El ciclo límite es orbitalmente estable si una cantidad específica llamada primer coeficiente de Lyapunov es negativa y la bifurcación es supercrítica. De lo contrario, es inestable y la bifurcación es subcrítica.
La forma normal de una bifurcación de Hopf es la siguiente ecuación diferencial dependiente del tiempo:
donde z , b son ambos complejos y λ es un parámetro real.
Escribe: El número α se llama primer coeficiente de Lyapunov .
Si α es negativo entonces existe un ciclo límite estable para λ > 0:
dónde
La bifurcación se denomina entonces supercrítica.
Si α es positivo, entonces hay un ciclo límite inestable para λ < 0. La bifurcación se llama subcrítica.
Intuición
La forma normal de la bifurcación de Hopf supercrítica se puede expresar intuitivamente en coordenadas polares,
donde es la amplitud instantánea de la oscilación y es su posición angular instantánea. [3] La velocidad angular es fija. Cuando , la ecuación diferencial para tiene un punto fijo inestable en y un punto fijo estable en . El sistema describe así un ciclo límite circular estable con radio y velocidad angular . Cuando entonces es el único punto fijo y es estable. En ese caso, el sistema describe una espiral que converge al origen.
Coordenadas cartesianas
Las coordenadas polares se pueden transformar en coordenadas cartesianas escribiendo y . [3] Al diferenciar y con respecto al tiempo se obtienen las ecuaciones diferenciales,
y
Caso subcrítico
La forma normal del Hopf subcrítico se obtiene negando el signo de ,
lo que invierte la estabilidad de los puntos fijos en . Porque el ciclo límite ahora es inestable y el origen es estable.
La figura muestra un retrato de fase que ilustra la bifurcación de Hopf en el modelo de Selkov. [8]
En los sistemas de vehículos ferroviarios, el análisis de bifurcación de Hopf es de especial importancia. Convencionalmente, el movimiento estable de un vehículo ferroviario a bajas velocidades se convierte en inestable a altas velocidades. Uno de los objetivos del análisis no lineal de estos sistemas es realizar una investigación analítica de la bifurcación, la estabilidad lateral no lineal y el comportamiento de oscilación de los vehículos ferroviarios en una vía tangente, que utiliza el método de Bogoliubov. [9]
Método de expansión en serie
[10]
Consideremos un sistema definido por , donde es uniforme y es un parámetro. Después de una transformación lineal de parámetros, podemos suponer que a medida que aumenta de menos de cero a más de cero, el origen pasa de ser un sumidero en espiral a una fuente en espiral.
Ahora, para , realizamos una expansión perturbativa usando dos tiempos :
donde es "tiempo lento" (por lo tanto "dos tiempos"), y son funciones de . Mediante un argumento con balance armónico (ver [10] para detalles), podemos usar . Luego, reemplazando en , y expandiendo hasta el orden, obtendríamos tres ecuaciones diferenciales ordinarias en .
La primera ecuación tendría la forma , que da como solución , donde son "términos que varían lentamente" de . Si la introducimos en la segunda ecuación, podemos resolver .
Luego, si introducimos la tercera ecuación, obtendríamos una ecuación de la forma , con el lado derecho como una suma de términos trigonométricos. De estos términos, debemos establecer el "término de resonancia" (es decir, ) en cero. Esta es la misma idea que el método de Poincaré-Lindstedt . Esto proporciona dos ecuaciones diferenciales ordinarias para , lo que permite obtener el valor de equilibrio de , así como su estabilidad.
Ejemplo
Considere el sistema definido por y . El sistema tiene un punto de equilibrio en el origen. Cuando aumenta de negativo a positivo, el origen pasa de ser un punto espiral estable a ser un punto espiral inestable.
Primero, eliminamos de las ecuaciones: Ahora, realizamos la expansión perturbativa como se describió anteriormente: con . Expandiendo hasta el orden , obtenemos: La primera ecuación tiene solución . Aquí están respectivamente la "amplitud de variación lenta" y la "fase de variación lenta" de la oscilación simple.
La segunda ecuación tiene solución , donde también son amplitud y fase de variación lenta. Ahora, como , podemos fusionar los dos términos como .
Por lo tanto, sin pérdida de generalidad, podemos suponer . Por lo tanto, introduciendo la tercera ecuación, obtenemos Eliminando los términos de resonancia, obtenemos La primera ecuación muestra que es un equilibrio estable. Por lo tanto, encontramos que la bifurcación de Hopf crea un ciclo límite de atracción (en lugar de repulsión).
Al introducir , tenemos . Podemos volver a elegir el origen del tiempo para hacer . Ahora, resuelva para obteniendo . Al introducir de nuevo las expresiones para , tenemos . Al introducirlas de nuevo en , obtenemos también la expansión en serie de , hasta el orden .
Dejando por limpieza de notación, tenemos
Esto nos proporciona una ecuación paramétrica para el ciclo límite, que se representa gráficamente en la ilustración de la derecha.
Ejemplos de bifurcaciones
Se produce una bifurcación de Hopf en el sistema y , cuando , alrededor del origen. Se produce una bifurcación homoclínica alrededor de .
Una vista detallada de la bifurcación homoclínica.
A medida que aumenta desde cero, surge un ciclo límite estable a partir del origen a través de la bifurcación de Hopf. Aquí graficamos el ciclo límite de forma paramétrica, hasta el orden .
Definición de bifurcación de Hopf
La aparición o desaparición de una órbita periódica a través de un cambio local en las propiedades de estabilidad de un punto fijo se conoce como bifurcación de Hopf. El siguiente teorema funciona para puntos fijos con un par de valores propios puramente imaginarios conjugados distintos de cero . Indica las condiciones en las que se produce este fenómeno de bifurcación.
Teorema (ver sección 11.2 de [11] ). Sea el jacobiano de un sistema dinámico paramétrico continuo evaluado en un punto estable . Supóngase que todos los valores propios de tienen parte real negativa excepto un par puramente imaginario conjugado distinto de cero . Una bifurcación de Hopf surge cuando estos dos valores propios cruzan el eje imaginario debido a una variación de los parámetros del sistema.
Criterio de Routh-Hurwitz
El criterio de Routh-Hurwitz (sección I.13 de [12] ) da las condiciones necesarias para que se produzca una bifurcación de Hopf. [13]
Proposición 1. Si todos los determinantes de Hurwitz son positivos, excepto quizás , entonces el jacobiano asociado no tiene valores propios imaginarios puros.
Proposición 2. Si todos los determinantes de Hurwitz (para todos en son positivos, y entonces todos los valores propios del jacobiano asociado tienen partes reales negativas excepto un par conjugado puramente imaginario.
Las condiciones que buscamos para que se produzca una bifurcación de Hopf (ver teorema anterior) para un sistema dinámico continuo paramétrico están dadas por esta última proposición.
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^ Para una derivación detallada, véase Strogatz, Steven H. (1994). Dinámica no lineal y caos . Addison Wesley. pág. 205. ISBN.978-0-7382-0453-6.
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