Definamos condiciones iniciales para el sistema (5.70).
De (5.68) tenemos que
W =F
Ldσ
dτ −β1σ−2(b1λ¯2+θb2λ2)
La primera hip´otesis en (5.16) y la definici´on deσdada en (5.21) implican queσ→τ cuando τ → −∞,luego dσ
dτ →1 cuando τ → −∞.Adem´as, λ2(σ) →0 y ¯λ2(σ) →0 cuando τ → −∞. M´as a´un,L=β1σ+θλ2−λ¯2→β1σcuandoσ→ −∞.Finalmente,F = (1+θ−2θλ1(σ))−1→ 1+θ1 cuandoτ → −∞.Por lo tanto, W →0 cuandoτ → −∞.
Por lo que tenemos la condici´on inicial:
σ
τ →1, W →0 cuandoτ → −∞ (5.71)
La segunda suposici´on en (5.16) y (5.21),(5.68) implican que σ y W necesitan tener los mismos valores l´ımites (5.71) cuandoτ → ∞. As´ı, la validez de nuestras hip´otesis es equivalente a la existencia de una trayectoriaγs= (σ=σs(τ), W =Ws(τ)) que satisface la condici´on (5.71)
y σs
τ →1, Ws→0 cuando |τ| → ∞
110 5.4. An´alisis del sistema din´amico b´asico.
Para realizar un an´alisis m´as detallado, usamos las propiedades de las convoluciones que se enuncian a continuaci´on:
Lema 5.4. Bajo las hip´otesis del Lema 1 las siguientes relaciones son v´alidas:
λ1(−σ) = λ1(σ)>0, λ1(σ) =λ01+O(σ2)cuando σ→0 sgn(σλ2(σ)) = −1, sgn(σλ¯2(σ)) = 1
λ2(−σ) = −λ2(σ), λ¯2(−σ) =−¯λ2(σ),
λ2(σ) = σλ12+O(σ3), λ¯2(σ) =σλ¯12+O(σ3)cuando σ→0, B∆(−σ) = B∆(σ), B∆(σ) =B0∆+O(σ2)
donde
λ01 =λ1(0), B∆0 =B∆(0), λ12= 1
a2 Z ∞
−∞
ηω0(η)dω0(z) dz
z=θηdη <0, λ¯12=− 1 a2θ
Z ∞
−∞
ηω0(η)dω0(z) dz
z=ηθdη >0.
Demostraci´on: Indicaremos ´unicamente la prueba de la relaci´onλ2(σ) =σλ12+O(σ3).
Usando la f´ormula de Taylor de primer orden y tomando en cuenta queω0es par, obtenemos:
λ2(σ) =σλ12+σ3β13 6
Z ∞
−∞
ηω0(η)ω0′′′(θη+ξβ1σ)dη, (5.74) dondeξ ∈[0,1].Reescribimos la ´ultima integral como la siguiente suma:
Z −1
−∞
+ Z ∞
1
+ Z ∞
1
ηω0(η)ω′′′0(θη+ξβ1σ)dη, (5.75) La segunda integral es acotada por una constante. Para la ´ultima integral tomamos en cuenta que
θη+ξβ1σ>cte·η para |σ| ≪1, uniformemente en ξ∈[0,1].
Consideraciones similares para la primera integral en (5.75) implican que el residuo en (5.74)
es del ordenO(σ3).
Estas propiedades y las f´ormulas (5.67),(5.69),(5.72),(5.73) implican los siguientes resulta- dos:
Corolario 5.1. El sistema (5.70) es invariante con respecto al cambio de variables τ → −τ, σ→ −σ, W → −W.
Corolario 5.2. Bajo las hip´otesis del lema 5.2:
L
σ=0= 0 (5.76)
y las siguientes estimaciones son v´alidas uniformemente en σ
(1 +θ)−16F 6(1 +θ−2θλ01)−1=F0 6(1−√
θ)−2. (5.77)
Por el Lema 5.4 sabemos que λ2(σ) es impar, entonces λ2(σ) = λ2(0) + dλ2
dσ (σ) σ=0(σ)
= λ12σ+λ32σ3+λ52σ5+· · ·
= λ12σ+O(σ3);
como λ2(σ) = a1
2
R∞
−∞ηω0(η)ω0(θη+β1σ)dη, de aqu´ı que dλ2
dσ = β1 a2
Z ∞
−∞
ηω0(η)ω0(z) dz
θηdη, entonces
λ12 = β1
a2 Z ∞
−∞
ηω0(η)dω0(θη) dz dη.
Similarmente, para ¯λ2.
La igualdad (5.76) muestra que el sistema (5.70),(5.72),(5.73) tiene una singularidad en la recta (0, W) en el plano (σ, W). Asumiremos que esta singularidad es de tipo 1σ y que no hay otros puntos de singularidad. Por lo tanto, elegimos la hip´otesis adicional:
E1) Sean la funci´onF y el n´umeroθ= ββ1
2 tales que las siguientes desigualdades se cumplen:
L(σ)>0para σ >0, L1= dL dσ
σ=0>0.
Notemos que la ´ultima condici´on implica en particular la desigualdad
θ6= 1 (5.78)
Rec´ıprocamente, bajo la condici´on (5.78) las estimaciones (5.77) garantizan que F 6 cte uniformemente en σ.
As´ı, la singularidad de Q es de tipo 1σ. De hecho, para θ = 1 las singularidades de Q y P son de tipo σ1 nuevamente. Sin embargo, este caso necesita considerarse separadamente y aqu´ı supondremos la validez de la condici´on (5.78).
Hacemos la observaci´on de que la hip´otesisE1)se puede verificar para cualquierF no lineal y para cualquier θdefinido por los datos iniciales. M´as a´un, esta hip´otesis es realizable.
Ahora investiguemos cuando una trayectoria puede pasar del semi-plano izquierdo al dere- cho. Obviamente, esto puede pasar ´unicamente a trav´es del punto (0,0), pues todo el ejeW es una singularidad del sistema.
Consideremos una vecindad peque˜na del origen de coordenadas. El Lema 5.4 implica que el sistema din´amico tiene la siguiente representaci´on para|σ|61:
112 5.4. An´alisis del sistema din´amico b´asico.
Primero, n´otese que
L = σ+Oλ2−¯λ2
= σ+θσλ12−σλ¯12+O(σ3) cuandoσ →0
= σ[1 +θλ12−λ¯12] +O(σ3)
= σL1+O(σ3)
= σ[L1+O(σ2)] cuandoσ →0.
dondeL1 = [1 +θλ12−¯λ12]. Tambi´en n´otese que 1
F = 1 +θ−2θλ1
= 1 +θ−2θ(λ01+O(σ2))por el Lema5.4
= 1 +θ−2θλ01+O(σ2) cuando σ→0
= F0−1+O(σ2).
As´ı, la primera ecuaci´on del sistema es:
dσ
dτ = 1
L W
F +σ+ 2(b1λ¯2+θb2λ2)
= 1
σ[L1+O(σ2)]
1 F0
+O(σ2)
W +σ+ 2σ(b1λ¯12+θb2λ12) +O(σ3)
= 1
σ[L1+O(σ2)]
W F0
+σ+ 2σ(b1λ¯12+θb2λ12) +O(σ2)W +O(σ3)
= σ
σ[L1+O(σ2)]
1 F0
W
σ + 1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12) +O(σ)W +O(σ2)
, entonces,
dσ dτ = 1
L1 1
F0 W
σ + 1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12)
+O(σ)W +O(σ2).
de F1 +O(σ2) = 1+OO(σ2)
0 se sigue que F =F0 1
1+O(σ2) =F0(1− O(σ4) +· · ·).
En dWdτ ,tomandoF =F0: dW
dτ = F 2
(1−θλ21)Q2−2 [1−λ1(b2−θb1)]Q+ 1−2λ1(θb21+b22)
− 1 ν2
λ1+ B∆ 2β1β2
= F0
2
(1−θ(λ01)2)Q2−2[1−λ01(b2−θb1)]Q+R +O(σ2),
conR= 1−2λ01(θb21+b22)−F02ν2
λ01+ 2βB∆0
1β2
.
Entonces, para |σ|61,el sistema es, dσ
dτ = 1
L1 1
F0
W
σ + 1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12)
+O(σ)W +O(σ2) (5.79) dW
dτ = F0
2
"
(1−θ(λ01)2) dσ
dτ 2
−2(1−λ01(b2−θb1))dσ dτ +R
#
+O(σ2).
Ahora, podemos transformar el sistema (5.79) de la siguiente manera, despejandoW de la primera ecuaci´on en (5.79) tenemos:
W =F0σ
L1dσ
dτ −1−2(b1¯λ12+θb2λ12)
+O(σ2W +σ3) (5.80) y derivando con respecto aτ:
dW
dτ =F0L1 d dτ
σdσ
dτ
−
1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12) F0
dσ dτ +O
σdW
dτ + (W +σ)dσ dτ
, sustituyendo en la segunda ecuaci´on de (5.79):
F0L1 d dτ
σdσ
dτ
− F0
1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12)dσ dτ +O
σdW
dτ + (W +σ)dσ dτ
= F0
2
"
(1−θ(λ01)2) dσ
dτ 2
−2(1−λ01(b2−θb1))dσ dτ +R
#
+O(σ2)
Luego,
2L1 d2
dτ2(σ2)−2[1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12)]dσ dτ +O
σdW
dτ + (W +σ)dσ dτ
= (1−θ(λ01)2) dσ
dτ 2
−2(1−λ01(b2−θb1))dσ
dτ +R+O(σ2), entonces
L1 d2
dτ2(σ2) = (1−θ(λ01)2) dσ
dτ 2
+
−2(1−λ01(b2−θb1)) + 2(1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12))dσ dτ + R+O(σ2) +O
σdW
dτ + (W +σ)dσ dτ
, as´ı
L1 d2
dτ2(σ2) = (1 +θ(λ01)2) dσ
dτ 2
+
2λ01(b2−θb1) + 4(b1λ¯12+θb2λ12)dσ dτ + R+O(σ2) +O
σdW
dτ + (W +σ)dσ dτ
,
114 5.4. An´alisis del sistema din´amico b´asico.
teniendo en cuenta que ¯λ2 =θ(σλ1+θλ2) encontramos que λ¯12 = λ¯2
σ +O(σ2) = θ(σλ1+θλ2)
σ +O(σ2)
= θλ1(σ) +θ2λ2(σ)
σ +O(σ2)
= θλ1(σ) +θ2λ12+O(σ2)
= θλ01+θ2λ12+O(σ2)
= θ(λ01+θλ12) +O(σ2) entonces,
2λ01(b2−θb1) + 4(b1λ¯12+θb2λ12) = 2λ01(b2−θb1) + 4b1θ(λ01+θλ12) + 4θb2λ12+O(σ2)
= 2b2λ01−2θb1λ01+ 4θb1λ01+ 4θ2b1λ12+ 4θb2λ12+O(σ2)
= 2b2λ01+ 2θb1λ01+ 4θ2b1λ12+ 4θb2λ12+O(σ2)
= 2(λ01+ 2θλ12)(b2+θb1) +O(σ2)
= 2N +O(σ2).
donde, se toma
N = (λ01+ 2θλ12)(b2+θb1). (5.81) De aqu´ı que,
L1 d2
dτ2(σ2) = (1−θ(λ01)2) dσ
dτ 2
+ 2Ndσ
dτ +R+O(σ2) +O
σdW
dτ + (W +σ)dσ dτ
. (5.82) Ahora, aplicando el m´etodo de Cauchy-Kovalevskaya y tomando en cuenta queσ =σ(τ) es impar, escribimos:
σ=a1τ +a3τ3+a5τ5+· · · (5.83) con coeficientes arbitrarios ai.
El m´etodo de Cauchy-Kovalevskaya es un m´etodo por medio del cual podemos encontrar la soluci´on de una ecuaci´on diferencial parcial num´ericamente.
Para nuestro problema, primeramente escribimos la ecuaci´on (5.82) de la siguiente manera:
L1 d2
dτ2(σ2)−(1−θ(λ01)2) dσ
dτ 2
−2Ndσ
dτ −R= 0 Entonces, para orden deτ0:
(2L1−1 +θ(λ01)2)a21−2N a1−R= 0.
Denotemos comoM = 2L1−1 +θ(λ01)2.
La ecuaci´on obtenida para orden deτ0 tiene soluci´on si y s´olo siN2+M R>0.Supongamos que esto se satisface.
En ordenτ2 :
[2L1+M]a−N a3 = 0.
En ordenτ4 :
(4L1+M)a1−N a5= 1
10[9(1−θ(λ01))2−30L1]a23=f5(a1, a3).
En ordenτ6 :
[6L1+M]a1−N a7 = 1
14a3a5[30(1−θ(λ01)2)−112L1] =f7(a1, a3, a5).
En ordenτ2n:
{[2nL1+M]a1−N}a2n+1=f2n+1(a1, a2, a5, . . . , a2n−1)
De este procedimiento se sigue que la ecuaci´on (5.82) y algebra simple implican las siguientes ecuaciones:
M a21−2N a1−R = 0 (5.84)
[(M+ 2nL1)a1−N]a2n+1 = f2n+1(a1, . . . , a2n−1), n>1, (5.85) donde
M = 2L1−(1−θ(λ01)2). (5.86)
SiM 6= 0, para a1 obtenemos dos ra´ıces a±1 = 1
M
N±p
N2+M R
(5.87) Consecuentemente, la funci´onσ(τ) tiene la representaci´on (5.83) ´unicamente bajo las condi- ciones
N2+M R >0, y (M + 2nL1)a±1 −N 6= 0 ∀n= 1,2, . . . (5.88) La primera desigualdad en la ecuaci´on (5.88) garantiza la existencia de las ra´ıces y la segunda de no ser v´alida los coeficientes ai en (5.85) se anular´ıan.
Sin embargo, M puede ser arbitraria (incluyendo el caso M = 0 ya que θ(λ01)2 < 1 para θ <1 y θ(λ01)2 >1 paraθ >1) y tenemos que investigar todas las posibles situaciones.
SeaM >0. Entonces,
a−1 <0, a+1 >0 y M a−1 < N < M a+1 SeaR >0. Entonces ambas condiciones (5.88) se satisfacen ya que
(M+ 2nL01)a+1 −N >2nL01a+1 >0 y (M+ 2nL01)a−1 −N <2nL01a−1 <0
116 5.4. An´alisis del sistema din´amico b´asico.
Luego, siR <0, entonces necesitamos suponer la validez de la primera condici´on en (5.88).
M´as a´un, la segunda condici´on (5.88) puede ser transformada a la siguiente forma:
N 6=p
N2+M R(1 +qn) para todan= 1,2, . . . , (5.89) donde los n´umerosqn definidos de la siguiente manera,
qn:= M 2nL1 = 1
n
1−1−θ(λ01)2 2L1
,
son positivos. Para M > 0 y R < 0 ambas ra´ıces a±1 son positivas si y s´olo si N > 0, pues de lo contrario, de (5.87) N2 +M R > 0 lo cual implica que 0 < N2 +M R < N2 entonces
√N2+M R <√
N2 =N. As´ı, si M > 0,R < 0 yN <0 entonces a+1 <0 y a−1 <0.Si R= 0 entonces existena+1 >0 si y s´olo si N >0.
Considerando de la misma manera el caso M <0 obtenemos la condici´on:
E2) Sea M 6= 0. M´as a´un, sean la funci´on F y las velocidades Vi tales que las siguientes hip´otesis se valen:
E2a) SiM >0 entoncesR >0 oR <0 y se satisfacen las condiciones (5.89),N >0 y
N2+M R >0, (5.90)
o R= 0 yN >0.
E2b) Si M < 0 entonces R < 0 y se satisface (5.89) o R > 0 y se satisfacen (5.89), (5.90) y N <0 oR= 0 yN <0 y
1−θ(λ01)6= 2L1(1 + 2n) para todan= 1,2, . . . .
Observaci´on 5.2. Te´oricamente, tambi´en existe un caso especifico cuando M = 0. Sin em- bargo, en este trabajo no lo consideraremos.
Calculando la coordenadaW de las trayectorias en la forma similar a (5.83), esto es W =ω1τ+ω3τ3+· · · , (5.91) pasamos al siguiente resultado:
Lema 5.5. Supongamos que las hip´otesis A-E2 se satisfacen. Entonces, existe al menos una trayectoria γs = {(σ=σs(τ), W =Ws(τ))} del sistema (5.70), (5.72), (5.73) la cual pasa del semiplano izquierdo (W, σ) al semiplano derecho cuando τ crece desde −τ0 hasta τ0, para τ0 suficientemente peque˜na.
Observemos lo siguiente:
1. a−1 y a+2 significa que hay dos posibles curvas en el diagrama de flujo las cuales pueden ser ambas positivas.
2. ωi yai nos dan las pendientes de cada una de tales curvas, m= ωi ai.
El siguiente paso en el an´alisis es la consideraci´on del sistema (5.70), (5.72), (5.73) para σ→ ±∞.Ya que las convoluciones se anulan cuando σ → ±∞, tenemos:
Q= 1 + (1 +θ)W σ +O
1 σ2
1 +W
σ
, P = 1
2(1 +θ)(Q−1)2+O 1
σ2
. (5.92) Ahora, procedemos a resolver el sistema (5.70), (5.92) en sus t´erminos principales para|σ| grande. Resolveremos el sistema (5.70) por separaci´on de variables se sigue que:
De lo anterior tenemos:
dσ
dW = 2(1 +θ)[σ+ (1 +θ)W] σ[(1 +θ)2 Wσ2
]
= 2σ[σ+ (1 +θ)W] (1 +θ)2W2
= 2σ2
(1 +θ)W2 + 2σ W
Esta es una ecuaci´on diferencial homog´enea. Ahora, haciendo el cambio de variablesσ =uW se sigue que dσ = udW +W du dividiendo esta igualdad por dW tenemos que udW+WdW du =
2
(1+θ)u2+ 2uentoncesudW +Wdu=h
2 (1+θ)u2+2u
idW, as´ıWdu=
2
(1+θ)u2+u
dW. Luego, du
2
(1+θ)u2+u = dW W , denotemos por κ= 1+θ2 entonces audu2+u = dWW .
Ahora, integrando Z ∞
−∞
du κu2+u =
Z ∞
−∞
dW W . Utilizaremos el m´etodo de integraci´on en fracciones parciales:
1
κu2+u = 1
u(κu+ 1) = A
u + B
κu+ 1 = A(κu+ 1) +Bu
u(κu+ 1) = (Aκ+B)u+A κu2+u , entonces 1≡(Aκ+B)u+A. As´ı,Aκ+B ≡0 y A= 1 entonces B≡ −κ.
De aqu´ı que, Z ∞
−∞
du κu2+u =
Z ∞
−∞
1
u − κ κu+ 1
du= ln(u)−κ Z ∞
−∞
du κu+ 1
= ln(u)−ln(κu+ 1) = ln( u κu+ 1),
118 5.4. An´alisis del sistema din´amico b´asico.
donde hicimos uso del cambio de variables,x=κu+ 1.
Ahora, ln(κu+1u ) = ln(W) + ln(α), donde ln(α) es una constante, de aqu´ı que κu+1u =αW. Luego, de σ=uW tenemos u= Wσ.As´ı,
σ W
κWσ + 1 =αW, (5.93)
entoncesσ= 1−αWακW2 .
Buscamos la soluci´on que pase por el punto (σ0, W0); as´ı de (5.93) se sigue que α =
σ0
W0(κσ0+W0).Luego, σ= αW2
1−ακW = W2
ρ−κW = W2
ρ−1+θ2 W = W2
2 1+θ
1+θ
2 ρ−W = 1 +θ 2
W2
C−W, (5.94) de aqu´ı que σ = 1+θ2 CW−2W; en estas igualdades se denotaron como ρ = α1 y por C = 1+θ2 ρ, de donde
C =W0
1 +1 +θ 2
W0
σ0
. (5.95)
Como σ es grande concluimos que σ1 es peque˜no, σ1 = 1+θ2 cW−W2 . As´ı, si |σ| ≫ 1 entonces W ≈ C. En otro caso, si W es muy grande es un caso que no nos preocupa ya que buscamos queW →0.
De este procedimiento concluimos que la soluci´on del sistema (5.70), (5.92) esta dada por las ecuaciones (5.94) y (5.95), dondeW0=W
σ=σ0
. Por lo tanto, W =C+O
1
|σ|
cuando |σ| ≫1.
M´as a´un,
W =C−1 +θ 2τ +O
1
|τ|2
.
La ´ultima f´ormula, implica la estabilizaci´on de las coordenadas W de cualquier trayectoria paraτ → ±∞, si|W0|=|W(τ0)|es acotada por una constante y|σ0|=|σ(τ0)|es suficientemente grande.
De aqu´ı se sigue que la curvaγs buscada no existe, pues hemos mostrado que las hip´otesis ya establecidas en (5.71) no se satisfacen.
El ´ultimo paso del an´alisis del sistema (5.70), (5.72), (5.73) es la consideraci´on de las isocli- nas.
Recordemos que las isoclinas se obtienen haciendoQ≡0 yP ≡0 es decir, dσdτ = 0 y dWdτ = 0;
luego la pendiente en el planoσ−W es dWdσ = PQ. SiP = 0 obtenemos la curva en el planoσ−W que es atravesada por las trayectorias en forma horizontal. Si Q= 0 entonces dWdσ =∞as´ıQ es
la curva en el planoσ−W que es atravesada por las trayectorias en el sistema din´amico en forma vertical. Es otras palabras, las isoclinas son curvas que son atravesadas por las trayectorias del retrato fase con una pendiente constante.
La isoclinaγQ={(σ, W), Q(σ, W) = 0} es la curva
WQ=−F(σ+ 2(b1λ¯2+θb2λ2)),
la cual para|σ|suficientemente grande es la rectaWQ∞=WQ=−1+θσ cuando|σ| → ∞.Hacemos hincapi´e en que la curva WQ =WQ(σ) intersecta a la trayectoria γs en el origen. De hecho, si Ws denota aγs como la funci´on Ws(σ),entonces de (5.80) tenemos
Ws=F0σ
L1dσ dτ −α
, conα= 1 + 2(b1λ12+θb2λ12).As´ı que
dWs
dσ = F0L1 d dσ
σdσ
dτ
− F0α
= F0L1 d dσ
σ(a1+ 3a3τ2+· · ·)
− F0α
= F0L1a1σ− F0α, pues|τ| ≪1 si|σ| ≪1.
Ahora, si|σ| ≪1,por el lema 5.4 tenemos que
WQ =−Fσ(1 + 2(b1λ12+θb2λ12)) =−Fσα.
De modo que
dWs
dσ −dWQ dσ
σ=0 =F0L1a1>0.
Para encontrar la isoclina γP = {(σ, W), P(σ, W) = 0} necesitamos resolver primeramente la ecuaci´on
(1−θλ21)Q2−2D1Q+D2= 0, (5.96) donde
D1 = 1−λ1(b2−θb1), D2 = 1−2λ1(b22+θb21)− 2 ν2F
λ1+ B∆ 2β1β2
. Denotemos porQ±(σ) a las ra´ıces de (5.96).
Q±= D1±p
D21−(1−θλ21)D2
(1−θλ21) , (5.96) tiene soluciones si y s´olo si el discriminante
D = D12−(1−θλ21)D2
= [1−λ1(b2−θb1)]2−(1−θλ21)
1−2λ1(b22+θb21)− 1 Fν2
λ1+ B∆ 2β1β2
120 5.5. Consideraciones gr´aficas