Autor Tema: Punto de equilibrio que atrae todas las órbitas y no es asintóticamente estable.

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02 Julio, 2023, 11:11 pm
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S.S

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Hola a todos.

Estoy estudiando el siguiente sistema de ecuaciones:

                              \( \dot{x}= x-rx-ry+xy \)
                              \( \dot{y}= y-ry+rx-x^{2} \)


La idea del ejercicio es probar que todas las orbitas convergen al punto \( (1,0) \) que es un punto de equilibrio. Este sistema en coordenadas polares es \( \dot{r}=r(1-r) \) y \( \dot{\theta}=r(1-\cos\theta) \). Mas no sé como probar que todas las trajectorias convergen a este punto, alguna sugerencia.

Gracias de antemano.


03 Julio, 2023, 01:54 pm
Respuesta #1

electron

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Hola

Un camino es resolver las ecuaciones diferenciales.

La primera: \( \dot{r}=r(1-r) \) tiene como solución \( r(t)=\displaystyle\frac{e^t}{e^t+e^{c_1}} \).

Ahora incorporamos este resultado a la segunda: \( \dot{\theta}=\displaystyle\frac{e^t}{e^t+e^{c_1}}(1-cos\theta) \) y la solución es \( \theta(t)=2arccotg[c_2-ln(e^t+e^{c_1})] \).

Para saber si las coordenadas \( (r(t),\theta(t)) \) convergen a un cierto punto, hacemos el tiempo muy grande:

\( \displaystyle\lim_{t \to{+}\infty}{\displaystyle\frac{e^t}{e^t+e^{c_1}}}=1 \)

\( \displaystyle\lim_{t \to{+}\infty}{2arccotg[c_2-ln(e^t+e^{c_1})]}=0 \)

Es decir, el móvil se aproxima a un lugar con radio \( r=1 \) y ángulo \( \theta=0 \), es decir, al punto \( (1,0) \).



Edito y añado:

Hay otra forma interesante que consiste en combinar ambas ecuaciones:

\( \displaystyle\frac{dr}{dt}=\displaystyle\frac{dr}{d\theta}\displaystyle\frac{d\theta}{dt} \) (esto es la regla de la cadena "a lo físico style")

\( r(1-r)=\displaystyle\frac{dr}{d\theta}r(1-cos\theta) \)

\( \displaystyle\frac{dr}{1-r}=\displaystyle\frac{d\theta}{1-cos\theta} \)

La solución es \( r(\theta)=1+c·e^{cotg(\theta/2)} \) y \( \displaystyle\lim_{\theta \to{0^-}}{1+c·e^{cotg(\theta/2)}}=1 \).



Saludos

04 Julio, 2023, 08:06 pm
Respuesta #2

S.S

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Hola electron.

Muchas gracias por la respuesta , quedo super claro. Viendo un texto se me sugirió usar el Teorema de poincare-Bendixson, es otra forma, mas quedo legal la forma que usted lo hizó. De nuevo muchas gracias.