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Introducci´ on Avances El Mapeo de Poicar´ e Perturbaciones a la Ecuaci´ on de Li´ enard Manuel Fidel Dom´ ınguez Azueta Director de tesis: Dr. Gamaliel Bl´ e Gonz´ alez DACB - UJAT Presentaci´ on de Avance de Tesis Universidad Ju´ arez Aut´ onoma de Tabasco DACB Cunduacan Tabasco, Diciembre 14 de 2012 M.F.D.A. Perturbaciones a la Ecuaci´ on de Li´ enard

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IntroduccionAvances

El Mapeo de Poicare

Perturbaciones a la Ecuacion de Lienard

Manuel Fidel Domınguez AzuetaDirector de tesis:

Dr. Gamaliel Ble GonzalezDACB - UJAT

Presentacion de Avance de TesisUniversidad Juarez Autonoma de Tabasco

DACBCunduacan Tabasco, Diciembre 14 de 2012

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El Mapeo de Poicare

Introduccion

Version Simplificada

En 1998 se publico una lista de 18 problemas, propuestos por S.Smale. El problema 13 de esa lista es una version simplificada delproblema 16 de Hilbert aplicado a la ecuacion de Lienard

x =y − f (x),

y =− x ,(1)

donde f es un polinomio y f (0) = 0. El problema es dar una cotapara el numero de ciclos lımites en terminos del grado de f .

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Introduccion

Version Simplificada

En 1998 se publico una lista de 18 problemas, propuestos por S.Smale. El problema 13 de esa lista es una version simplificada delproblema 16 de Hilbert aplicado a la ecuacion de Lienard

x =y − f (x),

y =− x ,(1)

donde f es un polinomio y f (0) = 0. El problema es dar una cotapara el numero de ciclos lımites en terminos del grado de f .

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Introduccion

La conjetura a la pregunta de Smale es que el numero de cicloslımites esta acotado por la cota propuesta por Lins, de Melo, yPugh [1] en (1). La cual es

[n−1

2

].

En este trabajo se analiza el progreso que se ha tenido entorno aesta conjetura. En particular consideraremos diferentesperturbaciones de la ecuacion (1) con el fin de encontrar unanueva cota.

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Introduccion

La conjetura a la pregunta de Smale es que el numero de cicloslımites esta acotado por la cota propuesta por Lins, de Melo, yPugh [1] en (1). La cual es

[n−1

2

].

En este trabajo se analiza el progreso que se ha tenido entorno aesta conjetura. En particular consideraremos diferentesperturbaciones de la ecuacion (1) con el fin de encontrar unanueva cota.

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Ecuacion de Lienard

Conjentura de A. Lins, W. de Melo y C. C. Puhg (1977)

El numero de ciclos limites de (1) esta acotado por[

n−12

]Avances

1 Lins, Melo y Puhg, lo probaron para n=3.

2 F. Dumortier, D. Panazzolo y R. Roussarie (2007), mostraronque la conjetura es falsa para n = 7 y para n > 7 impar.

3 P. De Maesschalck y F. Dumortier (2011), mostraron que laconjetura es falsa para n ≥ 6.

4 C. Li y J. Llibre (2012) mostraron que la conjetura es validapara n = 4.

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Conjentura de A. Lins, W. de Melo y C. C. Puhg (1977)

El numero de ciclos limites de (1) esta acotado por[

n−12

]Avances

1 Lins, Melo y Puhg, lo probaron para n=3.

2 F. Dumortier, D. Panazzolo y R. Roussarie (2007), mostraronque la conjetura es falsa para n = 7 y para n > 7 impar.

3 P. De Maesschalck y F. Dumortier (2011), mostraron que laconjetura es falsa para n ≥ 6.

4 C. Li y J. Llibre (2012) mostraron que la conjetura es validapara n = 4.

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Conjentura de A. Lins, W. de Melo y C. C. Puhg (1977)

El numero de ciclos limites de (1) esta acotado por[

n−12

]Avances

1 Lins, Melo y Puhg, lo probaron para n=3.

2 F. Dumortier, D. Panazzolo y R. Roussarie (2007), mostraronque la conjetura es falsa para n = 7 y para n > 7 impar.

3 P. De Maesschalck y F. Dumortier (2011), mostraron que laconjetura es falsa para n ≥ 6.

4 C. Li y J. Llibre (2012) mostraron que la conjetura es validapara n = 4.

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Conjentura de A. Lins, W. de Melo y C. C. Puhg (1977)

El numero de ciclos limites de (1) esta acotado por[

n−12

]Avances

1 Lins, Melo y Puhg, lo probaron para n=3.

2 F. Dumortier, D. Panazzolo y R. Roussarie (2007), mostraronque la conjetura es falsa para n = 7 y para n > 7 impar.

3 P. De Maesschalck y F. Dumortier (2011), mostraron que laconjetura es falsa para n ≥ 6.

4 C. Li y J. Llibre (2012) mostraron que la conjetura es validapara n = 4.

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Conjentura de A. Lins, W. de Melo y C. C. Puhg (1977)

El numero de ciclos limites de (1) esta acotado por[

n−12

]Avances

1 Lins, Melo y Puhg, lo probaron para n=3.

2 F. Dumortier, D. Panazzolo y R. Roussarie (2007), mostraronque la conjetura es falsa para n = 7 y para n > 7 impar.

3 P. De Maesschalck y F. Dumortier (2011), mostraron que laconjetura es falsa para n ≥ 6.

4 C. Li y J. Llibre (2012) mostraron que la conjetura es validapara n = 4.

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Ecuacion de Lienard

Conjentura de A. Lins, W. de Melo y C. C. Puhg (1977)

El numero de ciclos limites de (1) esta acotado por[

n−12

]Avances

1 Lins, Melo y Puhg, lo probaron para n=3.

2 F. Dumortier, D. Panazzolo y R. Roussarie (2007), mostraronque la conjetura es falsa para n = 7 y para n > 7 impar.

3 P. De Maesschalck y F. Dumortier (2011), mostraron que laconjetura es falsa para n ≥ 6.

4 C. Li y J. Llibre (2012) mostraron que la conjetura es validapara n = 4.

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Sistema de Lienard

Resultados Basicos Analizados

1 Teorıa Local de Sistemas Dinamicos.

2 Teorıa Global de Sistemas Dinamicos.

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Sistema de Lienard

Resultados Basicos Analizados

1 Teorıa Local de Sistemas Dinamicos.

2 Teorıa Global de Sistemas Dinamicos.

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Sistema de Lienard

Resultados Basicos Analizados

1 Teorıa Local de Sistemas Dinamicos.

2 Teorıa Global de Sistemas Dinamicos.

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Orbita periodica

Definicion

Una orbita periodica Γ del sistema

x = f (x), (2)

es cualquier curva cerrada solucion del sistema (2) que no es unpunto de equilibrio del sistema (2).

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Trayectorias.

SeaΓx0 = {x ∈ E |x = φt(x0), t ∈ R}

Γ+x0

= {x ∈ E |x = φt(x0), t ≥ 0}

Γ−x0= {x ∈ E |x = φt(x0), t ≤ 0}

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Trayectorias.

SeaΓx0 = {x ∈ E |x = φt(x0), t ∈ R}

Γ+x0

= {x ∈ E |x = φt(x0), t ≥ 0}

Γ−x0= {x ∈ E |x = φt(x0), t ≤ 0}

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Trayectorias.

SeaΓx0 = {x ∈ E |x = φt(x0), t ∈ R}

Γ+x0

= {x ∈ E |x = φt(x0), t ≥ 0}

Γ−x0= {x ∈ E |x = φt(x0), t ≤ 0}

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El α y el ω lımite.

Definicion

p ∈ E esta en el ω− lımite de Γx0 si existe tn −→∞ tal que limn−→∞φtn (x0) = p.

Definicion

q ∈ E esta en el α− lımite de Γx0 si existe tn −→ −∞ tal que limn−→∞φtn (x0) = q.

Conjutos α y ω lımite.

El conjunto de todos los puntos

ω(Γx0 ) = {p ∈ E | p es ω − l ımite de Γx0}

es el conjunto ω− lımite.El conjunto de todos los puntos

α(Γx0 ) = {q ∈ E | q es α− l ımite de αx0}

es el conjunto α− lımite.

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El α y el ω lımite.

Definicion

p ∈ E esta en el ω− lımite de Γx0 si existe tn −→∞ tal que limn−→∞φtn (x0) = p.

Definicion

q ∈ E esta en el α− lımite de Γx0 si existe tn −→ −∞ tal que limn−→∞φtn (x0) = q.

Conjutos α y ω lımite.

El conjunto de todos los puntos

ω(Γx0 ) = {p ∈ E | p es ω − l ımite de Γx0}

es el conjunto ω− lımite.El conjunto de todos los puntos

α(Γx0 ) = {q ∈ E | q es α− l ımite de αx0}

es el conjunto α− lımite.

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El α y el ω lımite.

Definicion

p ∈ E esta en el ω− lımite de Γx0 si existe tn −→∞ tal que limn−→∞φtn (x0) = p.

Definicion

q ∈ E esta en el α− lımite de Γx0 si existe tn −→ −∞ tal que limn−→∞φtn (x0) = q.

Conjutos α y ω lımite.

El conjunto de todos los puntos

ω(Γx0 ) = {p ∈ E | p es ω − l ımite de Γx0}

es el conjunto ω− lımite.El conjunto de todos los puntos

α(Γx0 ) = {q ∈ E | q es α− l ımite de αx0}

es el conjunto α− lımite.

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Ciclo lımite.

Definicion

Un ciclo lımite Γ de un sistema planar es una orbita periodica de(2) el cual es el α u ω− lımite de alguna trayectoria de (2) que nosea Γ.

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Ciclos lımites

Figura: Cıclos lımite a) Estable b) Inestable c) Semi estable.

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

Una de las herramientas basicas para el estudio de la estabilidad y

bifurcaciones de las orbitas periodicas es la transformacion de Poincare o

mapeo de primer retorno, definida por Henri Poincare en 1881.

La idea de la transformacion de Poincare es: Si Γ es una orbita periodicadel sistema

x = f (x) (3)

a traves del punto x0 y Σ es un hiperplano perpendicular a Γ en x0,

entonces para cualquier punto x ∈ Σ suficientemente cerca de x0, la

solucion de (3) a traves de x en t = 0, φt(x), cruzara Σ de nuevo en un

punto P(x) cerca de x0. Figura. La aplicacion x −→ P(x) se llama la

transformacion de Poincare.

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

Una de las herramientas basicas para el estudio de la estabilidad y

bifurcaciones de las orbitas periodicas es la transformacion de Poincare o

mapeo de primer retorno, definida por Henri Poincare en 1881.

La idea de la transformacion de Poincare es: Si Γ es una orbita periodicadel sistema

x = f (x) (3)

a traves del punto x0 y Σ es un hiperplano perpendicular a Γ en x0,

entonces para cualquier punto x ∈ Σ suficientemente cerca de x0, la

solucion de (3) a traves de x en t = 0, φt(x), cruzara Σ de nuevo en un

punto P(x) cerca de x0. Figura. La aplicacion x −→ P(x) se llama la

transformacion de Poincare.

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El mapeo de Poincare

Figura: La aplicacion de Poincare.

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El mapeo de Poincare

Teorema 1

Sea E un subconjunto abierto de Rn y sea f ∈ C 1(E ). Supongamos queφt(x0) es una solucion periodica de (3) de periodo T y que el ciclo

Γ = {x ∈ Rn|x = φt(x0), 0 ≤ t ≤ T}

se encuentra en E . Sea Σ el hiperplano ortogonal a Γ en x0; es decir, que

Σ = {x ∈ Rn|(x − x0) · f (x0) = 0} .

Existe un δ > 0 y una unica funcion τ(x), definida y continuamentediferenciable para x ∈ Vδ(x0), tal que τ(x0) = T y

φτ(x)(x) ∈ Σ

para todo x ∈ Vδ(x0).

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

Definicion

Sea Γ, Σ, δ y τ(x) que se define como en el Teorema 1. Entonces,para x ∈ Vδ(x0) ∩ Σ, la funcion

P(x) = φτ(x)(x)

se llama la transformacion de Poincare para Γ en x0.

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

Ejemplo 1

El sistema

x = −y + x(1− x2 − y 2) (4)

y = x + y(1− x2 − y 2)

tiene un ciclo lımite Γ que es representado por γ = (cos(t), sen(t))T ′. Si

hacemos la transformacion a coordenadas polares al sistema (4), tenemos

r = r(1− r 2) (5)

θ = 1

cuando r = 1 tenemos una orbita periodica que es representado por

Γ = (cos(t), sen(t))T ′.

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

Figura: El mapeo de Poincare para el sistema en el Ejemplo 1.

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El mapeo de Poincare

El mapeo de Poincare para Γ se puede encontrar por la solucion delsistema escrito en coordenadas polares con la condicion inicial r(0) = r0 yθ(0) = θ0. La primera ecuacion se puede resolver como un ecuaciondiferencial separable. La solucion es propuesta por

r(t, r0) =

[1 +

(1

r 20

− 1

)e−2t

]1/2

yθ(t, θ0) = t + θ0.

Si Σ la recta θ = θ0 a traves del origen, entonces Σ es perpendicular a Γ

y la trayectoria a traves del punto (r0, θ0) ∈ Σ ∩ Γ en t = 0 intersecta el

rayo en θ = θ0 nuevamente en el instante t = 2π. Donde el tiempo para

la orbita periodica es T = 2π. Entonces τ(x) = 2π. Figura .

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

De ello se desprende que la transformacion de Poincare espropuesta por

P(r0) = r(2π, r0) =

[1 +

(1

r 20

− 1

)e−4π

]1/2

.

Claramente P(1) = 1 correspondiente al ciclo Γ y se ve que

P′(r0) = e−4πr−3

0

[1 +

(1

r 20

− 1

)e−4π

]−3/2

y que P ′(1) = e−4π < 1.

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El mapeo de Poincare

Teorema 2

Sea E un subconjunto abierto de R2 y supongamos quef ∈ C 1(E ). Sea γ(t) una solucion periodica de (3) de periodo T .Entonces la derivada del mapeo de Poincare P(s) a lo largo de lalınea recta Σ normal a Γ =

{x ∈ R2|x = γ(t)− γ(0), 0 ≤ t ≤ T

}en x = 0 esta dada por

P ′(0) = exp

∫ T

0∇ · f (γ(t))dt.

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El Mapeo de Poicare

El mapeo de Poincare

Corolario

Bajo las hipotesis del Teorema 1, la solucion periodica de γ(t) esun ciclo lımite estable si∫ T

0∇ · f (γ(t))dt < 0

y es un ciclo lımite inestable si∫ T

0∇ · f (γ(t))dt > 0.

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El mapeo de Poincare

Ejemplo

Para el ejemplo 1 tenemos γ(t) = (cos(t), sen(t))T ,∇ · f (x , y) = 2− 4x2 − 4y 2 y∫ 2x

05 · f (γ(t))dt =

∫ 2π

0(2− 4 cos2 t − 4 sen2 t)dt = −4π.

Por lo tanto, con s = r − 1, se sigue del Teorema 2, que

P ′(0) = e−4π

que concuerda con el resultado encontrado en el ejemplo anteriorpor calculo directo. Puesto que P ′(0) < 1, el ciclo γ(t) es un ciclolımite estable en este ejemplo.

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El Mapeo de Poicare

Bibliografia

Perko, L. (2000). Differential Equations and DynamicalSystems, Third Edition, Springer, New York.

J. Alavez, G. Ble, J.Llibre y J. Lopez (2011); On the maximumnumber of limit cycles of a class of generalized Lienarddifferential systems. Aceptado en el International Journal ofBifurcation and Chaos, 21.

Y. Ilyashenko (2002). Centennial history of Hilbert’s 16thproblem,Bull. Amer. Math. Soc. 39, 301-354.

J. Llibre, A.C. Mereu y M.A. Teixeira (2009). Limit cycles ofthe generalized Lienard differential equations. Math. Proceed.Camb. Phyl. Soc. 148, 363-383.

M.F.D.A. Perturbaciones a la Ecuacion de Lienard

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J. Llibre, A.C. Mereu y M.A. Teixeira (2009). Limit cycles ofthe generalized Lienard differential equations. Math. Proceed.Camb. Phyl. Soc. 148, 363-383.

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A. Lins, W. de Melo and C.C. Pugh On Lienard’s Equation,Lecture Notes in Math 597, Springer, Berlin, (1977), pp.335–357.

S. Lynch, Limit cycles if generalized Lienard equations, AppliedMath. Letters 8 (1995), 15–17,

S. Smale (1998). Mathematical problems for the next century,Mathematical Intelligencer 20, 7-15.

M.F.D.A. Perturbaciones a la Ecuacion de Lienard

Page 43: MFDA Perturbaciones a la ecuacion de Liénard

IntroduccionAvances

El Mapeo de Poicare

Bibliografia

A. Lins, W. de Melo and C.C. Pugh On Lienard’s Equation,Lecture Notes in Math 597, Springer, Berlin, (1977), pp.335–357.

S. Lynch, Limit cycles if generalized Lienard equations, AppliedMath. Letters 8 (1995), 15–17,

S. Smale (1998). Mathematical problems for the next century,Mathematical Intelligencer 20, 7-15.

M.F.D.A. Perturbaciones a la Ecuacion de Lienard

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IntroduccionAvances

El Mapeo de Poicare

Bibliografia

A. Lins, W. de Melo and C.C. Pugh On Lienard’s Equation,Lecture Notes in Math 597, Springer, Berlin, (1977), pp.335–357.

S. Lynch, Limit cycles if generalized Lienard equations, AppliedMath. Letters 8 (1995), 15–17,

S. Smale (1998). Mathematical problems for the next century,Mathematical Intelligencer 20, 7-15.

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