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An´alisis del sistema din´amico b´asico

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))11+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

λ011(0), B0 =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) =σλ123β13 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+λ32σ352σ5+· · ·

= 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

= F01+O(σ2).

As´ı, la primera ecuaci´on del sistema es:

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+OO2)

0 se sigue que F =F0 1

1+O2) =F0(1− O(σ4) +· · ·).

En dW ,tomandoF =F0: dW

dτ = F 2

(1−θλ21)Q2−2 [1−λ1(b2−θb1)]Q+ 1−2λ1(θb21+b22)

− 1 ν2

λ1+ B1β2

= F0

2

(1−θ(λ01)2)Q2−2[1−λ01(b2−θb1)]Q+R +O(σ2),

conR= 1−2λ01(θb21+b22)−F02ν2

λ01+ B0

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

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

L1

dτ −1−2(b1¯λ12+θb2λ12)

+O(σ2W +σ3) (5.80) y derivando con respecto aτ:

dW

dτ =F0L1 d dτ

σdσ

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

− F0

1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12)dσ dτ +O

σdW

dτ + (W +σ)dσ dτ

= F0

2

"

(1−θ(λ01)2) dσ

2

−2(1−λ01(b2−θb1))dσ dτ +R

#

+O(σ2)

Luego,

2L1 d2

22)−2[1 + 2(b1λ¯12+θb2λ12)]dσ dτ +O

σdW

dτ + (W +σ)dσ dτ

= (1−θ(λ01)2) dσ

2

−2(1−λ01(b2−θb1))dσ

dτ +R+O(σ2), entonces

L1 d2

22) = (1−θ(λ01)2) dσ

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

22) = (1 +θ(λ01)2) dσ

2

+

01(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)

= θλ012λ12+O(σ2)

= θ(λ01+θλ12) +O(σ2) entonces,

01(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

22) = (1−θ(λ01)2) dσ

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

22)−(1−θ(λ01)2) dσ

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, . . . , a2n1)

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, . . . , a2n1), 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,

a1 <0, a+1 >0 y M a1 < 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)a1 −N <2nL01a1 <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 a1 <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. a1 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:

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= 1αWακW2 .

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 CW2W; 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 cWW2 . 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, = 0 y dW = 0;

luego la pendiente en el planoσ−W es dW = PQ. SiP = 0 obtenemos la curva en el planoσ−W que es atravesada por las trayectorias en forma horizontal. Si Q= 0 entonces dW =∞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

− 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

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+ B1β2

. 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+ B1β2

120 5.5. Consideraciones gr´aficas