X - Variedades Estáveis e Crises. Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

Documentos relacionados
IV Rotas para o Caos. E-Crises

Evidências Experimentais. Iberê L. Caldas

VII Exemplos de Atratores Estranhos

Caos em Equações Diferenciais. Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

II- Mapas Bidimensionais. Referência: Chaos, K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke; Springer (1997).

Cenário de Ruelle-Takens via Quase-Periodicidade. Iberê L. Caldas Abril de 2009

Modelagem em Sistemas Complexos

DAFIS/DAQBI - PPGFCET. Sistemas Complexos. [ M.S. Freitas / UTFPR ] Prof. Mário Sérgio Freitas, Dr. - UTFPR/DAFIS.

Cálculo Diferencial e Integral II Resolução do Exame/Teste de Recuperação 02 de Julho de 2018, 15:00h - versão 2 Duração: Exame (3h), Teste (1h30)

O modelo de Lorenz. E a transição para o caos via intermitência. Universidade de São Paulo

Carlos A. C. Jousseph

Capítulo 3. Intermitência Tipo III. 3.1 Forma Normal

IA344 - Dinâmica Caótica em Sistemas de Engenharia

6 Integridade de sistemas não-lineares

Introdução aos Fluidos em Movimento Tipos de Escoamentos

Cálculo Diferencial e Integral II

Teoremas de Hartman-Grobman, Variedade Estável e Aplicações

III- Caos. Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

5 Análise Dinâmica da Estabilidade

Notas de Aula - Parte 6. Estabilidade Estrutural e Bifurcações

260 Direcionamento de Trajetórias

Mecânica dos Fluidos

Um Estudo da Dinâmica da Equação Logística

ASPECTOS MATEMÁTICOS DAS EQUAÇÕES

2 Fundamentos Teóricos

Analisa-se agora o comportamento dinâmico da estrutura sob uma carga harmônica vertical da forma:

Linearização de Modelos e Teoremas Locais

Eduardo G. Altmann orientador: Prof. Dr. Iberê L. Caldas

Caos determinístico e mapa logístico FAP0214 Física Experimental IV. Manfredo Harri Tabacniks IFUSP

Resumos de CDI-II. 1. Topologia e Continuidade de Funções em R n. 1. A bola aberta de centro em a R n e raio r > 0 é o conjunto

DERIVADAS PARCIAIS. y = lim

Resumo dos resumos de CDI-II

Cálculo Diferencial e Integral II

Cálculo 2. Guia de Estudos P1

3 Aplicação do Diffusion Maps a campos de vetores planares

Capítulo 4 Condução Bidimensional em Regime Estacionário. Prof. Dr. Santiago del Rio Oliveira

CÁLCULO II - MAT Em cada um dos seguintes campos vetoriais, aplicar o resultado do exercício 3 para mostrar que f

Cálculo II. Resumo Teórico Completo

(b) a quantidade de cloro no tanque no instante t;

Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz Universidade de São Paulo. Módulo I: Cálculo Diferencial e Integral Funções de Duas ou Mais Variáveis

Introdução aos Fluidos em Movimento Tipos de Escoamentos Descrição Euleriana e Lagrangeana Linhas de Corrente e de Trajetória Aceleração

Considerações sobre a Condição Inicial na Construção do Diagrama de Bifurcação para o Mapa Logístico

(a) Determine a velocidade do barco em qualquer instante.

y (n) (x) = dn y dx n(x) y (0) (x) = y(x).

Seja (X,Y) uma v.a. bidimensional contínua ou discreta. Define-se valor esperado condicionado de X para um dado Y igual a y da seguinte forma:

Resumo: Regra da cadeia, caso geral

Análise Diferencial de Escoamentos de Fluidos

Caracterização e Controle de Caos em Circuitos Chaveados

Prova de Conhecimentos Específicos 1 a QUESTÃO: (2,0 pontos)

Cinemática da partícula fluida

A integral definida Problema:

Fenômenos de Transferência FEN/MECAN/UERJ Prof Gustavo Rabello 2 período 2014 lista de exercícios 06/11/2014. Conservação de Quantidade de Movimento

CONTROLE DE CAOS DE DINÂMICA NÃO LINEAR

ESCOAMENTOS VARIÁVEIS EM PRESSÃO (Choque Hidráulico)

5. ANÁLISE NÃO LINEAR.

1 Equações Diferenciais Ordinárias: Sistemas de Equações

6 Modelo 3D = (6.1) W

ANÁLISE DO VALOR DO PASSO DA RECONSTRUÇÃO PARA O CÁLCULO DA DIMENSÃO DE CORRELAÇÃO EM SISTEMAS CAÓTICOS

Resistência dos. Materiais. Capítulo 2. - Elasticidade Linear 2

MESTRADO INTEGRADO EM ENG. INFORMÁTICA E COMPUTAÇÃO 2011/2012. EIC0010 FÍSICA I 1o ANO 2 o SEMESTRE

(*) livro Cálculo Diferencial e Integral de Funções de Várias Variáveis, de Diomara e Cândida

FÍSICA MÓDULO 17 OSCILAÇÕES E ONDAS. Professor Sérgio Gouveia

14 AULA. Vetor Gradiente e as Derivadas Direcionais LIVRO

Multi-Estabilidade, Diagramas de Fase e Propriedades Estatísticas do Rotor Quicado: Um Mapa Onde Coexistem Muitos Atratores

11.5 Derivada Direcional, Vetor Gradiente e Planos Tangentes

x 2 (2 x) 2 + z 2 = 1 4x + z 2 = 5 x = 5 z2 4 Como y = 2 x, vem que y = 3+z2

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

12. Sistemas caóticos

Questão 2 (3,5 pontos) Calcule. 48, z e S a parte da superfície

MAT 3210 Cálculo Diferencial e Integral II. Prova SUB B

MAT 3210 Cálculo Diferencial e Integral II. Prova SUB C

MAT 3210 Cálculo Diferencial e Integral II. Prova SUB D

DAFIS/DAQBI - PPGFCET. Sistemas Complexos. [ M.S. Freitas / UTFPR ] Prof. Mário Sérgio Freitas, Dr. - UTFPR/DAFIS.

MESTRADO INTEGRADO EM ENG. INFORMÁTICA E COMPUTAÇÃO 2015/2016

ANÁLISE COMPLEXA E EQUAÇÕES DIFERENCIAIS. Apresente e justifique todos os cálculos

Fundamentos da Mecânica dos Fluidos

Caos, uma introdução. Dr. Emerson Luis de Santa Helena. Universidade Federal de Sergipe Departamento de Física

Modelo de Turbulência que regulam a Taxa Cósmica de. Workshop Carolina Gribel de Vasconcelos Ferreira. 7 de Abril de 2015

Análise de Escala em Bilhares com Fronteiras

OPERAÇÕES COM FUNÇÕES

2 Hiperbolicidade e estabilidade

ANÁLISE MATEMÁTICA III TESTE 2-9 DE JUNHO DE apresente e justifique todos os cálculos duração: hora e meia (19:00-20:30)

Cálculo II. Resumo e Exercícios P3

FENÔMENOS DE TRANSPORTE

DETERMINAÇÃO DE PONTOS FIXOS E ÓRBITAS PERIÓDICAS EM SISTEMAS CAÓTICOS

PROFESSOR: RICARDO SÁ EARP

Sincronização de Metapopulações em duas Escalas

MAT 121 : Cálculo II. Aula 27 e 28, Segunda 03/11/2014. Sylvain Bonnot (IME-USP)

Nome:... Q N Assinatura:... 1 RG:... 2 N o USP:... 3 Turma: Teórica... 4 Professor: Edson Vargas... Total

CÁLCULO I Aula 08: Regra da Cadeia. Derivação Implícita. Derivada da Função Inversa.

TEOREMA FUNDAMENTAL DO CÁLCULO PARA INTEGRAIS MÚLTIPLOS, O TEOREMA DE GAUSS, O TEOREMA DE GREEN E O TEOREMA DE STOKES. d f (x) dx = f (b) f (a).

Universidade Estadual Paulista Câmpus de São José do Rio Preto Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas

Bifurcações no Sistema Regulador de Watt. Luis Fernando Mello Universidade Federal de Itajubá

Apresentações com base no material disponível no livro: Atkins, P.; de Paula, J.; Friedman, R. Physical Chemistry Quanta, Matter, and Change

Diferenciabilidade de funções reais de várias variáveis reais

Modelagem em Sistemas Complexos

Resultados recentes sobre as equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis

4 o Roteiro de Atividades: reforço da segunda parte do curso de Cálculo II Instituto de Astronomia e Geofísica

CURSO de ENGENHARIA (CIVIL, ELÉTRICA, DE PRODUÇÃO e TELECOMUNICAÇÕES) NITERÓI e RIO DAS OSTRAS - Gabarito

Transcrição:

X - Variedades Estáveis e Crises Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

1- Introdução Variedade estável (instável): conjunto de pontos iniciais que convergem para o ponto de sela para t (t - ). Poincaré: cruzamento de variedades causam dinâmica complexa. Vamos examinar crises causadas pelo cruzamento entre as variedades estável e instável de um ponto de sela. (Não há cruzamentos de uma mesma variedade!) Em geral, variedades não são determinadas analixcamente. Determinação das variedades requer mapas inversíveis.

2 Teorema da Variedade Estável As variedades de um ponto de sela no plano são curvas unidimensionais.

Exemplo de Variedades e Cruzamentos de um Ponto de Sela Ponto fixo! P = (-0.99, - 0.33) x = -π x = π Auto - valores e auto - vetores! λs = - 0.13 Vs = (1, 0.88)! λ = - 2.26 V = (1, - 0.59) u u Conjectura: variedade estável se aproxima de cada ponto do mapa Chaos Alligood et al.

Exemplo Mapa f (x, y) = ( 0.5 x + g(x, y), 3y + h(x, y) ) g, h potencias com ordem maior ou igual a 2 Ponto fixo em (0, 0) 0.5 0 Df(0, 0) = 0 3 0.5 -λ 0 0 3 -λ = 0 auto valor λ = 0.5 auto-vetor u! = ê x! λ = 3 u = ê y Variedade estável na direção de ê x Variedade instável na direção de ê y

Variedades de um Ponto de Sela no Plano Local Global Chaos Alligood et al.

Teorema: f: difeomorfismo em R 2, com um ponto de sela! P Matriz Jacobiana D f (! P) auto-valores s ( s < 1) e u ( u > 1)! V s e! V u auto-vetores desses auto-valores As variedades estável, S, e instável, U, de P! são unidimensionais e contem P.! Em P,!! V s e V! u são tangentes a S e U, respectivamente.

Ilustração do Teorema da Variedade Estável Chaos Alligood et al.

Exemplo de Variedades 4 arctg x y f(x, y) = (, ) π 2 Pontos fixos atratores : Ponto de sela: (0, 0) ( 1, 0), (1, 0) Chaos Alligood et al.

Exemplo de Variedades f (x, y) = (r 2, θ - sen θ) Ponto fixoatrator : (0, 0) Ponto fixo de repulsão: (-1,0) Ponto de sela: (1, 0)!! Auto vetores s = ê e u = ê y x Chaos Alligood et al.

Chaos Alligood et al. y x s y x u 2 3 3 ê ê V ê ê V vetores: Auto 1 0 1-3 x 1 0 0) (0, Df 0) sela:(0, de Ponto x x y y x 0 x x x = + = λ = ± = = = +!! Variedades da Equação de Duffing

Variedades do Mapa de Hénon Ponto de sela : (0.94, 0.94)! λs = 0.18 Vs = êx 5.71 ê! λ = 1.71 V = ê 0.58 ê u u x y y Chaos Alligood et al.

3 - Pontos Homoclínicos e Heteroclínicos Emaranhado homoclínico Sela caótica: conjunto caótico não atrativo

Definição : n f : mapa inversível de R! P : ponto de sela com variedades estável (S)!!! r S, r U r é ponto homoclínico k!! -k!! lim f (r) f (P) lim f (r) f (P) k k e instável (U) Órbita homoclínica : órbita de um ponto homoclínico Se S e U forem variedades de pontos de selas diferentes,! r é um ponto heteroclínico Órbita heteroclínica : órbita de um ponto heteroclínico Pontos homoclínicos são mapeados, por f e f -1, em pontos homoclínicos.

Cruzamento de Variedades P: ponto de sela S: variedade estável U: variedade instável Ponto no cruzamento vai para P, quando t vai para P, quando t - Chaos Alligood et al.

Emaranhado Homoclínico Chaos Alligood et al.

S. Smale : mapa da ferradura, 1967 Pontos homoclínicos mapa da ferradura Conjunto de Cantor : formado pelos pontos mapa, para t > 0 e t < 0. hiperbólica que permanecem nesse

Construção de um Mapa da Ferradura Área R em torno do ponto de sela P Iterar f k (R) até encontrar um ponto homoclínico r Iterar f l (R) até encontrar esse ponto homoclínico r Mapa f k + l ( r) = r Domínio : f l (R) Im agem : f k (R) Determinar R suficientemente pequena, k, l não grande demais. Procurar esticamento e contração uniformes. Chaos Alligood et al.

f. de iterações para hiperbólico ferradura da mapa um Há transversalmente cruzam se instável e Variedades estável sela de fixo P : ponto plano no : difeomorfismo f Teorema : cruzam) se não elas homoclínico, ponto no tangenciam se apenas elas (Se elas. entre positivo ângulo um com seinterceptam elas se transversalmente cruzam se instável e estável Variedades Definições:!

Cruzamentos transverso e não transverso Chaos Alligood et al.

Chaos Alligood et al.

4 - Crises Parâmetros críticos Pequena alteração do parâmetro próxima ao valor crítico mudança abrupta no atrator Discussão das alterações dinâmicas envolvidas

Três Tipos de Crise com Atratores Caóticos Tamanho do atrator caótico aumenta por colidir com órbita periódica no interior da sua bacia. Crise interior. Destruição do atrator caótico que colide com órbita periódica na fronteira da sua bacia. Crise de fronteira. Dois ou mais atratores se fundem ao colidirem simultaneamente com órbita na fronteira das suas bacias. Crise de fusão de atratores.

Evolução Pós Crise Tempo Característico Para Cada Tipo de Crise Crise interior Tempo de visita intermitente (bursts) à região que o atrator ocupava antes do seu crescimento. Crise de fronteira Duração do transiente caótico após a destruição do atrator caótico. Crise de fusão de atratores Tempo de permanência intermitente na região dos atratores originais.

Atrator Caótico do Mapa de Ikeda R + C2 ( x cos τ - y sen F (x, y) = C2 ( x sen τ + y cos τ ) - C3 τ = C1 + 2 2 1+ x + y C 1,C 2,C 3,R parâmetros reais τ ) Chaos Alliggod et al.

Crise Interior do Atrator de Ikeda Chaos Alligood et al.

Teorema (lema lambda) f : difeomorfi smo no plano! P : ponto de sela Curva L cruza variedade estável cada ponto da variedade limite de f n n > 0 (L). instável transversalmente! de P é um ponto Demonstração em Palis, de Melo, Springer, 1982 Chaos Alligood et al.

Crise Interior: colisão do atrator caótico com a variedade estável da órbita periódica (p=5) Variedade estável da órbita periódica instavel entra na bacia do atrator Caótico. Chaos Alligood et al.

Antes da crise interior : cada ramo da variedade instável vai para um ramo do atrator. Depois da crise: as duas partes preenchem o atrator. Chaos Alligood et al.

Alteração Dinâmica Crise interior do mapa de Hénon Chaos Alligood et al.

Transiente Caótico Crise de Fronteira Variedade estável não está na bacia do atrator caótico. Chaos Alligood et al.

Crise de Fusão de Atratores Circuito de Chua Atrator penetra na bacia de atração do ponto fixo Chaos Alligood et al.

4 Variedades para Mapas Dimensão Maior que 2

Definição : n n f : mapa inversível de R! P : ponto de sela com variedades estável (S)!!! r S, r U r é ponto homoclínico n!! -n!! lim f (r) f (P) lim f (r) f (P) n n e instável (U) Órbita homoclínica : órbita de um ponto homoclínico Se S e U forem variedades de pontos de selas diferentes,! r é um ponto heteroclínico Órbita heteroclínica : órbita de um ponto heteroclínico

Chaos Alligood et al.

Bacias de Wada

Chaos Alligood et al.

Chaos Alligood et al.

Crises Laboratório de Fenômenos Não Lineares Principais autores dos trabalhos iniciais: J. C. Sartorelli R. D. Pinto W. M. Gonçalves M. S. BapXsta Pesquisas posteriores, desses e vários outros pesquisadores.

Esquema do Equipamento Chaos Alligood et al.

Rota para o Caos Mapa de Retorno do intervalo de tempo entre duas gotas Chaos Alligood et al.

Diagrama de Bifurcação (Intervalos de tempo entre duas gotas) Chaos Alligood et al.

Mudança de Atrator (Crise interior indicada por I no diagrama de bifurcação) Chaos Alligood et al.

Crise de Fronteira (indicada por B no diagrama de bifurcação) Atrator caótico Atrator com periodo 5 Chaos Alligood et al.

Transição caos periódico Chaos Alligood et al.

Diagrama de Bifurcações Ponto fixo ciclo limite caos Mudanças no atrator caótico

Transiente Caótico Ponto de Sela Variedades

Ponto vermelho: sela Linha azul: variedade instável Linha verde: variedade estável Transição Fig. e Fig. f atrator cruza variedade estável e sofre expansão

Duas Crises Interiores a) antes da primeira crise b) c) entre primeira e segunda crise d) após segunda crise

Sucessão de Regimes Crises Interiores

(Página1284)

Transiente Caótico do Mapa de Ikeda Ponto inicial na bacia do atrator caótico. A partir da iteração 86435, a órbita deixa o atrator caótico. p > p :parâmetro de controle p c p c :parâmetro crítico

Grebogi et al. PRA 36 (1987)

Esquema da Tangência Heteroclínica Crise de fronteira Atrator atinge a fronteira da bacia. p = p c tangencia Variedade instável de A variedade estável de B p < dessas variedades p > p p c c dessas variedades Não há cruzamento Há cruzamento

Variação do Transiente X Parâmetro Crítico Distribuição de τ (duraçãodo transiente para um ponto inicial) -τ T e P ( τ) T T :duração média para um conjunto de pontos iniciais Duração média do T ( p - p γ :expoente crítico c ) γ transiente

(Página 1507)

Crise de Fronteira Mapa Quadrático x n + 1 = C - x 2 n ( Mapa logístico 1 < r < 4 ) ; -1/4 < C < 2 x n + 1 = r x n (1- x n )

Esquema da Crise de Fronteira Bandas caóticas separadas do ponto fixo instável de periodo 3. Bandas caóticas superpostas ao ponto fixo instável de periodo 3.

Variação do intervalo de tempo entre bursts sucessivos X Parâmetro Crítico Distribuição de τ (duraçãodo intervalopara um ponto inicial) -T τ e P ( τ) τ τ :duração média para um conjunto de pontos iniciais Duração média do intervalo de tempo τ ( p - p c γ :expoente crítico ) γ

Crise de Fronteira Mapa Quadrático x n + 1 = C - x 2 n ; -1/4 < C < 2 Colisão entre órbita Instável e atrator caótico ( Mapa logístico 1 < r < 4 ) x n + 1 = r x n (1- x n )

2 x + 1 = p - x n x0 n = 0

A = 0.85 B = -0.9 κ = 0.4 p variando em torno de p-crítico p c = 7.26884894...

Duração Média dos Intervalos entre Bursts Crise heteroclínica

A Convecção de Rayleigh-Bénard

Equação de Navier-Stokes! dv!!! ρ = F p + µ 2 v dt dt dt = κ 2 T Equação de Condução do Calor Equação da continuidade!! ( ) 0 ρ + ρv = t

Equações de Lorenz dx dt dy dt = σ ( X Y) = rx Y XZ dz dt = XY bz

Variação de Parâmetro de Controle Várias rotas para o caos. Uma rota: caos precedido de órbita homoclínica. Outra rota: atrator caótico precedido de intermitência. Intermitência = pré-turbulência Estudo da origem da turbulência

Sistema de Lorenz x = - σ y z = = - x y x y x - + σ y + r x - b z y Variáveis : x, y, z espaço de Parâmetros de controle : σ, r, b fase tridimensional

X é proporcional à intensidade da convecção. X=0 implica que não há movimento convectivo, ou seja, o calor é transportado apenas por condução. X>0 implica circulação horária e X<0 circulação anti-horária. Y é proporcional à diferença de temperatura entre as correntes de fluido ascendente e descendente. Z é proporcional à distorção do perfil de temperatura vertical, relativamente a um perfil linear. Para Z=0, a temperatura decresce linearmente.

Atratores do Sistema de Lorenz Chaos Alligood et al.

Pontos fixos: O (x, C ( Cʹ ( - y, z) b (r -1), = b (r -1), (0, 0, - 0) b (r -1), b (r -1), r -1) r -1) b = 8/3 σ = 10 r > 0 Estabilidade do ponto O é determinada pelos auto - valores λ da matriz jacobiana - σ λ r 0 σ -1 λ 0 0 0 - b λ = 0 Ponto O estável no intervalo 0< r < 1, pois λ i < 0 r > 1 r s > r > 1 Ponto O instável Pontos C e Cʹ λ1 > 0 λ 2, 3 < 0 estáveis, λ 1, 2, 3 variedade variedade reais instável estável uni dim ensional bi dim ensional

ʹ > ʹ > < = > = = ʹ < λ λ > > ʹ > > persiste) caótico (atrator sela de pontos C e C 24.74 r C C e com atratores (coexiste caótico atrator 24.06 r caótico transiente 24.06 r caos e transiente caos 13.93 r r homoclínicas Órbitas 13.93 r r atratores C e C 0 Re complexos, r r r O ponto do estável bidimensional variedade pela separadas atração Bacias atratores C e C 1 r r 0 o 2 1, 2 1, s 0 s

Origem do Atrator Caótico de Lorenz a) O ponto fixo estável b) O instável; C, C` estáveis c) O instável, C, C` estáveis d) Idem e) Órbita homoclínica f) Atrator caótico Chaos Ott

Rota Para Caos Via Intermitência

Atrator de Lorenz z σ = 10 b = 8/3 r = 28

Evolução da Variável Z Atrator Caótico z t

Atratores Periódicos z r=165 t z r=166 t

Rota para o Caos Intermitência r=166,1 r=166,2

r=166,4 r=166,6

r=166,8

r=165 Análise Espectral Atrator Periódico

r=166,2 Análise Espectral Atrator Quase-Periódico

r=166,8 Análise Espectral Atrator Caótico

Intermitência no Sistema de Lorenz Fluxos laminar turbulento

Intermitência no Sistema de Lorenz Fluxos laminar turbulento

Intermitência no Sistema de Lorenz Transição irregular entre o regime laminar e o trubulento

I Rota para o Caos: Intermitência do Tipo I

Exemplo a seguir: Mapa unidimensional u = u + ε + u 2 ε: parâmetro de controle

Origem do Mapa

u = u + ε + u 2

u = u + ε + u 2

u = u + ε + u 2