Juan Jim´ enez Fr´ıas
**Universidad Ju´arez Aut´onoma de Tabasco, DACB
Gamaliel Bl´ e Gonz´ alez
***Universidad Ju´arez Aut´onoma de Tabasco, DACB
En este trabajo se presenta un an´alisis de la din´amica de la familia log´ıstica, enfo- cando el estudio al espacio de par´ametros donde se tiene una ´orbita atractora.
In this work an analysis of dynamics of the logistic family is presented particularly, the parameter space where there exist an attracting periodic orbit is studied.
Palabras clave: Palabras clave: Familia Log´ıstica, Estabilidad, Bifurcaci´on.
Keywords: Logistic Family, Stability, Bifurcation.
1. Introducci´on
En modelaci´on matem´atica uno de los modelos m´as sencillos que se ha usado para el estudio de crecimiento de una poblaci´on es el log´ıstico, gracias a que siendo un modelo polinomial de grado 2 presenta una gran variedad de comportamientos los cuales van desde el orden hasta el caos, (v´ease [1]). El modelo log´ıstico discreto est´a asociado a la familia de funciones log´ısticas fa : [0, 1] −→ [0, 1] dada por fa(x) = ax(1 − x) donde x ∈ [0, 1] y a ∈ R+.
Cuando a > 4, existe un conjunto abierto y denso de puntos cuya ´orbita tiende a menos infinito, en otras palabras, casi todos los puntos tienden a menos infinito.
Por otro lado, tenemos puntos que no tienden a menos infinito como son los puntos peri´odicos de fa, los cuales pertenecen al intervalo [0, 1]. Si tomamos todos los puntos cuya ´orbita permanece en [0, 1] obtenemos un conjunto de Cantor, cuya medida de Lebesgue es cero para a ∈ (4, ∞), (v´ease [1]).
Si el par´ametro a es menor o igual que 4, el intervalo [0, 1] es invariante bajo fa
y por lo tanto todas las ´orbitas de los puntos x ∈ [0, 1] son acotadas. Esto implica que si la ´orbita de x tiene un l´ımite, ´este pertenece al intervalo [0, 1]. Un problema interesante es conocer todos los posibles l´ımites.
En este trabajo se presenta un an´alisis del comportamiento de las ´orbitas, cuando existe un punto fijo atractor o una ´orbita peri´odica atractora. Asimismo, se explica la bifurcaci´on que presentan las ´orbitas al pasar de atractoras a repulsoras. Todo esto, se har´a para a ∈ (0, 4].
Este art´ıculo esta estructurado de la siguiente manera. En la segunda secci´on se
*Recibido el 14 de enero de 2008 y aceptado el 23 de marzo de 2008
**Direcci´on postal: Carr. Cunduac´an-Jalpa Km 1, Cunduac´an Tabasco, M´exico. A.P. 24 C.P.
86690. Tel.(+52)914 336-0928. Correo electr´onico: juanyco [email protected]
***Direcci´on postal: Carr. Cunduac´an-Jalpa Km 1, Cunduac´an Tabasco, M´exico. A.P. 24 C.P.
86690. Tel.(+52)914 336-0928. Correo electr´onico: [email protected]
umero 1 (Junio 2008) p 15–25
estudian los puntos fijos y peri´odicos de una funci´on y se presentan algunas defini- ciones b´asicas en sistemas din´amicos, como estabilidad de puntos peri´odicos. En la tercera secci´on se analiza la estabilidad de los puntos fijos de la familia log´ıstica. En la cuarta secci´on se presenta el fen´omeno de bifurcaci´on doblamiento de periodo en la familia log´ıstica y se muestra gr´aficamente el diagrama de bifurcaci´on. Por ´ultimo, en la quinta secci´on se presenta la importancia que juega el punto cr´ıtico en el estudio de los sistemas din´amicos discretos.
2. Puntos Peri´odicos
En esta secci´on consideremos f : X −→ X una funci´on continua de un espacio m´etrico X en si mismo. Supongamos que X es el conjunto de condiciones iniciales del sistema, si tomamos x en X, entonces f (x) representa la evoluci´on del estado x en una unidad de tiempo, entonces estamos interesados en conocer la evoluci´on del sistema al paso del tiempo. Por ejemplo, si x representa la cantidad inicial de individuos de una poblaci´on y f (x) la poblaci´on despu´es de una unidad de tiempo, entonces la sucesi´on {fn(x)} es el n´umero de individuos que la poblaci´on tiene al tiempo n, dado que inicialmente tenia x. Una pregunta interesante es: ¿Que ocurre con la poblaci´on cuando dejamos correr el tiempo? Es decir, si
fn(x) = f ◦ f ◦ . . . ◦ f (x)
¿Cu´al es el l´ımite de la sucesi´on {fn(x)} cuando n tiende al infinito?.
Observemos que si este l´ımite existe y es L entonces como f es continua, f (L) = f ( l´ım
n→∞fn(x))
= l´ım
n→∞f (fn(x))
= l´ım
n→∞fn+1(x)
= L.
Por lo tanto, L es un punto fijo. Esto nos lleva a estudiar con detalles los puntos fijos y posteriormente los puntos peri´odicos de f si tomamos subsucesiones convergentes de {fn(x)}, (v´ease [5]).
Definici´on 2.1. Se dice que x ∈ X es un punto fijo de f si f (x) = x, y x es un punto peri´odico de f de periodo k si fk(x) = x, y fj(x) 6= x para 0 < j < k.
Definici´on 2.2. Para x0 ∈ X, la ´orbita de x0 bajo f es el conjunto Of(x0) = {x0, f (x0), f2(x0), ...}.
Observe que la ´orbita de un punto peri´odico x de f de periodo k, tambi´en llamado punto k − peri´odico, tiene k elementos y se le llama k − ciclo o ciclo de periodo k.
Ejemplo 1. Los puntos fijos de la funci´on log´ıstica fa(x) = ax(1 − x) son las solucio- nes de fa(x) = x. Las cuales son x∗1= 0 y x∗2= 1 −1a. A este ´ultimo lo denotaremos por pa.
Consideremos ahora la clasificaci´on de los puntos peri´odicos.
Definici´on 2.3. Sea X ⊂ R, f : X → X una funci´on de clase C1 y x0 un punto k − peri´odico de f . Entonces
1. El punto x0 es atractor(estable) si˛
˛Dfk(x0)˛
˛< 1.
2. El punto x0 es repulsor(inestable) si˛
˛Dfk(x0)˛
˛> 1.
3. El punto x0 es neutral o indiferente si˛
˛Dfk(x0)˛
˛= 1.
Aqu´ı D denota la derivada de f .
Si fk(x0) = x0y xi= fi(x0) con i = 1, 2, . . . , k − 1, por la regla de la cadena para derivada
d
dxfk(x0) = f0(fk−1(x0)) . . . f0(f (x0))f0(x0) =
k−1
Y
i=0
f0(xi).
Esto implica que Dfk(xi) = Dfk(x0) para toda xi que pertenece al ciclo peri´odico ξ = {x0, x1,x2, ..., xk−1}, por lo que la derivada no depende del punto del ciclo y se dice que el ciclo ξ es atractor si
Dfk(xi)
< 1 y repulsor si
Dfk(xi)
> 1 para alg´un i = 0, 1, . . . , k − 1.
Ejemplo 2. El punto fijo pade faes atractor cuando 1 < a < 3 ya que fa0(pa) = 2−a, es repulsor cuando a > 3 e indiferente cuando a = 1 o a = 3.
Ejemplo 3. Sea f (x) = x3, los puntos fijos de f son: 0 y ±1. Por otro lado f0(x) = 3x2, como f0(0) = 0, tenemos que 0 es atractor. Adem´as f0(±1) = 3, as´ı con- cluimos que f tiene dos puntos fijos repulsores 1 y -1.
En la siguiente secci´on mostraremos porque se les da el nombre de atractor o repulsor.
3. Estabilidad de Puntos Fijos
Como vimos en el ejemplo 1 los puntos fijos de la funcion log´ıstica fa(x) = ax(1−x) son: x∗1 = 0 y pa= 1 −1a, por otro lado, el punto fijo 0 es atractor para 0 < a < 1 y repulsor para a > 1.
Proposici´on 3.1. Si 0 < a < 1 entonces l´ımn→∞fan(x) = 0 para toda x ∈ [0, 1].
Demostraci´on. Sea x0∈ [0,12]. Como a < 1, fa(x) < x y cuando x ∈ [0,12] fa(x) es creciente, por consiguiente tenemos la sucesi´on
fan(x0) < fan−1(x0) < · · · < fa(x0) < x0.
Esta sucesi´on xn= fan(x0) es decreciente y est´a acotada inferiormente por 0. Por lo tanto, converge y como vimos al principio de la secci´on 2 el l´ımite debe ser un punto fijo de fa(x). Como el ´unico punto fijo es 0 para 0 < a < 1 se tiene
n→∞l´ım fan(x0) = 0.
Si x0∈ [12, 1] entonces fa(x0) ∈ [0,12] y por lo anterior se tiene l´ımn→∞fan(x0) = 0 (v´ease figura 1).
Figura 1.Gr´afica de fa(x) con 0 < a < 1.
Proposici´on 3.2. Si 1 < a < 3 entonces l´ımn→∞fan(x) = pa para toda x ∈ (0, 1).
Demostraci´on. Consideremos 1 < a ≤ 2 entonces 0 < pa ≤ 12. La funci´on fa(x) tiene un m´aximo global en 12 y fa(12) = a4 ≤12. Adem´as, la funci´on faes creciente en (0, pa) (v´ease figura 2).
Figura 2.Gr´afica de fa(x) con 1 < a ≤ 2 y las iteradas de x0∈ (0, pa).
As´ı para x0∈ (0, pa) tenemos que x0< fa(x0), por consiguiente, x0< fa(x0) < fa2(x0) < · · ·
Esta es una sucesi´´ on creciente y acotada por 1, por lo tanto
n→∞l´ım fan(x0) = pa.
Si x0∈ (pa,12) la funci´on faes creciente y x0> fa(x0). Entonces la sucesi´on fan(x0) es decreciente y acotada por cero. Por lo tanto converge a pa(v´ease figura 3).
Figura 3.Gr´afica de fa(x) con 1 < a ≤ 2 y las iteradas de x0∈ (pa, 1/2).
Si x0∈ (12, 1) entonces fa(x0) ∈ (0,12) (v´ease figura 4) y en consecuencia
n→∞l´ım fan(x0) = pa.
Figura 4.Gr´afica de fa(x) con 1 < a ≤ 2 y las iteradas de x0∈ (1/2, 1).
Ahora supongamos que 2 < a < 3 entonces 12 < pa y fa(x0) > x0 para toda x0 ∈ (0,12) (v´ease la figura 5). En este caso la prueba la dividiremos en cuatro incisos:
(i) Consideremos el intervalo [12, pa] y mostremos que es invariante por fa2. Como fa2 es mon´otona en [12, pa] para encontrar la imagen del intervalo es suficiente determinar las iteradas en los puntos extremos:
fa2([1
2, pa]) = fa([pa,a
4]) = [a(a 4)(1 −a
4), pa].
Figura 5.Gr´aficas de fa(x) y fa2(x) con 2 < a < 3 y las iteradas de x0∈ (0, 1/2).
Como queremos mostrar que fa2([12, pa]) ⊂ [12, pa], basta mostrar que a(a4)(1 −a4) > 12, esto es equivalente a
0 > a3− 4a2+ 8 = (a − 2)(a2− 2a − 4).
Como las ra´ıces de a2− 2a − 4 son 1 ±√
5, el segundo factor es negativo para a < 3 y el factor (a − 2) es positivo (porque a > 2), as´ı el producto es negativo. Por lo tanto, fa2(12) = a(a4)(1 − a4) > 12 y f2([12, pa]) ⊂ [12, pa]. Como fa2(12) est´a por encima de la diagonal, se sigue que fa2(x0) est´a por encima de la diagonal y x0< fa2(x0) < papara
1
2 < x0< pa. Esto genera una sucesi´on creciente y por lo tanto l´ımn→∞fan(x0) = pa para toda x0∈ [12, pa].
(ii) Si pba = 1a < 1/2 entonces fa(pba) = pa, fa([pba,12]) = fa([12, pa]), y fa2([pba,12]) ⊂ [12, pa]. As´ı, todos los puntos en [bpa,12] convergen a pa.
(iii) Ahora si consideramos x0<pba. La funci´on fa es mon´otona creciente en este intervalo, entonces existe k > 0 tal que fak(x) ∈ [bpa, pa]. Por lo tanto fak+n(x) → pa
cuando n → ∞.
(iv) Finalmente si consideramos pa< x0 < 1 entonces fa(x0) ∈ (0, pa) y por (i), (ii) y(iii), las iteradas de fa(x0) convergen a pa.
Para valores de a > 3, ambos puntos fijos son repulsores por lo que la pregunta natural es, si existen puntos peri´odicos atractores de periodo mayor o igual a 2, esto lo analizaremos en la siguiente secci´on.
4. Bifurcaci´on
Para hallar una ´orbita de periodo 2 es necesario resolver la ecuaci´on f2(x) = x, la cual nos da una ecuaci´on de grado 4
−a3x4+ 2a3x3− a2(a + 1)x2+ a2x = x, la soluci´on a esta ecuaci´on es
x∗1=(a + 1) −p(a − 3)(a + 1)
2a y x∗2= (a + 1) +p(a − 3)(a + 1)
2a .
As´ı, fa tiene una ´orbita de periodo 2 tambi´en llamada 2-ciclo cuando (a − 3)(a + 1) > 0, esto es si
1. (a − 3) > 0 y (a + 1) > 0 ´o 2. (a − 3) < 0 y (a + 1) < 0.
En el caso 1 tenemos que a > 3. El caso 2 no tiene sentido porque solo estamos considerando a > 0. Por lo tanto fa tiene un 2-ciclo siempre que a > 3. Para ver la estabilidad del 2-ciclo {x∗1, x∗2} verificamos
Df2(x∗1) < 1.
Esto es
|Df (x∗1)Df (x∗2)| < 1.
Luego, tenemos que −1 < a2(1 − 2x∗1)(1 − 2x∗2) < 1, de donde se obtiene que el 2-ciclo es atractor para 3 < a < 1 +√
6. Este intervalo corresponde al conjunto de par´ametros donde fatiene una ´orbita atractora de periodo 2 y se le llama ventana de periodo dos. De igual manera que en la proposici´on 3.2 se puede mostrar que salvo pa y la frontera del intervalo (0, 1) las iteradas de los puntos converge a este 2-ciclo atractor. Cuando a = 1 +√
6, Df (x∗1)Df (x∗2) = −1 por lo que se tiene un ciclo indiferente y si a > 1 +√
6 entonces el 2-ciclo {x∗1, x∗2} es repulsor.
Hasta ahora tenemos que el punto fijo paes atractor cuando 1 < a < 3, y pierde su estabilidad cuando a > a1= 3. Despu´es de este valor, aparece un 2-ciclo el cual es atractor para cuando 3 < a < 1 +√
6 y pierde su estabilidad para a > a2= 1 +√ 6.
El fen´omeno observado en a1 = 3 y a2 = 1 +√
6 se le llama bifurcaci´on y en este caso es del tipo doblamiento de periodo. As´ı, apartir de 1 +√
6 se tiene un intervalo de par´ametros en los cuales fatiene una ´orbita atractora de periodo 4.
Para encontrar la ´orbita de periodo 4 tambi´en llamada 22-ciclo debemos de resolver la ecuaci´on
f4(x) = x,
lo cual implica resolver una ecuaci´on de grado doce, que no es posible resolver con radicales. Por lo tanto, hacemos uso del an´alisis num´erico para encontrar el 22-ciclo.
Resulta que el 22-ciclo aparece cuando a > a2= 1+√
6 y ´este es atractor para cuando 1 +√
6 < a < 3,54409 y pierde estabilidad para a > a3 = 3,54409.... Nuevamente,
n an an− an−1 µn= aan−an−1
n+1−an
1 3 − −
2 3,449489 . . . 0,449489 . . . − 3 3,544090 . . . 0,094601 . . . 4,751419 . . . 4 3,564407 . . . 0,020317 . . . 4,656248 . . . 5 3,568759 . . . 0,0043521 . . . 4,668321 . . . 6 3,569692 . . . 0,00093219 . . . 4,668683 . . . 7 3,569891 . . . 0,00019964 . . . 4,669354 . . .
Cuadro 1.Constante de Feigenbaum.
este proceso se repite y para a > a3, el 22-ciclo se bifurca en un ciclo de periodo ocho atractor. De esta manera se obtiene una sucesi´on de par´ametros {an} los cuales delimitan el intervalo de par´ametros donde se tiene una ´orbita atractora de periodo 2n. Es importante observar que estas ´orbitas aparecen como atractoras y se convierten en repulsoras. Adem´as, se puede demostrar que para a > 4 todas las ´orbitas peri´odicas son repulsoras y que de hecho forman un conjunto de Cantor en [0, 1] (ver [1], [2]).
En el cuadro 1 se muestran los primeros resultados de esta sucesi´on.
Al respecto, podemos hacer las siguientes observaciones:
1. La sucesi´on {an} tiene un l´ımite ya que es una sucesi´on creciente y acotada por 4.
Este l´ımite es a∞≈ 3,8145.
2. El tama˜no de ventanas (an− an−1) se va reduciendo cada vez m´as y eventualmente se aproxima a cero.
3. Se genera una sucesi´on µn = aan−an−1
n+1−an que converge a una constante universal, v´alida para una familia m´as general conocida como funciones unimodales, ver [4]. El l´ımite de esta sucesi´on es llamado constante de Feigenbaum δ en honor a su descubridor y es aproxi- madamente
δ = l´ım
n→∞µn≈ 4,669201609 . . . .
Podemos representar lo anterior en una gr´afica llamada diagrama de bifurca- ci´on, el cual en el eje horizontal presenta al par´ametro a y en el eje vertical presenta las iteradas fan(x0) cuando n → ∞ de un punto inicial espec´ıfico x0, de tal forma que el diagrama muestra la conducta l´ımite de la ´orbita de x0. En todos los casos, en la figura 6 se parte del mismo valor inicial x0= 12 que es el punto cr´ıtico de fa.
Observemos que excepto por las ventanas de periodo 2n, la m´as grande en el diagrama de bifurcaci´on ocurre para los valores de a entre 3,828 y 3,857. Esta ventana corresponde a los par´ametros donde fatiene un punto peri´odico atractor de periodo 3 y la mostramos en la figura 7. En ese intervalo aparece una ´orbita de periodo 3 estable la cual esta alrededor de a = 1 +√
8 ≈ 3,828. Este 3-ciclo pierde su estabilidad y da origen a un 6-ciclo estable. El doblamiento de periodo contin´ua hasta a ≈ 3,8415 . . . (correspondiente a a∞) y por el teorema de Sarkovskii (v´ease [1],[3]) apartir de este par´ametro se tienen ´orbitas de todos los periodos y es posible obtener caos. As´ı que para a > 3,8415 se observa una regi´on negra porque el diagrama indica que las ´orbitas atractoras que se tienen son de periodo muy grande o no existen y en cuyo caso se tiene caos.
Figura 6.Diagrama de Bifurcaci´on.
Figura 7.Ventana de periodo 3.
5. Rol del Punto Cr´ıtico
El diagrama de bifurcaci´on que mostramos en la secci´on anterior fue hecho con la
´
orbita del punto cr´ıtico de fa, por lo que en esta secci´on explicaremos la importancia de la ´orbita del punto cr´ıtico en la din´amica global de fa. En particular, en esta secci´on mostraremos que si fatiene una ´orbita atractora, la ´orbita del punto cr´ıtico, siempre converge a ella.
Definici´on 5.1. Sea f : I ⊂ R → I una funci´on de clase C3(I) y sea x un punto no singular de f . La derivada Schwarziana de f se define como
Sf (x) = f000(x) f0(x) −3
2[f00(x)
f0(x)]2. (1)
Definici´on 5.2. Sea C(f ) = {x ∈ I : f0(x) = 0} el conjunto de puntos cr´ıticos de f , decimos que f tiene derivada Schwarziana negativa si:
1. Sf (x) < 0, ∀x /∈ C(f ).
2. l´ımx→x0Sf (x) = −∞, ∀x0∈ C(f ).
Ejemplo 4. Tomemos I = [0, 1] y fa(x) = ax(1 − x) entonces, Sfa(x) = −6
(1 − 2x)2 < 0 para todo x ∈ I r {12} y
l´ım
x→12
Sfa(x) = −∞.
Por lo tanto, fa tiene derivada Schwarziana negativa.
Teorema 5.1. (Regla de la cadena para derivadas schwarzianas). Suponga que F y G son funciones de clase C3. Entonces
S(F ◦ G)(x) = SF (G(x)) · (G0(x))2+ SG(x).
Demostraci´on. Usando la regla de la cadena para derivadas ordinarias, tenemos (F ◦ G)0(x) = F0(G(x)) · G0(x)
(F ◦ G)00(x) = F00(G(x)) · (G0(x))2+ F0(G(x)) · G00(x).
Diferenciando una vez m´as
(F ◦ G)000(x) = F000(G(x)) · (G0(x))3+ 3F00(G(x)) · G00(x) · G0(x) +F0(G(x)) · G000(x).
Sustituyendo las expresiones anteriores en la expresi´on 1 obtenemos el resultado deseado.
Corolario 5.1. Suponga que SF < 0 y SG < 0. Entonces S(F ◦ G) < 0. En parti- cular, si SF < 0, entonces SFn< 0.
Demostraci´on. S(F ◦ G)(x) = SF (G(x)) · (G0(x))2+ SG(x) < 0.
Definici´on 5.3. (Conjunto Estable). Sea x∗ un punto fijo atractor de f . El dominio de atracci´on de x∗ es el conjunto
Af(x∗) = {x : l´ım
n→∞fn(x) = x∗}.
El conjunto estable (tambi´en llamado cuenca inmediata de atracci´on) A∗f(x∗), es la componente conexa de Af(x∗) que contiene a x∗.
Los conjuntos estables para puntos k − peri´odicos atractores se definen usando a fk en vez de f . Por definici´on, los puntos k − peri´odicos atractores siempre tienen dominios inmediatos de atracci´on, diferentes del vac´ıo.
Ejemplo 5. 1. La funci´on f (x) = x2 tiene un punto fijo atractor x∗ = 0 y la cuenca inmediata de x∗es el intervalo (-1,1).
2. La funci´on fa(x) = ax(1 − x) tiene un punto fijo atractor pa= 1 −1a cuando a ∈ (1, 3) y A∗fa(pa) = (0, 1).
Teorema 5.2. Si Sf < 0 y x∗ es un punto k − peri´odico atractor para f , entonces se cumple una y s´olo una de las siguientes afirmaciones.
1. El dominio inmediato de atracci´on de x∗se extiende a +∞ o −∞ ´o
2. Existe un punto cr´ıtico c de f tal que c ∈ A∗f(x∗). Es decir, la ´orbita de c converge a x∗.
La demostraci´on de este teorema puede ser revisada en [1].
En el caso log´ıstico se puede ver que si |x| > 1, la ´orbita de x se va a menos infinito. Por lo tanto, ninguna cuenca inmediata de atracci´on se extiende a ±∞. Ya que 12 es el ´unico punto cr´ıtico para fa, se sigue del teorema que fatiene a lo m´as un ciclo atractor y que si existe una ´orbita atractora entonces 12 pertenece a la cuenca inmediata de atracci´on de esta ´orbita peri´odica. Por esta raz´on, en la familia log´ıstica basta con iterar el punto cr´ıtico para encontrar la ´orbita atractora.
En general, el tener una derivada Schwarziana negativa limita severamente los tipos de din´amicas que pueden ocurrir, ya que para funciones f definidas en intervalos acotados y con Sf < 0 cada ´orbita peri´odica atractora de f debe atraer al menos un punto cr´ıtico de la funcion f .
Referencias
[1] Robert L. Devaney (1992). A first course in chaotic dynamical sistems, Adison-Wesley.
[2] Richard A. Holmgren (1996). A first course in discrete dynamical sistems, Springer- Verlag.
[3] S. N. Elaydi (2000). Discrete chaos, Chapman and Hall, CRC Press.
[4] C. Robinson (1998). Dynamical Systems, Stability, Simbolic Dynamics and Chaos, CRC Press.
[5] G. Bl´e Gonz´ales (2002). Conjuntos de Julia y Conjunto de Mandelbrot, Revista de Ciencias B´asicas, UJAT, no. 1, pp. 23-30.