Теория бифуркаций - это математическое исследование изменений качественной или топологической структуры данного семейства , например интегральных кривых семейства векторных полей и решений семейства дифференциальных уравнений . Чаще всего применяется к математическому исследованию динамических систем , бифуркация возникает, когда небольшое плавное изменение значений параметров (параметров бифуркации) системы вызывает внезапное «качественное» или топологическое изменение ее поведения. [1] Бифуркации происходят в обеих непрерывных системах (описываемых ОДУ, DDE или PDE ) и дискретных систем (описываемых картами). Название «бифуркация» было впервые введено Анри Пуанкаре в 1885 году в первой статье по математике, показывающей такое поведение. [2] Анри Пуанкаре позже также назвал различные типы стационарных точек и классифицировал их по мотивам.
Типы бифуркаций [ править ]
Бифуркации полезно разделить на два основных класса:
- Локальные бифуркации, которые могут быть полностью проанализированы через изменения свойств локальной устойчивости состояний равновесия , периодических орбит или других инвариантных наборов, когда параметры пересекают критические пороги; и
- Глобальные бифуркации, которые часто происходят, когда большие инвариантные множества системы «сталкиваются» друг с другом или с положениями равновесия системы. Их нельзя обнаружить только путем анализа устойчивости состояний равновесия (неподвижных точек).
Локальные бифуркации [ править ]
Локальная бифуркация возникает, когда изменение параметра вызывает изменение устойчивости равновесия (или фиксированной точки). В непрерывных системах это соответствует действительной части собственного значения равновесия, проходящей через ноль. В дискретных системах (описываемых картами, а не ОДУ) это соответствует фиксированной точке, имеющей множитель Флоке с модулем, равным единице. В обоих случаях равновесие негиперболическое в точке бифуркации. Топологические изменения в фазовом портрете системы могут быть ограничены сколь угодно малыми окрестностями бифуркационных неподвижных точек, перемещая параметр бифуркации близко к точке бифуркации (следовательно, «локальной»).
С технической точки зрения, рассмотрим непрерывную динамическую систему, описываемую ОДУ
Локальная бифуркация возникает, если матрица Якоби имеет собственное значение с нулевой действительной частью. Если собственное значение равно нулю, бифуркация является бифуркацией установившегося состояния, но если собственное значение ненулевое, но чисто мнимое, это бифуркация Хопфа .
Для дискретных динамических систем рассмотрим систему
Тогда происходит локальная бифуркация при, если матрица имеет собственное значение с модулем, равным единице. Если собственное значение равно единице, то бифуркация является либо седло-узловой (часто называемой бифуркацией складок на картах), либо транскритической бифуркацией или вилкой. Если собственное значение равно -1, это бифуркация удвоения периода (или переворота), в противном случае это бифуркация Хопфа.
Примеры локальных бифуркаций включают:
- Седло-узел (складка) бифуркация
- Транскритическая бифуркация
- Разветвление вил
- Бифуркация удвоения периода (флип)
- Бифуркация хопфа
- Бифуркация Неймарка – Сакера (вторичного Хопфа)
Глобальные бифуркации [ править ]
Глобальные бифуркации происходят, когда «большие» инвариантные множества, такие как периодические орбиты, сталкиваются с положениями равновесия. Это вызывает изменения в топологии траекторий в фазовом пространстве, которые не могут быть ограничены малой окрестностью, как в случае с локальными бифуркациями. Фактически, изменения в топологии простираются на сколь угодно большие расстояния (следовательно, «глобальные»).
Примеры глобальных бифуркаций включают:
- Гомоклиническая бифуркация, при которой предельный цикл сталкивается с седловой точкой . [3] Гомоклинические бифуркации могут происходить сверхкритически или субкритически. Вышеупомянутый вариант - это «малая» гомоклиническая бифуркация или «тип I». В 2D также существует гомоклиническая бифуркация «большого» или «типа II», в которой гомоклиническая орбита «захватывает» другие концы неустойчивых и устойчивых многообразий седла. В трех или более измерениях могут происходить бифуркации более высоких коразмерностей, приводящие к сложной, возможно, хаотической динамике.
- Гетероклиническая бифуркация, при которой предельный цикл сталкивается с двумя или более седловыми точками; они включают гетероклинический цикл . [4] Гетероклинические бифуркации бывают двух типов: резонансные бифуркации и поперечные бифуркации. Оба типа бифуркации приведут к изменению устойчивости гетероклинического цикла. При резонансной бифуркации устойчивость цикла изменяется, когда выполняется алгебраическое условие на собственные значения положений равновесия в цикле. Обычно это сопровождается рождением или смертью периодической орбиты.. Поперечная бифуркация гетероклинического цикла возникает, когда действительная часть поперечного собственного значения одного из положений равновесия в цикле проходит через ноль. Это также вызовет изменение стабильности гетероклинического цикла.
- Бифуркация бесконечного периода, в которой устойчивый узел и седловая точка одновременно возникают на предельном цикле. [5] Когда предел параметра приближается к некоторому критическому значению, скорость колебаний замедляется, а период приближается к бесконечности. При этом критическом значении происходит бифуркация бесконечного периода. За пределами критического значения две фиксированные точки непрерывно выходят друг из друга в предельном цикле, чтобы нарушить колебания и сформировать две седловые точки .
- Катастрофа голубого неба, в которой предельный цикл сталкивается с негиперболическим циклом.
Глобальные бифуркации также могут включать более сложные множества, такие как хаотические аттракторы (например, кризисы ).
Коразмерность бифуркации [ править ]
Коразмерность бифуркации является количество параметров , которые должны быть различными для бифуркации произойти. Это соответствует коразмерности набора параметров, для которого бифуркация происходит в пределах всего пространства параметров. Бифуркации седло-узел и бифуркации Хопфа - единственные типичные локальные бифуркации, которые действительно имеют коразмерность один (все остальные имеют более высокую коразмерность). Однако транскритические бифуркации и бифуркации вил также часто рассматриваются как коразмерность один, потому что нормальные формы могут быть записаны только с одним параметром.
Примером хорошо изученной бифуркации коразмерности два является бифуркация Богданова – Такенса .
Приложения в полуклассической и квантовой физике [ править ]
Теория бифуркации применялась для связи квантовых систем с динамикой их классических аналогов в атомных системах, [6] [7] [8] молекулярных системах [9] и резонансных туннельных диодах . [10] Теория бифуркаций также применялась для изучения лазерной динамики [11] и ряда теоретических примеров, к которым трудно получить экспериментальный доступ, таких как выпуклый волчок [12] и связанные квантовые ямы. [13] Основная причина связи между квантовыми системами и бифуркациями в классических уравнениях движения заключается в том, что при бифуркациях сигнатура классических орбит становится большой, посколькуМартин Гуцвиллер отмечает в своей классической [14] работе о квантовом хаосе . [15] Многие виды бифуркаций были изучены в отношении связей между классической и квантовой динамикой, включая бифуркации седловых узлов, бифуркации Хопфа, омбилические бифуркации, бифуркации удвоения периода, бифуркации пересоединения, касательные бифуркации и бифуркации возврата.
См. Также [ править ]
- Бифуркационная диаграмма
- Бифуркационная память
- Теория катастроф
- Константы Фейгенбаума
- Геомагнитная инверсия
- Фазовый портрет
- Теорема о теннисной ракетке
Примечания [ править ]
- ^ Blanchard, P .; Девани, Р.Л . ; Холл, GR (2006). Дифференциальные уравнения . Лондон: Томпсон. С. 96–111. ISBN 978-0-495-01265-8.
- ^ Анри Пуанкаре. " L'Equilibre d'une masse fluide animée d'un mouvement de rotation ". Acta Mathematica , том 7, стр. 259-380, сентябрь 1885 г.
- ^ Строгац, Стивен Х. (1994). Нелинейная динамика и хаос . Эддисон-Уэсли . п. 262. ISBN. 0-201-54344-3.
- ^ Ло, Dingjun (1997). Теория бифуркаций и методы динамических систем . World Scientific. п. 26. ISBN 981-02-2094-4.
- ^ Джеймс П. Кинер, "Бифуркация бесконечного периода и ветви глобальной бифуркации", журнал SIAM по прикладной математике , Vol. 41, № 1 (август 1981 г.), стр. 127–144.
- ^ Gao, J .; Делос, Дж. Б. (1997). «Квантовые проявления бифуркаций замкнутых орбит в спектрах фотопоглощения атомов в электрических полях». Phys. Rev. A . 56 (1): 356–364. Bibcode : 1997PhRvA..56..356G . DOI : 10.1103 / PhysRevA.56.356 .
- ^ Петерс, AD; Jaffé, C .; Делос, Дж. Б. (1994). «Квантовые проявления бифуркаций классических орбит: точно решаемая модель». Phys. Rev. Lett . 73 (21): 2825–2828. Bibcode : 1994PhRvL..73.2825P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.73.2825 . PMID 10057205 .
- ^ Кортни, Майкл; Цзяо, Хун; Спеллмейер, Нил; Клеппнер, Даниэль; Gao, J .; Delos, JB; и другие. (1995). "Бифуркации замкнутой орбиты в штарковских спектрах сплошных сред". Phys. Rev. Lett . 74 (9): 1538–1541. Bibcode : 1995PhRvL..74.1538C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.1538 . PMID 10059054 .
- ^ Founargiotakis, M .; Farantos, SC; Скокос, гл .; Контопулос, Г. (1997). «Бифуркационные диаграммы периодических орбит несвязанных молекулярных систем: FH2». Письма по химической физике . 277 (5–6): 456–464. Bibcode : 1997CPL ... 277..456F . DOI : 10.1016 / S0009-2614 (97) 00931-7 .
- ^ Монтейро, TS и Saraga, DS (2001). «Квантовые ямы в наклонных полях: полуклассические амплитуды и времена фазовой когерентности». Основы физики . 31 (2): 355–370. DOI : 10,1023 / A: 1017546721313 . S2CID 120968155 .
- ^ Wieczorek, S .; Krauskopf, B .; Симпсон, Т. Б. и Ленстра, Д. (2005). «Динамическая сложность полупроводниковых лазеров с оптической инжекцией». Отчеты по физике . 416 (1–2): 1–128. Bibcode : 2005PhR ... 416 .... 1W . DOI : 10.1016 / j.physrep.2005.06.003 .
- ^ Стаматиу, G. & Ghikas, ДПК (2007). «Зависимость квантовой запутанности от бифуркаций и рубцов в неавтономных системах. Случай квантового волчка». Физика Буквы A . 368 (3–4): 206–214. arXiv : квант-ph / 0702172 . Bibcode : 2007PhLA..368..206S . DOI : 10.1016 / j.physleta.2007.04.003 . S2CID 15562617 .
- ^ Галан, Дж .; Фрейре, Э. (1999). «Хаос в модели среднего поля связанных квантовых ям; бифуркации периодических орбит в симметричной гамильтоновой системе». Доклады по математической физике . 44 (1–2): 87–94. Bibcode : 1999RpMP ... 44 ... 87G . DOI : 10.1016 / S0034-4877 (99) 80148-7 .
- ^ Kleppner, D .; Делос, Дж. Б. (2001). «За пределами квантовой механики: идеи из работ Мартина Гуцвиллера». Основы физики . 31 (4): 593–612. DOI : 10,1023 / A: 1017512925106 . S2CID 116944147 .
- ^ Gutzwiller, Martin C. (1990). Хаос в классической и квантовой механике . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-97173-5.
Ссылки [ править ]
- Афраймович ВС; Арнольд, VI ; и другие. (1994). Теория бифуркаций и теория катастроф . ISBN 978-3-540-65379-0.
- Guardia, M .; Мартинес-Сеара, М .; Тейшейра, Массачусетс (2011). Типичные бифуркации малой коразмерности плоских систем Филиппова . «Журнал дифференциальных уравнений», Февраль 2011, т. 250, шт. 4. С. 1967–2023. DOI: 10.1016 / j.jde.2010.11.016
- Виггинс, Стивен (1988). Глобальные бифуркации и хаос: аналитические методы . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-96775-2.
Внешние ссылки [ править ]
- Нелинейная динамика
- Бифуркации и двумерные потоки Элмера Г. Винса
- Введение в теорию бифуркаций Джона Дэвида Кроуфорда