement, des résultats profonds de rigidité prouvés par A. Eskin et M. Mirzakhani, complétés par des arguments de généricité de J. Chaika et A. Eskin impliquent que le taut de diffusion d'une trajectoire géodésique sur un revêtement abélien d'une surface de translation compacte est donné par un exposant de Lyapunov du cocycle de Kontsevich-Zorich associé à la plus petite sous variété affine $\text{SL}_2(\mathbb{R})$ invariante et contenant $S$. Dans cet article, on prouve dans ce cadre plus général que les taux de diffusion maximal et moyen coincident.

One of the versions of the wind-tree model of Boltzmann gas, suggested by Paul and Tatiana Ehrenfest more than a century ago, can be seen as a billiard in the plane endowed with $\mathbb{Z}\oplus\mathbb{Z}$-periodic rectangular obstacles. In the breakthrough paper by V. Delecroix, P. Hubert, and S. Lelievre, the authors proved that the diffusion rate of trajectories in such a billiard is equal to $\frac{2}{3}$. That is, the maximal distance from the origin achieved by a point of a typical trajectory on a segment of time $[0,t]$ grows roughly as $t^\frac{2}{3}$ for large $t$. Here $\frac{2}{3}$ is the Lyapunov exponent of the associated renormalizing dynamical system.

This pioneering result does not tell, however, whether trajectories spend most of the time close or far from the initial point. In the current paper, we prove that the average distance from the origin grows with the same rate of $t^\frac{2}{3}$.  In plain terms, it means that trajectories mostly stay as far as possible from the initial point (though it is known that the wind-tree billiard is recurrent, so trajectories occasionally pass close to the initial point).

More generally, fundamental rigidity results from A. Eskin and M. Mirzakhani completed by certain genericity results of J. Chaika and A. Eskin imply that the diffusion rate of almost all flat geodesic rays on any $\mathbb{Z}^d$-cover of a closed translation surface $S$ is given by a certain Lyapunov exponent of the Kontsevich--Zorich cocycle on the $\text{SL}_2(\mathbb{R})$-orbit closure of $S$. In this paper we prove that in this most general setting, the average and maximum diffusion rates coincide.

Dynamique, surfaces de translation, exposants de Lyapunov
Dynamic, flat surfaces, Lyapunov exponents

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