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Apuntes sobre sistemas dinámicos




Enviado por Jabel70



    Monografias.com
    Resumen Estas notas, evidentemente no terminadas, están
    basadas en un trabajo que hice cuando estudiaba la licencia-
    tura. Allí tenía que demostrar todas las
    proposiciones y teoremas pero aquí he preferido no
    demostrar ninguna proposición, éstas aparecen en
    los libros, a cambio de incorporar numerosos ejemplos. Ahora las
    he retomado como un pasatiempo descubriendo que con el tiempo uno
    se vuelve cada día más y más torpe, parece
    algo irremediable. No expongo nada más que los
    típicos tópicos que uno se puede encontrar en la
    literatura clásica al respecto y en la medida de lo
    posible he intentado trivializar los resultados expuestos de esta
    forma estas notas están al alcance de cualquier lector que
    al menos tenga unos conocimientos mínimos en ecuaciones
    diferenciales y nada más. El primer capítulo es el
    esencial, es donde se exponen todos los resultados
    básicos, Hartman etc.. que luego se irán aplicando
    a lo largo de todos los capítulos. ADVERTENCIA: Estas
    notas no están concluidas y es muy posible que hayan
    sobrevivido numerosas erratas. Toda observación en este
    sentido es bien recibida en jabel70@gmail.com. III

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    1 2 3 7 9 13 13 22 28 30 ' ' (1.2) les. Capítulo 1
    Conceptos básicos Índice del capítulo 1.1.
    Grupos uniparamétricos y EDO. . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1.
    Clasi?cación topológica. . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. El
    caso R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Campos vectoriales.
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . 1.3. Estructura local de los puntos
    singulares hiperbólicos. . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . 1.4. Estudio de las sigularidades no
    hiperbólicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . 1.4.1. Teorema de la variedad centro. . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    1.4.2. Formas normales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Blowing up .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . . . . . . . . . . . 1.4.4. Espacio de fases en el in?nito .
    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    . . . 1.1. Grupos uniparamétricos y EDO. El punto de
    partida es x(t, ? ) = R(t0 , 0)? tal que R(t0 , 0) ? Isom(Rn ),
    i.e. la resolvente para un sistema de EDO con coe?cientes
    constantes. La familia G = {R(t0 , 0) / t ? R} constituye un
    grupo, 1. Conviene saber si un grupo uniparamétrico de
    isomor?smos lineales de Rn de?ne o no una ODE. 2. Establecer
    criterios que lleven a una adecuada clasi?cación de los
    grupos de isomor?smos lineales, si esto es posible, entonces
    disponer de una clasi?cación paralela de los procesos a
    ellos asociados. Observación 1.1.1 Tratándose de
    grupos de isomor?smos lineales el marco debería ser
    Isom(Rn ) pero debido a las propieda- des de la función
    exponencial etA , que es un difeomor?smo y por lo tanto un
    homeomor?smo, se puede hacer una clasi?cación más
    general. La mayor importancia de esta parte está en la
    clasi?cación topológica, pues, la relación
    topológica entre grupos repercutirá en una
    relación topológica entre sus órbitas. Sea
    x' (t) = Ax(t), (1.1) donde A ? L(Rn ), se veri?ca que e A(t+t )
    = e At · e At , entonces, t -? R(t, 0) = e At es un
    homomor?smo del grupo aditivo R en Isom(Rn ) con la
    topología inducida por L(Rn ), por lo tanto, isom(Rn )
    tiene estructura de grupo topológico. A todo homomor?smo
    de (R, +) -? isom(Rn ) se le denomina grupo uniparamétrico
    de isomor?smos linea- 1

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    2 ˜ ˜ abierto y diferenciable. ˜ ˜
    ˜ ˜ de álgebras de Lie. ˜ ˜ En
    particular: ˜ G g g CAPÍTULO 1. CONCEPTOS
    BÁSICOS Proposición 1.1.1 Sea t -? B(t) un
    homomor?smo del grupo aditivo (R, +) -? isom(Rn ) tal que B ? C1
    y B' (0) = A, entonces B(t) es solución a B' (t) = AB(t)
    =? B(t) = e At . De?nición 1.1.1 Decimos que A es
    generador in?nitesimal (hiperbólico) del grupo
    uniparamétrico de isomor?smos linea- les de {B(t)/t ? R} .
    1.1.1. Clasi?cación topológica. De?nición
    1.1.2 Decimos que e At ˜ eBt , son linealmente equivalentes
    sii ?P ? isom(Rn ), tal que eBt = P · e At · P-1 .
    Dos grupos son linealmente equivalentes sii tienen
    idénticas formas de Jordan sus respectivos generadores
    in?nitesimales. Debida a esta equivalencia lineal podemos hablar
    de equivalencia entre x' (t) = Ax ˜ y' (t) = By. (1.3) En
    general, recordamos unos resultados básicos para grupos de
    Lie. De?nición 1.1.3 Dos grupos de Lie G y G son
    linealmente equivalentes sii existe un homomor?smo ? : G -? G que
    sea Asociados a los grupos aparecen sus respectivas
    álgebras g y g, entonces decimos que están
    relacionadas si existe una aplicación f tal que f : g -?
    g, para todo A, B ? g. Campos f – relacionados. f ([a, B]) -?
    [fA, fB] , Teorema 1.1.1 Si ? : G -? G es un homeomor?smo de
    grupos de Lie, entonces d?(e) : g -? g es un homeomor?smo
    Corolario 1.1.1 ? * A = A, campos ? – relacionados. i.e. curvas
    integrales de A se transforman por ? en curvas inte- grales de A.
    R ? t -? exp(tA) ? G, c.i. de A por e R ? t -? ? exp(tA) ? G,
    c.i. de A, por e se tiene el siguiente diagrama conmutativo: ? -?
    G ? d? ? -? ? exp(tA) = exp(t A), recordamos que es un
    difeomor?smo local. exp : g -? G, Aquí se agota la
    clasi?cación lineal y se pasa a la diferencial.
    De?nición 1.1.4 Decimos que e At ˜ eBt , son
    diferencialmente (topológicamente) equivalentes sii ? H ?
    (Rn ), un difeomor?smo (homeomor?smo) tal que eBt = H · e
    At · H-1 .

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    3 con parte real nula. Al igual que los otros dos subespacios,
    éste también es invariante por e At . i i ? ¯
    donde ?1 , ?2 , a, ß, µ ? R. 1.1. GRUPOS
    UNIPARAMÉTRICOS Y EDO. Proposición 1.1.2
    Equivalencia diferencial sii lineal (por las propiedades de la
    fución exponencial). Sean e At ˜ eBt grupos
    topológicamente, diferenciablemente equivalentes.
    ¿Qué relación existe entre las
    órbitas a ellos asociados?. El homeomor?smo H tal que eBt
    = H · e At · H-1 . Esto nos lleva a la
    clasi?cación topológica. De?nición 1.1.5
    Decimos que A, generador in?nitesimal, es hiperbólico si
    todos los autovalores de A tienen la parte real no nula.
    De?nición 1.1.6 Se denomina índice del generador al
    número de autovalores con la parte real negativa. Teorema
    1.1.2 Sean e At ˜ eBt grupos uniparamétricos de
    isomor?smos tales que ind( A) = ind(B) = n, entonces son
    topológicamente equivalentes. Corolario 1.1.2 e At ˜
    eBt i.e. son topológicamente equivalentes si ind( A) =
    ind(B). Proposición 1.1.3 Dado un grupo e At con generador
    in?nitesimal A hiperbólico, entonces exsite una
    descomposición de Rn en suma directa de subespacios Es y
    Eu i.e. Rn = Es ? Eu , tal que: 1. Es y Eu son los subespacios
    invariantes por A y del grupo e At . 2. Los autovalores de As =
    AEs (resp. Au = AEu ) tienen parte real negativa (resp.
    positiva). Observación 1.1.2 Si el grupo e At tiene un
    generador A no hiperbólico entonces Rn se descompone en
    suma directa de subespacios Es , Eu y Ec i.e. Rn = Es ? Eu ? Ec .
    Ec , es el autoespacio generado por los autovectores asociados a
    los autovalores En general se denominan: 1. Es variedad estable
    (stable), 2. Eu variedad inestable (unstable), 3. Ec variedad
    centro, del grupo e At . Proposición 1.1.4 Sea e At el
    grupo uniparamétrico tal que A es su generador
    in?nitesimal hiperbólico, entonces las si- guientes
    a?rmaciones son ciertas: 1. l´mt?8 e At x = 0 ?? x ? Es ,
    2. l´mt?-8 e At x = 0 ?? x ? Eu , t ? R+ , t ? R, 1.1.2. El
    caso R2 . Consideremos el sistema lineal: x = Ax / A ? M2×2
    , x' (t) = a11 x + a12 y y' (t) = a21 x + a22 y sabemos por el
    álgebra lineal que J = P-1 AP donde J es la forma de
    Jordan de la matriz A. Las posibles formas de J son: J1 = J3 = ?1
    0 ?1 0 0 ?2 0 ?1 J2 = J4 = a -ß ?1 0 ß a µ ?2
    Si x es la sigularidad, entonces podemos distinguiremos los
    siguientes casos (ver ?g 1.1):

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    4 ¯ ¯ ¯ / ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ .
    CAPÍTULO 1. CONCEPTOS BÁSICOS 1. ?1 = ?2 . ?1 , ?2
    ? R+ , entonces x es una singularidad inestable, ?1 , ?2 ? R- ,
    entonces x es una singularidad estable, ?1 ? R- , ?2 ? R+ ,
    entonces x es una singularidad punto de silla. 2. ? = a ±
    iß. Consideramos el siguiente cambio a polares: x' (t) = ax
    + ßy y' (t) = -ßx + ay x = r cos ? y = r sin ? =? r'
    = ar ?' = -ß distinguiendo los siguientes casos: Si a >
    0 entonces x es un foco inestable, Si a = 0 entonces x es un
    centro, Si a < 0 entonces x es un foco estable, Si ?' > 0
    entonces las trayectorias son espirales en sentido antihorario,
    Si ?' < 0 entonces las trayectorias son espirales en sentido
    horario. 3. ?1 = ?2 . Si dim(V? ) = 2, entonces x es un nodo
    singular, Si dim(V? ) = 1, entonces x es un nodo degenerado.
    Figura 1.1: Diagramas de fases para los distintos autovalores.
    Veamos algunos ejemplos. Ejemplo 1.1.1 Clasi?car la singularidad
    del sistema lineal: x' (t) = 2x + y y' (t) = x + 2y (1.4)

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    5 1 , Por último vemos que la solución al sistema
    es: . 1 0 , 1.1. GRUPOS UNIPARAMÉTRICOS Y EDO.
    Solución. Vemos que el generador in?nitesimal es: A = 2 1
    1 2 = 1 2 1 – 2 1 2 1 2 1 0 0 3 1 1 -1 , donde ya hemos calculado
    su forma de Jordan, por lo tanto los autovalores son: s(?) = (1,
    3) , que nos indica que la singularidad es inestable (ver ?g
    1.2). Es decir el sistema lineal (1.4) es equivalente al sistema
    (ver ?g. 1.2): x' (t) = x y' (t) = 3y (1.5) Los autovectores
    asociados a cada autovalor son: V1 = {1, -1}T , V3 = {1, 1}T , de
    esta forma vemos que: R2 = Eu , ya que Eu = {V1 , V3 }, mientras
    que Eu = Ec = Ø. x(t) = C1 1 -1 et + C2 1 1 e3t , ver
    ?gura adjunta para entender la relación existente entre el
    campo lineal (?g. (1.2)) y su forma adjunta dada por la matriz de
    Jordan (?g. (1.2)). Figura 1.2: La ?gura de la izqierda
    representa el espacio de fases del sistema (1.4) mientras que la
    ?gura de la derecha representa el espacio de fases asociado al
    sistema de Jordan. La singularidad está representada en
    color azul. Ejemplo 1.1.2 Clasi?car la singularidad del sistema
    lineal: x' (t) = -2x y' (t) = -4x – 2y Solución. Vemos que
    el generador in?nitesimal es: (1.6) A = -2 0 -4 -2 = 0 1 -4 0 -2
    0 -2 0 1 1 – 4

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    6 ? 1 1 3 ? 2 1 1 1 ? ? ? 1 ? ? ? ? ? 2 1 0 2 6 3 1 1 2 6 3 1 1 1
    1 2 0 0 4 1 1 1 0 3 1 1 1 ? ? ? ? ? ? 1 0 1 ? ? 0 1 1 ? ? ? ? 1 A
    = ? 2 1 1 ? s(?) – 1 3 ? 0 1 0 ? ? 1 -2 ? , 2x = a ? 1 a e = -1 ?
    t + x = ? ? -1 ? e t -? 0, 1 CAPÍTULO 1. CONCEPTOS
    BÁSICOS Figura 1.3: Espacio de fases del sistema (1.6) si
    atendemos a la clasi?cación anteriormente expuesta, vemos
    que se trata de un nodo degenerado estable (los dos autovalores
    son negativos) ya que la dimensión del subespacio asociado
    al autovalor -2 es 1, i.e. dim V-2 = 1,donde V-2 = (0, 1)T i.e.
    el eje OY. La variedad estable por lo tanto será: Es = V-2
    = {(0, 1)} . Si ponemos toda esta información junta
    obtenemos la ?gura (1.3). Ejemplo 1.1.3 Estudiar el sistema:
    Solución. Vemos que 1 2 ? X = ? 2 1 1 ? X. (1.7) -1 0 0 1
    -1 por lo tanto, los autovalores de A son = ? = (-1,-1, 4),
    de?esta forma sabemos que la1singularidad es de tipo silla. Las
    variedades estable e inestable son: Es = {V-1 : (1, -1, 0)} , Eu
    = {V1 , V4 : (1, 1, -2) , (1, 1, 1)} , La solución general
    es: Vemos que cualquier solución para la cual ?=4tß+
    ß0,?implica que ? ? -1 ? e-t , t-?8 hemos encontrado una
    solución estable. Mientras que si ?=-0, entonces t-?-8 x =
    a ? 1 ? e4t + ß ? -2 ? et -? 0,

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    7 ación del grupo uniparametríco xt a la
    aplicación ° 3. 1.2. CAMPOS VECTORIALES. tal y como
    queríamos hacer ver. Vemos por lo tanto que la
    mecánica es muy rutinaria, calcular los autovalores,
    clasi?carlos en función de los resultados anteriormente
    expuestos y por último calcular las variedades estable e
    inestable. 1.2. Campos vectoriales. La clasi?cación y
    relación entre ecuación (caso lineal) y grupo
    está clara, pero cuando el sistema viene de?nido por x' =
    xi (x1 , ….., xn ), donde las xi son funciones NO lineales, nos
    podemos preguntar si le podemos asociar un grupo o no.
    De?nición 1.2.1 Una familia xt de aplicaciones xt : M -?
    M, se las denomina grupo uniparamétrico de aplicaciones si
    sean cuales fueren s y t se veri?ca: xt+s = xt · xs x0 = I
    M con s, t ? R , xt grupo conmutativo. De?nición 1.2.2 Sea
    ? ? M un punto del espacio de fases M, entonces llamamos
    movimiento del punto ? sometido a la x(t) = xt (? ).
    De?nición 1.2.3 Grupo uniparamétrico de
    difeomor?smos en M ? Rn , tal que M = M a toda aplicación
    x : R × M -? M, que veri?ca: 1. x es diferenciable, 2. ?t
    xt : M -? M es un difeomor?smo, xt es un grupo
    uniparamétrico. De?nición 1.2.4 Sea A ? Rn , un
    abierto. De?nimos campo vectorial, denotado X ? X( M), como el
    asociado al sistema x' := X(x). aplicación que asocia a
    cada punto de M (variedad diferenciable) su vector tangente i.e.
    X : M -? TM Las soluciones son las curvas integrales i.e. son las
    ? : I -? Rn , tal que I ? Rn y d?(t) dt = X ( ?(t)) , i.e. ? es
    curva integral de X sii ?' (t) = X ( ?(t)) , Un grupo
    uniparamétrico de difeomor?smos de?ne un campo vectorial.
    ¿Es cierta la a?rmación contraria?. En general no,
    pero podemos preguntarnos bajo que condiciones un campo de?ne a
    su vez un grupo de difeomor?s- mos. Disponemos ya de una
    respuesta precisa para campos lineales. Ahora bien, el concepto
    de isomor?smos linea- les da paso al de difeomor?smos y en vez de
    referirnos a grupos nos tendremos que referir a núcleos de
    grupo (?ujos) asociados al campo que será donde repose la
    diferenciabilidad de ?(t) solución de la ODE.

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    8 generado por el campo X. / t difeomor?smos cuyo campo de
    velocidades es justamente X. 3 pasando por p, entonces h(?' ( p))
    es una órbita orientada: ?2 (h( p)) de X2 pasando por h(
    p). CAPÍTULO 1. CONCEPTOS BÁSICOS Gracias al
    teorema de recti?cación de campos veremos que desde un
    punto de vista dinámico y topológico los verdaderos
    problemas que presenta el estudio de campos radica en sus
    singularidades (Arnold cali?ca a este teorema como el fundamental
    de la teoría de las ODE). Los campos lineales tienen
    asociados grupos uniparamétricos. En relación con
    los campos vectoriales en ge- neral sólo podemos hablar de
    núcleos de grupo (?ujos) de difeomor?smos. ¿Existen
    campos no necesariamente lineales para los que se puede hablar de
    auténticos grupos uniparamétricos de
    difeomor?smos?. La repuesta es que sí, se trata de los
    campos con soporte compacto. De?nición 1.2.5 Sea ? : D -?
    A, A ? Rn y D ? Rn+1 , donde D = {(t, x) t ? Ix , x ? A} se llama
    ?ujo Observación 1.2.1 Las condiciones de ?ujo son: ?(0,
    x) = x, ?(t + s, x) = ?(t, ?(s, x)). Está claro que si Ix
    = R, ?x el ?ujo generado por X es un ?ujo en A. Pero muchas veces
    Ix = R, por lo que tenemos sólo ?ujos locales o grupos
    locales, tenemos el homeomor?smo t -? ?t ?t+s = ?t · ?s ,
    ?-t = ?-1 , donde ?t (x) = ?(t, x). Es válido asimilar la
    imagen de que los puntos de A ?uyen a lo largo de las
    trayectorias de X. Es aquí donde la noción de campo
    con soporte compacto juega un papel decisivo, si X es de soporte
    compacto entonces X es completo y por lo tanto las curvas
    integrales de X están de?nidas para todo t ? R. Dado X : U
    ? Rn -? Rn tal que U es compacto, X se puede prolongar a una
    función continua con soporte compacto de suerte que sup p(
    f ) ? U. Si el campo llega a la periferia con valores no nulos
    podemos prolongar más allá de U
    extinguiéndose de manera continua dentro de los
    límites impuestos por algún compacto U ? Rn .
    Teorema 1.2.1 Sea X un campo vectorial con soporte compacto U ?
    Rn , entonces existe un grupo uniparamétrico de Si el
    campo X que consideramos no tiene soporte compacto enfoques
    globales resultan inoperantes siendo preciso enfoques locales. El
    teorema de recti?cación de campos es a este respecto de
    capital importancia pues gracias a él veremos como el
    estudio de un campo presenta problemas sólo en sus
    singularidades. De?nición 1.2.6 Dos núcleos son
    topológicamente equivalentes si existe un homeomor?smo H
    que los relaciona. 4 de lo mismo para difeomor?smos. Sean X1 , X2
    dos campos de?nidos en A1 , A2 abiertos de Rn . Decimos que son
    topológicamente equivalentes i.e. X1 ˜ X2 , si
    existe h, homeomor?smo h : A1 -? A2 , tal que si p ? A1 y ?1 ( p)
    es una órbita orientada de X1 De?nición 1.2.7 Sean
    ?1 : D1 -? Rn , ?2 : D2 -? Rn , ?ujos generados por los campos X1
    : A1 -? Rn , X2 : A2 -? Rn , entonces X1 ˜ X2 , si existe
    h, homeomor?smo h : A1 -? A2 , tal que h ( ?1 (t, x)) = ?2 (t,
    h(x)) , Observación 1.2.2 h me lleva puntos singulares en
    puntos singulares y órbitas periódicas en
    órbitas periódicas etc… Observación 1.2.3
    Si h es un difeomor?smo recuperamos la de?nición de campo
    f – relacionado.

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    9 ° / en O será la construcción de una caja de
    ?ujo en un entorno de O. Una caja de ?ujo proporciona una
    descripción en R = R × O, transforma 1 en X(0). Como
    X(0) es transversal a H se sigue que D?(0, 0) es un isomor?smo,
    Consecuentemente dos campos X e Y son localmente f –
    relacionados, en entornos de puntos regulares. Por causa q = h(
    p) es una singularidad de Y. 1.3. ESTRUCTURA LOCAL DE LOS PUNTOS
    SINGULARES HIPERBÓLICOS. Si tomo un entorno su?cientemente
    pequeño de cualquier punto ? = 0 (o punto regular no
    singular) se da un marcado paralelismo entre las órbitas
    que cruzan la región U elegida. Este paralelismo,
    estrechamente ligado a la auténtica clasi?cación
    establecida por e At , cesa por completo si U engloba al origen
    de las con?guraciones dado por un punto de silla. Parece
    pertinente pensar si no existirá un difeomor?smo que
    localmente en las cercanias de un punto no sin- gular de un campo
    X logre recti?carlo haciéndolo diferencialmente
    equivalente a un campo que por autonomasia reuna estas
    condiciones de paralelismo perfecto entre sus órbitas, tal
    campo es Y = (1, 0, …, 0). El teorema de recti?ación de
    campos demuestra que existe un difeomor?smo que establece la
    equivalencia diferencial. Teorema 1.2.2 Sea X : U = U -? Rn y sea
    ? 0 un punto no singular de X, entonces existe V ? Ent(? 0 ) y un
    difeomor?mo H, H : V -? W, con V ? U y W ? Rn H : X|V -? Y,
    establece la equivalencia diferencial, siendo Y = (1, 0, …, 0).
    Idea de la demostración. Consideramos el ?ujo ft del campo
    X : W -? E y supongamos que O ? E. Una sección local en O
    de X es un conjunto abierto S que contiene a O y está
    contenido en un hiperplano H ? E tranveral a X. Decir que S ? H
    es transversal a X signi?ca que X(x) ? H, ?x ? S. Nuestra primera
    aplicación de la sección local completa de un ?ujo
    en un entrono de cualquier punto no estacionario de dicho ?ujo
    por medio de coordenadas no lineales. La descripción es
    simple. Los puntos se mueven en rectas paralelas a velocidad
    constante. ? Entonces tomamos un difeomor?smo ? : U -? V, una
    caja de ?ujo es un difeomor?smo R × H ? N -? W, de un
    entorno de N en (0, 0) en un entorno O de W que transforma el
    campo X : W -? E en un campo vectorial constante Y = (1, 0) sobre
    R × H, el ?ujo de X se convierte de este modo en el simple
    ?ujo sobre R × H. La derivada de ? en (0, 0) se calcula
    facilmenteque la aplicación lineal igual a la identidad en
    O × H y que entonces por el teorema de la función
    inversa ? aplica un entorno abierto N de (0, 0) difeomor?camente
    sobre un entrono V de O en E. Tomamos N deforma (-s, s) × S
    tal que S ? H esuna sección de O, Vs = ?(N), donde Vs es
    una caja de ?ujo de O ? E. Una propiedad importante de una caja
    de ?ujo es que si x ? Vs , entonces ft (x) ? S para un
    único t ? (-s, s) . 1.3. Estructura local de los puntos
    singulares hiperbólicos. Sea p un punto regular de un
    campo X, por el teorema del ?ujo tubular (recti?ación
    decampos) sabemos que existe un difeomor?smo que conjunga X en
    una vecindad del punto p con un campo constante Y = (1, 0, …,
    0). de esta observación podemos considerar satisfactorio
    el conocimiento cualitativo local de las órbitas en un
    campo en torno a puntos regulares. Pero si p es singular la cosa
    es más compleja. De?nición 1.3.1 Un punto singular
    p de un campo se llama hiperbólico si todos sus
    autovalores de DX( p) tienen la parte real no nula i.e. Re(?i ) =
    0. Observación 1.3.1 Sean X, Y dos campos h – relacionados
    i.e. h : X -? Y en torno a una singularidad p ? X, entonces
    De?nición 1.3.2 El número de autovalores de DX( p)
    que tienen parte real negativa se llama índice de
    estabilidad de X en p. Teorema 1.3.1 (Hartman-Grobman). Sea X : A
    -? Rn , sea p un punto singular hiperbólico, entonces
    existe un entorno del punto p i.e. ?V ? Ent( p) ? A, W ? Ent(0) ?
    Rn tal que X|V -? DX( p)|W , son topológicamente
    equivalentes, i.e. existe un homeomor?smo entre un núcleo
    de grupo y un grupo entorno a una singula- ridad
    hiperbólica.

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    10 s u s u enunciar el siguiente teorema. s u s u Wloc loc c s u
    s t=0 t=0 u CAPÍTULO 1. CONCEPTOS BÁSICOS Hablamos
    de equivalencia topológica y no diferencial a pesar de que
    X posea cualidades de tipo diferencial. Para conseguir la
    equivalencia diferencial exige unas condiciones muy fuertes a los
    autovalores de DX( p). Teorema 1.3.2 (Stenberg). Sea p una
    singularidad hiperbólica y los aotovalores de DX( p)
    veri?ca donde los mj son enteros y además se veri?ca que
    ?i = ? mj ?j , 2 = con k = 2, …, 8, entonces existe un
    difeomor?smo entre ? mj = k, X|V -? DX( p)|W . Como en el caso
    lineal podemos de?nir las variedades estable e inestable de p
    (singularidad hiperbólica de X) ahora denotadas como Wloc
    ( p) y Wloc ( p) s Wloc ( p) = {x ? U / ?t (x) -? p; t -? 8 y ?t
    (x) ? U?t = 0} , Wloc ( p) = {x ? U / ?t (x) -? p; t -? -8 y ?t
    (x) ? U?t = 0} , donde U ? Ent( p). Las variedades Wloc ( p) y
    Wloc ( p) son análogas a Es y Eu del caso lineal, de hecho
    podemos Teorema 1.3.3 (Teorema de la variedad estable) Supongamos
    que el campo X tiene una singularidad hiperbólica. En-
    tonces existen las variedades Wloc ( p) y Wloc ( p) tales que dim
    Wloc ( p) = dim (Es ) y dim Wloc ( p) = dim(Eu ) ya que s ( p) es
    tangente a Es y W u ( p) es tangente a Eu . Figura 1.4: Esquema
    del Teorema de la variedad estable. Observación 1.3.2 Si p
    es una singularidad no hiperbólica del campo X entonces de
    forma análoga al caso lineal existe una tercera variedad,
    Wloc ( p), variedad centro. Este punto será formalizado
    más adelante cuando estudiemos el teoremade la variedad
    centro. Las variedades Wloc ( p) y Wloc ( p) se pueden de?nir de
    forma global como sigue: W s ( p) = ? ?t (Wloc ( p)), u u W ( p)
    = ? ?t (Wloc ( p)). Veamos algunos ejemplos de clai?cación
    de singularidades hiperbólicas en el caso no lineal.

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    11 , ridad hiperbólica, y por el teorema de Hartman
    sabemos que se trata de un punto de silla. c u u u , s 1.3.
    ESTRUCTURA LOCAL DE LOS PUNTOS SINGULARES HIPERBÓLICOS.
    Ejemplo 1.3.1 Clasi?car las singularidades del sistema no lineal:
    x' = x y' = -y + x2 (1.8) Solución. En primer debemos
    calcular las singularidades del sistema, en este caso sólo
    existe una y es S = (0, 0). Aplicando el teorema de Hartman,
    linealizamos el sistema, de tal forma que obtenemos: DX = 1 2x 0
    -1 DX (S) = 1 0 0 -1 por lo tanto los autovalores del sistema
    lineal son s(?) = {1, -1}, vemos por lo tanto que se trata de una
    singula- Las variedades estable e inestable del sistema lineal
    son: Es = V-1 : (x, y) ? R2 | x = 0 , Eu = V1 : (x, y) ? R2 | y =
    0 . Si escribimos (1.8) como una ecuación de primer orden
    encontramos que: dy dx y = – x + x, integrando esta
    ecuación, obtenemos la familia de soluciones y(x) = x2 3 +
    , x donde c es cierta constante de integración. Los
    teoremas expuestos implican que Wloc (0, 0) puede ser
    representada como una función y = h(x) con h(0) = Dh(0) =
    0 ya que Wloc es tangente a Eu . Entonces, ver ?g (1.5) Figura
    1.5: Espacio de fases de la ecuación (1.8) Wloc = (x, y) ?
    R2 | y = x2 3 donde hemos tomado c = 0. Por otro lado x(0) = 0
    implica que x' = 0, por lo tanto Wloc (0, 0) = Es ,

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    12 1 ? ' ? x = y' = . (1.9) 1 ? ' z = 4 z ? ? 5 4 0 1 ? -ez ?
    DX(S1 ) = 4 4 3 ? 4 3 1 ? 4 ? 0 1 1 ? ' 2 1 y' = 2 (-x + z) . ? '
    (1.10) 4 4 z 1 ( – z) 2 1 2 , ? 2 2 0 ? 1 ? 2 2 0 0 ? ? 0 ? ? 0 0
    0 2 ? ? 1 1 2 2 ? 1 2 1 2 CAPÍTULO 1. CONCEPTOS
    BÁSICOS tal y como queríamos hacer ver. Ejemplo
    1.3.2 Estudiar el siguiente sistema: 1 (- sin x + 5y – 9z) 4 (4x
    – e + 1) 4 (4x – 4 sin y + 3z) Solución. En primer lugar
    debemos calcular las singularidades, siendo una de éstas:
    S1 = (0, 0, 0) . Linealizamos el sistema encontrando que: – cos x
    -9 DX = -4 cos y de tal forma que los autovalores ysus
    autovectores son: -1 5 -9 4 -4 -1 ? , V1 = (1, 1, 0)T , V- 4 +i =
    (i, 1, 1)T , V- 4 -i = (-i, 1, 1)T , de esta forma vemos que la
    solución lineal general es: 1 1 X = aV1 et + ßV- 1
    +i e(- 4 +i )t + ßV- 1 -i e(- 4 -i )t , si a = 0 entonces
    obtenemos una solución (super?cie) que de?ne el plano
    tangente a W s mientras que si ß = 0 lo que obtenemos es
    una recta tangente a W u . Vemos por lo tanto que S1 es un punto
    de silla. Ejemplo 1.3.3 Estudiar el sistema: ? x = z –x + 2yy+ z
    + 4y3 Solución. En primer lugar debemos calcular las
    singularidades, siendo éstas: S = (0, 0, 0) , a, ±
    , a , ?a ? R Seguimos la estrategia del ejercicio anterior, por
    lo tanto linealizamos el sistema: Estudiaremos los siguientes
    casos: – 1 DX = ? -y2 -1 + 6y2 -(x + z) 1 2 1 2 1 – y2 ? . 1. S =
    (0, 0, 0) ; Por lo tanto: – 1 DX (0, 0, 0) = ? – 1 de esta forma
    vemos que -1 0 1 2 1 2 1 ? = ? 1 3 1 6 0 0 1 2 1 2 3 2 – 3 -1 0 ?
    ? 0 1 0 ? ? 0 2 0 -1 -1 1 ? s (?) = -1, 1, V-1 = {(2, 1, 0)} , V1
    = {(0, 1, 2)} V1/2 = {(-1, 1, 0)}

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    13 i t?8 i t?-8 1 1 1 2 ? ? 2 (-1 – a), – (-1 – a) . 0, 0 s(?) =
    2 1 2 2 ß ? R+ . Y si a > -1, entonces s(?) = (0, z, z)
    , donde z ? C, con z = a + ib dode a = 0, i.e. un imaginario 2 2
    con autovalores con parte real nula, supongamos que: c c u forma
    local, Wloc t t loc dilatación. c s , 1.4. ESTUDIO DE LAS
    SIGULARIDADES NO HIPERBÓLICAS. por lo tanto el punto
    singular (0, 0, 0) es un punto de silla. La solución
    general del sistema lineal es: x = aV-1 e-t + ßV1 et +
    ?V1/2 e(1/2)t observando que para una solución que
    veri?que ß = ? = 0 se obtiene una solución estable
    i.e. l´m aV-1 e-t ? 0 mientras que la variedad inestable
    está de?nida por el plano ßV1 et + ?V1/2 e(1/2)t ,
    (a = 0) observar que l´m ßV1 et + ?V1/2 e(1/2)t ? 0.
    Es decir: Es = V-1 tangente a W s Eu = (V1 , V1/2 ) tangente a W
    u 2. Para a, ± 2 , a – 1 1 DX (S2 ) = ? – 1 -2a ? , Vemos
    que si a = -1 entonces: s(?) = (0, 0, 0) , mientras que si a <
    -1, entonces s(?) = (0, ß, ß) , donde puro. Por lo
    tanto nuestro teorema sobre linealización (Hartman) no
    puede ser aplicado en el estudio de esta singularidad. 1.4.
    Estudio de las sigularidades no hiperbólicas. 1.4.1.
    Teorema de la variedad centro. Como acabamos de ver, el teorema
    de Hartman no funciona cuando la singularidad es no
    hiperbólica. El teo- rema de la variedad centro representa
    una generalización del teorema de la variedad estable (o
    invariente) y contempla la existencia de un subespacio invariante
    W c tangente a Ec (del caso lineal). Sea X : Rn -? Rn un campo
    vectorial con singularidades no hiperbólicas en el origen
    i.e. X(0) = 0 y DX(0) DX(0) = Es ? Eu ? Ec , entonces tenemos el
    siguiente teorema: Teorema 1.4.1 (Teorema de la variedad centro).
    Sea ?t el ?ujo del campo X. Entonces existe de forma local la
    variedad centro Wloc que contiene el origen y es invariante bajo
    ?t , además Wloc es tangente a Ec en x = 0. Además
    existen de s y W u tangentes a Es y Eu invariantes por ? donde ?
    | Wloc es una contracción y ?t | Wloc es una
    Observación 1.4.1 Es importante resaltar que Wloc no es
    necesariamente única. Ejemplo 1.4.1 Vamos a ver que el
    sistema tiene una variedad centro no única. x' = x2 y' =
    -y (1.11)

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    14 , Hartman es incapaz de clasi?car. El teorema de la variedad
    centro nos asegura que existe Wloc . y (1.11) c x 2 , x c ? ? ? ?
    x = -x + 3y ? ? CAPÍTULO 1. CONCEPTOS BÁSICOS
    Solución. Vemos que la singularidad del sistema (1.11) es
    S = (0, 0), y que la parte lineal del sistema viene dada por: DX
    = 2x 0 0 -1 DX(S) = 0 0 0 -1 por lo que los autovalores son s(?)
    = (0, -1) i.e. se trata de una singularidad no hiprbólica
    que el teorema de Los autovectores asociados a cada uno de los
    autovalores son: V0 = (1, 0)T V-1 = (0, 1)T , obteniendo porlo
    tanto la siguiente descomposición del espacio: DX(S) = Es
    ? Ec , donde Es = L(V-1 ) y Ec = L(V0 ). Vemos en la ?g (1.6) el
    diagrama del espacio de fases correspondiente al sistema Figura
    1.6: Espacio de fases del sistema (1.11) En este caso Wloc = Ec
    sin embargo existen otras variedades centro, la órbita que
    pasa por el punto (x0 , y0 ) con x0 < 0 está dada por
    la solución particular de: dy dx = -y x =? 1 y = y0 exp(
    ), por lo tanto la curva y = y0 exp( 1 ) 0 x0 < 0 x0 > 0 es
    invariante bajo el ?ujo. Además vemos que Wloc puede
    existir de forma global. Ejemplo 1.4.2 Estudiemos el sistema
    lineal: y = -x + y – z . z = -y – z (1.12)

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