ΜΑΘΗΜΑ 2: ΓΡΡΑΑΜΜΜΜΙΙΚΚΗΗ …spn/files/dif2.pdf11 2 21 2. yy y yy y Όμως, για τον υπολογισμό των λύσεων χρειάζεται να

ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ 6

Σ. Ν. ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΣ – 2010

ΜΑΘΗΜΑ 2:

ΓΓΡΡΑΑΜΜΜΜΙΙΚΚΗΗ ΔΔΥΥΝΝΑΑΜΜΙΙΚΚΗΗ ΣΣΕΕ ΔΔΥΥΟΟ ΔΔΙΙΑΑΣΣΤΤΑΑΣΣΕΕΙΙΣΣ Θεωρούμε ένα σύστημα γραμμικών διαφορικών εξισώσεων με σταθερούς πραγματι-κούς συντελεστές εκφρασμένο στις καρτεσιανές συντεταγμένες που ορίζονται από μια ορθοκανονική βάση του ευκλείδειου επιπέδου:

1 1 1 1 2

2 2 1 2 2

x a x b x

x a x b x

και αναζητούμε τις λύσεις του:

2:x , 1 2( ) ( ), ( )x t x t x t .

Το ερώτημα που τίθεται αφορά στην ύπαρξη και τον προσδιορισμό γραμμικών συν-τεταγμένων στις οποίες το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων αποκτά απλούστερη

έκφραση με δυνατότητα άμεσης επίλυσής του. Για το σκοπό αυτό θεωρούμε στις καρτεσιανές συντεταγμένες του ευκλείδειου επιπέδου το γραμμικό μετασχηματισμό:

1 1 1 1

2 2 2 2 .

x a b x

x a b x

Οι καρτεσιανές συντεταγμένες ορίζονται από μια ορθοκανονική βάση και τις κανο-νικές προβολές:

2: ix , 1,2i .

Κάθε γραμμικός ισομορφισμός: 2 2:

μετατρέπει την ορθοκανονική βάση σε βάση όχι απαραίτητα ορθοκανονική, οπότε οι καρτεσιανές συντεταγμένες μετασχηματίζονται σε γραμμικές συντεταγμένες:

2: iy , 1 i iy x , 1,2i .

Γραμμικός μετασχηματισμός των καρτεσιανών συντεταγμένων στο ευκλείδειο επίπεδο.



Οι αλλαγές των συντεταγμένων καθορίζονται από το μεταθετικό διάγραμμα:

2 2

i ix y

Το σύστημα των γραμμικών διαφορικών εξισώσεων διατυπώνεται συμβολικά στις καρτεσιανές συντεταγμένες ως εξής:

X( ) A X( )t t

και στις νέες γραμμικές συντεταγμένες αποκτά την έκφραση:

Y( ) BY( )t t .

Οι ιδιοτιμές κάθε γραμμικού μετασχηματισμού διατηρούνται αναλλοίωτες κατά την αλλαγή βάσης και ταυτίζονται με τις ρίζες της χαρακτηριστικής εξίσωσης:

3 0

det I .

Θεωρώντας την ορίζουσα και το ίχνος του γραμμικού μετασχηματισμού που επίσης διατηρούνται αναλλοίωτα κατά τις αλλαγές βάσης:

1 2 1 2a b b a det και 1 2a b tr

προκύπτει η ακόλουθη έκφραση της χαρακτηριστικής εξίσωσης:

2 0 tr det

και η φύση των ιδιοτιμών καθορίζεται από το πρόσημο της διακρίνουσας:

2(A) ( A) 4 A tr det .

Διακρίνουμε τρεις περιπτώσεις:

(A) 0 ιδιοτιμές , , ,

(A) 0 ιδιοτιμές , , ,

(A) 0 ιδιοτιμές , , ,i i .

Τώρα θα προσδιοριστούν όλες οι ενδεχόμενες τροχιές και εξελικτικές ροές της γραμ-μικής δυναμικής στο ευκλείδειο επίπεδο και το σκεπτικό αυτό θα γενικευθεί εύκολα στους πολυδιάστατους ευκλείδειους χώρους. Η γραμμική και τοπολογική ταξινόμη-ση των τροχιών και εξελικτικών ροών αποτελεί κεντρικό ζητούμενο του μαθήματος.



ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ (A) 0 ιδιοτιμές 1 2 1 2, , .

Στην περίπτωση αυτή προκύπτουν δυο ανεξάρτητοι ιδιοάξονες:

2E / Ai i

, 1,2i .

Επιλέγοντας μια βάση ιδιοδιανυσμάτων ο πίνακας του γραμμικού μετασχηματισμού διαγωνιοποιείται και προκύπτει:

1 11

22 2

0

0

y y

y y

οπότε στις αντίστοιχες γραμμικές συντεταγμένες το σύστημα εκφράζεται ως εξής:

1 1 1

2 2 2

y y

y y

1

2

1 1

2 2

( )

( )

t

t

y t c e

y t c e

1 2

1 1 2 2( ) t tx t c e c e

.



ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ (A) 0 ιδιοτιμές , , .

Στην περίπτωση αυτή ο ιδιόχωρος είναι δισδιάστατος ή μονοδιάστατος:

2E / A .

- Αν E 2dim τότε ο γραμμικός μετασχηματισμός εκφράζει ομοθεσία που έχει ως

λόγο την τιμή της διπλής ιδιοτιμής:

1 1

2 2

0

0

x x

x x

και προκύπτουν απευθείας οι λύσεις του συστήματος των διαφορικών εξισώσεων:

1 1

2 2

x x

x x

1 1

2 2

( )

( )

to

to

x t x e

x t x e

( ) t

ox t x e .

Οι τροχιές είναι οι ημιευθείες που ανάλογα με το πρόσημο της ιδιοτιμής απομακρύνονται ή πλησιάζουν ακτινωτά την αρχή του ευκλείδειου επιπέδου που αποτελεί κατάσταση ισορροπίας, ενώ στην ειδική

περίπτωση μηδενικής ιδιοτιμής κάθε σημείο του επιπέδου αποτελεί κατάσταση ισορροπίας.

- Αν E 1dim τότε επιλέγουμε μια βάση αποτελούμενη από ένα ιδιοδιάνυσμα

και ένα διάνυσμα

τέτοιο ώστε:

A

και στη βάση αυτή ο γραμμικός μετασχηματισμός έχει τριγωνικό πίνακα:

1 1

2 2 .

1

0

y y

y y



Έτσι, προκύπτουν οι γραμμικές συντεταγμένες στις οποίες το σύστημα των διαφορι-κών εξισώσεων αποκτά απλούστερη μορφή και υπολογίζονται απευθείας οι λύσεις:

1 1 2

2 2

y y y

y y

1 1 2

2 1

( ) ( )

( )

t

t

y t c t c e

y t c e

1

2

( ) ...

( ) ...

x t

x t

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ (A) 0 ιδιοτιμές , , i , i .

Στην περίπτωση αυτή έχουμε δυο συζυγείς μιγαδικές ιδιοτιμές και στο μιγαδικό επί-πεδο προκύπτουν δυο συζυγή μιγαδικά ιδιοδιανύσματα*:

1 2

i , 1 2

i .

Τα πραγματικά διανύσματα:

1 12

, 2 2( ) 2 i ,

συγκροτούν βάση στην οποία ο γραμμικός μετασχηματισμός εκφράζεται ως εξής:

1 1

2 2 .

y y

y y

* Ο μιγαδικός γραμμικός μετασχηματισμός εκφράζεται στη βάση των συζυγών ιδιοδιανυσμάτων ως εξής:

( )

1 1 1 1

( )2 2 2 2

( ) (0)0

0 ( ) (0)

i t

i t

z z z t z e

z z z t z e



Έτσι, προκύπτουν οι γραμμικές συντεταγμένες στις οποίες το σύστημα των διαφορι-κών εξισώσεων αποκτά απλούστερη μορφή:

1 1 2

2 1 2 .

y y y

y y y

Όμως, για τον υπολογισμό των λύσεων χρειάζεται να εισαχθούν νέες μη γραμμικές συντεταγμένες:*

1 cosy r , 2 siny r , > 0, ( 2 )r mod ,

και προκύπτει: r r

( )

( )

to

o

r t r e

t t

άρα:

1

2

( ) cos( )

( ) sin( )

to o

to o

y t r e t

y t r e t

1

2

( ) ...

( ) ...

x t

x t

Άσκηση 7. Προσδιορίστε την έκφραση των μονοπαραμετρικών ομάδων της δισδιά-στατης γραμμικής δυναμικής και των εξελικτικών ροών της στο ευκλείδειο επίπεδο και δώστε την αλγεβρική και γεωμετρική ερμηνεία τους.

* Δεν πρόκειται πάντα για πολικές συντεταγμένες γιατί δεν ορίζονται απευθείας από το ορθοκανονικό σύστημα καρτεσιανών συντεταγμένων του ευκλείδειου επιπέδου.



ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΤΡΟΧΙΩΝ ΤΗΣ ΔΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ



Σχόλιο. Κατασκευή των τροχιών της δισδιάστατης γραμμικής δυναμικής.

Η δισδιάστατη γραμμική δυναμική ορίζεται στο ευκλείδειο επίπεδο από ένα σύστημα γραμμικών διαφορικών εξισώσεων με σταθερούς πραγματικούς συντελεστές:

1 1 1 1 2

2 2 1 2 2 .

x a x b x

x a x b x

Το σύστημα αυτό έχει διατυπωθεί στις καρτεσιανές συντεταγμένες του ευκλείδειου επιπέδου, αλλά όπως διαπιστώσαμε, υπάρχουν κατάλληλες γραμμικές συντεταγμέ-νες όπου αποκτά απλούστερη έκφραση με δυνατότητα άμεσης επίλυσής του. Αυτές οι συντεταγμένες καθορίζονται από ιδιοδιευθύνσεις ή κατάλληλες διευθύνσεις που εμφανίζονται στο ευκλείδειο επίπεδο ανάλογα με τη φύση των ιδιοτιμών της δυνα-μικής και οδηγούν στις κανονικές μορφές του συστήματος των εξισώσεων:

1 1 1

2 2 2

y y

y y

1 1

2 2

y y

y y

1 1 2

2 2

y y y

y y

1 1 2

2 1 2 .

y y y

y y y

Όταν η γραμμική δυναμική έχει δυο πραγματικές διακριτές ιδιοτιμές τότε στο ευ-κλείδειο επίπεδο εμφανίζονται δυο ανεξάρτητες ιδιοδιευθύνσεις και έτσι συγκροτεί-ται ένα σύστημα ιδιοαξόνων στο οποίο προκύπτει η κανονική μορφή των εξισώσεων:

1 1 1

2 2 2

y y

y y

1

2

1 1

2 2 .

( )

( )

t

t

y t c e

y t c e

Για το σχεδιασμό των τροχιών είναι προτιμότερο να εργαστούμε στις συντεταγμένες του συστήματος των ιδιοαξόνων παρά στις καρτεσιανές συντεταγμένες. Πράγματι, η κανονική αυτή μορφή των εξισώσεων διατηρείται αναλλοίωτη κατά την αλλαγή:

1 1y y και 2 2y y .

Συνεπώς, οι τροχιές οφείλουν να εμφανίζουν αξονική συμμετρία ως προς κάθε ιδιο-άξονα παράλληλα προς τον άλλον. Αν κάποια από τις ιδιοτιμές είναι μηδενική τότε κάθε σημείο του αντίστοιχου ιδιοάξονα αποτελεί κατάσταση ισορροπίας και όλες οι άλλες τροχιές είναι ευθύγραμμες και εξελίσσονται κατά ζεύγη, ελκτικά ή απωστικά, εκατέρωθεν της αντίστοιχης κατάστασης ισορροπίας. Αν δεν υπάρχει μηδενική ιδιο-τιμή τότε η αρχή των αξόνων αποτελεί τη μοναδική κατάσταση ισορροπίας και τέσ-σερις ευθύγραμμες τροχιές, που έχουν φορέα τους αντίστοιχους ημιάξονες των ιδιο-διευθύνσεων, κατευθύνονται προς αυτήν ή απομακρύνονται προς το άπειρο ανάλογα με το πρόσημο της αντίστοιχης ιδιοτιμής. Για όλες τις άλλες τροχιές, η αξονική τους συμμετρία ως προς τους ιδιοάξονες, υποδεικνύει ότι αρκεί να κατασκευαστούν στο τεταρτημόριο: 1 0y , 2 0y και εκεί διαπιστώνουμε ότι φορέας τους είναι τα γραφή-

ματα των εκθετικών συναρτήσεων:

2 1/2 2y c y , 0c .



Τροχιές της γραμμικής δυναμικής στην περίπτωση απλών πραγματικών

μη μηδενικών ιδιοτιμών σε ορθοκανονικό σύστημα ιδιοαξόνων του ευκλείδειου επιπέδου.

Όταν η γραμμική δυναμική έχει μια διπλή πραγματική ιδιοτιμή τότε, εκτός από τη μηδενική περίπτωση ή την περίπτωση ομοθεσίας, υπάρχει μόνο μια ιδιοδιεύθυνση. Έτσι, συγκροτείται ένα σύστημα αξόνων αποτελούμενο από ένα ιδιοάξονα και έναν κατάλληλα επιλεγμένο άξονα, όπως ήδη αναφέρθηκε, και σε αυτό το σύστημα γραμ-μικών συντεταγμένων προκύπτει η κανονική μορφή Jordan των εξισώσεων:

1 1 2

2 2

y y y

y y

1 1 2

2 1

( ) ( )

( )

t

t

y t c t c e

y t c e

Η αρχή των αξόνων αποτελεί τη μοναδική κατάσταση ισορροπίας και δυο ευθύ-γραμμες τροχιές, που έχουν ως φορέα τους ημιάξονες της ιδιοδιεύθυνσης, κατευθύ-νονται προς αυτήν ή απομακρύνονται προς το άπειρο ανάλογα με το πρόσημο της ιδιοτιμής. Όλες οι άλλες τροχιές έχουν φορέα τα γραφήματα των συναρτήσεων:

1 2 2

1| |y ln y c y

όπου 1 2 1

1| | /c ln c c c

, 1 0c .

Τροχιές της γραμμικής δυναμικής στην περίπτωση διπλής ιδιοτιμής σε ορθοκανονικό σύστημα αξόνων.

Όταν η γραμμική δυναμική έχει μιγαδικές ιδιοτιμές:

i , i

τότε στο ευκλείδειο επίπεδο δεν εμφανίζονται ιδιοδιευθύνσεις αλλά, όπως αναφέρ-θηκε, υπάρχει σύστημα γραμμικών συντεταγμένων στο οποίο προκύπτει η κανονική μορφή των εξισώσεων:

1 1 2

2 1 2 .

y y y

y y y

1

2

( ) cos( )

( ) sin( )

to o

to o

y t r e t

y t r e t



Η αρχή των αξόνων αποτελεί τη μοναδική κατάσταση ισορροπίας και ολόγυρά της εξελίσσονται ελλειπτικές ή σπειροειδείς τροχιές ανάλογα με το αν οι ιδιοτιμές είναι καθαρά φανταστικές ή όχι. Οι σπειροειδείς τροχιές πλησιάζουν απεριόριστα την κα-τάσταση ισορροπίας ή απομακρύνονται στο άπειρο ανάλογα με το αν το πραγματικό μέρος των συζυγών ιδιοτιμών είναι αρνητικό ή θετικό.

0, 0 0, 0 0, 0

0, 0 0, 0 0, 0

Τροχιές της γραμμικής δυναμικής στην περίπτωση μιγαδικών ιδιοτιμών στο ευκλείδειο επίπεδο.

Άσκηση 8. Σχεδιάστε τις τροχιές των δυναμικών συστημάτων που ορίζονται στο ευκλείδειο επίπεδο από τα ακόλουθα συστήματα διαφορικών εξισώσεων:

[1] 1 1 2

2 1 24 2

x x x

x x x

[2] 1 1 2

2 1 2

2 3

3 2

x x x

x x x

[3] 1 1 2

2 1 2

2 3

3 4

x x x

x x x

[4] 1 1 2

2 1 2

3 3

3

x x x

x x x

Υπόδειξη.

[1] Ιδιοτιμές: 1 23, 2 , Ιδιοδιανύσματα: 1 2(1, 4), (1,1)

.

Προκύπτουν γραμμικές συντεταγμένες στις οποίες το σύστημα εκφράζεται ως εξής:

1 1

2 2

3

2

y y

y y

3

1 1

22 2

( )

( )

t

t

y t c e

y t c e

3 21 1 2

3 22 1 2

( )

( ) 4

t t

t t

x t c e c e

x t c e c e

[2] Ιδιοτιμές: 1 21/ 2, 3 , Ιδιοδιανύσματα: 1 2(1, 2), (1, 3)

.

Προκύπτουν γραμμικές συντεταγμένες στις οποίες το σύστημα εκφράζεται ως εξής:

1 1

2 2

/ 2

3

y y

y y

/2

1 1

32 2

( )

( )

t

t

y t c e

y t c e

/2 31 1 2

/2 32 1 2

( )

( ) 2 3

t t

t t

x t c e c e

x t c e c e



[3] Ιδιοτιμή: 1 , Ιδιοδιάνυσμα: (1, 1)

, Συμπληρωματικό διάνυσμα: ( 1/ 3, 0)

. Προκύπτουν γραμμικές συντεταγμένες στις οποίες το σύστημα εκφράζεται ως εξής:

1 1 2

2 2

y y y

y y

1 1 2

2 2

( ) ( )

( )

t

t

y t c c t e

y t c e

1 2 1 2

2 2 1

( ) 2( / 3)

( ) 2( )

t

t

x t c t c c e

x t c t c e

[4] Ιδιοτιμές: 1 5, 1 5 i i , Ιδιοδιανύσματα: (2 5, 3), (2 5, 3)

i i .

Τα διανύσματα 1 2(2, 3), ( 5, 0)

ορίζουν γραμμικές συντεταγμένες στις οποίες

το σύστημα εκφράζεται ως εξής:

1 1 2

2 1 2

5

5

y y y

y y y

Από το μετασχηματισμό 1 2sin , cosy r y r προκύπτει:

( ) ( )

( ) 5

r t r t

t

( )

( ) 5

to

o

r t r e

t t

/ 5r c e

άρα

1

2

( ) cos( 5 )

( ) sin( 5 )

o o

o o

t

t

y t r e t

y t r e t

1

2

( ) 2cos( 5 ) 5 cos( 5 )

( ) 2 sin( 5 )

o o o

o o

t

t

x t r e t t

x t r e t

[1] [2]

[3] [4]



Άσκηση 9. Στο επόμενο σχήμα δίνονται οι τροχιές τριών δισδιάστατων δυναμικών συστημάτων από τα οποία μόνο ένα είναι γραμμικό. Μπορείτε να το αναγνωρίσετε;

Άσκηση 10. Σχεδιάστε τις τροχιές της δυναμικής που ορίζεται στο ευκλείδειο επίπεδο από τα ακόλουθα συστήματα γραμμικών εξισώσεων:

1 1 2

2 1 2

2 2

2 3

x x x

x x x

1 1

2 1 23 2

x x

x x x

1 1 2

2 1 22

x x x

x x x

1 1 2

2 1 2

2

x x x

x x x

Άσκηση 11. Οι γραμμικές δυναμικές στο ευκλείδειο επίπεδο με ίδιες ιδιοτιμές ορί-ζουν ίδιες τροχιές; Τεκμηριώστε την απάντησή σας.

Άσκηση 12. Εντοπίστε τη διαφορά των τροχιών των δυναμικών συστημάτων που ορίζονται στο ευκλείδειο επίπεδο από τα συστήματα των γραμμικών εξισώσεων:

[Ι] 1 2

2 1

x x

x x και 1 2

2 1

2

2

x x

x x [ΙΙ]

1 1

2 2

x x

x x

και 1 1 2

2 2

x x x

x x

Άσκηση 13. Σχεδιάστε τις τροχιές της δυναμικής που ορίζεται στο ευκλείδειο επίπεδο από τα ακόλουθα συστήματα εξισώσεων και εντοπίστε τις διαφορές τους:

[Ι] 1 2

2 1 22

x x

x x x

1 2

2 1 29 8 18

x x

x x x

1 2

2 1 29 10 18

x x

x x x

[ΙΙ] 1 1 2

2 1 2

x x x

x x x

1 1 2

2 1 2

10 10 9

10 9 10

x x x

x x x

1 1 2

2 1 2

10 10 11

10 11 10

x x x

x x x



Άσκηση 14. Σχεδιάστε τις τροχιές της δυναμικής που ορίζεται στο ευκλείδειο επίπεδο από την κανονική μορφή Jordan του γραμμικού συστήματος διαφορικών εξισώσεων με διπλή πραγματική ιδιοτιμή: (Ι) 1/10 , (ΙΙ) 1/10 , και εντοπίστε τις διαφορές

με την περίπτωση: 0 . Άσκηση 15. Στο επόμενο σχήμα δίνονται σε ορθοκανονικό σύστημα αξόνων του ευ-κλείδειου επιπέδου οι τροχιές δυο άγνωστων γραμμικών δυναμικών συστημάτων. Μπορείτε να αναγνωρίσετε τη φύση των ιδιοτιμών τους; Είναι εφικτός ο προσδιορι-σμός τους; Ποιος είναι ο γεωμετρικός τόπος των σημείων του επιπέδου στα οποία η εφαπτομένη των τροχιών είναι κάθετη στην εμφανιζόμενη ιδιοδιεύθυνση;

Άσκηση 16. Σχεδιάστε τις τροχιές της δυναμικής που ορίζεται στο ευκλείδειο επίπεδο από το ακόλουθο σύστημα γραμμικών εξισώσεων για διάφορες τιμές της παραμέτρου ρ και παρατηρείστε τη συνεχή παραμόρφωσή τους που οδηγεί από κόμβο σε εστία:

1 1 2

2 1 2

2

(2 /2)

x x x

x x x .

0.5 0.1 0 0.5 2

Άσκηση 17. Επιλέξτε (i) γραμμικούς ισομορφισμούς, (ii) αμφιδιαφορομορφισμούς, (iii) ομοιομορφισμούς του ευκλείδειου επιπέδου και αφήστε τους να δράσουν στην εξελικτική ροή της γραμμικής δυναμικής:

( ) ( )t t to ox x e ,eg , 2

ox , t ,

ως εξής: 1

o( )th h x g , 2ox , t .

Ποιο είναι το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων που ορίζει τη δυναμική της εξε-λικτικής ροής η οποία προκύπτει από αυτούς τους μετασχηματισμούς;



Προβληματισμός: Τοπολογική ταξινόμηση των ροών της γραμμικής δυναμικής.

Θεωρούμε δυο γραμμικά δυναμικά συστήματα που η εξέλιξή τους στο ευκλείδειο επίπεδο διέπεται αντίστοιχα από τις γραμμικές εξισώσεις:

X( ) A X( )it t , 1,2i ,

με αντίστοιχες μονοπαραμετρικές ομάδες:

2 2: /i

t t g , 1,2i .

Σύμφωνα με τον ορισμό της τοπολογικής ισοδυναμίας, οι δυναμικές που ορίζονται από δυο δυναμικά συστήματα είναι τοπολογικά ισοδύναμες αν και μόνο αν υπάρχει ομοιομορφισμός:

2 2:h τέτοιος ώστε:

1 2o o( ) ( )t th x h x g g , 2ox , t .

Αν ο ομοιομορφισμός που αποκαθιστά την τοπολογική ισοδυναμία είναι γραμμικός ή αμφιδιαφορομορφικός τότε αντίστοιχα λέμε ότι οι δυναμικές είναι γραμμικά ή δια-φορικά ισοδύναμες. Καταρχάς, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε το εξής:

Θεώρημα. Δυο γραμμικές δυναμικές είναι διαφορικά ισοδύναμες αν και μόνο αν είναι γραμμικά ισοδύναμες.*

Θεώρημα. Δυο γραμμικές δυναμικές με πραγματικές διακριτές ιδιοτιμές είναι γραμ-μικά ισοδύναμες αν και μόνο αν έχουν ίδιες ιδιοτιμές.

Απόδειξη. Κάθε γραμμική δυναμική με απλές πραγματικές ιδιοτιμές αποσυντίθενται σε μο-νοδιάστατες γραμμικές δυναμικές. Συνεπώς, οι γραμμικές δυναμικές που έχουν ίδιες διακριτές πραγματικές ιδιοτιμές δε μπορούν παρά να αποσυντεθούν στις ίδιες μονοδιάστατες γραμμικές δυναμικές. Αντίστροφα, αν οι δυο γραμμικές δυναμικές είναι γραμμικά ισοδύναμες τότε οι τελεστές τους ταυτίζονται με αλλαγή βάσης άρα έχουν ίδιες ιδιοτιμές απλές ή όχι.

Παράδειγμα γραμμικά ισοδύναμων εξελικτικών ροών της γραμμικής δυναμικής στο ευκλείδειο επίπεδο. (Άραγε, ποιοι είναι οι ισομορφισμοί ταύτισης των εξελικτικών ροών του παραδείγματος;)

* Το θεώρημα δεν. υπονοεί ότι κάθε αμφιδιαφορομορφισμός που αποκαθιστά τη διαφορική ισοδυναμία των εξελικτικών ροών της γραμμικής δυναμικής είναι οπωσδήποτε γραμμικός ισομορφισμός. Όμως, θεω-ρώντας το διαφορικό ενός τέτοιου αμφιδιαφορομορφισμού θα μπορούσατε να αντιληφθείτε το σκεπτικό της απόδειξης. Πρόκειται για αποτέλεσμα που ισχύει και για την πολυδιάστατη γραμμική δυναμική.



Θεώρημα: Κριτήρια τοπολογικής ταξινόμησης της γραμμικής δυναμικής.* 1.Οι γραμμικές δυναμικές των οποίων οι ιδιοτιμές έχουν θετικό πραγματικό μέρος είναι τοπολογικά ισοδύναμες με τη γραμμική δυναμική x x , 2x . 2.Οι γραμμικές δυναμικές των οποίων οι ιδιοτιμές έχουν αρνητικό πραγματικό μέρος είναι τοπολογικά ισοδύναμες με τη γραμμική δυναμική x x , 2x .

Τοπολογικά ισοδύναμες γραμμικές δυναμικές στο ευκλείδειο επίπεδο.

(Ιδιοτιμές με θετικό πραγματικό μέρος)

Τοπολογικά ισοδύναμες γραμμικές δυναμικές στο ευκλείδειο επίπεδο. (Ιδιοτιμές με αρνητικό πραγματικό μέρος)

Άσκηση 18. Αποφανθείτε για τη γραμμική και τοπολογική ισοδυναμία των εξελι-κτικών ροών της δυναμικής που ορίζεται από τα ακόλουθα συστήματα εξισώσεων και σχεδιάστε τις τροχιές τους στο ευκλείδειο επίπεδο:

1 1 2

2 1 2

x x x

x x x

1 1 2

2 1 2

x x x

x x x

1 1 2

2 1 2

x x x

x x x

1 1 2

2 1 2

x x x

x x x

Άσκηση 19. Αποφανθείτε για τη γραμμική και τοπολογική ισοδυναμία των εξελι-κτικών ροών της δυναμικής που ορίζεται από τα ακόλουθα συστήματα εξισώσεων και σχεδιάστε τις τροχιές τους στο ευκλείδειο επίπεδο:

[1] 1 2

2 1 2

x x

x x x

1 2

2 1 2

2

2

x x

x x x

[2] 1 1 2

2 1 2

2 2

2 2

x x x

x x x

1 1 2

2 1 24 4

x x x

x x x

[3] 1 2

2 1 2

x x

x x x

1 1 2

2 1 2

2 2

2 2

x x x

x x x

* Το κριτήριο αυτό ισχύει στους πολυδιάστατους ευκλείδειους χώρους και έχει γενικότερη διατύπωση. Η κατασκευή του ομοιομορφισμού που αποκαθιστά την τοπολογική ισοδυναμία βασίζεται στη χρήση της συνάρτησης Liapounov που διδάσκεται σε επόμενο επίπεδο του μαθήματος των Δυναμικών Συστημάτων.



Άσκηση 20. Διαπιστώστε ότι τα ακόλουθα γραμμικά συστήματα εξισώσεων παρότι έχουν ίδιες ιδιοτιμές δεν ορίζουν γραμμικά ισοδύναμες δυναμικές και εξετάστε το ενδεχόμενο τοπολογικής ισοδυναμίας τους:

1 1

2 2

x x

x x

1 1 2

2 2

x x x

x x

Άσκηση 21. Προσδιορίστε τις τιμές της παραμέτρου α στις οποίες η εξελικτική ροή του καθενός από τα ακόλουθα συστήματα εξισώσεων αλλάζει τοπολογικό τύπο:

[Ι] 1 1

2 2

x x

x x [ΙΙ]

1 2

2 1 .

x x

x x

Άσκηση 22. Για τις διάφορες τιμές των παραμέτρων a και b, αποφανθείτε για τη γραμμική και τοπολογική ισοδυναμία των αντίστοιχων εξελικτικών ροών της δυνα-μικής που ορίζεται στο ευκλείδειο επίπεδο από το ακόλουθο σύστημα εξισώσεων:

1 2

2 1 2

x x

x ax bx

Άσκηση 23. Ποιες είναι οι κλάσεις τοπολογικής ισοδυναμίας των εξελικτικών ροών των γραμμικών συστημάτων των οποίων οι τροχιές παρατίθενται στον ακόλουθο πί-νακα. Τι θα λέγατε για τον διαμερισμό τους σε κλάσεις γραμμικής ισοδυναμίας; Θα μπορούσατε, σε κάθε μια από αυτές τις περιπτώσεις να προσδιορίστε την αριθμητική

έκφραση του αντίστοιχου γραμμικού συστήματος διαφορικών εξισώσεων;



Άσκηση 24. Για τις διάφορες τιμές των παραμέτρων a και b, αποφανθείτε για τη γραμμική και τοπολογική ισοδυναμία, ή μη, της δυναμικής που ορίζεται στο ευκλεί-δειο επίπεδο από την εξίσωση x ax+bx με εκείνη που ορίζεται από την εξίσωση

x x ή την εξίσωση x x .*

Άσκηση 25. Αποδεχόμενοι ότι οι τροχιές που παρατίθενται στα ακόλουθα σχήματα διανύονται με ταχύτητες αρκετά ομαλές χωρίς απότομες μεταβολές κατά την εξέλιξη, μπορείτε να τις συμπληρώσετε και να εντοπίσετε αυτές που διέπονται από γραμμική δυναμική;

Άσκηση 26. Θα μπορούσατε να αποφανθείτε για το αν οι τροχιές που εμφανίζονται στα ακόλουθα σχήματα διέπονται από γραμμική δυναμική;

* Σε αυτό το σύστημα γραμμικών διαφορικών εξισώσεων 1ης τάξης ανάγεται κάθε γραμμική διαφορική εξίσωση 2ης τάξης με σταθερούς συντελεστές:

x a x bx .

Documents

ΜΑΘΗΜΑ 2: ΓΡΡΑΑΜΜΜΜΙΙΚΚΗΗ …spn/files/dif2.pdf11 2 21 2. yy y yy y Όμως, για τον υπολογισμό των λύσεων χρειάζεται να