Nelineární systémy. Fázové portréty Hezké příklady nelineárních systémů

Podobné dokumenty
Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Příklady k přednášce 26 Nelineární systémy a řízení

Nelineární systémy a teorie chaosu

I. část - úvod. Iva Petríková

Mechanické kmitání (oscilace)

Příklady k přednášce 26 Nelineární systémy a řízení

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Mnohé problémy analýzy dynamických systémů vedou k řešení diferenciální rovnice (4.1)

Dynamické systémy 4. Deterministický chaos. Ing. Jaroslav Jíra, CSc.

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Teoretická mechanika

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

1/15. Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Fyzika 6. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. témata / učivo. očekávané výstupy RVP. očekávané výstupy ŠVP

9.7. Vybrané aplikace

1 Modelování systémů 2. řádu

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Téma 13, Úvod do dynamiky stavebních konstrukcí dynamiky

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Integrální počet - II. část (další integrační postupy pro některé typy funkcí)

Téma: Dynamiky - Základní vztahy kmitání

Téma: Dynamika - Úvod do stavební dynamiky

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Nelineární systémy. 1 / Úvod

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Modelování a simulace Lukáš Otte

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

Fyzikální praktikum 1

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

Základy matematiky pro FEK

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

Mechanické kmitání a vlnění

Úvod do chaotické dynamiky

Moderní numerické metody

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Pracovní list: Opakování učiva sedmého ročníku. Fyzikální veličiny. Fyzikální jednotky. Fyzikální zákony. Vzorce pro výpočty

Tlumené a vynucené kmity

0.1 Obyčejné diferenciální rovnice prvního řádu

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Matematika 1 pro PEF PaE

Skládání kmitů

26 Nelineární systémy a řízení

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Mechanika úvodní přednáška

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

Management rekreace a sportu. 10. Derivace

Řešení diferenciálních rovnic v MATLABu

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Singulární charakter klasické limity

ekologie Pavel Fibich rovnice rovnice Pavel Fibich Shrnutí Literatura

KMS cvičení 6. Ondřej Marek

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela řešení nelineárních obvodů

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Úvod do analytické mechaniky

Přednášky z předmětu Aplikovaná matematika, rok 2012

Laboratorní úloha č. 3 - Kmity I

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Experimentální dynamika (motivace, poslání, cíle)

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Fyzika - Sexta, 2. ročník

II. 3. Speciální integrační metody

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

Energie, její formy a měření

Lorenzův atraktor. MM semestrální práce. Jméno a příjmení: Pavel Martínek Osobní číslo: A08N0203P. Datum odevzdání: 12.2.

Vlnění. vlnění kmitavý pohyb částic se šíří prostředím. přenos energie bez přenosu látky. druhy vlnění: 1. a. mechanické vlnění (v hmotném prostředí)

+ ω y = 0 pohybová rovnice tlumených kmitů. r dr dt. B m. k m. Tlumené kmity

Parciální diferenciální rovnice

Obsah. Gain scheduling. Obsah. Linearizace

Průhyb ocelového nosníku. Nezatížený a rovnoměrně zatížený nosník

Odpružená sedačka. Petr Školník, Michal Menkina. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Úvod do chaotické dynamiky

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Příklady k přednášce 1. Úvod

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

Kmitání mechanického oscilátoru Mechanické vlnění Zvukové vlnění

KMA/MM. Lotka-Volterra Model Predátor Kořist

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Transkript:

Nelineární systémy Fázové portréty Hezké příklady nelineárních systémů

Numerická konstrukce fázových portrétů Pro numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic existuje mnoho programů Můžeme je použít ke kreslení fázových portrétů Několik praktických rad, jak nakreslit hezké portréty (další rady v literatuře) Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 2

Výpočet trajektorie Trajektorii (řešení) rovnice x = f( x), která prochází bodem x0 najdeme tak, že 1. řešíme rovnici x = f( x) z bodu x(0) = x0 kupředu, tj. v rostoucím (kladném) čase 2. řešíme rovnici x = f( x) z bodu x(0) = x0 dozadu, tj. v klesajícím (záporném) čase a to tak, že v kladném (normálním) čase řešíme rovnici x = f( x), x(0) = x Platí totiž dx( t) dx( t) dx( t) x = = f( x( t)) = f( x( t)) = f( x( t)) dt d( t) d() t 0 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 3

Příklad Rovnice řešíme dopředu a dozadu x x = e, x(0) = 2 x x = e, x(0) = 2 x( t) = ln( t+ e ) x x = e, x(0) = 2 x( t) = ln( t + e ) 2 2 fwd=dsolve('dx=exp(x)','x(0)=-2'), ezplot(fwd), hold on fwd = -log(-t+exp(2)) bwd=dsolve('dx=-exp(x)','x(0)=-2'),ezplot(bwd) bwd = -log(t+exp(2)) Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 4

Použití pro fázový portrét Fázový portrét systému kreslíme takto: 1. vyberme jeden bod trajektorie 2. část trajektorie, vycházející z tohoto bodu ( dopředu ) vypočteme integrací rovnic s počátečními podmínkami 3. část trajektorie, končící v tomto bodě ( dozadu ) vypočteme integrací rovnic s počátečními podmínkami x 1 = f1( x1, x2) x = f ( x, x ) 2 2 1 2 [ x, x ] P P 1 2 x 1 = f1( x1, x2) x = f ( x, x ) 2 2 1 2 x (0) = x, x (0) = x P P 1 1 2 2 x 1 = f1( x1, x2) x = f ( x, x ) 2 2 1 2 x (0) = x, x (0) = x P P 1 1 2 2 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 5

Další důležité věci Uvedený postup je jedinou možností, jak dostat hezký portrét v okolí nestabilních uzlů, nestabilních ohnisek nestabilních cyklů Důležitou věcí je také správně zvolit rozsahy: aby portrét obsahoval všechny zajímavé jevy všechna ekvilibria a aby v něm všude integrační metoda fungovala když toho dopředu moc nevíme, postupujeme iteračně Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 6

Přehled Příklady nelineárních systémů Tlumené kyvadlo podle Newtona Oscilátor podle Van der Pola Nosník podle Eulera Klarinet a housle podle Reyleigho Dravci a oběti podle Volterry Tunelová dioda Vítr DW oscilátor Adaptivně řízený systém další příklady Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 7

Tlumené kyvadlo podle Newtona Isaac Newton Rovnice Simulink Fázový portrét

Sir Isaac Newton 1643 1727 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 9

Isaac Newton Newton [njútn], sir Isaac, * 4. 1. 1643, 31. 3. 1727, anglický fyzik, matematik a astronom; člen, v letech 1703 27 předseda Královské spol. v Londýně. Roku 1705 povýšen do šlechtického stavu. Zakladatel klasické mechaniky. Objevil gravitační zákon, podílel se (souběžně s G. W. Leibnizem) na vytvoření infinitezimálního počtu. Prováděl optické výzkumy, objasnil rozklad světla, zkonstruoval zrcadlový dalekohled. Zabýval se též alchymií. V díle Philosophiae naturalis principia mathematica (Matematické základy přírodovědy) formuloval tři základní zákony dynamiky (dnes nazývány Newtonovy). Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 10

Tlumené kyvadlo - rovnice Pohybová rovnice v tečném směru ml ϕ = mg sinϕ kl ϕ Pro stavové proměnné x dostaneme model = ϕ, x = ϕ 1 2 Podobné rovnice: synchronní generátor připojený na nekonečné vedení Josephsonovy obvody x = x 1 2 k g x 2 = x2 sin( x1) m l Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 11

Tlumené kyvadlo - Simulink Model v Simulinku pend_damp x = π, x = 0 1 2 cokoli jiného Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 12

Tlumené kyvadlo - fázový portrét fázový portrét tlumeného kyvadla demoph2 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 13

Oscilátor podle van der Pola Balthasar van der Pol Oscilátor Fázový portrét

Balthasar van der Pol Balthasar van der Pol, 1889-195918 Holandský elektroinženýr. Jako jeden z prvních studoval experimentálně dynamiku v laboratoři v dvacátých a třicátých letech. Zkoumal elektrické obvody s vakuovými lampami a objevil, že mohou mít stabilní oscilace, dnes nazývané limitní cykly. V rovce 1927 publikoval (s kolegou van der Markem) v Nature článek o nepravidelném šumu, který pozoroval pro některé budící frekvence. Z rekonstrukce jeho pokusí dnes víme, že objevil deterministický chaos. Sestrojil mnoho elektronkových modelů lidského srdce a na nich studoval jeho dynamiku. Zkoumal vliv buzení analogický vlivu kardiostimulátoru. Snažil se najít způsob, jak stabilizovat srdeční arytmie. Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 15

Oscilátor RLC obvod s lineárními L, C a nelineárním rezistorem s kubickou charakteristikou i = αvv 2 ( 1) Pro stavy x = i, x = v 1 L 2 jsou stavové rovnice 1 x 1 = x2 L 1 x 2 = x1+ x2 x2 C C ( 2 α ( 1) ) Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 16

Oscilátor - fázový portrét Fázový portrét pro L = C = 1 demophvanderpol nestabilní ekvilibrium triviální řešení limitní cyklus periodické řešení Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 17

Nosník podle Eulera Leonard Euler Rovnice Netlumený nosník Malé zatížení Větší zatížení Ekvilbria Bifurkace Tlumený nosník

Leonard Euler 1707 1783 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 19

Leonard Euler Euler [ojlr] Leonhard * 15. 4. 1707, 18. 9. 1783, švýcarský matematik, fyzik a astronom. Působil v Petrohradě a v Berlíně. Napsal řadu učebnic matematiky. Pracoval v teorii čísel a integrálů; zabýval se diferenciálními rovnicemi, variačním počtem, exponenciálními a goniometrickými funkcemi i úlohami geometrickou tematikou. Známá je např. Eulerova hypotéza (později přesně dokázaná), že tzv. úloha o 36 důstojnících nemá řešení. Pro geofyziku má význam zejména jeho studie rotace tuhého tělesa. Viz též Eulerova perioda. Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 20

Ohnutý nosník rovnice Pohybová rovnice ve směru x mx dx x x x 3 + µ + λ + = 0 tlumení zatížení pružná síla v nosníku dostaneme model Pro stavové proměnné x = x 1 2 x = x, x = x 1 2 d µ λ 1 x = x + x x m m m 3 2 2 1 1 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 21

Nosník netlumený - malé zatížení Pro malé zatížení µ < λ se nosník stlačí, ale neprohne demophbuckledbeam1eq d = 0 Hamiltonovský systém Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 22

Nosník netlumený - větší zatížení Pro velké zatížení µ > λ se nosník prohne demophbuckledbeam2eq d = 0 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 23

Ohnutý nosník - ekvilibria x = x 1 2 d µ λ 1 x = x + x x m m m 3 2 2 1 1 x = 0, x = 0 2 1 x = 0, x = µ λ 2 2 1 0 = x 2 0 = dx + ( µ λ) x x 3 2 1 1 µ λ: x = x = 0 1 2 µ > λ : x = 0, ± µ λ; x = 0 1 2 1 ekvilibrium 3 ekvilibria Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 24

Nosník - Bifurkace Přechod mezi neohnutým a ohnutými stavy µ < λ µ = λ Bifurkace µ > λ Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 25

Nosník - tlumený d = 0.3 λ = 1 µ = 0.8 demophbuckledbeam1eqdumped není Hamiltonovský Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 26

Nosník tlumený, větší zatížení d = 0.3 λ = 1 µ = 3 demophbuckledbeam2eqdumped Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 27

Klarinet a housle podle Rayleigho Baron Rayleigh Zvuk hudebních nástrojů Foukání na klarinet Vliv parametrů Smyčec a housle Fázový portrét

Zimní John semestr 2006 William SRI Rayleigh, M. Šebek FEL ČVUT 1842 1919 29

Baron Rayleigh Rayleigh [rejli] John William, baron, 12. 11. 1842, 30. 6. 1919, britský fyzik; profesor na univerzitě v Cambridgi. 1879 84 ředitel Cavendishovy laboratoře, člen a 1905 08 ředitel Královské společnosti v Londýně. Zabýval se optikou, akustikou a elektromagnetismem, objevil (spolu s W. Ramsayem ) argon a zákon o záření absolutně černého tělesa. Rayleighovy výzkumy přispěly k rozšíření fyzikálních znalostí o stavu hmoty. Nobelova cena v roce 1904 za výzkumy o hustotě nejdůležitějších plynů a za objev argonu. Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 30

Teorie zvuku hudebních nástrojů J. W. Rayleigh: The Theory of Sound: Vols. I and II. Dover (1945 edition), 1887. Rayleigh rozlišuje dva druhy hudebních nástrojů: perkusní (bicí) : bubny, kytary, piána modeluje tlumenými oscilacemi, jednoduchá dynamika vlastně jen přechod do ustáleného stavu udržované : smyčcové a dechové moduluje udržovanými oscilacemi = uzavřenými orbity Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 31

Foukání na klarinet podle Rayleigho Rayleigh popisuje jazýček klarinetu jako lineární oscilátor x + kx = 0 a efekt klarinetistova foukání členem αx β αβ> 3 ( x),, 0 na pravé straně (záporné tlumení pro malé Tedy celkem x αx + β x + kx = 3 ( ) 0 x a kladné pro velké). nebo x = x 1 2 x = αx βx kx 3 2 2 2 1 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 32

Klarinet - fázový portrét Fázový portrét demophclarinet Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 33

Klarinet Vliv parametrů na zvuk α = β = k = 1 tužší jazýček (tužší pružina, větší k) αβ=, 1, k = 3 bohatší tón tvrdší foukání (širší charakteristika tření, menší β ) α, k = 1, β = 0.5 hlasitější zvuk demophclarinet,demophclarinet2,demophclarinet3 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 34

Smyčec a houslová struna Rayleigh navrhl model analogický systému hmotnost-pružina položenému na pásovém dopravníku s konstantní rychlostí struna bez smyčce ~ hmotnost-pružina použití smyčce ~ tření mezi pásem a tělesem Tedy celkem nebo stavově x mx + kx + f ( x b) = 0 = x 1 2 k 1 x 2 = x1 f( x2 b) m m Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 35

Smyčec a struna - fázový portrét limitní cyklus - asi špatně kreslí? demophbowingstring Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 36

Dravci a oběti podle Volterry Vito Volterra Dravec a oběť Omezený růst Soutěžící populace

Vito Volterra 1860-1940 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 38

Vito Volterra Vito Volterra, 1860-1940 Volterra publikoval články o parciálních diferenciálních rovnicích, zejména o rovnicích cylindrických vln. Nejslavnější je jeho práce o integrálních rovnicích, zejména o té, které se dnes říká Volterrova integrální rovnice. Další info na: www-history.mcs.standrews.ac.uk/history/ Mathematicians/Volterra.html Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 39

Dravec a oběť Hrabě Vito Volterra: Model vývoje dvou populací v Jaderském moři: oběť x dravec y x = ax bxy y = cxy dy abcd,,,, xy>, 0 Model je velmi zjednodušený. Možno přidat např. omezený růst (o. bez d. a d. s o.) kvůli sociálním faktorům x = ( a by λ x) x y = ( cx d µ y) y abcdλµ>,,,,, 0 soutěžící druhy (každý druh jí ten druhý) x = ax bxy y = dy cxy Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 40

Dravec a oběť dravci další kvadranty nemají fyzikální smysl x e = (0,0);(1,1); oběti Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 41

Dravec a oběť s omezeným růstem dravci x e = (0,0);(1,0); (0, 1) oběti Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 42

Soutěžící populace druh 2 x e = (0,0);(1,1); druh1 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 43

Obvod s tunelovou diodou RLC obvod s tunelovou diodou i C = dv C dt c v L = di L dt L i R = hv ( ) R 1 x 1 = ( hx ( 1) + x2) C 1 x 2 = x1+ Rx2 + u L ( ) Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 44

Charakteristika tunelové diody Polynomiální charakteristika i = hv ( ) 2 3 4 5 R = R R + R R + R hv ( ) 17.76v 103.79v 229.62v 226.31v 83.72v R R až 3 rovnovážné stavy podle zátěže Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 45

Fázový portrét x=0:.01:1;plot(x,tunneldiode(x)) demophtunnel ir [ ma] vr [ V] Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 46

Počet rovnovážných stavů Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 47

Vítr podle Oscilace vynucené větrem

Systém s oscilacemi vynucenými větrem Sastry, s. 342 x = µ x µ x + xx 1 1 1 2 2 1 2 1 2 2 x 2= µ 2x1 µ 1x2+ ( x1 + x2 ) 2 tlumení rozladění µ = 0 1 µ = 1 2 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 49

Vítr případ µ = 0 1 µ = 1 2 limitní cykly (heteroklinické orbity) x e = (-2,0),(0, 0) Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 50

Vítr případ µ 1 = µ 2 = 1 x e = (-2.383,0.704),(0, 0) Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 51

Double Well oscilátor Rovnice Vliv buzení Chaos Citlivost na počáteční podmínky Poincarého řez Bifurkace

Double Well oscilátor magneto-elastický mechanický systém v klidu má 2 ustálené stavy periodická budící síla popsán Duffingovou rovnicí b F ω 3 x + bx x + x = F t tlumení amplituda budící síly budící frekvence cos( ω ) x = x 1 2 3 2 = 2 + 1 1 + cos( ω ) x bx x x F t Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 53

DW Oscilátor - bez buzení Bez buzeni b = 0.05 F = 0 ω = 1 double well = dvojitá jáma x = 0, ± 1 e Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 54

DW Oscilátor = = = = = x = 0, ± 1 Bez buzeni b 0.05, F 0, ω 1 ( x1(0) 1.5, x2(0) 1) DWoscilatorMS e Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 55

DW Oscilátor - malé buzení Malé buzeni b = 0.25 F == 0.22 ω 1 2 stabilní limitní cykly Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 56

DW Oscilátor Malé buzeni b= 0.25, F = 0.22, ω = 1 ( x1(0) = 1, x2(0) = 0) DWoscilatorMS Stabilní limitní cyklus je tam ještě jeden Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 57

DW Oscilátor - větší buzení Větší buzeni přechodný chaos b = 0.25 F == 0.245 ω 1 jako dříve 2 stabilní limitní cykly ale přechodový jev je chaotický při malé změně počát. podmínek může skončit na druhé straně hranice oblastí počátečních podmínek vedoucích k jednotlivým cyklům jsou složité: mají fraktální charakter Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 58

DW Oscilátor Větší buzeni b= 0.25, F = 0.245, ω = 1 ( x1(0) 1, x2(0) = 0) x 1 (0) = 0.985 x 1(0) = 1 x 1 (0) = 1.01 x 1(0) = 1.02 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 59

DW Oscilátor Ještě větší buzeni - chaos b = 0.25 F == 0.4 ω 1 chaotické chování Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 60

DW Oscilátor Ještě větší buzeni b= 0.25, F = 0.4, ω = 1 ( x1(0) = 1, x2(0) = 0) Chaos Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 61

DW Při dalším zvětšování buzení se chování zase mění Např. pro F = 0.5 se zdá být zase limitní cyklus obdobně při změnách dalších parametrů zkuste sami b= 0.15, F = 0.3, ω = 1 Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 62

DW Citlivost na počáteční podmínky Co to znamená velká citlivost na počáteční podmínky? Jak se rozpliznou blízké počáteční stavy po 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 a 4.0 cyklech délky 2*pi Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 63

DW Citlivost na počáteční podmínky A takhle to vypadá po 25 cyklech: Poznámka: Výpočet těchto 25 cyklů při 200 krocích integrace v cyklu pro 40000 počátečních podmínek trval přes 7 hodin na rychlém počítači s 9000 mips! Poznáte, kde to začalo? www.apmaths.uwo.ca/ ~bfraser/ Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 64

DW další zajímavý obrázek: extrém vs. extrém extrém v kroku i Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 65

DW Poincarého řezy Přidáme-li jako třetí rozměr velikost budící síly, dostaneme třírozměrný fázový portrét. Jeho dvourozměrný řez (třeba pro sílu f = Fcos(2 π n) = F ) odhalí, že to je (3-D) podivný atraktor. je překvapivé že po 2pi skáče po tak hezké křivce (srovnej obr Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 66

I zde jsou bifurkace b= 1, F [1.0,1.1], ω = 1 animace bifurkací Zimní semestr 2006 SRI M. Šebek FEL ČVUT 67