Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике В этом параграфе мы познакомимся с основными типами бифуркаций периодических решений систем дифференциальных уравнений; траектории этих решений – замкнутые кривые. Замечание. Как и в случае положений равновесия, изменение характера устойчивости замкнутой траектории сопровождается бифуркацией. Строгое определение (орбитальной) устойчивости замкнутой траектории будет приведено в п. 2.3.3. Пока же достаточно понимать, что замкнутая траектория $\gamma$ является устойчивой, если все траектории, достаточно близкие к траектории $\gamma$, с возрастанием времени неограниченно приближаются к ней (см. рис. 2.21). 2.3.1. Основные типы бифуркаций периодических решений [3] которая при определенных значениях параметра $\alpha$ имеет замкнутую траекторию $\gamma_{1}$. В общем случае изменение значений параметра может послужить причиной одной из следующих бифуркаций. Рис. 2.22. Бифуркация рождения-исчезновения пары замкнутых траекторий. замкнутая траектория, которая при $\alpha<\alpha^{*}$ расщепляется на две замкнутые траектории. Поскольку при этой бифуркации возникает или исчезает пара замкнутых траекторий, ее называют иногда бифуркацией возникновения или исчезновения пары замкнутых траекторий. параметра $\alpha$, располагающихся по обе стороны бифуркационного значения $\alpha^{*}$. На рис. 2.23 схематически изображена ситуация, когда первоначально устойчивая замкнутая траектория $\gamma_{1 T}$ при переходе $\alpha$ через $\alpha^{*}$ становится неустойчивой и от нее ответвляется замкнутая траектория $\gamma_{2 T}$, которая замыкается после двойного обхода вокруг траектории $\gamma_{1 \tau}$. Новая траектория имеет почти такую же «амплитуду», но приблизительно двойной период (асимптотически, при $\alpha \rightarrow \alpha^{*}$, точно двойной период) отсюда и название бифуркации. существует замкнутая траектория $\gamma_{0}$, лежащая в плоскости $\rho\left(\mathbf{g}\left(\gamma_{0}\right)=\gamma_{0}\right)$. Такая траектория при изменении $\alpha$ обычно пре- терпевает следующую бифуркацию. Одновременно с потерей устойчивости от нее ответвляются две устойчивые траектории $\gamma_{1}$ и $\gamma_{2}$, взаимно симметричные относительно плоскости $\rho$ (см. рис. 2.25). Возникшие устойчивые траектории уже не яв- ляются $\mathbf{g}$-симметричными (т. е. $\left.\mathbf{g}\left(\gamma_{i}\right) 2.3.2. Отображение Пуанкаре Выберем точку $\mathbf{x}_{0} \in \gamma$ и проведем через нее сечение, представляющее собой достаточно малую часть гиперплоскости, которая трансверсально (под ненулевым углом) пересекает траекторию $\gamma$ в точке $\mathbf{x}_{0}$ (см. рис. 2.26). Траектории системы (2.3.2), близкие к замкнутой траектории $\gamma$, задают отображение $P$ сечения $\Sigma$ на себя следующим образом. Возьмем точку $\mathbf{x} \in \Sigma$. Через эту точку проходит траектория $\gamma(\mathbf{x})$. Обозначим через $P(\mathbf{x})$ первую точку пересечения траектории $\gamma(\mathbf{x})$ с сечением $\Sigma$, которая следует после $\mathbf{x}$. Тем самым мы определили отображение которое называется отображением Пуанкаре, соответствующим замкнутой траектории $\gamma$. Свойства введенного таким способом отображения $P$ качественно определяют поведение траектории системы (2.3.2) вблизи замкнутой траектории $\gamma$. В частности: где символом $P^{k}(\mathbf{x})$ обозначается $k$-я итерация отображения $P$, T. e. Если теперь для всякой точки $\mathbf{x} \in \Sigma$, достаточно близкой к неподвижной точке $\mathbf{x}_{0}$, имеет место формула то $\mathbf{x}_{0}$ есть устойчивая неподвижная точка отображения $P$, а замкнутая траектория $\gamma$, которая соответствует точке $\mathbf{x}_{0}$, является устойчивой траекторией. (Это утверждение нуждается в некоторых уточнениях. – Peд.) Устойчивость неподвижной точки $\mathbf{x}_{0}$ отображения $P$ определяется собственными числами матрицы Якоби $P^{\prime}\left(\mathbf{x}_{0}\right)^{1)}$, если абсолютные значения всех собственных чисел этой матрицы меньше 1 , то $\mathbf{x}_{0}$ – устойчивая неподвижная точка. При этом собственные числа оказываются равными мультипликаторам соответствующего периодического решения (см. п. 2.3.5). и, следовательно, Тогда траектория $\tilde{\gamma}=\gamma\left(y_{1}\right)$ замыкается лишь после двух «обходов» вокруг $\gamma$ (см. рис. 2.27). Итак, неподвижным точкам второй ( $k$-й) итерации отображения Пуанкаре соответствуют замкнутые траектории системы (2.3.2), которые замыкаются после двух (соответственно, после $k$ ) обходов вокруг траектории $\gamma$. 4) Если вокруг замкнутой траектории $\gamma$ существует инвариантный тор (см. рис. 2.28), то сечение $\Sigma$ пересекает этот тор по некоторой замкнутой кривой – «окружности» $K$. Эта кривая $K$ переводится в себя отображением Пуанкаре $P$ : для всякой точки $\mathbf{x} \in K$ мы имеем $P(\mathbf{x}) \in K$, или же $P(K)=K$. Итак, инвариантной «окружности» отображения Пуанкаре соответствует инвариантный тор системы (2.3.2). Замечание. До сих пор мы определили отображение Пуанкаре на сечении $\Sigma$, которое было достаточно мало ${ }^{1)}$, т. е. мы рассматривали траектории системы, близкие к исследуемой замкнутой траектории. Отображение Пуанкаре можно строить и в более общей ситуации, когда исследуется глобальное поведение системы. В этом случае в качестве сечения $\Sigma$ мы выбираем обычно всю гиперплоскость или ее часть, находящуюся в изучаемой области фазового пространства (см. п. 5.9.2). 2.3.3. Орбитальная устойчивость решения Понятие устойчивости решения имеет в теории бифуркаций основополагающее значение. Существует множество разных определений устойчивости, наиболее известными среди которых являются устойчивость по Ляпунову и орбитальная устойчивость. Для стационарных решений устойчивость по Ляпунову и орбитальная устойчивость означают одно и то же. Для нас важно более подробно познакомиться с понятием орбитальной устойчивости решений, и в частности, орбитальной устойчивости периодических решений. и пусть $\varphi_{\mathbf{x}}(t)$ – ее фазовый поток. Пусть $\mathbf{x}(t)=\varphi_{\mathbf{x}_{0}}(t)$ – решение уравнения (2.3.3), а $\boldsymbol{\gamma}\left(\mathbf{x}_{0}\right)$ – траектория этого решения. Прежде чем давать определения, введем некоторые обозначения. Рис. 2.29. a) Орбитальная устойчивость. b) Асимптотическая орбитальная устойчивость. Решение $\mathbf{x}(t)=\boldsymbol{\varphi}_{\mathbf{x}_{0}}(t)$ системы (2.3.3) мы называем орбитально устойчивым, если для всякого $\varepsilon>0$ существует $\delta>0$, такое что верно следующее утверждение: если $\rho\left(\boldsymbol{\gamma}\left(\mathbf{x}_{0}\right), \mathbf{y}_{0}\right)<\delta$, то $\rho\left(\boldsymbol{v}\left(\mathbf{x}_{0}\right), \boldsymbol{\varphi}_{\mathbf{y}_{0}}(t)\right)<\boldsymbol{\varepsilon}$ при всех $t>0$. Или, более наглядно: траектории, которые начинаются вблизи траектории $\boldsymbol{\gamma}\left(\mathbf{x}_{0}\right)$, не слишком отдаляются от нее при любых $t>0$ (см. рис. $2.29 a)$. Решение $\varphi_{x_{0}}(t)$ называется асимптотически орбитально устойчивым, если оно орбитально устойчиво и, кроме того, выполняется соотношение Мы будем говорить также об орбитальной устойчивости траекторий. Итак, если решение $\varphi_{\mathbf{x}_{0}}(t)$ асимптотически орбитально устойчиво, то всякая траектория системы (2.3.3), начальная точка которой лежит достаточно близко к траектории $\boldsymbol{\gamma}\left(\mathrm{x}_{0}\right)$, неограниченно приближается к этой траектории при $t \rightarrow+\infty$ (см. рис. 2.29b). Замечание. Замкнутую асимптотически орбитально устойчивую траекторию мы называем устойчивым предельным циклом. 2.3.4. Элементы теории Флоке Напомним теперь некоторые факты, касающиеся линейных неавтономных систем с периодической правой частью (с периодическими коэффициентами). где матрица $\mathbf{A}(t)$ есть непрерывная периодическая функция переменной $t$, т. е. для нее выполнено соотношение где $T>0$ – период. В дальнейшем мы будем рассматривать только стандартные фундаментальные матрицы, для которых $\mathbf{U}(0)=\mathbf{I}$. где $\mathbf{R}$ – постоянная матрица и $\mathbf{P}(t)$ – регулярная периодическая матрица с периодом $T$, для которой выполняется условие $\mathbf{P}(0)=\mathbf{I}$, и следовательно, $\mathbf{P}(k T)=\mathbf{I}$ при $k \in \mathbf{Z}$. С помощью фундаментальной матрицы (2.3.6) общее решение системы (2.3.4) можно представить в виде где, очевидно, Матрица называется матрицей монодромии. Собственные числа матрицы монодромии называются мультипликаторами системы (2.3.4). Если система $\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}(t) \mathbf{x}$ имеет периодическое решение $\boldsymbol{\psi}\left(t, \mathbf{x}_{0}\right)$ с периодом $T$, то Из формулы (2.3.9) вытекает, что матрица монодромии имеет в этом случае собственное число, равное +1 . Система (2.3.4) обладает периодическим решением с периодом $T$ в том (и только в том) случае, если матрица монодромии имеет собственное число, равное +1 . Обратимся теперь к вопросу об устойчивости нулевого решения системы (2.3.4). Критерий его устойчивости формулируется с помощью мультипликаторов. 2.3.5. Уравнения в вариациях Пусть $\mathbf{p}(t)$ – решение уравнения (2.3.10), т. е. Обозначим через $\mathbf{x}(t)$ близкое $\mathbf{~} \mathbf{p}(t)$ решение уравнения (2.3.10). Положим $\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}(t)+\mathbf{z}(t)$ и напишем Оставив в правой части (2.3.11) лишь первый (линейный) член формулы Тейлора, мы получаем для функции $\mathbf{z}(t)$ литеймо дифференциальное (неавтономное) уравнение вида Это уравненіе называется уравнением в вариациях для решения $\mathbf{p}(t)$ системы (2.3.10) или линеаризацией системы (2.3.10) на решении $\mathbf{p}(t)$. Замечание. Если $\mathbf{p}(t)$ является стационарным решением (т. е. его траектория $\gamma_{p}=\left\{\mathbf{x}_{0}\right\}$ представляет собой положение равновесия), то уравнение в вариациях имеет вид Важным для нас является случай, когда $\mathbf{p}(t)$ есть периодическое решение системы (2.3.10). Тогда соответствующее уравнение в вариациях (2.3.12) имеет периодическую матрицу $\mathbf{A}(t)=\frac{\partial \mathbf{f}}{\partial \mathbf{x}}(\mathbf{p}(t))$, и к нему можно применить теорему Флоке. Мультипликаторы уравнения в вариациях мы называем мультипликаторами периодического решения $\mathbf{p}(t)$. Отметим следующий важный факт: один из мультипликаторов периодического решения всегда равен +1. (При этом остальные мультипликаторы отвечают за орбитальную устойчивость решения $\mathbf{p}(t)$.) Чтобы это доказать, необходимо, в соответствии с п. 2.3.4, установить, что при периодическом $\mathbf{p}(t)$ уравнение в вариациях (2.3.12) всегда имеет периодическое решение. и $\mathbf{p}(t+T)=\mathbf{p}(t)$. Дифференцируя обе части этого тождества, мы приходим к соотношению из которого видно, что функция есть периодическое решение уравнения в вариациях. Замечание. Из того факта, что мультипликатор $\rho_{1}=1$, и из критерия устойчивости, приведенного в конце п. 2.3.4, следует, что периодическое решение не может быть асимптотически устойчивым по Ляпунову ${ }^{11}$. Поэтому для периодических решений имеет смысл говорить лишь об орбитальной устойчивости. 2.3.6. Заключительные замечания 1. На практике нахождение мультипликаторов периодического решения проводится с помощью численных методов (см. п. 5.8.3). то его мультипликаторы будут функциями параметра $\alpha$. Предположим, что при $\alpha<\alpha_{0}$ мультипликаторы $\rho_{2}(\alpha), \ldots, \rho_{n}(\alpha)$ лежат внутри единичного круга ( $\rho_{1}(\alpha) \equiv 1$ ). Это означает, что периодическое решение является орбитально устойчивым. При изменении параметра потеря устойчивости происходит в том случае, если один из мультипликаторов «покидает» единичный круг. В общем случае это может произойти одним из трех способов: 1) Невозможность асимптотической устойчивости периодического решения $\mathbf{p}(t)$ автономной системы очевидна: малое возмущение, состоящее в замене $\mathbf{p}(0)$ на $\mathbf{p}(\delta)$, приводит к незатухающему эффекту (p $(t+\delta)-\mathbf{p}(t)$ не стремится к 0). (3) Пара комплексно-сопряженных мультипликаторов «пересекает» единичную окружность в точках $e^{ \pm i \omega}, \omega Все эти три возможности изображены на рис. 2.30 . Рис. 2.30. Мультипликаторы в комплексной плоскости как функции параметров. Замечание. В случае, когда система (2.3.13) обладает некоторой симметрией $\mathbf{g}$ и мы следим за $\mathbf{g}$-симметричным решением, при условии типа (1) может произойти бифуркация с потерей симметрии (см. рис. 2.25).
|
1 |
Оглавление
|