Autonóm egyenletek, dinamikai rendszerek

Hasonló dokumentumok
Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

3. Fékezett ingamozgás

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Az előadásokon ténylegesen elhangzottak rövid leírása

Sorozatok, sorozatok konvergenciája

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Függvény határérték összefoglalás

Analízis I. Vizsgatételsor

Hiszterézises káoszgenerátor vizsgálata

ismertetem, hogy milyen probléma vizsgálatában jelent meg ez az eredmény. A kérdés a következő: Mikor mondhatjuk azt, hogy bizonyos események közül

Matematika III előadás

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Matematika III előadás

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

3. előadás Stabilitás

FELVÉTELI VIZSGA, július 17.

Analízis I. beugró vizsgakérdések

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

8. DINAMIKAI RENDSZEREK

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

Az R halmazt a valós számok halmazának nevezzük, ha teljesíti az alábbi 3 axiómacsoport axiómáit.

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

1. Házi feladat. Határidő: I. Legyen f : R R, f(x) = x 2, valamint. d : R + 0 R+ 0

Következik, hogy B-nek minden prímosztója 4k + 1 alakú, de akkor B maga is 4k + 1 alakú, s ez ellentmondás.

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

Matematikai háttér. 3. Fejezet. A matematika hozzászoktatja a szemünket ahhoz, hogy tisztán és világosan lássa az igazságot.

3. Lineáris differenciálegyenletek

Minden x > 0 és y 0 valós számpárhoz létezik olyan n természetes szám, hogy y nx.

7. DINAMIKAI RENDSZEREK

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

Matematika alapjai; Feladatok

Numerikus módszerek 1.

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Lotka Volterra-féle populációdinamikai modellek vizsgálata

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 29.

Metrikus terek, többváltozós függvények

MATEK-INFO UBB verseny április 6.

MATEMATIKA HETI 5 ÓRA. IDŐPONT: június 8.

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

Normális függvénycsaládok. Alkalmazások harmonikus függvényekre.

4. SOROK. a n. a k (n N) a n = s, azaz. a n := lim

Mindent olyan egyszerűvé kell tenni, amennyire csak lehet, de nem egyszerűbbé. (Albert Einstein) Halmazok 1

SZÉLSŐÉRTÉKKEL KAPCSOLATOS TÉTELEK, PÉLDÁK, SZAKDOLGOZAT ELLENPÉLDÁK. TÉMAVEZETŐ: Gémes Margit. Matematika Bsc, tanári szakirány

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

Mindent olyan egyszerűvé kell tenni, amennyire csak lehet, de nem egyszerűbbé.

Számsorozatok (1) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Alapfogalmak, valós számok Sorozatok, határérték Függvények határértéke, folytonosság A differenciálszámítás Függvénydiszkusszió Otthoni munka

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2014/2015-ös tanév első (iskolai) forduló Haladók II. kategória

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

1. Absztrakt terek 1. (x, y) x + y X és (λ, x) λx X. műveletek értelmezve vannak, és amelyekre teljesülnek a következő axiómák:

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Gyakorlo feladatok a szobeli vizsgahoz

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Analízis II. Analízis II. Beugrók. Készítette: Szánthó József. kiezafiu kukac gmail.com. 2009/ félév

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

KÉMIAI REAKCIÓRENDSZEREK

A Matematika I. előadás részletes tematikája

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

Kétváltozós függvény szélsőértéke

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Konjugált gradiens módszer

Sorozatok és Sorozatok és / 18

VIK A3 Matematika, Gyakorlati anyag 2.

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

1. Oldja meg a z 3 (5 + 3j) (8 + 2j) 2. Adottak az A(1,4,3), B(3,1, 1), C( 5,2,4) pontok a térben.

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

5.1. Autonóm nemlineáris rendszerek

JANUS PANNONIUS TUDOMÁNYEGYETEM. Schipp Ferenc ANALÍZIS I. Sorozatok és sorok

L-transzformáltja: G(s) = L{g(t)}.

Készítette: Fegyverneki Sándor

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Bevezetés a matematikába (2009. ősz) 1. röpdolgozat

Analízis I. zárthelyi dolgozat javítókulcs, Informatika I okt. 19. A csoport

MATEMATIKAI PROBLÉMAMEGOLDÓ GYAKORLAT

92 MAM143A előadásjegyzet, 2008/2009. x = f(t,x). x = f(x), (6.1)

Átírás:

238 8. Autonóm egyenletek, dinamikai rendszerek 8.8. tétel. (Andronov Witt) 5 6 Ha a Γ periodikus pálya karakterisztikus multiplikátorainak abszolút értéke 1-nél kisebb, akkor a Γ pálya stabilis határciklus. Bizonyítás. Mivel a Poincaré-leképezés sajátértékeinek abszolút értéke egynél kisebb, azért a 8.6. tétel szerint a Γ pálya p pontja aszimptotikusan stabilis fix pontja a Poincaré-leképezésnek. Ekkor viszont a 8.7. tétel szerint a Γ pálya orbitálisan aszimptotikusan stabilis, azaz stabilis határciklus. 8.3.3.2. Kétdimenziós rendszerek Kétdimenziós rendszerekben periodikus megoldás létezését a Poincaré Bendixson-elmélet 7 segítségével; hiányát pedig a Bendixson Dulac 8 -féle kritériummal lehet igazolni. Legyen ebben a szakaszban M R 2 tartomány és legyen ϕ : R M M olyan dinamikai rendszer, amelyet egy (8.9) alakú autonóm differenciálegyenlet ad meg, ahol most f : M R 2. Nézzünk meg először periodikus pálya létezésének bizonyítására egy példát. 8.26. példa. Tekintsük az ẋ = x y x 3 ẏ = x + y y 3 rendszert. Az ẋ = 0, ẏ = 0 nullavonalakat felrajzolva látszik, hogy az egyetlen egyensúlyi pont az origó, valamint hogy a trajektóriák körbejárnak az origó körül (8.20. ábra). A linearizálás szerint az origó instabilis fókusz. Szeretnénk eldönteni, hogy van-e a rendszernek periodikus pályája. Vegyük az R 2 (p,q) V (p,q) := p 2 + q 2 Ljapunov-függvényt. Rövid számolás után ez azt mutatja, hogy az origó körüli 1 sugarú körben a trajektóriák távolodnak az origótól, a 2 sugarú körön kívül viszont közelednek hozzá. Így az 1 és a 2 sugarú körök által meghatározott gyűrű pozitívan invariáns halmaz. A Σ := [1, 2] {0} vízszintes szakasz transzverzális metszet, ugyanis a trajektóriák minden pontjában lefelé haladnak keresztül rajta. Egyszerűen igazolható (például polárkoordinátákra áttérve), hogy a Σ szakasz pontjaiból induló trajektóriák körbejárnak a gyűrűben, és visszatérnek a Σ szakaszra. Ezért értelmezhető a P : Σ Σ Poincaré-leképezés, amely tekinthető egy 5 Andronov Alexandr Alexandrovics (1901 1952): orosz matematikus, a differenciálgyenletek kvalitatív elméletével foglakozott. 6 Witt, Alexandr Adolfovics (1902 1938): orosz matematikus, a differenciálegyenletek kvalitatív elméletével, oszcilláló reakciók modelljeivel foglalkozott. 7 Bendixson, Ivar Otto (1861 1935): svéd matematikus; differenciálegyenleteken kívül halmazelmélettel és algebrával is foglalkozott. 8 Dulac, Henri (1870 1955): francia matematikus, a differenciálegyenletek kvalitatív elméletének egyik úttörője.

8.3. Nemlineáris rendszerek 239 1 2 y 0 x 0 8.20. ábra. Periodikus pálya létezése P : [1, 2] [1, 2] függvénynek is. Mivel P folytonos, és egy zárt intervallumot önmagába képez, azért létezik fix pontja (lásd az alábbi feladatot), tehát rendszerünknek van periodikus pályája. 8.3. feladat. A Bolzano 9 -tételt felhasználva igazoljuk, hogy korlátos és zárt intervallumot önmagába képező folytonos függvénynek van fix pontja. (Megoldás: 357. oldal.) A fenti példában tulajdonképpen a Poincaré Bendixson-tétel gyengébb alakját igazoltuk az adott differenciálegyenletre. A tétel kétdimenziós rendszerek aszimptotikus állapotait írja le, mi most itt csak a gyengébb változatot ismertetjük, amely periodikus pályák létezésének igazolására használható. A tétel általános megfogalmazása megtalálható például itt: [58, 104]. 8.9. tétel. (A Poincaré Bendixson-tétel gyenge alakja) Ha K M olyan pozitívan invariáns, korlátos és zárt halmaz, amelyben nincs egyensúlyi pont, 10 akkor a K halmazban van periodikus pálya. 9 Bolzano, Bernard Placidus Johann Nepomuk (1781 1848): cseh matematikus, filozófus és teológus. 10 Az ilyet szokták Bendixson-féle zsáknak nevezni.

240 8. Autonóm egyenletek, dinamikai rendszerek Bizonyítás. Megmutatjuk, hogy van olyan Σ K zárt transzverzális metszet (azaz szakasz), amelyen értelmezhető a Poincaré-leképezés, és ez a leképezés a szakaszt önmagába képezi. Ekkor a fenti feladat szerint a Poincaréleképezésnek van fix pontja, azaz a rendszernek van periodikus pályája. Legyen p K tetszőleges pont, és tekintsük a q n := ϕ(n, p) (n N) sorozatot. Mivel K pozitívan invariáns, azért a sorozat minden tagja a K halmazban van. Ezért (q n ) korlátos sorozat, tehát van konvergens részsorozata, amit jelöljön (q n ). A K halmaz zártsága miatt a sorozat q határértéke is a K halmazban van. Mivel a K halmazban nincs egyensúlyi pont, azért q sem az, tehát megadható egy azt tartalmazó Σ 1 transzverzális metszet. Ez lehet például a 1 ϕ(0,q ) vektorra (azaz a q pontból induló pálya érintőjére) merőleges, kellően rövid szakasz. Mivel (ϕ(n, p)) részsorozata q -hoz tart, és q Σ 1, azért egyszerűen megmutatható, hogy a p pontból induló pálya végtelen sokszor metszi a Σ 1 szakaszt. Az időben egymást követő metszéspontokat jelölje p 1, p 2,... Megmutatjuk, hogy ezek monoton módon követik egymást a Σ 1 szakaszon, azaz a +1 pont a és a q pont közé esik. Ugyanis indirekt módon tegyük fel, hogy nem ez a helyzet. Ekkor két D 1 q D 2 q 8.21. ábra. Periodikus pálya létezésének igazolásához I. eset lehetséges. A +1 pont vagy előtt van, amint a 8.21. ábra (a) részén látható, vagy q után, amint az ábra (b) része mutatja. Az előbbi esetben az ábrán jelölt D 1 halmaz pozitívan invariáns, így p l D 1 minden l > k +1 esetén, ami ellentmond annak, hogy p l q. A második esetben az ábrán jelölt D 2 halmaz negatívan invariáns, így p l / D 2 minden l > k + 1 esetén, ami ismét ellentmond annak, hogy p l q. Tehát a +1 pont valóban a és a q pont közé esik, amint azt a 8.22. ábra mutatja. Az ábráról azt is láthatjuk, hogy a Σ 1 szakasz 1 és közötti részéről induló pályák visszatérnek a Σ 1 szakaszra, mégpedig egy és +1 közé eső pontban. Így a Σ 1 szakasz

8.3. Nemlineáris rendszerek 241 q 8.22. ábra. Periodikus pálya létezésének igazolásához II. p 1 és q közötti részéből induló pályák visszatérnek a szakasz ugyanezen részére. Ezért a kezdeti feltételtől való folytonos függés miatt a q pontból induló pálya is visszatér a Σ 1 szakasz p 1 pont és q pont által meghatározott zárt részére. Jelölje Σ ezt a zárt szakaszt. A Poincaré-leképezés tehát ezen a zárt szakaszon értelmezhető, és a szakaszt önmagába képezi, amit bizonyítani akartunk. Megjegyezzük, hogy a q pont periodikus, ugyanis a belőle induló pálya a Σ szakasz más pontjába nem térhet vissza. Most rátérünk a periodikus megoldás hiányát biztosító tételek ismertetésére. Ezek az úgynevezett Bendixson-kritérium, illetve a Bendixson Dulackritérium. Mindkettő egyszerűen következik a Stokes 11 (Gauss 12 Osztrogradszkij 13 )-tétel alábbi kétdimenziós változatából. 11 Stokes, George Gabriel (1819 1903): ír fizikus, hidrodinamikával és optikával foglalkozott. 12 Gauss, Carl Friedrich (1777 1855): német matematikus, a matematikusok fejedelme, számelmélettel, differenciálgeometriával, valószínűségszámítással, az algebra és az analízis legkülönbözőbb fejezeteivel; a matematikán kívül pedig a mágnesességgel és geodéziával foglalkozott. 13 Osztrogradszkij, Mihail Vasziljevics (1801 1862): orosz matematikus, komplex függvénytannal, potenciálelmélettel, közönséges és parciális differenciálegyenletekkel foglalkozott.

242 8. Autonóm egyenletek, dinamikai rendszerek 8.3. lemma. Legyen D R 2 olyan egyszeresen összefüggő nyílt halmaz, amelynek G határa sima egyzerű zárt görbe, G : D R 2 pedig legyen olyan folytonosan differenciálható függvény, amely D lezárására folytonosan terjeszthető ki. Ekkor D ( 1G 1 + 2 G 2 )= D ( G 2,G 1 ). 8.10. tétel. (Bendixson-kritérium) Ha E R 2 olyan egyszeresen összefüggő nyílt halmaz, amelyen a div f = 1 f 1 + 2 f 2 függvény állandó előjelű, és legfeljebb véges sok sima egyszerű zárt görbe pontjaiban tűnik el, akkor a (8.9) rendszernek nincs teljesen az E halmazban haladó periodikus pályája. Bizonyítás. Tegyük fel, hogy van teljesen az E halmazban haladó periodikus megoldás, legyen egy ilyen Γ. Jelölje ennek belsejét D. Felírva a Stokestételt az f függvényre és a D tartományra ellentmondást kapunk. Teljesen hasonlóan igazolható az alábbi állítás. 8.11. tétel. (Bendixson Dulac-kritérium) Legyen E R 2 egyszeresen öszszefüggő nyílt halmaz, és legyen B : E R olyan differenciálható függvény, melyre a div(bf) függvény állandó előjelű, és legfeljebb egy görbe pontjaiban tűnik el. Ekkor a (8.9) rendszernek nincs teljesen az E halmazban haladó periodikus pályája. 8.27. példa. Az ẋ = x+y 2 +x 3, ẏ = x+y+x 2 y rendszernek a Bendixsonkritérium szerint nincs periodikus megoldása. Ugyanis div f (p, q) =2 + 4p 2 > 0 a sík minden pontjában. 8.28. példa. Az ẋ = y, ẏ = x ay + 2x 2 + by 2 rendszernek a Bendixson Dulac-kritérium szerint nincs periodikus megoldása. Ugyanis az R 2 (p,q) B(p,q)=ae 2bp segédfüggvényt alkalmazva div(bf)(p,q)= a 2 e 2bp < 0 a sík minden pontjában. Láthatjuk, hogy a segédfüggvényt ugyanúgy nehéz lehet megtalálni, mint a Ljapunov-módszer esetében. 8.4. feladat. (a) ẋ = y,ẏ = x+y(1 x 2 2y 2 ). Mutassuk meg, hogy ebben az esetben az 1/ 2 és az 1 sugarú kör által meghatározott gyűrű Bendixson-zsák, így a Poincaré Bendixson-tétel szerint az egyenletrendszernek van periodikus megoldása. (b) ẋ = x xy 2 + y 3,ẏ = 3y x 2 y + x 3. Mutassuk meg, hogy a Bendixsonkritérium szerint az origó középpontú 2 sugarú körben nincs periodikus megoldás.