18 (2004) 41-45 Aplicación de Poincaré Asociada a una Órbita Homoclínica en un Campo de Vectores Lineales por Partes Francisco J. Torres1 1. Departamento de Matemática, Universidad de Atacama, Copiapó, Chile, ftorres@matematica.uda.cl ___________________________________________________________________________ Resumen En este trabajo se presenta la aplicación de Poincaré asociada a una órbita homoclínica en el origen, para esto usamos el teorema de la función implícita como herramienta principal. También utilizamos los itenerarios dinámicos de los campos de vectores definidos en los distintos sectores del espacio euclidiano. Usando técnicas de autovalores para resolver un sistema de tres ecuaciones diferenciales ordinarias como también la forma canónica de jordan asociada a la matriz de coeficientes del sistema de ecuaciones. Palabras claves: Aplicación de Poincaré, Orbita Homoclínica. ___________________________________________________________________________ Abstract In this work the application of Poincaré associated to a homoclínica orbit in the origin appears, for this we used the theorem of the implicit function like main tool. Also we used the dynamic itenerarios of the fields of vectors defined in the different sectors from the euclidiano space. Using technical of autovalores to solve a system of three equations ordinary differentials as also the canonical form of jordan associate to the matrix of coefficients of the system of equations. Keywords: Homoclinic Orbit, Poincaré Map. 1 41 F. Torres 18 (2004) 41-45 1. Introducción Demostración: Definición. Un punto de equilibrio p de un campo de vectores X, es dicho un punto homoclínico si existe una trayectoria tiende a p cuando Tal trayectoria es llamada órbita homoclínica através de p y además, es una autoconección de sillas, esto es, p es el conjunto α y ω limite de la órbita. uuur uuur r r s x = r 0c2 + r '0c3 x ∈ W (0) Sea entonces y r r t t α x ≤ 1 y si x ∈ V1 entonces α x = 1 , por lo tanto Orbitas Homoclínicas en 0. Como u1 u2 , u3 Sea un real positivo y reales negativos o complejos conjugados con parte real negativa. Como los autovalores asociados a los dados por ci = (1, ui , ui2 ) , i = 1, 2,3 ui son . Entonces tenemos una s variedad estable 2-dimensional W (0) y una r α tx = 1 ⇒ x = 1 uur t 0ci = ( 1, ui , ui2 ) [1] entonces tenemos t r x = ( r + r ' ru2 + r ' u3 ru22 + r ' u32 ) Sustituyendo relación [2] en [1] [2] se obtiene la r+ r'= 1 r Resta probar que u x = 1 t u variedad inestable 1-dimensional W (0) en el punto de equilibrio 0=(0,0,0) , dadas por uuur r r r W u (0) = x ∈ ¡ 3 : x = r 0c1 ,α x − 1 > 0 uuur uuur r r r W s (0) = x ∈ ¡ 3 : x = r 0c2 + r '0c3 , α x − 1 ≤ 0 r r , r ' ∈ ¡ x = ( x, y , z ) . Donde y { { } } Observación: Las variedades invariantes asociadas al punto crítico 0 están definidas de tal modo que todo punto perteneciente a una de ellas es una combinación lineal de los autovectores correspondientes a los autovalores que general el espacio. ¡ Lema: Sean V1 definidos en [2] y el vector u + u −1 u = 0, 2 3 , u2u3 u2u3 dado por , entonces r r W s (0) ∩ V1 = { x ∈ ¡ 3 : u t x = 1, x = 1} x r u2 + u3 − 1 ux= 0 u2 + u3 z y u2u3 u2u3 y− u2u3 = z = u2u3 t ( ru22 + r ' u32 ) u2 + u3 ( ru2 + r ' u3 ) − u2u3 u2u3 = = =r + r'= 1 por lo tanto resultado. r u t x = 1 y de esto se sigue el 2. Itenerarios Homoclínicas Dinámico de Orbitas En esta sección se muestran diversos tipos de órbitas homoclínicas asociadas al origen y condiciones necesarias sobre las aplicaciones de retorno para su existencia. Tipo 1. 0 → V1 → V1 → 0 42 F. Torres 18 (2004) 41-45 En este caso se satisfacen las siguientes condiciones Estas formulas se interpretan en forma similar al tipo 1. α t eCs0 c1 = 1 Tipo 3. u t eCs0 c1 = 1 Donde la matriz C está definida en [1,2], con las condiciones en la aplicación de retorno α t eCs c1 ≠ 1 ∀ s con 0 < s < s0 α t e As eCs0 c1 ≠ 1 ∀s> 0 s0 está las p = eCs0 c1 La condición c) dice que s0 a α e es el menor tiempo tal que el campo intersecta . La condición d) garantiza la existencia de la órbita homoclínica, pues, para cualquier t > 0 , e At ∉ V1 y por lo tanto este converge al punto periódico 0 cuando t tiende a infinito, sobre la variedad estable. 0 → V1 → V1 → V1 → V → 0 x = K (t , s )h 1 1 1, En este caso tenemos que dados en [Torres] y las siguientes condiciones se cumplen α t eCs0 c1 = 1 eCs0 c1 = e − At0 K (t1 , s1 )h1 u t eCs1 K (t1 , s1 )h1 Con condiciones en la aplicación de retorno ∀ 0 < s < s0 α t e − At x ≠ 1 ∀ 0 < t < t0 α t eCs x ≠ 1 ∀ 0 < s < s1 α t e At eCs1 x ≠ 1 ∀t> 0 α t eCs c1 ≠ 1 t − At V1 α t eCs c1 ≠ 1 u t eCs1 y = 1 Con condiciones en la aplicación de retorno a este plano. La condición b) obliga al punto V ∩ W s (0) pertenecer a 1 . Tipo 2. cumplen eCs0 c1 = − e − At1 y V definido sobre el plano 1 aplicado al punto corta en un tiempo y = K (t1 , s1 )h2 En este caso tenemos que definida en [Torres] y se siguientes relaciones α t eCs0 c1 = 1 La condición a) dice que el campo de vectores c1 0 → V1 → V1 → V− 1 → V− 1 → 0 y ≠1 ∀ 0 < s < s0 ∀ 0 < t < t1 α t eCs y ≠ 1 ∀ 0 < s < s1 α t e At eCs1 y ≠ 1 ∀ t> 0 3. Aplicación de Poincaré Asociada a una Orbita 3.1. Homoclínica. En esta sección se muestra la aplicación de Poincaré en una órbita homoclínica, para esto se escoge un itinerario del tipo 1. El campo definido entre las regiones V1 y V− 1 que llamaremos de R0 , tiene asociado un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias r r x ' = Ax donde A ∈ M 3× 3 (¡ ) y sus autovalores λ 1 = σ + iω λ 2 = σ − iω λ3 = γ son , y donde γ > 0 −σ > 0 y , así, existe un sistema de coordenadas tal que A es trasformada en su forma de Jordan J , esto es, σ J = ω 0 −ω σ 0 0 0 γ 43 F. Torres 18 (2004) 41-45 La variedad M = W s (0) estable es xy y la variedad transformada en el plano u inestable W (0) es transformado en el eje z [Arneodo et al]. En este nuevo sistema de coordenadas, el sistema de ecuaciones es dado por σ r x'= ω 0 −ω σ 0 Σ1 t% = h y modo que una sección bidimensional de intersecte la variedad estable W s (0) . Se quiere determinar una aplicación ϕ de Σ 1 en Σ 0 . Una trayectoria partiendo p0 = ( r0 , 0, z0 ) Σ1 Σ0 de en 0 r 0 x γ z 0 eγ t = h , entonces 1 γ t% = ln γ z0 x' = σ x− ω y y' = ω x+ σ y lurgo la aplicación z'= γ z ϕ :Σ 1 → Σ 0 Tomando coordenadas cilíndricas con −π ≤ θ ≤ π r Es dada por como p = ( x, y ) Angular de cualquier punto , tenemos que la solución del sistema para ( r ,θ , z ) condiciones iniciales 0 0 0 es dado por r (t ) = r0eσ t ϕ ( r0 , 0, z0 ) σ λ h ω h = r0 ,θ 0 + ln , h γ z0 z0 Y definiendo ϕ ( r ) = p donde r es el punto donde se intersectan la variedad estable en Σ p 0 y cero y la sección es el punto se intersección entre la variedad inestable y la θ (t ) = θ 0 + ω t z (t ) = z0eγ t sección D0 Por lo tanto el flujo en la región , que es la región dada por la tranformación aplicada a R0 en un % Así, como coordenada radial y coordenada intersecta tiempo t% , donde la tercera coordenada del ϕ t es igual a h , esto es, cuando flujo Σ0 . Ahora se quiere determinar una aplicación de una vecindad vs de s en Σ1 Σ0 ψ , esto es v s es suficiente, pues la aplicación de a dada por la composición de los flujos asociados a los campos definidos en las , es r0 eσ t ϕ t ( r ,θ , z ) = θ 0 + ω t z eσ t 0 Σ0 Definimos, entonces como una sección transversal al flujo en la variedad inestable W u (0) , a una altura D D 0 y 1 , donde esta última región regiones se obtiene aplicando la transformación a la región que está sobre el plano Sea que x0 = s ∈ vs ϕ t0 ( s ) = r V1 . y suponga que existe t0 tal , entonces se define F : vs × ( t0 − δ , t0 + δ ) → ¡ 44 F. Torres 18 (2004) 41-45 Por Así ψ ( p) = r F ( x, t ) = π 2 (ϕ t ( x)) − r Donde Pues, ϕ t ( x) es el flujo asociado al campo en π D 0 y 2 es la proyección en la la región segunda coordenada. Como F ( x0 , t0 ) = 0 DF ( x0 , t0 ) = rf ( s) y f es el campo de vectores y s no es f , entonces punto crítico de Donde un DF ( x0 , t0 ) ≠ 0 funciones v%s ⊂ vs p∈ Σ 0 , r∈ Σ 1 . Así, por el teorema de las implicitas, existe una vecindad de s y una función ψ (r ) = f ( ρ (ϕ ( p ))) = f ( ρ (q )) = f ( s) = π 2 (ϕ t ( s ) ( s)) = π 2 (ϕ t0 ( s)) = F ( s, t0 ) + r = r Finalmente, tenemos que la aplicación de Poincaré asociada a esta órbita homoclínica es dada por la composición π = ϕ oψ : Σ 0 → Σ 0 La cual tiene un punto fijo, pues, sea entonces p∈ Σ 0 , t : v%s → ¡ π ( p ) = ϕ (ψ ( p )) = ϕ (r ) = p Tal que 4. Conclusiones F ( x, t ( x )) = 0 en t ( s ) = t0 En los itenerarios homoclínicos siempre es posible definir una aplicación de Poincaré mediante las técnicas usadas en la sección anterior, ahora la pregunta es qué tipo de técnicas de debe usar para definir el mismo tipo de aplicación en una órbita heteroclínica, que es una conección de puntos de silla. Ahora se define f = v%s → Σ 1 Por f ( x) = π 2 (ϕ t ( x ) ( x)) ψ : Σ 0 → Σ 1 es Por lo tanto, la aplicación dada por la composición ψ = f o ρ oϕ ρ :Σ → v 0 s es la composición de los Donde flujos asociados a los campos definidos en las D 0 y regiones condiciones D1 y satisfacen las siguientes ϕ t ' ( p) = q ρ t '' (q ) = s t'> 0 t '' > 0 5. Referencias Arneodo et al., (1981). Possible new strong attractors with spiral structure. Commun. Math. Physics. 79 Torres F.J. (2003). Orbitas Periódicas en un Campo de Vectores Lineales por Partes. Revista de la Facultad de Ingeniería. 16. Universidad de Atacama. Torres F.J. (2004) Bifurcación de Orbitas Periódicas en un Campo de Vectores Lineales por Partes. Revista de la Facultad de Ingeniería. 17. Universidad de Atacama. 45