ANA MARIA TRAVAGLINI SISTEMA DE RÖSSLER E DINÂMICA TEOREMA DA MÉDIA

Transcrição

1 ANA MARIA TRAVAGLINI SISTEMA DE RÖSSLER E DINÂMICA DE GALÁXIAS: APLICAÇÕES DO TEOREMA DA MÉDIA UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE MATEMÁTICA 216 i

2 ANA MARIA TRAVAGLINI SISTEMA DE RÖSSLER E DINÂMICA DE GALÁXIAS: APLICAÇÕES DO TEOREMA DA MÉDIA Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Matemática da Universidade Federal de Uberlândia, como parte dos requisitos para obtenção do título de MESTRE EM MATEMÁTICA. Área de Concentração: Matemática Aplicada. Linha de Pesquisa: Equações Diferenciais Ordinárias. Orientador: Prof. Dr. Márcio José Horta Dantas. UBERLÂNDIA - MG 216 ii

3

4

5 Dedicatória Dedico este trabalho aos meu pais Antônio Alberto Travaglini e Cláudia Bernardo Travaglini. v

6 Agradecimentos Agradeço a todos que direta ou indiretamente me ajudaram chegar até aqui. Em particular, agradeço: Aos meus pais pelo incentivo dado em todos os momentos da minha vida. Ao meu irmão Ulisses Travaglini que sempre torceu por mim. Ao meu namorado Andrey Luan Gomes Contel pela amizade e o companheirismo. Ao professor Márcio José Horta Dantas por sua orientação, disponibilidade e dedicação, sem a sua contribuição este trabalho não seria possível. A todos os meus amigos do mestrado pelo companheirismo e a ajuda durante estes dois anos. A minha família pela presente motivação, ajuda e carinho. Ao programa de pós-graduação em Matemática por tornar esse mestrado possível. vi

7 TRAVAGLINI, A. M. Sistema de Rössler e Dinâmica de Galáxias: Aplicações do Teorema da Média p. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia - MG. Resumo O principal objetivo desta dissertação é formular e provar o Teorema da Média para equações diferenciais ordinárias e aplicá-lo na investigação de órbitas periódicas. Dois sistemas são estudados: um sistema de Rössler e um sistema hamiltoniano relacionado ao estudo de Dinâmica de Galáxias. Palavras-chave: Equações Diferenciais Ordinárias, Método da Média, Órbitas Periódicas, Estabilidade. vii

8 TRAVAGLINI, A. M. Rössler s system and Dynamic of Galaxies: Averaging Theorem applications p. Dissertation, Federal University of Uberlândia, Uberlândia - MG. Abstract The main purpose of this dissertation is to formulate and prove the Averaging Theorem for ordinary differential equations and apply it in the investigation of periodic orbits. Two systems are studied: a Rössler s system and a hamiltonian system related to the study of Dynamic of Galaxies. Keywords: Ordinary Differential Equations, Averaging Method, Periodic Orbits, Stability. viii

9 SUMÁRIO Resumo Abstract vii viii Introdução 1 1 Preliminares Tópicos preliminares de Análise Resultados gerais Estabilidade de Operadores Lineares Hiperbólicos Teorema da Aplicação Implícita Global: Um caso elementar Tópicos preliminares de Equações Diferenciais Resultados gerais O Teorema da Redução Funções Elípticas Jacobianas de um ponto de vista de Sistemas Dinâmicos O Método da Média A Forma Canônica de Lagrange O Teorema da Média no caso periódico Existência e Estabilidade de soluções periódicas Sistema de Rössler: Existência e Estabilidade de órbitas periódicas usando o Método da Média Introdução Órbitas periódicas numa vizinhança da origem Órbitas periódicas em torno de pontos de equilíbrio não triviais Dinâmica de um Sistema Hamiltoniano Galáctico O sistema hamiltoniano Caso 1: r e ρ ix

10 4.3 Caso 2: r = Caso 3: ρ = Caso geral x

11 INTRODUÇÃO Neste trabalho vamos estudar via Método da Média certos sistemas de equações diferenciais. Essa teoria é tão natural que por um longo período o método foi usado em muitos campos de aplicação, como na Matemática, Física e Engenharia, sem prova de sua validade. Em 1928 a primeira prova de sua validade foi dada por Fatou. No primeiro capítulo serão dados resultados básicos de Análise e de Equações Diferenciais, os quais serão necessários para o desenvolvimento dos capítulos 2, 3 e 4. No segundo capítulo vamos estudar a Teoria da Média. Aqui veremos três teoremas principais. O primeiro nos fornece uma solução aproximada de um sistema de equações diferenciais em intervalos finitos que dependem de um pequeno parâmetro ε. O segundo nos garante, sob certas condições, a existência de uma solução periódica e o terceiro nos permite estudar a estabilidade dessa solução. Juntos esses três teoremas são conhecidos como o Teorema da Média. No terceiro capítulo vamos aplicar a Teoria da Média para estudar um sistema autônomo introduzido em [3] conhecido por sistema de Rössler. No quarto capítulo também aplicaremos a Teoria da Média e ainda vamos usar as Funções Elípticas Jacobianas, as quais veremos no primeiro capítulo, para estudar um sistema hamiltoniano introduzido em [6]. Os cálculos computacionais desta dissertação foram feitos usando o software Maxima (215). Esse software é livre e de código aberto, podendo ser efetuado o download em Ana Maria Travaglini Uberlândia - MG, 2 de janeiro de

12 CAPÍTULO 1 PRELIMINARES Neste primeiro capítulo serão enunciados alguns resultados e definições que serão necessários mais adiante. 1.1 Tópicos preliminares de Análise Resultados gerais Teorema (Derivação sob o sinal de integral) Dado U R n um aberto, seja f : U [a, b] R uma função com as seguintes propriedades: (a) Para todo x U, a função t f(x, t) é Riemann-integrável em a t b. f (b) A i-ésima derivada parcial (x, t) existe para cada (x, t) U [a, b] e a função x i f : U [a, b] R, assim definida, é contínua. x i Então a função φ : U R, dada por φ(x) = em cada ponto x U, sendo: b φ b f (x) = (x, t)dt. x i a x i a f(x, t)dt, possui i-ésima derivada parcial Em suma: pode-se derivar sob o sinal de integral, desde que o integrando resultante seja uma função contínua. Demonstração: Veja [7], capítulo 3, seção 6. 2

13 Corolário Se f : U [a, b] R é contínua e possui n derivadas parciais f x i : U [a, b] R, i = 1, 2,..., n, contínuas, então ϕ : U R definida por: é de classe C 1. ϕ(x) = b Demonstração: Veja [7], capítulo 3, seção 6. a f(x, t)dt Teorema Seja f : U R m de classe C k (k 1) no aberto U R m. Se a U é tal que f (a) : R m R m é invertível, ou seja, det J(f(a)) então existe uma bola aberta B = B(a, δ) U tal que a restrição f B é um difeomorfismo sobre um aberto V f(a). Demonstração: Veja [7], capítulo 5, seção 8. Definição Seja f : Ω ( ε, ε ) R m uma função com Ω R m. Dizemos que f(x, ε) = O(ε) se existe uma constante C > tal que para todo (x, ε) Ω ( ε, ε ). f(x, ε) Cε Seja A : R n R n um operador linear. Considere a norma uniforme: A = max{ A(x) : x B}; B = {x R n : x 1} onde. é a norma euclidiana. Note que A existe, pois B é compacto e A é contínuo. Teorema Sejam A, B L(R n, R n ). Temos as seguintes propriedades: (a) Se A = k então A(x) k x, x R n. (b) AB A B. (c) A m A m, m N. Demonstração: Veja [5], capítulo 5, seção 3, Lema 1. 3

14 Lema Seja A L(R n, R n ) então existe ε > tal que se ε < ε o operador I +εa é inversível e sua inversa é dada por: [I + εa] 1 = I εa + O(ε 2 ). Demonstração: Sabemos que: Defina S n (ε) = (I εa)(i + εa + (εa) (εa) n ) = I (εa) n+1. n (εa) k. Como L(R n, R n ) é um espaço completo e S n (ε) L(R n, R n ), k= pois A L(R n, R n ), se mostrarmos que S n (ε) é de Cauchy, concluiremos que S n (ε) converge para um elemento de L(R n, R n ). Sejam p, q N tais que q > p então: S q (ε) S p (ε) = q (εa) j j=p+1 = (εa) p (εa) q (1.1) εa p+1 I + (εa) (εa) q (p+1) Se escolhermos ε tal que ε < 1 2 A = ε, teremos: Assim, segue de (1.1) que: Além disso, Daí, I + (εa) (εa) q (p+1) εa p+1 (I + (εa) (εa) q (p+1) ). (εa) j j= S q (ε) S p (ε) εa p+1 1 εa. ε < 1 2 A 1 1 εa < εa. S q (ε) S p (ε) εa p+1 1 εa 2 εa p , quando p +. p+1 2p Portanto, (S n (ε)) n converge para (εa) j L(R n, R n ). Como j= (I εa)s q (ε) = I (εa) q+1 4

15 fazendo q +, temos: ( ) (I εa) (εa) j = I. Daí concluímos que I εa é inversível e j= [I εa] 1 = (εa) j. j= Substituindo ε por ε, temos: [I + εa] 1 = ( 1) j (εa) j = I εa + O(ε 2 ). j= Teorema (Aplicação Implícita) Seja f : U R n, definida no aberto U R m+n, C 1 no ponto a U, com f(a) = c. Se f (a) : R m+n R é sobrejetiva ou, mais precisamente, se R m+n = R m R n é uma decomposição em soma direta tal que a = (a 1, a 2 ) e a derivada 2 f(a) : R n R n é um isomorfismo, então existem abertos V, Z (onde a 1 V R m, a Z U) com a seguinte propriedade: para cada x V há um único ξ(x) R n tal que (x, ξ(x)) Z e f(x, ξ(x)) = c. A aplicação ξ : V R n assim definida é C 1 no ponto a 1 e sua derivada nesse ponto é ξ (a 1 ) = [ 2 f(a)] 1 [ 1 f(a)]. Se f C k (k 1) então ξ C k e sua derivada num ponto x V qualquer é ξ (x) = [ 2 f(x, ξ(x))] 1 [ 1 f(x, ξ(x))]. Em resumo: f 1 (c) Z é o gráfico da aplicação ξ : V R n, C 1 no ponto a 1. Se f C k então ξ C k. A aplicação ξ diz-se definida implicitamente pela equação f(x, y) = c. Demonstração: Veja [7], capítulo 5, seção 11. 5

16 1.1.2 Estabilidade de Operadores Lineares Hiperbólicos Considere o espaço vetorial de dimensão m sobre o corpo C : C m = {u + iv : u, v R m }. Em C m, definimos a soma de vetores e a multiplicação por um número complexo de maneira natural. Seja A : R m R m uma aplicação linear. Definimos a complexificação de A como sendo a aplicação: A C : C m C m u + iv A C (u + iv) = A(u) + ia(v). Definição Seja T : C m C m um operador no espaço complexo C m. Um escalar λ C é um autovalor de T se existir x C m tal que T x = λx. O conjunto {x C m : T x = λx} é chamado de auto-espaço associado ao autovalor λ e cada elemento não nulo desse conjunto é um autovetor associado a λ. Definição Seja T : R m R m um operador no espaço R m. Um escalar λ C é um autovalor de T se λ for raiz do polinômio característico de T, isto é, p(λ) = det(t λi) =. Definição Um operador linear T : C m C m é hiperbólico se todos os autovalores de T tem partes reais não nulas. Sejam z = (z 1, z 2,, z m ) e w = (w 1, w 2,, w m ) C m. Definimos o produto interno em C m como sendo:, C : C m C m C (z, w) z, w C = m z j w j j=1 e a norma induzida do produto interno em C m como sendo:. C : C m R z z C = z, z. Definição Dada uma aplicação linear T : C m C m, definimos a norma do operador T por: T C = sup{ T (x) C, x C m, x C 1}. Vejamos que: Lema Se A L(R m, R m ) então A C C = A. 6

17 Demonstração: Seja u + iv C m tal que u + iv 1. Então, u + iv 2 C 1 u + iv, u + iv C 1 u, u + i u, v i u, v + v, v 1 u, u + v, v 1 u 2 + v 2 1. Assim, para u + iv C m tal que u + iv C 1, temos: A C (u + iv) 2 C A C (u + iv), A C (u + iv) C = A(u) + ia(v), A(u) + ia(v) C = A(u), A(u) + A(v), A(v) = A(u) 2 + A(v) 2 A 2 u 2 + A 2 v 2 A 2 ( u 2 + v 2 ) A 2. Então, A C (u + iv) 2 C A 2, desde que u + iv C 1. Dessa forma, Por outro lado, A C C = sup{ A C (u + iv) C, u + iv C m, u + iv C 1} A. (1.2) A C C = sup A C (u + iv) C sup A C (u) = sup A(u) = A. (1.3) u+iv C =1 u =1 u =1 Portanto, de (1.2) e (1.3), segue que: A C C = A. Observação λ é autovalor de A se, e somente se, λ é autovalor de A C. Isso segue do fato de que toda base de R m é base C m. Logo, as matrizes associadas as transformações A e A C são iguais e portanto admitem o mesmo polinômio característico. Teorema Se A n A em L(R m, R m ) então A C n A C em L(C m, C m ). 7

18 Demonstração: Seja A n L(R m, R m ) para todo n N tal que A n A. Isto é, lim A n A =. n Note que: (A C n A C )(u + iv) = A C n(u + iv) A C (u + iv) = A n (u) + ia n (v) (A(u) + ia(v)) = A n (u) A(u) + ia n (v) ia(v) (1.4) Assim, por (1.4) e pelo Lema segue que: Daí, Portanto, A C n A C. = (A n A)(u) + i(a n A)(v) = (A n A) C (u + iv). A C n A C C = (A n A) C C = A n A. lim n A C n A C C = lim n A n A =. Consideremos R m munido da base canônica usual e 1, e 2,..., e n. Seja A L(R m, R m ). Em relação a esta base podemos associar de forma única a matriz cujo componente na i-ésima linha e j-ésima coluna é denotada por A ij onde 1 i, j m. Observação A função determinante det : R n... R n = R n2 R é C. Veja [7], página 252. Teorema Se A n A em L(R m, R m ) então existe uma subsequência {n k } tal que se λ nk,1, λ nk,2,..., λ nk,m são raízes de g k (λ) = det(λi A nk ) então lim λ nk,j = λ j, onde k j = 1, 2,..., m e todas as raízes de g(λ) = det(λi A), incluindo suas multiplicidades, são dadas exatamente por λ 1, λ 2,..., λ m. Demonstração: Sejam λ n,1, λ n,2,..., λ n,m os autovalores de A C n e v n,1, v n,2,..., v n,m C m os respectivos autovetores com v n,j C = 1, j = 1, 2,..., m. Temos: A C nv n,j, v n,j C = λ n,j v n,j, v n,j C = λ n,j v n,j, v n,j C = λ n,j v n,j 2 C = λ n,j, j = 1, 2,..., m. Assim, pelo Lema , temos: λ n,j = A C nv n,j, v n,j C A C n C v n,j 2 C A C n C = A n (1.5) 8

19 para todo n N, j = 1, 2,, m. Como A n A em L(R m, R m ) então existe M > tal que A n M, n N (1.6) pois toda sequência convergente é limitada. Para cada n N considere a m-upla: p n = (λ n,1, λ n,2,..., λ n,m ) formada pelos autovalores de A C n. Segue de (1.5) e (1.6) que: p n B[, M] C m. Como B[, M] é compacta em C m segue que existe uma subsequência {n k } e p B[, M] onde p = (λ 1, λ 2,..., λ m ) tal que lim λ n k,j = λ j, j = 1, 2,, m. (1.7) k Como λ nk,1, λ nk,2,, λ nk,m são raízes de g k (λ) = det(λi A nk ), considere g(λ) = det(λi A). Vamos mostrar que λ j é raiz de g(λ), j = 1, 2,, m. Isto é, os λ j são autovalores de A. Temos que: para todo λ C. Como det(λi A C n k ) = (λ λ nk,1)(λ λ nk,2)... (λ λ nk,m) (1.8) λi A C n k λi + A C C = A C n k A C C = (A nk A) C C = A nk A pelo Teorema , já que A n A segue que A C n A C. Logo, lim (λi k AC n k ) = λi A C. (1.9) Segue de (1.9), (1.8), (1.7) e da Observação que: ( ) det(λi A C ) = det lim (λi k AC n k ) = lim det(λi A C n k k ) = lim k (λ λ nk,1)(λ λ nk,2)... (λ λ nk,m) = (λ λ 1 )(λ λ 2 )... (λ λ m ) ou seja, g(λ) = (λ λ 1 )(λ λ 2 )... (λ λ m ). Portanto, λ 1, λ 2,..., λ m são todos os autovalores de A, contando com as suas multiplicidades. Observação Queremos ressaltar que as multiplicidades das raízes de g k não são preservadas. Por exemplo, se 1 1 A k = k ( então lim A k = I, g k (λ) = det(λi A k ) = (λ 1) 2 λ 1 1 ) e g(λ) = det(λi A) = k k (λ 1) 3. Assim, λ = 1 é uma raiz de multiplicidade 2 de g k e de multiplicidade 3 de g. 9

20 Teorema Seja A L(R m, R m ) um operador linear hiperbólico. Assuma que a autovalores de A tem partes reais negativas (contando com as possíveis multiplicidades) e m a autovalores de A tem partes reais positivas. Assim, existe δ > tal que se C B(A, δ) L(R m, R m ) então C admite a autovalores com partes reais negativas e m a autovalores com partes reais positivas, contando suas respectivas multiplicidades. Demonstração: Seja a o número de raízes de p A (λ) com partes reais negativas e m a com partes reais positivas. Afirmamos que existe δ 1 > tal que se C B(A, δ 1 ) então todos os autovalores de C tem partes reais não nulas. Suponhamos que não. Então, dado n N, existe C n B(A, 1/n) tal que C n tem um autovalor λ n,1 tal que Re(λ n,1 ) =. Sejam λ n,1, λ n,2,..., λ n,m todos os autovalores de C n. Pelo Teorema , existe uma subsequência {n k } e λ j, j = 1, 2,..., m tais que lim k λ n k,j = λ j e cada λ j é um autovalor de A, já que C n A. Como Re(λ nk,1) = segue que Re(λ 1 ) =. Então, A possui um autovalor com parte real nula, o que contradiz a hipótese. Portanto, existe δ 1 > tal que se C B(A, δ) então todos os autovalores de C tem partes reais não nulas. Suponha que para todo n N tal que 1/n < δ 1, exista C n B(A, 1/n) tal que o número de autovalores de C n com partes reais negativas é a n e o número de autovalores com partes reais positivas é b n com (a n, b n ) (a, m a), para todo n N. Observe que a n + b n = m. Temos que: (a n, b n ) {1, 2,..., m} {1, 2,..., m}. Além disso, lim C n A =. n Então, pelo Teorema , segue que existe C nk subsequência de C n tal que C nk A e se λ nk,1, λ nk,2,..., λ nk,m são autovalores de C nk temos que: lim λ n k,j = λ j, j = 1, 2,..., m (1.1) k onde λ 1, λ 2,..., λ m são autovalores de A contando as suas multiplicidades. Como (a nk, b nk ) {1, 2,..., m} {1, 2,..., m}, que é um conjunto compacto, e passando a uma subsequência desta subsequência, se necessário, podemos assumir: a nk = a e b nk = b tais que { a + b = m, (a, b ) (a, m a). (1.11) Vamos reordenar os autovalores de C nk tal que os primeiros a autovalores tenham partes reais negativas e os restantes b autovalores cujas partes reais são positivas. Assim, de (1.1) temos: lim Re(λ n k,j) = Re(λ j ), j = 1, 2,..., m. k Então, para j = 1, 2,..., a temos: Re(λ j ) <, pois Re(λ nk,j) <, j = 1, 2,..., a. Logo, a a. (1.12) 1

21 Analogamente, para j = a + 1, a + 2,..., m temos: Re(λ j ) >, pois Re(λ nk,j) >, j = a + 1, a + 2,..., m. Logo, b m a. (1.13) Mas, por (1.11) temos que: b = m a. Logo, por (1.13) e (1.12): m a m a a a a = a. Portanto, (a, b ) = (a, m a) o que contraria (1.11). E isto prova este teorema. Teorema Seja M > e A L(R m, R m ) um operador hiperbólico tal que A tem exatamente a autovalores com partes reais negativas e m a autovalores com partes reais positivas, contando as suas multiplicidades. Então, existe ε > tal que, contando as multiplicidades, a matriz I m + ε(a + εb) tem a autovalores com normas menores que 1 e m a autovalores com normas maiores que 1, para todo < ε < ε e B M. Demonstração: Como B M, podemos fazer: I m + ε(a + εb) = I m + ε(a + O(ε)). Seja δ > como obtido no Teorema então existe ε tal que se ε < ε então A + O(ε) B(A, δ). Então, segue que A + O(ε) admite a autovalores com partes reais negativas e m a autovalores com partes reais positivas. Considere (A + O(ε)) C. Então, existem v ε,1,, v ε,a, v ε,a+1,, v ε,m autovetores unitários de (A + O(ε)) C tais que: (A + O(ε)) C v ε,j = λ ε,j v ε,j, com { Re(λε,j ) <, se j = 1,, a Re(λ ε,j ) >, se j = a + 1,, m. Como λ ε,j = a ε,j + ib ε,j então { aε,j <, se j = 1,, a a ε,j >, se j = a + 1,, m. (1.14) Daí, (I m + ε(a + O(ε)) C )v ε,j = v ε,j + ε(a + O(ε)) C v ε,j = v ε,j + ελ ε,j v ε,j = (1 + ελ ε,j )v ε,j. Portanto, os autovalores de (I m +ε(a+o(ε)) C ) são: α ε,j = (1+ελ ε,j ) onde j = 1, 2,, m. Mostraremos que: { αε,j C < 1, se j = 1,, a Temos que: α ε,j C > 1, se j = a + 1,, m. α ε,j C = 1 + ε(a ε,j + ib ε,j ) C = (1 + εa ε,j ) + i(εb ε,j ) C = (i) Para j = a + 1,, m, temos: a ε,j >. Daí, (1 + εa ε,j ) 2 > 1 = α ε,j C > (1 + εa ε,j ) 2 + (εb ε,j ) 2.

22 (ii) Para j = 1,, a, temos: a ε,j <. Daí, α ε,j 2 C = 1 + 2εa ε,j + ε 2 λ ε,j 2 C 1 + 2εa ε,j + ε 2 (A + O(ε)) C 2 C (1.15) Da definição e do Lema , temos: (A + O(ε)) C 2 C = A C + (O(ε)) C 2 C ( A C C + (O(ε)) C C ) 2 ( A + εc ) 2 onde C é uma constante positiva. Dessa forma, existe M 1 > tal que (A + O(ε)) C 2 C M 1. Sejam λ 1,..., λ m os autovalores de A tais que Re(λ 1 ),..., Re(λ a ) < e Re(λ a+1 ),..., Re(λ m ) >. Então, lim λ ε,j = λ j, onde j = 1,..., m. Portanto, lim Re(λ ε,j ) = Re(λ j ), onde ε ε j = 1,..., m. Ou seja, para j = 1,..., a com a j <. Dado β > tal que lim ε a ε,j = a j a 1, a 2,..., a a < β existe ε j > tal que a ε,j < β, para todo < ε < ε j. Faça ε = min{ε 1, ε 2,..., ε a }. Dessa forma, para j = 1, 2,..., a e < ε < ε, temos por (1.15) que: α ε,j 2 C 1 2εβ + ε 2 M 1. { } 2β Faça ε 1 = min, ε. Para < ε < ε 1 temos: M 1 Portanto, para < ε < ε 1 temos: 2β + εm 1 < 2εβ + ε 2 M 1 <. α ε,j 2 C 1 2εβ + ε 2 M 1 < 1 ou seja, para j = 1,..., a. α ε,j C < 1 12

23 1.1.3 Teorema da Aplicação Implícita Global: Um caso elementar Nesta subseção veremos uma nova versão do Teorema da Aplicação Implícita. Lema Seja U R n um aberto e f : U (a, b) R tal que f C 1 e f (x, y) y, para todo (x, y) U (a, b). Se existe g : U (a, b) tal que f(x, g(x)) =, para todo x U, então g C 1. Demonstração: Dado x U, considere (x, g(x )). Assim, f(x, g(x )) = e f y (x, g(x )). Então, pelo Teorema da Aplicação Implícita 1.1.7, existem abertos U 1 U e J 1 (a, b) tais que x U 1, g(x ) J 1 e ϕ : U 1 J 1 é de classe C 1 com ϕ(x ) = g(x ) tal que f(x, ϕ(x)) =, para todo x U 1. Mas f(x, g(x)) =, para todo x U 1. Pelo Teorema do Valor Médio, existe y entre ϕ(x) e g(x) tal que = f(x, ϕ(x)) f(x, g(x)) = f (x, y)(ϕ(x) g(x)). y Como f y (x, y) então g(x) = ϕ(x), para todo x U 1. Portanto, g C 1 em x. Como x é arbitrário, segue que g C 1 em U. O resultado a seguir é uma pequena modificação no caso mais simples do principal teorema dado em [13], página 253. Teorema (Aplicação Implícita Global) Seja Ω R n um aberto e f : Ω (a, b) R, f C 1 tal que (i) f (x, y), para todo (x, y) Ω (a, b). y (ii) lim inf y a + f(x, y) < e lim sup f(x, y) >, para todo x Ω. y b Então, existe g : Ω (a, b) de classe C 1 tal que f(x, g(x)) =, para todo x Ω. Demonstração: Dado x U, segue de (ii) que existem y 1, y 2 (a, b) tais que f(x, y 1 ) < e f(x, y 2 ) >. Segue do Teorema do Valor Intermediário e de (i) que existe y entre y 1 e y 2 tal que f(x, y) =. (1.16) 13

24 Suponha que exista y [y 1, y 2 ] tal que f(x, y ) =. Do Teorema do Valor Médio, temos: = f(x, y) f(x, y ) = f y (x, y )(y y ). Como f y (x, y ), segue que y = y. Logo, existe um único y que satisfaz (1.16). Assim, para cada x Ω existe um único g(x) (a, b) tal que f(x, g(x)) = e pelo Lema segue que g C 1. 14

25 1.2 Tópicos preliminares de Equações Diferenciais Resultados gerais Definição Considere a função vetorial f : [t a, t +a] D R n, onde D R n. Dizemos que f satisfaz a condição de Lipschitz com respeito à x, se existe L > tal que f(t, x 1 ) f(t, x 2 ) L x 1 x 2 para quaisquer x 1, x 2 D e t [t a, t + a]. Chamamos L de constante de Lipschitz. Teorema (Existência e Unicidade): Considere o problema de valor inicial { ẋ = f(t, x), x(t ) = x (1.17) com x D R n, t t a, D = {x : x x d}, onde a e d são constantes positivas. Se a função f satisfaz as condições: (a) f é continua em G = [t a, t + a] D. (b) f é Lipschitz com respeito à x. Então, o problema de valor inicial (1.17) admite uma única solução em t t min com M = sup f. G Demonstração: Veja [12], capítulo 1, Teorema 1.1. ( a, d ) M Teorema (Desigualdade de Gronwall) Suponha que: para t t t + a, onde a é uma constante positiva, temos a estimativa Φ(t) δ 1 t t Ψ(s)Φ(s)ds + δ 3 com t t t + a, Φ(t) e Ψ(t) são funções contínuas, Φ(t) e Ψ(t), δ 1 e δ 3 constantes positivas. Então, Φ(t) δ 3 e δ t 1 t Ψ(s)ds para t t t + a. Demonstração: Veja [12], capítulo 1, Teorema 1.2. Considere o sistema onde A(t) é uma matriz n n contínua e t I. Vamos estabelecer algumas propriedades da equação (1.18). ẋ = A(t) x (1.18) 15

26 Proposição Considere o sistema (1.18). Então, (a) Se x = ϕ(t) é solução de (1.18) tal que ϕ(t ) =, para algum t R, então ϕ(t), para t I. (b) Se as funções vetoriais ϕ 1 (t), ϕ 2 (t),, ϕ m (t) são soluções de (1.18), então a função vetorial ϕ(t) = c 1 ϕ 1 (t) + c 2 ϕ 2 (t) + + c m ϕ m (t) onde c 1, c 2,, c m são constantes, também é solução de (1.18). Demonstração: Veja [11], página 128. Definição Sejam ϕ 1 (t), ϕ 2 (t),, ϕ m (t) (1.19) soluções de (1.18). Estas soluções são linearmente dependentes se existem constantes c 1, c 2,, c m, nem todas nulas, tais que c 1 ϕ 1 (t) + c 2 ϕ 2 (t) + + c m ϕ m (t) = para todo t I. Caso contrário, as soluções (1.19) são chamadas linearmente independentes. Proposição Se (??) são soluções fundamentais de (1.18), então existem constantes c 1, c 2,, c n tais que toda solução ϕ(t) de (1.18) pode ser escrita da forma Demonstração: Veja [11], página 129. ϕ(t) = c 1 ϕ 1 (t) + c 2 ϕ 2 (t) + + c n ϕ n (t). Definição Uma matriz X(t) = ϕ 1 1(t) ϕ 1 k(t) ϕ 1 n(t) ϕ 2 1(t) ϕ 2 k(t) ϕ 2 n(t)... ϕ n 1(t) ϕ n k(t) ϕ n n(t) cujas colunas ϕ k (t) = (ϕ 1 k(t), ϕ 2 k(t),, ϕ n k(t)) são soluções da equação (1.18) e que são linearmente independentes num ponto t I, chama-se matriz fundamental de (1.18). 16

27 Definição Uma matriz X(t) é dita T periódica, se existe T > tal que para todo t R. Considere a equação: X(t + T ) = X(t) ẋ = A(t) x (1.2) onde A(t) é uma matriz contínua n n e T periódica para t R. Teorema (Floquet) Considere a equação (1.2) com A(t) uma matriz n n contínua e T periódica. Então, cada matriz fundamental X(t) da equação (1.2) pode ser escrita como o produto de duas matrizes n n onde P (t) T periódica e B é uma matriz constante n n. Demonstração: Veja [12], capítulo 6, Teorema 6.5. Definição Qualquer matriz não singular C tal que X(t) = P (t)e Bt (1.21) X(t + T ) = X(t)C onde X(t) é matriz fundamental de (1.2) é chamada matriz de monodromia de (1.2). Observação Seja X(t) matriz fundamental de (1.2). De (1.21) temos que: Logo, C = e BT. X(t + T ) = P (t + T )e B(t+T ) = P (t)e Bt e BT = X(t)e BT. Observação Todas as matrizes de monodromia são conjugadas entre si. [11], página 144. Veja Definição Dizemos que λ é um número característico de (1.2) se λ é autovalor de uma matriz de monodromia C. Segue da Observação que λ não depende de C. Considere o problema de valor inicial { ẋ(t) = f(t, x(t)), x() = x (1.22) onde D R n e f : D R n é C 1. 17

28 Definição Seja I um intervalo aberto, Φ : I R n solução de (1.22). Dizemos que uma solução ˆΦ : Î Rn de (1.22), com Î um intervalo aberto, é um prolongamento (continuação ou extensão) de Φ se Î I e ˆΦ I = Φ. Diremos que Φ é continuável se admite um prolongamento. Caso contrário, Φ é dita não-continuável. Definição Se Φ : J R n e x : Ĵ R n são soluções de (1.22) e x é um prolongamento não continuável de Φ, dizemos que Ĵ é um intervalo maximal de existência de Φ. Teorema (Teorema da continuação de solução) Considere o p.v.i. (1.22) onde D é um conjunto aberto em R n e seja Φ(t) uma solução dessa equação em algum intervalo, então existe um prolongamento de Φ a um intervalo maximal de existência. Além disso, se (a, b) é intervalo maximal de existência da solução x(t) de (1.22) então (t, x(t)) tende à fronteira de D quando t a + e t b. Demonstração: Veja [4], capítulo 1, Teorema 2.1. Seja E um espaço vetorial de dimensão finita e W E um conjunto aberto de E. Considere a equação ẋ(t) = f(x(t)) (1.23) onde f : W E é uma função C 1. Para cada x W, existe uma única solução Φ(t) com Φ() = x definida num intervalo maximal de existência J(x) R. Como Φ depende de x, indicaremos Φ(t) = Φ(t, x). Então, Φ(, x) = x. Temos que J(x) é um intervalo aberto. Definição Seja Ω = {(t, x) R W : t J(x)}. Chamamos Φ : Ω W dada acima de fluxo da equação (1.23). Resumidamente: Se Φ(t, x) é o fluxo de (1.23) então: Φ (t, x) = f(φ(t, x)), t Φ(, x) = x. Teorema Ω é um conjunto aberto em R W e Φ : Ω W é uma aplicação C 1. Demonstração: Veja [5], página 175 e página 299. Teorema O fluxo Φ da equação (1.23) possui a seguinte propriedade: Se s J(x), s + t J(x) e t J(Φ(s, x)) então Φ(t + s, x) = Φ(t, Φ(s, x)). 18

29 Demonstração: Vejamos que ψ 1 (t) = Φ(t, Φ(s, x)) e ψ 2 (t) = Φ(t + s, x) são soluções do p.v.i.: { ẋ(t) = f(x), De fato, (i) ψ 1 (t) é solução, pois: x() = Φ(s, x). (ii) ψ 2 (t) é solução, pois: Temos ainda, que: ψ 1 (t) = Φ t (t, Φ(s, x)) = f(φ(t, Φ(s, x)) = f(ψ 1 (t)). ψ 2 (t) = Φ t (t + s, x) = f(φ(t + s, x)) = f(ψ 2 (t)). ψ 1 () = Φ(, Φ(s, x)) = Φ(s, x), ψ 2 () = Φ( + s, x) = Φ(s, x). Da unicidade de soluções do p.v.i., segue que: Φ(t, Φ(s, x)) = ψ 1 (t) = ψ 2 (t) = Φ(t + s, x). Das hipóteses segue que podemos fazer t = t na equação anterior. Portanto, Φ(t, Φ(s, x)) = Φ(t + s, x). Observação O Fluxo para o caso não-autônomo Toda equação não autônoma ẋ = f(t, x) (1.24) em Ω = {(t, x) R W : t J(x)} onde W R n+1 é um aberto, pode ser reescrita como uma equação autônoma Ẋ = F (X) (1.25) em Ω R n+1 onde X = (s, x) e F (X) = (1, f(x)). De fato, o fluxo de Ẋ = F (X) é dado por: Γ(t, X) = (Γ 1 (t, X), Γ 2 (t, X)) R n+1. Faça X() = (a, b), isto é, s() = a R e x() = b R n. De (1.25), temos: ṡ(t) = 1, ẋ(t) = f(s(t), x(t)). 19

30 Dessa forma, s(t) = t + a, Portanto, Γ 2 t (t, X) = f(t + a, Γ 2(t, X)). Γ(t, X) = (t + a, Γ 2 (t, X)) (1.26) onde Γ 2 t (t, X) = f(t + a, Γ 2(t, X)). Então, definimos o fluxo de (1.24) como sendo: Φ(t, b) = Γ 2 (t, (, b)) (1.27) já que: Isto é, Φ (t, b) = Γ 2 t (t, (, b)) = f(t, Γ 2(t, (, b))) = f(t, Φ(t, b)), Φ(, b) = Γ 2 (, (, b)) = b. { Φ (t, b) = f(t, Φ(t, b)), Assim, Além disso, temos: Γ (t, X) = (a, b) Φ(, b) = b Γ 21 a (t, X) Γ 21 b 1 (t, X).... Γ 2n Γ (t, X) a. 2n b 1 (t, X)... Γ 21 b n (t, X).... Γ 2n b n (t, X). ( ) ( ) Γ Γ2 det (t, X) = det (t, X). (1.28) (a, b) b Γ(, X) = X Γ X (, X) = I n+1. (1.29) Fazendo t = em (1.28) e usando (1.29) temos: 1 = det I n+1 = det ( ) Γ (, X) X ( ) Γ2 = det (, X). b Então, ( ) Γ2 det (, (a, b)) = 1. (1.3) b 2

31 Como Γ(t, X) é fluxo de (1.25), segue do Teorema que: Portanto, segue de (1.3) que Γ(t, X) = (Γ 1 (t, X), Γ 2 (t, X)) C 1. det ( ) Γ2 (t, (a, b)) b para t adequadamente pequeno. Então, de (1.27) e do Teorema segue que para todo b R n, existe um intervalo I b com I b tal que para cada t I b a aplicação b Φ(t, b) é inversível. Este resultado será usado na demonstração do Teorema Observação O Teorema não é válido para sistemas não autônomos, como mostra o seguinte exemplo: Considere o p.v.i. { ẋ = tx, (1.31) x() = x. Note que Φ(t, x ) = e t2 2 x é o fluxo de (1.31), pois: Φ (t, x ) = te t2 2 x = t Φ(t, x ), Φ(, x ) = x. Entretanto, dados s = 1, t = 2 e x = 1, temos: Φ(s + t, x ) = Φ(3, 1) = e 9 2 e 5 2 = Φ(1, e 4 2 ) = Φ(s, Φ(t, x )). Proposição Seja A um subconjunto compacto do aberto W E e f : W E uma função C 1. Suponha que y A e toda solução da curva da forma y : [, β] W, y() = y permanece inteiramente em A. Então, existe uma solução y : [, ) W, y() = y e y(t) A para todo t. Demonstração: Veja [5], página 172. O próximo resultado será usado no Capítulo 2 sobre o Método da Média. 21

32 Proposição Seja f : R R uma função contínua T periódica. Então, para todo ψ R, tem-se: T f(x)dx = ψ ψ+t f(x)dx. Demonstração: Note que T f(x)dx = ψ f(x)dx + Além disso, como f é T periódica, temos: ψ+t ψ f(x)dx ψ+t T f(x)dx. Dessa forma, ψ+t T f(x)dx = ψ f(u + T )du = ψ f(u)du. T f(x)dx = ψ f(x)dx + ψ+t ψ f(x)dx ψ f(x)dx = ψ+t ψ f(x)dx. Seja ẋ = f(t, x) (1.32) a forma vetorial de um sistema arbitrário de ordem n com f de classe C 1, sob um certo aberto D do espaço das variavéis t e x. Definição A solução Φ(t) da equação (1.32) com valores iniciais t e x é chamada Lyapunov estável se as seguintes condições estão satisfeitas: (1) Existe um número ρ > tal que, para x 1 x < ρ, a solução Φ(t, t, x 1 ) está definida para todo t t. Em particular, a solução Φ(t) também está definida, para todo t t. (2) Para todo ε >, podemos encontrar um número positivo δ ρ tal que para x 1 x < δ temos Φ(t, t, x 1 ) Φ(t) < ε, para todo t t. A solução Φ(t) da equação (1.32), a qual é Lyapunov estável com os valores iniciais t, x é chamada assintoticamente estável se podemos encontrar um número positivo σ ρ tal que para x 1 x < σ temos que Φ(t, t, x 1 ) Φ(t) quando t. As definições apresentadas acima são invariantes com respeito a escolha dos valores iniciais t e x da solução Φ(t). Para estudarmos o comportamento das soluções de (1.32) na vizinhança de uma solução Φ(t), devemos introduzir uma função vetorial desconhecida y tal que x = Φ(t) + y. (1.33) 22

33 No que se segue assumiremos que f(t, x) C 2 em seu domínio com respeito às coordenadas do vetor x. Substituindo as variáveis do sistema (1.32) por (1.33), usando o fato que Φ(t) é solução de (1.32) e expandindo em y, obtemos: y i = j f i x j (t, Φ(t))yj + r i (t, y). Linearizando este sistema, isto é, descartando os termos r i, os quais são pelo menos de segunda ordem em y, obtemos o sistema linear: onde A(t) é a matriz com elementos a i j(t) = f i ẏ = A(t) y (1.34) (t, Φ(t)). xj Teorema Considere a equação (1.32) T periódica em t. Seja Φ(t) uma solução também T periódica. (a) Se o valor absoluto de todos os números característicos de (1.34) são menores do que um, então a solução Φ é assintoticamente estável. (b) Se o valor absoluto de pelo menos um dos números característicos de (1.34) é maior do que um, então a solução Φ é instável. Demonstração: (a) Veja [11], Teorema 25, página 264. (b) É uma consequência da Teoria de Floquet e do Teorema 7.6 de [1], página 281. Proposição Seja U R R n um aberto e f : U R n uma função de classe C 1 tal que f(t, x) é T- periódica em t. Considere a equação diferencial ẋ(t) = f(t, x(t)) e seja x(t) uma solução desta equação. x() = x(t ). Então, x(t) é T periódica se, e somente se, Demonstração: Suponha x(t) = x(t + T ), para todo t R. Para t =, temos: x() = x(t ). Por outro lado, suponha x() = x(t ). Assim, ẋ(t + T ) = f(t + T, x(t + T )) = f(t, x(t + T )), ẋ(t) = f(t, x(t)). Fazendo y(t) = x(t + T ), a primeira equação fica: 23

34 ẏ(t) = f(t, y(t)). Note que: y() = x( + T ) = x(t ) = x(). Da unicidade de soluções do p.v.i., segue que x(t) = y(t), isto é, x(t) = x(t + T ) para todo t R. 24

35 1.2.2 O Teorema da Redução O teorema a seguir nos permitirá obter informações sobre um sistema de ordem n + 1 investigando um outro de ordem n. Teorema Sejam Ω R m um aberto, f : R Ω ( ε, ε ) R m, g : R Ω ( ε, ε ) R funções de classe C r, r 1 tais que: f(s + 2π, x, ε) = f(s, x, ε) e g(s + 2π, x, ε) = g(s, x, ε) para todo s R, x Ω e ε ( ε, ε ). Considere a seguinte equação diferencial: y (s) = εf(s, y(s), ε) 1 + εg(s, y(s), ε). (1.35) Suponha que (1.35) tenha uma solução 2π periódica y (s, ε), então existe ε 1 (, ε ) e T : ( ε 1, ε 1 ) R, T é de classe C r tais que: (i) T () = 2π. (ii) O sistema { ẋ = εf(θ(t), y(t), ε), θ = 1 + εg(θ(t), y(t), ε) (1.36) tem solução (x (t, ε), θ (t, ε)) com x (t + T (ε), ε) = x (t, ε) e θ (t + T (ε), ε) = θ (t, ε) + 2π. Demonstração: Vamos considerar f e g restritas no domínio R Ω [ ε, ε ] onde ε < ε. Por hipótese, g é 2π periódica em s. Dessa forma, max g(s, y (s, ε), ε) = max g(s, y (s, ε), ε). s R s [,2π] E ainda, max y (s, ε) = max y (s, ε). Como y é contínua então aplica o compacto s R s [,2π] [, 2π] [ ε, ε ] em um compacto. Assim, [, 2π] {y ([, 2π], [ ε, ε ])} [ ε, ε ] é um compacto e segue que existe M > tal que: max s R g(s, y (s, ε), ε) = max s [,2π] g(s, y (s, ε), ε) g(s, y (s, ε), ε) M, (1.37) para todo s R e ε [ ε, ε ]. Daí, existe ε 1 >, ε < ε 1 < 1 2M tal que: Portanto, existe ε 1 > tal que εg(s, y (s, ε), ε) ε g(s, y (s, ε), ε) < ε 1 M < 1 2 εg(s, y (s, ε), ε) < 1 2 εg(s, y (s, ε), ε) >. 1 + εg(s, y (s, ε), ε) > 1 2 (1.38) 25

36 para todo ε ( ε 1, ε 1 ). Seja h : R ( ε 1, ε 1 ) R (s, ε) s Para cada ε ( ε 1, ε 1 ) considere h(s, ε) = h ε (s) h ε : R R s s du 1 + εg(u, y (u, ε), ε). du 1 + εg(u, y (u, ε), ε). (1.39) Note que h ε é diferenciável, pois é integral de uma função diferenciável. Então, h ε(s) = εg(s, y (s, ε), ε) > por (1.38). Logo, h ε é injetora. Novamente por (1.38) existe C = ε 1 M > tal que 1 + εg(s, y (s, ε), ε) < 1 + C (i) Se s > por (1.4) temos: Daí, s (ii) Se s < por (1.4) temos: εg(s, y (s, ε), ε) > C. (1.4) du s 1 + εg(u, y (u, ε), ε) > C du h ε(s) > s 1 + C. lim h s ε(s) lim s + s C s = + lim s + h ε(s) = +. (1.41) du 1 + εg(u, y (u, ε), ε) > 1 s 1 + C du Daí, s du s 1 + εg(u, y (u, ε), ε) > h ε (s) > s 1 + C h ε(s) < s 1 + C. lim h s ε(s) lim s s 1 + C C du = lim s h ε(s) =. (1.42) Assim, dado z R, por (1.41) e (1.42) existem z 1, z 2 R tal que h ε (z 1 ) > z e h ε (z 2 ) < z. Pelo Teorema do Valor Intermediário, existe z R tal que h ε (z) = z. Portanto, h ε é sobrejetora. Assim, h ε admite inversa h 1 ε diferenciável. Daí, 26

37 Defina (h 1 ε ) (h ε (s)) = 1 h ε(s) = 1 + εg(s, y (s, ε), ε) (h 1 ε (s)) = Observe que: (i) De (1.43) e (1.44) temos que: 1 h ε(h 1 ε (s)) = 1 + εg(h 1 ε (s), y (h 1 ε (s), ε), ε). θ (t, ε) = h 1 ε (t), x (t, ε) = y (h 1 ε (t), ε). (1.43) (1.44) θ (t, ε) = (h 1 ε (t)) = 1 + εg(h 1 ε (t), y (h 1 ε (t), ε), ε) = 1 + εg(θ (t, ε), x (t, ε), ε). (ii) Como y satisfaz (1.35) e por (i) temos: x (t, ε) = (y (h 1 ε (t), ε)) = y (h 1 ε (t), ε)(h 1 ε (t)) = y (h 1 ε (t), ε)(1 + εg(θ (t, ε), x (t, ε), ε)) = y (θ (t, ε), ε)(1 + εg(θ (t, ε), y (θ (t, ε), ε), ε)) = εf(θ (t, ε), y (θ (t, ε), ε), ε) = εf(θ (t, ε), x (t, ε), ε). Segue de (1.44) que: Como y é 2π-periódica, então: x (h ε (s), ε) = y (s, ε). (1.45) x (h ε (s + 2π), ε) = y (s + 2π, ε) = y (s, ε). (1.46) Fazendo s = em (1.45) e (1.46): x (h ε (), ε) = y (, ε) = x (h ε (2π), ε). Mas, h ε () = por (1.39). Assim, x (, ε) = x (h ε (2π), ε). (1.47) Então, Chame T (ε) = h ε (2π) = T () = 2π 2π du 1 + εg(u, y (u, ε), ε). du = 2π 27

38 e T (ε) C r, pelo Corolário Logo, Além disso, de (1.44), segue que: Fazendo s = 2π em (1.49), temos: ou seja, Fazendo s = em (1.49), temos: Considere Por (1.48), (1.5) e (1.51) temos: x (, ε) = x (T (ε), ε). (1.48) θ (h ε (s), ε) = s. (1.49) θ (h ε (2π), ε) = 2π θ (T (ε), ε) = 2π. (1.5) θ (h ε (), ε) = θ (, ε) =. (1.51) u(t) = (u 1 (t), u 2 (t)) = (x (t + T (ε), ε), θ (t + T (ε), ε)), v(t) = (v 1 (t), v 2 (t)) = (x (t, ε), θ (t, ε) + 2π). u() = (u 1 (), u 2 ()) = (x (T (ε), ε), θ (T (ε), ε)) = (x (, ε), 2π), v() = (v 1 (), v 2 ()) = (x (, ε), θ (, ε) + 2π) = (x (, ε), 2π). Logo, u() = v(). E ainda, por (i), (ii) e da periodicidade de f e g na primeira variável, temos: u (t) = (u 1(t), u 2(t)) = (x (t + T (ε), ε), θ (t + T (ε), ε)) = (εf(θ (t + T (ε), ε), x (t + T (ε), ε), ε), 1 + εg(θ (t + T (ε), ε), x (t + T (ε), ε), ε)) = (εf(u 2 (t), u 1 (t), ε), 1 + εg(u 2 (t), u 1 (t), ε)), v (t) = (v 1(t), v 2(t)) = (x (t, ε), θ (t, ε)) = (εf(θ (t, ε), x (t, ε), ε), 1 + εg(θ (t, ε), x (t, ε), ε)) = (εf(θ (t, ε) + 2π, x (t, ε), ε), 1 + εg(θ (t, ε) + 2π, x (t, ε), ε)) = (εf(v 2 (t), v 1 (t), ε), 1 + εg(v 2 (t), v 1 (t), ε)) 28

39 Isto é, u e v são soluções de (1.36). Segue da unicidade de soluções do p.v.i. que: u(t) = v(t), t R. Logo, { x (t + T (ε), ε) = x (t, ε), θ (t + T (ε), ε) = θ (t, ε) + 2π. Observação Este teorema também é válido caso tenhamos: y (s) = εf(s, y(s), ε) a + εg(s, y(s), ε) onde a. Neste caso, sob as mesmas hipóteses, vamos obter as mesmas informações acima sobre o sistema { ẋ = εf(θ(t), y(t), ε), θ = a + εg(θ(t), y(t), ε). 29

40 1.2.3 Funções Elípticas Jacobianas de um ponto de vista de Sistemas Dinâmicos A Teoria das Funções Elípticas Jacobianas surgiu na tentativa de integrar certas expressões algébricas, mas logo foram encontradas aplicações à geometria, mecânica, física e engenharia. Estas funções satisfazem um sistema de equações diferenciais simples, o qual pode ser analisado usando a teoria básica de equações diferenciais. Muitas de suas propriedades vem como aplicações imediatas dos teoremas fundamentais de existência, unicidade e dependência contínua das soluções em relação às condições inicias. A abordagem a seguir é exatamente aquela dada em [9]. A única diferença a notar é a prova da periodicidade das funções elípticas que aqui é dada em detalhe. Definição Considere k (, 1) e o sistema de equações: ẋ = yz, ẏ = zx, ż = k 2 xy (1.52) que satisfaz as condições iniciais x() =, y() = 1, z() = 1. (1.53) As funções elípticas jacobianas sn(t, k), cn(t, k) e dn(t, k) são definidas como sendo as soluções x(t), y(t) e z(t), respectivamente, do sistema (1.52) com condições iniciais (1.53). Os pontos em (1.52) denotam a derivada com respeito à t. O parâmetro k é conhecido como módulo e k = 1 k 2 como o módulo complementar. A teoria básica de existência de equações diferenciais garante que as funções elípticas jacobianas são diferenciáveis. A definição nos dá imediatamente as derivadas das funções, a saber: d sn(t, k) = cn(t, k)dn(t, k), dt d cn(t, k) = dn(t, k)sn(t, k), dt (1.54) d dt dn(t, k) = k2 sn(t, k)cn(t, k). Propriedades das Funções Elípticas Jacobianas Proposição As soluções de (1.52) com as condições iniciais (1.53), satisfazem: x 2 + y 2 = 1, k 2 x 2 + z 2 = 1. 3

41 Demonstração: Temos: d dt (x2 + y 2 ) = 2xẋ + 2yẏ = 2x(yz) + 2y( zx) =. E ainda, Logo, d dt (k2 x 2 + z 2 ) = 2k 2 xẋ + 2zż = 2k 2 x(yz) + 2z( k 2 xy) =. { x 2 + y 2 = c 1, onde c 1 e c 2 são constantes. Já que k 2 x 2 + z 2 = c 2 segue que c 1 = c 2 = 1. x() 2 + y() 2 = 1, k 2 x() 2 + z() 2 = 1 Teorema As funções sn(t, k), cn(t, k) e dn(t, k) estão definidas para todo t R. Demonstração: Considere o compacto A = {(x, y, z) : x 2 + y 2 = 1 e k 2 x 2 + z 2 = 1 com < k < 1 fixado}. Pela Proposição , segue que a solução (sn(t, k), cn(t, k), dn(t, k)) de (1.52) está contida em A. Da Proposição , segue que (sn(t, k), cn(t, k), dn(t, k)) está definida para todo t R. Observação Para k fixado, < k < 1 e todo t R: 1 sn(t, k) 1, 1 cn(t, k) 1, k dn(t, k) 1. De fato, vimos na Proposição que: { sn(t, k) 2 + cn(t, k) 2 = 1, k 2 sn(t, k) 2 + dn(t, k) 2 = 1. Assim, sn(t, k) 2 + cn(t, k) 2 = 1 { sn(t, k) 2 1, cn(t, k) 2 1 { 1 sn(t, k) 1, 1 cn(t, k) 1. 31

42 E ainda, k 2 sn(t, k) 2 + dn(t, k) 2 = 1 dn(t, k) 2 = 1 k 2 sn(t, k) 2 1 k 2 dn(t, k) 2 1 k 2 dn(t, k) 1 k 2 = k, dn(t, k) 2 1 e dn(t, k) > < dn(t, k) 1. Portanto, k dn(t, k) 1. O resultado a seguir é uma aplicação do Teorema Proposição Se k + então Se k 1 então sn(t, k) sen t, cn(t, k) cos t, dn(t, k) 1. sn(t, k) tanh t, cn(t, k) sech t, dn(t, k) sech t. A convergência é uniforme em conjuntos compactos. Demonstração: Seja Φ o fluxo do sistema (1.52). Temos que Φ(t, (, 1, 1), k) = (sn(t, k), cn(t, k), dn(t, k)). Pelo Teorema , Φ(t, (, 1, 1), k) C 1. Daí, Se k = ficamos com o sistema: lim Φ(t, (, 1, 1), k) = Φ(t, (, 1, 1), ). (1.55) k + ẋ = yz, ẏ = xz, ż = com as condições iniciais x() =, y() = 1 e z() = 1. ż = e z() = 1 z(t) = 1. (1.56) O sistema fica: { ẋ = y, ẏ = x. Sabemos que a solução desse sistema com essas condições iniciais é ( sen t, cos t). Portanto, a solução de (1.56) é: ( sen t, cos t, 1). Do Teorema (Existência e Unicidade) segue que: Φ(t, (, 1, 1), k) = ( sen t, cos t, 1). 32

43 Dessa forma, por (1.55) quando k + temos: sn(t, k) sen t, cn(t, k) cos t, dn(t, k) 1. E ainda, Se k = 1 temos o sistema: lim Φ(t, (, 1, 1), k) = Φ(t, (, 1, 1), 1). (1.57) k 1 ẋ = yz, ẏ = xz, ż = xy (1.58) com as condições iniciais x() =, y() = 1 e z() = 1. Pela Proposição , quando k = 1 temos: { x 2 + y 2 = 1, x 2 + z 2 z 2 = y 2 e z() = y() z = y. (1.59) = 1 Assim, ficamos com o sistema: Novamente pela Proposição : { ẋ = y 2, ẏ = xy. { ẋ = 1 x 2, x() = Fazendo separação de variáveis, obtemos que a solução deste sistema é x(t) = tanh t. Assim, como x 2 + y 2 = 1 y 2 = sech t y(t) = sech t. pois y() = 1. Então, a solução de (1.58) é (tanh t, sech t, sech t). Do Teorema segue que: Φ(t, 1, (x, y, z)) = (tanh t, sech t, sech t). Dessa forma, por (1.57) quando k 1 temos: sn(t, k) tanh t, cn(t, k) sech t, dn(t, k) sech t. Muitos fatos básicos sobre as funções elípticas jacobianas são resultados de propriedades do sistema (1.52). Teorema As funções sn(t, k), cn(t, k) e dn(t, k) são periódicas em t. 33

44 Demonstração: Considere a curva C : { x 2 + y 2 = 1, k 2 x 2 + z 2 = 1 e a parametrização: onde s 2π. Defina: onde t R. Note que: x = cos s, y = sen s, z = 1 k 2 cos 2 s ϕ 1 (t) = (x(t), y(t), z(t)), ϕ 2 (t) = (cos t, sen t, 1 k 2 cos 2 t) (1) Considere a seguinte família de conjuntos: F = {ϕ 2 (I) : I R é um intervalo aberto }. Note que ϕ 2 (I) C para qualquer intervalo aberto I R. Além disso, dado (x, y, z) C temos que existe s [, 2π] tal que x = cos s, y = sen s, z = 1 k 2 cos 2 s. Daí, ϕ 2 (s) = (cos s, sen s, 1 k 2 cos 2 s) = (x, y, z). Portanto, existe ϕ 2 ((s 1, s + 1)) F tal que (x, y, z) ϕ 2 ((s 1, s + 1)). Isto é, C = ϕ 2 (I) onde I R é um intervalo aberto. ϕ 2 (I) F { n } Sejam S 1 = ϕ 2 (I i ) : n N e ϕ 2 (I i ) F e L S 1. Então, i=1 { } τ F = A A L é uma topologia em C. Veja [8], página 273. (2) Considere τ usual a topologia usual da reta. Então, ϕ 2 : (R, τ usual ) (C, τ F ) é contínua. Prova: 34

45 Considere U τ F. Se U = então ϕ 1 2 (U) = ϕ 1 2 ( ) = τ usual. Por outro lado, se U = A L A então ( ) { ϕ 1 2 (U) = ϕ 1 2 A = s R : ϕ 2 (s) } A { A L A L } k = s R : ϕ 2 (s) ϕ 2 (I i ) onde k N e I i τ usual = { Portanto, ϕ 2 é contínua. (3) C é compacto e conexo. s R : s i=1 } n I i onde k N e I i τ usual τ usual. i=1 Prova: Como ϕ 2 : ([, 2π], τ usual ) (C, τ F ) é contínua e [, 2π] é compacto e conexo em R seque que ϕ 2 ([, 2π]) = C é compacto e conexo. (4) Se p = (, 1, 1) C então C {p } é conexo. ( π ) Prova: Note que ϕ 2 = (cos π2 2, sen π2, 1 k 2 cos π ) = (, 1, 1) e ainda, 2 ϕ 2 ([ π 2, π 2 + 2π ]) = C. Dessa forma, ϕ 2 (( π 2, π 2 + 2π )) = C {p }. ( π Como ϕ 2 é contínua e 2, π ) 2 + 2π R é conexo, então C {p } é conexo. (5) Dado t R existe δ > tal que ϕ 1 ((t δ, t + δ)) é um aberto em C. Prova: Como ϕ 2 é sobrejetora, existe s R tal que ϕ 1 (t ) = ϕ 2 (s ). (1.6) Mas, ϕ 2 (s ) = (cos s, sen s, 1 k 2 cos 2 s ). Sabemos que: cos s ou sen s. Suponhamos que cos s. Seja g(s) = sen s. Como g (s ) = cos s segue do Teorema que existe δ 1 > e (a 1, b 1 ) tal que sen s (a 1, b 1 ) e g : (s δ 1, s + δ 1 ) (a 1, b 1 ) 35

46 é um difeomorfismo C. Consideremos o aberto U 1 C tal que U 1 = ϕ 2 ((s δ 1, s + δ 1 )). De (1.6) temos: ϕ 1 (t ) = ϕ 2 (s ) U 1. Como y(t) é contínua existe δ 2 > tal que y : (t δ 2, t + δ) (a 1, b 1 ). Considere: u : (t δ 2, t + δ 2 ) (s δ 1, s + δ 1 ) t u(t) = g 1 (y(t)). Note que u C, pois g 1 C e y C. Novamente por (1.6): u(t ) = g 1 (y(t )) = g 1 ( sen s ) = s, u (t ) = (g 1 ) (y(t )) y (t ) = (g 1 ) ( sen s ) ( z(t )x(t )) = 1 k 2 cos 2 s cos s g (g 1 ( sen s )) = 1 k 2 cos 2 s cos s cos s = 1 k 2 cos 2 s pois < k < 1. Assim, segue do Teorema que existe δ 3 (s δ 1, s + δ 1 ) com u(t ) = s (a 2, b 2 ) tal que > e (a 2, b 2 ) é um difeomorfismo C. Daí, u : (t δ 3, t + δ) (a 2, b 2 ) onde t (t δ 3, t + δ 3 ). Da Proposição , segue que: u(t) = g 1 (y(t)) y(t) = g(u(t)) = sen u(t) x(t) 2 = cos 2 u(t). Além disso, como u((t δ 3, t + δ 3 )) = (a 2, b 2 ) (s δ 1, s + δ 1 ) e g (s δ 1,s +δ 1 ) é um difeomorfismo C, segue que g (u(t)) = cos u(t) ( x(t) ) 2 ( x(t) ) para todo t (s δ 1, s + δ 1 ). Assim, = 1 e cos u(t) cos u(t) Como é contínua. então: x(t ) cos u(t ) = x(t ) = cos s = 1 cos s cos s 36

47 onde t (t δ 3, t + δ 3 ). x(t) cos u(t) = 1 x(t) = cos u(t) Temos ainda: k 2 x(t) 2 + z(t) 2 = 1 e z(t) >. Logo, onde t (t δ 3, t + δ 3 ). Enfim, obtemos: z(t) = 1 k 2 x(t) 2 = 1 k 2 cos 2 u(t) x(t) = cos u(t), y(t) = sen u(t), z(t) = 1 k 2 cos 2 u(t) para t (t δ 3, t + δ 3 ). Assim, segue que: Como u é um difeomorfismo então Daí, ϕ 1 (t) = ϕ 2 (u(t)), para t (t δ 3, t + δ 3 ). u((t δ 3, t + δ 3 )) = (a 2, b 2 ). ϕ 1 ((t δ 3, t + δ 3 )) = ϕ 2 (u((t δ 3, t + δ 3 ))) = ϕ 2 ((a 2, b 2 )) =: U 2 que é um aberto (básico) de C. (6) ϕ 1 (R) é um aberto em C. Prova: De (5) temos que dado t R existe δ(t ) > tal que ϕ 1 ((t δ(t ), t +δ(t ))) é um aberto de C. Sabemos que: R = (t δ(t ), t + δ(t )) e ainda, t R ϕ 1 (R) = t R ) ϕ 1 ((t δ(t ), t + δ(t )). ( ) De fato, seja y ϕ 1 (t δ(t ), t +δ(t )) então existe x (t δ(t ), t +δ(t )), t R para algum t, tal que ϕ 1 (x ) = y. Logo, y {ϕ 1 ((x 1, x + 1))} δ(t ), t + δ(t ))). Por outro lado, se y t R t R ϕ 1 ((t ϕ 1 ((t δ(t ), t + δ(t )) então y ϕ 1 ((t δ(t ), t + δ(t ))), para algum t então existe x (t δ(t ), t + δ(t )) 37

48 tal que y = ϕ 1 (x ). Daí, x (t δ(t ), t + δ(t )). Assim, y = ϕ 1 (x ) ϕ 1 ( t R Portanto, ) (t δ(t ), t + δ(t )). ϕ 1 (R) = ϕ 1 ( t R t R ) (t δ(t ), t + δ(t )) = t R ϕ 1 ((t δ(t ), t + δ(t )). Como a união arbitrária de abertos é aberto, segue que ϕ 1 (R) é aberto em C. (7) A topologia τ F é Hausdorff. Prova: Sabemos que ϕ 2 ([ π 2, π 2 + 2π ]) = C. ( π (i) Dados distintos p 1, p 2 C {(, 1, 1)} existem t 1, t 2 2, π ) 2 + 2π tais que ϕ 2 (t 1 ) = p 1 e ϕ 2 (t 2 ) = p 2. ( π Vejamos que ϕ 2 : 2, π ) 2 + 2π C {(, 1, 1)} é injetora. Sejam s 1, s 2 ( π 2, π ) 2 + 2π tais que ϕ 2 (s 1 ) = ϕ 2 (s 2 ). Então, { cos s1 = cos s 2, sen s 1 = sen s 2 s 1 = s 2. ( π Portanto, existem I 1, I 2 2, π ) 2 + 2π tais que t 1 I 1, t 2 I 2 e I 1 I 2 =. Isto é, ϕ 2 (I 1 ) é um aberto que contém p 1, ϕ 2 (I 2 ) é um aberto que contém p 2 e ϕ 2 (I 1 ) ϕ 2 (I 2 ) = ( π pois ϕ 2 é injetora em 2, π ) 2 + 2π. (ii) Suponha sem{ perda de generalidade p 1 = (, 1, 1) e p 2 C {(, 1, 1)}. Assim, π existem t 1 2, π } ( π 2 + 2π e t 2 2, π ) 2 + 2π tais que ϕ 2 (t 1 ) = p 1 e ϕ 2 (t 2 ) = p 2. [ π Como ϕ 2 : 2, π ) ( π 2 + 2π C e ϕ 2 : 2, π ] 2 + 2π C são injetoras segue [ π que existem I 1, I 2 2, π ) ( π 2 + 2π ou I 1, I 2 2, π ] 2 + 2π tais que t 1 I 1, t 2 I 2 e I 1 I 2 =. Isto é, ϕ 2 (I 1 ) é um aberto que contém p 1, ϕ 2 (I 2 ) é um aberto que contém p 2 e ϕ 2 (I 1 ) ϕ 2 (I 2 ) = [ π pois ϕ 2 é injetora em 2, π ) ( π 2 + 2π e em 2, π ] 2 + 2π. 38

49 (8) ϕ 1 (R) é fechado em C. Prova: Seja p C tal que existe {t n } com ϕ 1 (t n ) p na topologia τ F de C. Por (7), segue que p é único. Seja Φ o fluxo de (1.52). Se p = (, 1, 1), temos que: Φ(t, p, k) = (x(t), y(t), z(t)) = ϕ 1 (t). (1.61) Considere Φ(t, p, k). Usando o argumento de (5) temos que existe δ > tal que Φ(( δ, δ), p, k) é um aberto em C. Logo, existe n tal que ϕ 1 (t n ) Φ(( δ, δ), p, k). Ou seja, existe s ( δ, δ) tal que De (1.61), temos: ϕ 1 (t n ) = Φ(s, p, k). ϕ 1 (t n ) = Φ(t n, p, k). Então, Φ(s, p, k) = Φ(t n, p, k). Daí, pelo Teorema Φ( s, Φ(t n, p, k), k) = Φ( s, Φ(s, p, k), k) Φ(t n s, p, k) = Φ(, p, k) = p. Novamente por (1.61): ϕ 1 (t n s ) = p. Logo, p ϕ 1 (R). (9) ϕ 1 (R) = C. Prova: Vimos que ϕ 1 (R) é simultaneamente aberto e fechado em C. Daí, como C é conexo e p ϕ 1 (R) segue que ϕ 1 (R) = C. Agora vamos provar que ϕ 1 é periódica. Temos que: C = ϕ 1 ((, )) ϕ 1 () ϕ 1 ((, + )). Pelo argumento anterior, sabemos que ϕ 1 ((, )) e ϕ 1 ((, + )) são abertos em C. Vamos supor que ϕ 1 não é periódica. Então, os conjuntos são disjuntos dois a dois. {ϕ 1 ((, ))}, {ϕ 1 ((, + ))}, {ϕ 1 ()} (i) Se p ϕ 1 ((, )) ϕ 1 ((, + )) então existem t 1 < e t 2 > tais que p = ϕ 1 (t 1 ) = ϕ 1 (t 2 ). Considere: { v1 (t) = ϕ 1 (t + t 1 ) = (v 11 (t), v 12 (t), v 13 (t)), v 2 (t) = ϕ 1 (t + t 2 ) = (v 21 (t), v 22 (t), v 23 (t)). Note que: v 1 () = ϕ 1 ( + t 1 ) = ϕ 1 (t 1 ) = p, v 2 () = ϕ 1 ( + t 2 ) = ϕ 1 (t 2 ) = p. 39