ダフィング微分方程式

ダウンロードMathematica Notebook

ダッフィング方程式の最も一般的な強制形式は次のとおりです

 x^..+デルタx^.+(betax^3+/-omega_0^2x)=gammacos(omegat+phi)です。
(1)

選択されたパラメータに応じて、方程式はいくつかの特別な形式を取ることができます。 たとえば、減衰がなく強制がない場合、delta=gamma=0となり、プラス記号を取ると、方程式は次のようになります

 x^..+omega_0^2x+betax^3=0
(2)

(BenderおよびOrszag1 9 7 8,p. この方程式は、カオス的な挙動を示すことができます。 beta0の場合、式は「硬ばね」を表し、beta0の場合、「軟ばね」を表します。”beta0の場合、位相曲線は閉じています。

代わりにbeta=1omega_0=1を取る場合、クロックをリセットしてphi=0となり、マイナス記号を使用すると、式は次のようになります

 x^..+デルタx^.+(x^3-x)=gammacos(omegat)です。
(3)

これは、一次常微分方程式のシステムとして書くことができます

x^. = y,
(4)
y^. = x-x^3-deltay+gammacos(omegat)
(5)

(Wiggins1990,p.5)これは、予期されない場合には、に減少します

x^. = y
(6)
y^. = x-x^3-デルタ
(7)

(Wiggins1990,p.6;Ott1993,p.3)。

この結合された微分方程式の集合の不動点は次式で与えられる

 x^.=y=0,
(8)

したがって、y=0、および

y^. = x-x^3-デルタ
(9)
= x(1-x^2)-0
(10)

=0,+/-1. したがって、固定小数点は次のようになります(-1,0), (0,0), と(1,0).

固定小数点の安定性の解析は、方程式を線形化することによって点にすることができます。 差別化は与える

x^.. = y^.
(11)
= x-x^3-デルタ
(12)
y^.. = (1-3x^2)x^。-デルタイ^...,
(13)

これは行列方程式として書くことができます

 =.
(14)

点の安定性を調べる(0,0):

 |0-ラムダ1; 1-デルタ-ラムダ|=ラムダ(ラムダ+デルタ)-1=ラムダ^2+ラムダdelta-1=0
(15)
 ラムダ_+/-^((0,0))=1/2(-デルタ+/-sqrt(デルタ^2+4))。
(16)

しかし、delta^2=0なので、lambda_+/-^((0,0)) 本物です。 sqrt(delta^2+4)|delta|なので、常に正の根が1つあるので、この固定小数点は不安定です。 今見てください(+/-1, 0). 特性方程式は次のようになります

 |0-ラムダ1; -2-デルタ-ラムダ|=ラムダ(ラムダ+デルタ)+2=ラムダ^2+ラムダdelta+2=0,
(17)

根を持っています

 ラムダ_+/-^((+/-1,0))=1/2(-デルタ+/-sqrt(デルタ^2-8))。
(18)

delta0,R0の場合、ポイントは漸近的に安定です。 デルタ=0の場合、ラムダ_+/-^((+/-1,0))=+/-したがって、点は線形安定である(Wiggins1990,p.10)。 ただし、delta in(-2sqrt)の場合(2),0), 根基は虚数部を与え、実数部は0なので、点は不安定です。 Ifdelta=-2sqrt(2), ラムダ_+/-^((+/-1,0))=sqrt(2)、これは正の実根を持つので、点は不安定です。 もしdelta-2sqrt(2)ならば|delta|sqrt(delta^2-8)なので、両方の根は正であり、点は不安定です。

DuffingOscillatorPhasePortrait

興味深いことに、強制なしの特殊ケースdelta=0,

x^. = y
(19)
y^. = x-x^3,
(20)

直交によって統合することができます。 差別化(19)とプラグイン(20)を与える

 x^..=y^。=x-x^3。
(21)

両側にx^を乗算します。

 x^..x^.-----------x+x^。x^3=0です。
(22)

しかし、これは書くことができます

 d/(dt)(1/2x^...........)となる。^2-1/2x^2+1/4x^4)=0,
(23)

だから我々は運動の不変性を持っていますh,

 h=1/2x^。^2-1/2x^2+1/4x^4。
(24)

x^を解く。^2

 x^.^2=((dx)/(dt))^2=2h+x^2-1/2x^4
(25)
 (dx)/(dt)=sqrt(2h+x^2-1/2x^4),
(26)

so

 t=intdt=int(dx)/(sqrt(2h+x^2-1/2x^4))
(27)

(Wiggins 1990, p. 29).

Note that the invariant of motion h satisfies

 x^.=(partialh)/(partialx^.)=(partialh)/(partialy)
(28)
 (-x+x^3=-y^2+x^3=-y^2+x^3=-y^2+x^3=-y^2+x^3=-y^2,
(29)

したがって、ダフリング発振器の方程式はハミルトニアン系

によって与えられる。

You might also like

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。