Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении

Дослiджено бiфуркацiю Андронова – Хопфа народження перiодичного розв’язку iз просторово-однорiдного стацiонарного розв’язку задачi Неймана на крузi для параболiчного рiвняння з перетворенням просторових змiнних у випадку, коли це перетворення є композицiєю перетворень повороту на сталий кут i радiа...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2006
Автори: Белан, Е.П., Лыкова, О.Б.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2006
Назва видання:Нелінійні коливання
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/178103
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении / Е.П. Белан, О.Б. Лыкова // Нелінійні коливання. — 2006. — Т. 9, № 2. — С. 55-169. — Бібліогр.: 26 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-178103
record_format dspace
spelling irk-123456789-1781032021-02-18T01:28:19Z Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении Белан, Е.П. Лыкова, О.Б. Дослiджено бiфуркацiю Андронова – Хопфа народження перiодичного розв’язку iз просторово-однорiдного стацiонарного розв’язку задачi Неймана на крузi для параболiчного рiвняння з перетворенням просторових змiнних у випадку, коли це перетворення є композицiєю перетворень повороту на сталий кут i радiального стискання. При загальних припущеннях доведено теорему iснування обертаючої структури, отримано умови її орбiтальної стiйкостi та побудовано її асимптотичну форму. We investigate the Andronov – Hopf bifurcation of creation of a periodic solution from a spatially homogeneous stationary solution of the Neumann problem on a disk for a parabolic equation with a transformation of spatial variables in the case where the transformation is a composition of a rotation at a constant angle and a radial contraction. Under general assumptions we prove the existence of a rotating structure, find conditions for its orbital stability and construct its asymptotic form. 2006 Article Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении / Е.П. Белан, О.Б. Лыкова // Нелінійні коливання. — 2006. — Т. 9, № 2. — С. 55-169. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. 1562-3076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/178103 517.956.4 ru Нелінійні коливання Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Дослiджено бiфуркацiю Андронова – Хопфа народження перiодичного розв’язку iз просторово-однорiдного стацiонарного розв’язку задачi Неймана на крузi для параболiчного рiвняння з перетворенням просторових змiнних у випадку, коли це перетворення є композицiєю перетворень повороту на сталий кут i радiального стискання. При загальних припущеннях доведено теорему iснування обертаючої структури, отримано умови її орбiтальної стiйкостi та побудовано її асимптотичну форму.
format Article
author Белан, Е.П.
Лыкова, О.Б.
spellingShingle Белан, Е.П.
Лыкова, О.Б.
Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
Нелінійні коливання
author_facet Белан, Е.П.
Лыкова, О.Б.
author_sort Белан, Е.П.
title Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
title_short Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
title_full Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
title_fullStr Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
title_full_unstemmed Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
title_sort бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2006
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/178103
citation_txt Бифуркации вращающихся структур в параболическом функционально-дифференциальном уравнении / Е.П. Белан, О.Б. Лыкова // Нелінійні коливання. — 2006. — Т. 9, № 2. — С. 55-169. — Бібліогр.: 26 назв. — рос.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT belanep bifurkaciivraŝaûŝihsâstrukturvparaboličeskomfunkcionalʹnodifferencialʹnomuravnenii
AT lykovaob bifurkaciivraŝaûŝihsâstrukturvparaboličeskomfunkcionalʹnodifferencialʹnomuravnenii
first_indexed 2025-07-15T16:28:17Z
last_indexed 2025-07-15T16:28:17Z
_version_ 1837731045191974912
fulltext УДК 517 . 956 . 4 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ УРАВНЕНИИ Е. П. Белан Таврич. нац. ун-т Украина, 95007, Симферополь, ул. Ялтинская, 4 О. Б. Лыкова Ин-т математики НАН Украины Украина, 01601, Киев 4, ул. Терещенковская, 3 We investigate the Andronov – Hopf bifurcation of creation of a periodic solution from a spatially homoge- neous stationary solution of the Neumann problem on a disk for a parabolic equation with a transformati- on of spatial variables in the case where the transformation is a composition of a rotation at a constant angle and a radial contraction. Under general assumptions we prove the existence of a rotating structure, find conditions for its orbital stability and construct its asymptotic form. Дослiджено бiфуркацiю Андронова – Хопфа народження перiодичного розв’язку iз просторо- во-однорiдного стацiонарного розв’язку задачi Неймана на крузi для параболiчного рiвняння з перетворенням просторових змiнних у випадку, коли це перетворення є композицiєю перетво- рень повороту на сталий кут i радiального стискання. При загальних припущеннях доведено теорему iснування обертаючої структури, отримано умови її орбiтальної стiйкостi та побу- довано її асимптотичну форму. Введение. Наблюдаемый в последнее время интерес к нелинейным оптическим системам с пространственными преобразованиями в двумерной обратной связи [1] вызван исполь- зованием этих систем в задачах оптической обработки информации. Богатый спектр ло- кальных и нелокальных преобразований позволяет генерировать и визуально наблюдать процессы самоорганизации: пульсирующие волны, диссипативные структуры, ведущие центры, оптическую турбулентность. Такие структуры можно использовать для кодиро- вания и хранения информации. Возникновение световых структур в оптических системах с нелокальной обратной связью является следствием потери устойчивости некоторого пространственно-однород- ного светового режима в результате внесения возмущений в условия протекания про- цесса. Математической моделью этих систем является квазилинейное параболическое уравнение с преобразованием пространственных переменных [1]. Бифуркации Андроно- ва – Хопфа указанного уравнения для круга и преобразованиям поворота на постоянный угол посвящены работы [2 – 4]. Бифуркационные периодические решения для произволь- ной области и общего невырожденного гладкого преобразования построены в работах [5 – 7]. Метод центральных многообразий использовался в работе [8] для исследования бифуркации рождения вращающихся структур в случае, когда преобразование круга яв- ляется произведением радиального сжатия и поворота на постоянный угол. В настоящей работе для исследования этого случая развивается метод построения приближенных пе- риодических по t решений, в котором одночастотный метод [9 – 11] используется в соче- c© Е. П. Белан, О. Б. Лыкова, 2006 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 155 156 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА тании с формализмом построения центральных многообразий для систем, инвариантных относительно группы вращений окружности [12 – 16]. Следуя работам [17 – 21], указыва- ются условия, при которых из существования приближенных периодических решений вытекает существование периодического решения. На этом пути получены результаты более общие, чем в работе авторов [8]. Cтатья состоит из четырех пунктов. В п. 1 решена задача о выделении пространст- венно однородной ветви стационарных решений исходной задачи, спектр устойчивости которой пересекает мнимую ось при некотором значении параметра. Второй пункт по- священ построению приближенных периодических решений, бифурцирующих из ста- ционарной точки, — решений типа вращающихся структур. Теорема о существовании и асимптотической форме вращающейся структуры сформулирована и доказана в п. 3. В четвертом пункте доказана теорема об экспоненциальной орбитальной устойчивости вращающейся структуры. 1. Постановка задачи. На единичном круге S с центром в начале координат рассмот- рим уравнение [1] ∂u ∂t + u = D∆u + K(1 + γ cos Qu), ∂u ∂ν ∣∣∣∣ ∂S = 0. (1) Здесь u — фаза световой волны, ∆ — двумерный оператор Лапласа, D > 0 — эффек- тивный коэффициент диффузии частиц нелинейной среды, 0 < γ ≤ 1 — видность (конт- растность) интерференционной картины, K > 0 — коэффициент, пропорциональный интенсивности светового потока, Qu(t, r, θ) = u(t, κr, θ + h), где 0 < κ < 1, 0 < h < π, (r, θ) — полярные координаты на S, ν — единичная внутрення нормаль к границе S. Пусть H = L2(S) — гильбертово пространство измеримых на S функций со скаляр- ным произведением 〈u, v〉 = 1 π ∫ S uv dx и соответствующей нормой ‖u‖ = 〈u, u〉1/2; H l(S) — пространство Соболева измеримых на S функций со скалярным произведением 〈u, v〉l = 1 π ∑ 06α6l ∫ S ∂αu(x)∂αv(x) dx, где α = (α1, α2) ∈ Z2 +, ∂α = ∂α1 1 ∂α2 2 , |α| = α1 + α2, и соответствующей нормой ‖u‖l = = 〈u, u〉1/2 l . Обозначим H l = H l(S) ∩ {∂u/∂ν ∣∣ ∂S = 0}, l ∈ Z+. Пространство H l явля- ется пополнением пространства бесконечно дифференцируемых на S функций, удовлет- воряющих условию ∂u/∂ν ∣∣ ∂S = 0, по норме H l(S). Задаче (1) соответствует непрерывная полугруппа {St}, действующая в пространстве H [7 – 8]. Обозначим через S1 = R/2πZ группу вращений окружности. Пусть u(t, r, θ) — реше- ние задачи (1). Легко увидеть, что решением этой задачи является функция u(t, r, θ + α), где α ∈ R/2πZ. Следовательно, задача (1) S1-эквивариантна. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 157 В данной работе рассматриваются вопросы о существовании, асимптотической фор- ме и устойчивости периодического решения задачи (1), бифурцирующего из пространст- венно-однородного состояния равновесия, т. е. решения уравнения w = K(1 + γ cos w). (2) Напомним, что при исследовании бифуркации рождения цикла интерес представля- ют и потеря устойчивости стационарными решениями, и приближенные формулы для рождающихся периодических решений малой амплитуды [22]. Согласно [23, 20] с ростом K количество сосуществующих корней этого уравнения неограниченно увеличивается, причем при K → ∞ их состав постоянно обновляется: рождаются новые состояния равновесия и умирают старые. В связи с этим зафиксируем какую-нибудь непрерывную ветвь решений w = w(K), 1 + Kγ sinw(K) 6= 0 (3) уравнения (2), которая определена только на конечном промежутке изменения парамет- ра K. Линеаризованную на состоянии равновесия (3) задачу (1) представим в виде u̇ + L(K)u = 0, (4) где линейный оператор L(K) : H → H с областью определения H2 задан формулой L(K)v = −D∆v + v + Λ(K)Qv, Λ(K) = γ sinw(K). (5) Перейдем теперь к выбору бифуркационного значения параметра K. Решение этой зада- чи приводит, разумеется, к исследованию спектра оператора L(K) : H → H. В этой связи отметим, что согласно [6] (лемма 3.1) оператор L(K) имеет компактную резольвенту и, следовательно, спектр этого оператора дискретный. Воспользуемся методом разделения переменных для анализа спектра оператора L(K). С этой целью рассмотрим гильбертово пространство L2([0, 1], r) комплекснозначных измеримых на [0, 1] функций со скалярным произведением � f, g �= 1∫ 0 rf(r)g(r) dr. Определим теперь линейный оператор Ak(K), k ∈ Z, равенством Akf = −D [ 1 r d dr ( r df dr ) − k2 r2 f ] + f + exp (ikh)Λ(K)Q̂f, где Q̂f(r) = f(κr), и областью определения D(Ak(K)) = {f ∈ L2([0, 1], r) : Ak(K)f ∈ ∈ L2([0, 1], r), f ′(1) = 0}. Ясно, что D(Ak(K)) не зависит от k ∈ Z и K из указанного выше промежутка. Поэтому обозначим D(Ak(K)) = D. Очевидно, что любая собствен- ная функция оператора L(K) представима в виде exp (isθ)Ψs(K), где s ∈ Z, а Ψs(K) — собственная функция оператора As(K). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 158 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА Линейный оператор Q̂ : L2([0, 1], r) → L2([0, 1], r) является, очевидно, ограниченным, причем ‖Q̂‖ = κ−1. Сопряженный оператор Q̂∗ : L2([0, 1], r) → L2([0, 1], r) определяется формулой Q̂∗f(r) = { κ−2f(κ−1r), 0 ≤ r ≤ κ, 0, κ < r ≤ 1. Оператор A∗ k(K), сопряженный оператору Ak(K) и определенный равенством A∗ k(K)f = −D [ 1 r d dr ( r df dr ) − k2 r2 f ] + f + exp (−ikh)Λ(K)Q̂∗f, имеет область определения D. Согласно [6] (лемма 3.2) спектр оператора L(K) удовлетворяет условию σ(L(K)) ⊂ ⊂ {λ ∈ C : Re λ ≥ 1 − κ−1|Λ(K)|}. Следовательно, при |Λ(K)| < κ нулевое решение уравнения (4) экспоненциально устойчиво. Поэтому рассмотрим лишь те значения K, для которых |Λ(K)| > κ. Если Λ(K) < −1, то нулевое решение уравнения, очевидно, не- устойчиво. Таким образом, интерес представляют значения K, для которых выполнено одно из условий: −1 < Λ(K) < −κ, κ < Λ(K) < 1, Λ(K) > 1. Далее предполагаем, что Λ(K) > 1. Проблема реализуемости этого условия исследована в работах [23, 20]. Усло- вия же −1 < Λ(K) < −κ, κ < Λ(K) < 1 рассматривать здесь не будем (они заслуживают отдельного изучения). Бифуркационное значения K̂ найдем из следующего условия (см. [13, 17, 6]). Условие 1. Существуют K̂ > 0, целое m, вещественное ω0 6= 0, функция J ∈ D такие, что L(K̂) exp (imθ)J = −iω0 exp (imθ)J. (6) Предположим, что −iω0 — простое собственное значение оператора Am(K̂); −niω0 ∈ ∈ σ(Am(K̂)), n = 0,±2, . . . . В силу условия 1 существуют ε0 > 0, функции λ ∈ C∞(K̂ − ε0, K̂ + ε0) и J̃ ∈ C∞((K̂ − −ε0, K̂ + ε0),D) такие, что для K ∈ (K̂ − ε0, K̂ + ε0) L(K) exp(im θ)J̃(K) = −λ(K) exp(imθ)J̃(K), λ(K̂) = iω0, J̃(K̂) = J. (7) Справедливо равенство [8] λ(K) = iω0 + γ(K sinw(K)− K̂ sin ŵ) � J∗, Q̂ J � exp(imh) + O(|K − K̂|2). (8) Здесь ŵ = w(K̂), J∗ — собственная функция оператора A∗ m(K̂), соответствующая соб- ственному значению iω0 и нормированная условием � J∗, J �= 1. Очевидно, Re λ′(K̂) = γ(sinw(K̂) + K̂ cos w′(K̂))Re(� J∗, Q̂J � exp(imh)). (9) Несложно указать условия, по крайней мере для малых 1− κ, при которых выполня- ется следующее условие. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 159 Условие 2. Re λ′(K̂) > 0. Перейдем теперь от параметра K к параметру µ согласно равенству K = K̂ + µ. С целью сокращения обозначений положим L(K + µ) = L(µ), w(K̂ + µ) = w(µ), λ(K̂ + +µ) = λ(µ). Выполним в уравнении (1) преобразование u = w(µ) + v. В результате в пространстве H получим уравнение v̇ + L(µ)v = R(Qv, µ), (10) где R(v, µ) = Kγ[cos(w(µ) + v)− cos w(µ) + v sinw(µ)]. 2. Приближенные вращающиеся структуры. В соответствии с одночастотным мето- дом [9 – 11] и формализмом построения центральных многообразий S1-эквивариантных уравнений [8] будем строить решения уравнения (10) в виде v = z exp (imθ)J + z exp (−imθ)J + σ(z exp (imθ), z exp (−imθ), r, µ), (11) где z удовлетворяет уравнению ż = λ1(µ)z + c1(µ)z2z + . . . . (12) Подставим (11), (12) в уравнение (10) и в полученном равенстве выполним замену z exp (imθ) → z, z exp (−imθ) → z. Затем представим σ = σ(z, z, r, µ) в виде σ = σ2 + +σ3 + . . . , где σk, k = 2, 3, . . . , — форма порядка k относительно z, z. В результате отно- сительно коэффициентов квадратичной формы σ2 = 1 2 σ20z 2 + σ11zz + 1 2 σ02z 2, (13) положив µ = 0, получим уравнения (2iω0 + A2m)σ20 = −K̂γ cos ŵ exp (2imh)Q̂J2, A0σ11 = −K̂γ cos ŵQ̂(JJ). (14) Согласно условию 1 эти уравнения однозначно разрешимы: σ20 = −K̂γ cos ŵ exp(2imh)(2iω0 + A2m)−1Q̂ J2, σ11 = −K̂ γ cos ŵ A−1 0 Q̂(JJ). (15) Очевидно, σ02 = σ20. Полагая теперь σ3 = 1 3 σ30z 3 + 1 2! σ21z 2z + 1 2! σ12zz2 + 1 3 σ03z 3 и рассуждая, как и выше, относительно коэффициентов формы σ3 получаем линейные неоднородные уравнения. Согласно условию 1 уравнения относительно σ300, σ03 одно- значно разрешимы. Рассмотрим теперь уравнение относительно σ21 : (iω0 + Am)σ21 + c1(0)J = −1 2 K̂γ cos ŵ exp (imh)Q̂(2Jσ11 + Jσ20)+ + 1 2 K̂γ sin ŵ exp(imh)Q̂(J2J). (16) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 160 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА Из условия 1 следует, что линейное одномерное пространство Span{J} является про- странством решений линейного однородного уравнения, соответствующего линейному неоднородному уравнению (16). Следовательно, для разрешимости уравнения (16) необ- ходимо и достаточно, чтобы � J∗, g � = 0, где g — его неоднородность. Учитывая равенство (15), отсюда для c1 = c1(0) находим c1 = 1 2 exp (imh) � J∗, Λ̂Q̂(J J2) + (Λ̂ ctg ŵ)2(2Q̂ JA0 −1Q̂(JJ)+ + exp (2imh)Q̂(J(2iω0 + A2m)−1Q̂J2)) � . (17) Затем из уравнения (16) находим σ21 в том же виде, что и его неоднородность. Ясно, что при указанном выборе c1 уравнение относительно σ21 имеет решение σ21 = σ12. Предпо- ложим далее, что выполнено следующее условие. Условие 3. Re c1 < 0. Отметим, что в работе [24] получены условия, при которых это неравенство имеет место для тонкого кругового кольца. В сингулярном случае (D � 1) условие 1 выполня- ется [23, 20, 21]. Рассмотрим теперь уравнение ż = λ(µ)z + c1z 2z, которое является нормальной формой бифуркации Андронова – Хопфа. В силу условий 2, 3 при µ < 0 нулевое решение этого уравнения является устойчивым. При µ > 0 рассматриваемое уравнение имеет бифурцирующее из нуля периодическое решение, ко- торое с точностью порядка µ3/2 удовлетворяет равенству z = µ 1/2 1 exp (iω̂(µ)t), (18) µ1 = µRe λ′(0)(−Re c1)−1, ω̂(µ) = Im λ(µ) + µ1Im c1 Re λ′(0). В силу равенств (11), (13), (15), (18) уравнение (10) имеет приближенное по невязке порядка µ3/2 (в метрике H) периодическое по t решение v̂ = v̂(η, r, µ), η = ω̂(µ)t + mθ, где v̂ = 2µ 1/2 1 Re exp (iη)J+ + µ1Λ̂ ctg(ŵ) [ A−1 0 Q̂(JJ) + Re exp (2i(η + mh))(2iω0 + A2m)−1Q̂J2 ] . (19) Следовательно, решение уравнения (10) типа вращающейся структуры следует искать в виде v = ∞∑ s=1 µs/2vs(η, r), η = ω(µ)t + mθ, ω(µ) = ∞∑ s=1 µsωs. (20) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 161 Ясно, что коэффициенты разложений функций v(µ) ∈ H2, ω(µ) ∈ R должны быть опре- делены из уравнения ω ∂v ∂η −D [ 1 r ∂ ∂r ( r ∂v ∂r ) − m2 r2 ∂2v ∂η2 ] + v + Λ(µ)Qmv = R(Qmv, µ), (21) где Qmv(η, r) = v(η + mh, κr). 3. Существование вращающейся структуры. Описанный выше формализм построе- ния периодической структуры уравнения (10) обосновывает следующая теорема. Теорема 1. Пусть выполнены условия 1 – 3. Тогда существует µ0 > 0 такое, что для 0 < µ < µ0 уравнение (10) имеет периодическое по t решение v∗ = v∗(η, r, µ), η = = ω(µ)t + mθ. Имеет место равенство v∗(η, r, µ) = v̂(η, r, µ) + O(µ3/2), ω(µ) = ω̂(µ) + O(µ2), где ω̂(µ), v̂(µ) определены равенствами (18) и (19) соответственно. Доказательство. В уравнении (10) положим v = v(η, r, µ) = v(ω(µ)t + mθ, r, µ). В результате относительно v в пространстве H2 получим уравнение (21), которое в силу изложенного имеет при ω(µ) = ω̂(µ) приближенное по невязке порядка µ3/2 решение v̂(η, r, µ). Преобразование v = v̂ + ξ приводит уравнение (21) к виду B(µ)ξ = F (ξ, η, r, µ, δ), (22) где B(µ)ξ = ω̂ ∂ξ ∂η −D [ 1 r ∂ ∂r ( r ∂ξ ∂r ) − m2 r2 ∂2ξ ∂η2 ] + ξ + Λ(µ)Qmξ + ( µ 1/2 1 g1 + µ1 g2 + µ 3/2 1 g3 ) Qmξ, (23) функции g1, g2 удовлетворяют равенствам g1 = Λ̂ ctg ŵ(exp (iη1)Q̂J + к. с.), η1 = η + mh, (24) g2 = −1 2 Λ̂(exp (iη1)Q̂J + к. с.)2− − (Λ̂ ctg ŵ)2 [ A−1 0 Q̂(JJ) + Re exp (i2η1)(2iω0 + A2m)−1Q̂J2 ] , (25) а функция g3 = g3(η, r, µ) ∈ H2(S) является аналитической функцией аргумента µ1/2 при 0 < µ < µ0. Функцию F в уравнении (22) представим в виде F (ξ, η, r, µ, δ) = δ ( ∂ξ ∂η + ∂v̂ ∂η ) + f0(η, r, µ) + f2(ξ, η, r, µ), δ = ω̂ − ω. (26) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 162 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА Очевидно, имеет место неравенство ‖f0‖ < dµ3/2, (27) где d не зависит от µ и его точное значение несущественно. Функция f2(·, η, r, µ) : H2 → → H, f2(0, η, r, µ) = 0, ∂ξf2(0, η, r, µ) = 0, удовлетворяет условию ‖f2(ξ1, η, r, µ)− f2(ξ2, η, r, µ)‖ < d max(‖ξ1‖2, ‖ξ2‖2)‖ξ1 − ‖ξ2‖. (28) Здесь и далее символ d используется в том же смысле, что и в неравенстве (27). При исследовании вопроса о разрешимости относительно δ ∈ R, ξ ∈ H2 уравнения (22) используется спектральная задача B(µ)ξ = λξ, ξ ∈ H. (29) Рассмотрим соответствующую ей невозмущенную задачу B(0)ξ = ω0 ∂ξ ∂η −D [ 1 r ∂ ∂r ( r ∂ξ ∂r ) − m2 r2 ∂2ξ ∂η2 ] + ξ + Λ̂Qmξ = λξ, ξ ∈ H. В силу условия 1 ядро оператора B(0) : H → H является двумерным, причем Ker B(0) = = Span{Re exp (iη)J, Im exp (iη)J}. Таким образом, нуль является двукратным собствен- ным значением оператора B(0). Снова используя условие 1, приходим к заключению, что остальные собственные значения оператора B(0) отделены от нуля. Поэтому ограни- чимся анализом задачи (29) для значений λ из окрестности нуля. Поскольку с точностью порядка µ справедливо равенство B(µ)ξ0 = 0, (30) где ξ0 = Im ( exp(iη)J + µ 1/2 1 Λ̂ ctg ŵ exp(2i(η + mh))(2iω1 + A2m)−1Q̂(J2) ) , (31) для анализа задачи (29) при малых λ применим следующий метод. Положим ξ = β1 exp (iη)J + β2 exp (−iη)J + µ 1/2 1 ξ1 + µ1ξ2 + . . . , (32) λ = λ1µ1 + λ2µ 2 1 + . . . , (33) подставим эти равенства в (29) и затем приравняем коэффициенты при одинаковых сте- пенях µ 1/2 1 . В результате относительно ξ1, ξ2, . . . получим рекуррентную последователь- ность линейных неоднородных уравнений. Легко убедиться в том, что решением уравне- ния B(0)ξ1 = (β1 exp (iη)Q̂J + β2 exp (−iη)Q̂J)g1, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 163 где g1 удовлетворяет равенству (24), является функция ξ1 = Λ̂ ctg ŵ(β1exp (2i(η + mh))(2iω0 + A2m)−1Q̂(J2)+ + β2exp (−2i(η + mh))(−2iω0 + A2m)−1Q̂(J2) + (β1 + β2)A−1 0 Q̂(JJ)). (34) Рассмотрим теперь уравнение относительно ξ2 : B(0)ξ2 = (β1 exp (iη1)Q̂J + β2 exp (−iη1)Q̂J)g2 − (Qmξ1)g1 − iIm c1(β1 exp (iη)J− − β2 exp (−iη)J)− (β1 exp (iη1)Q̂J + β2 exp (−iη1)Q̂ J) ( Re λ′(0)(Re c1)−1 )−1 + + λ1(β1 exp (iη)J + β2 exp (−iη)J), где g2 удовлетворяет равенству (25). Из условия разрешимости этого уравнения следует, что (β1, β2)T — собственный вектор матрицы M = ( c1 c1 c1 c1 ) , а λ1 — соответствующее собственное значение. Собственным векторам (1,−1)T , (c1, c1)T этой матрицы соответствуют собственные значения 0 и 2Re c1 соответственно. Соответ- ствующий анализ спектральной задачи B∗(µ)ζ = λζ, ζ ∈ H, для малых λ приводит к матрице M∗. Отсюда, в частности, следует, что с точностью по- рядка µ1/2 справедливо равенство B∗(µ)ζ0 = 0, где ζ0 = Im (c1 exp (−iη)J∗). Введем теперь оператор B̂(µ) согласно формуле B̂(µ)ξ = B(µ) ( ξ − 〈ξ0, ξ〉 ‖ξ0‖2 ξ0 ) (35) и рассмотрим спектральную задачу B̂(µ)ξ = λξ, ξ ∈ H. По определению B̂(µ)ξ0 = 0. В силу приближенного равенства (30) спектральные свой- ства оператора B̂(µ) при малых µ аналогичны таковым для оператора B(µ). Следова- тельно, существует функция ξ1 ∈ H2 такая, что B̂(µ)ξ1 = (−2µ1Re c1 + O(µ2))ξ1. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 164 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА При этом с точностью порядка µ справедливо равенство ξ1 = Re (c1(exp (iη)J + µ 1/2 1 Λ̂ ctg ŵ(A−1 0 Q̂(JJ) + exp (2i(η + mh))(2iω1 + A2m)−1Q̂(J2)). Существует также функция ζ0 ∈ H2, удовлетворяющая равенству ζ0 = Re c−1 1 Im (c1 exp (−iη)J∗) + O(µ2) и такая, что B̂∗(µ)ζ0 = 0, 〈ζ0, ξ0〉 = 1. Обозначим M1 = Span{ξ1}. Пусть H разложено по спектральному множеству {0, −2µRe c1 + O(µ2)} оператора B̂(µ), т. е. H = Ker (B̂)⊕M1 ⊕M2. Очевидно, уравнение B̂(µ)ξ = g, g ∈ H, (36) разрешимо тогда и только тогда, когда 〈ζ0, g〉 = 0. В этом случае существует единствен- ное решение Kg ∈ H2 этого уравнения такое, что 〈Kg, ξ0〉 = 0. Ясно, что имеют место следующие оценки: ‖Kg‖2 < d‖g‖, g ∈ M2, (37) ‖Kg‖2 < d µ ‖g‖H , g ∈ M1. (38) Пусть P̂ — проектор в пространстве H на Ker (B̂) ⊕M1. Анализ построения функции v̂ приводит к неравенству ‖P̂ f0(·, µ)‖ < dµ5/2. (39) Рассмотрим уравнение (22). Заменим в нем B на B̂. Эту замену учтем и в правой час- ти, обозначив ее F̂ . Отметим, что согласно проведенному выше анализу ‖B(µ)ξ0‖ < dµ, ‖P̂B(µ)ξ0‖ < dµ3/2. (40) Рассмотрим в пространстве H2 уравнение ξ − K(F̂ (ξ, µ, δ)− 〈ζ0, F̂ (ξ, µ, δ)〉ξ0) = 0. (41) Теперь видим, что примененный к этому уравнению метод последовательных приближе- ний с нулевой начальной точкой приводит к сходящейся в H2 последовательности равно- мерно по µ, δ в области 0 ≤ µ ≤ µ0, |δ| ≤ dµ3/2. Предел этой последовательности ξ∗(µ, δ) является решением уравнения (41) и удовлетворяет оценке ‖ξ∗(µ, δ)‖2 < dµ3/2. (42) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 165 Функция ξ∗(µ, δ) непрерывно дифференцируема в области 0 ≤ µ ≤ µ0, |δ| ≤ dµ3/2. Со- гласно (28) существует единственное решение уравнения (41), удовлетворяющее и нера- венству (42), и условию 〈ζ0, ξ∗〉 = 0. По построению ξ∗(µ, δ) удовлетворяет уравнению B(µ)ξ = F (ξ, η, r, µ, δ)−D(µ, δ), где D(µ, δ) = 〈ζ0, F̂ (ξ∗, η, r, µ, δ)〉. Итак, вопрос о разрешимости уравнения (21) сводится к вопросу о разрешимости относительно δ уравнения D(µ, δ) = 0. Это уравнение в силу равенств (19), (26), (31) неравенств (27), (39), (40), (42) допускает представление в виде D(µ, δ) = µ 1/2 1 (δ + µ3/2l(µ1/2, δ)) = 0, (43) где l(µ1/2, δ) — непрерывно дифференцируемая функция в области 0 < µ < µ0, |δ| < < dµ 3/2 0 . Отсюда в силу теоремы о неявной функции следует существование непрерывно дифференцируемого относительно µ1/2 при 0 < µ < µ0 решения δ(µ) уравнения (43), которое удовлетворяет неравенству |δ(µ)| < dµ3/2. Следовательно, ξ∗(µ, δ(µ)) — решение уравнения (21) при ω(µ) = ω̂(µ) + δ(µ) и 0 < µ < < µ0. Теорема доказана. 4. Устойчивость вращающейся структуры. Вопрос об устойчивости построенного выше решения уравнения (10) рассмотрим при следующем условии. Условие 4. Пусть: 1) существует одна и только одна пара простых собственных значений −λ(0), −λ(0) оператора L(0) такая, что λ(0) = iω0, ω0 6= 0; 2) σ(L(0))/{−λ(0),−λ(0)} ⊂ {λ ∈ C : Re λ > 0}. С помощью принципа сведения [25, 26] вопрос об устойчивости вращающейся волны v∗ уравнения (10) при выполнении условий 1, 3, 4 был исследован в работе авторов [8]. Ниже для исследования на устойчивость решения v∗ используется метод, основанный на анализе линеаризованного в окрестности v∗ уравнения (10) [25] (теорема 8.2.3). Теорема 2. Пусть выполнены условия 1, 3, 4. Тогда периодическое по t решение v∗ уравнения (10) является экспоненциально орбитально устойчивым. Доказательство. Исследуем на устойчивость в пространстве H уравнение ξ̇ + L(µ)ξ = ∂ ∂u R(Qv∗, µ)Qξ, (44) полученное линеаризацией уравнения (10) в окрестности решения v∗. Перейдем с этой целью от этого уравнения к его галеркинской аппроксимации. Предположим, что для ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 166 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА каждого k = 0,±1,±2, . . . существует полная ортонормированная в L2([0, 1], r) система собственных функций Jk,s, s = 1, 2, . . . , оператора Ak(0), упорядоченная по возрастанию вещественных частей соответствующих им собственных значений. Итак, пусть Ak(0)Jk,s = −λk,sJk,s, s = 1, 2, . . . . Ясно, что система функций {exp (ikθ)Jk,s(r), k ∈ Z, s = 1, 2, . . .} образует в пространстве H полную ортонормированную систему. Пусть J∗k,s, s = 1, 2, . . . , — система собственных функций оператора A∗ k(0) такая, что � J∗k,s, Jk,l � = δs,l, где δs,l — символ Кронекера. Если κ = 1, то система функций с указанными свойствами, очевидно, существует. Введем в пространстве H ортопроектор P̃ : H → H : P̃ ξ = k0∑ −k0 s0∑ s=1 Pk,sξ, Pk,sξ = ξk,s exp (ikθ)Jk,s, ξk,s = 〈exp (ikθ)J∗k,s, ξ〉, где k0, s0 будут выбраны ниже. Положим в уравнении (44) ξ = P̃ ξ +(I− P̃ )ξ, где I — еди- ничный оператор. В полученной относительно P̃ ξ, (I − P̃ )ξ системе уравнений положим (I − P̃ )ξ = 0. В результате получим линейную систему обыкновенных дифференциаль- ных уравнений с периодическими коэффициентами ξ̇k,s = λk,sξk,s + Pk,s ∂ ∂u R(Qv∗, µ) k0∑ −k0 s0∑ s=0 Q(Pk,sξ), k = 0, 1, . . . , k0, s = 0, 1, . . . , s0. (45) Здесь λk,s = λk,s(µ), ξ−k,s = ξk,s, k = 0, 1, . . . , k0. Согласно условию 4 критическими переменными в этой системе являются только переменные ξm,1, ξm,1. Будем считать, что Jm,1 = J, где функция J удовлетворяет равенству (6). Используя (19) и равенство ∂R(u, 0) ∂u = Λ̂ ctg(ŵ)u− 1 2 Λ̂u2 + o(u2), убеждаемся, что с точностью до слагаемых, которые не влияют на характер устойчиво- сти системы (45), критическая переменная ξm,1 удовлетворяет уравнению ξ̇m,1 = λ(µ)ξm,1 + µ 1/2 1 Λ̂ ctg(ŵ) ( s0∑ s=1 exp(i(ωt + mh)) � J∗, Q̂(JJ0,s) � ξ0,s + + exp(−i(ωt−mh)) � J∗, Q̂(JJ2m,s) � ξ2m,s ) + + µ1 ( (Λ̂ ctg(ŵ))2 exp(imh) � J∗, Q̂(JA−1 0 Q̂(JJ)) � ξm,1 + + exp(i(2ωt + mh)) � J∗, Q̂ ( J(2iω0 + A2m)−1(Q̂J2) + 1 2 Λ̂Q̂(J2J) ) � ξm,1 ) . (46) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 167 Здесь использовано равенство λm,1(µ) = λ(µ) и обозначение ω = ω(µ). Рассмотрим те- перь уравнения относительно некритических переменных ξ0,s, ξ2m,s, s = 0, 1, . . . . Эти переменные удовлетворяют с точностью порядка µ уравнениям ξ̇0,s = λ0,sξ0,s + µ 1/2 1 Λ̂ ctg(ŵ)(exp (iωt)ξm,1 + exp(−iωt)ξm,1) � J∗0,s, Q̂(JJ) �, (47) ξ̇2m,s = λ2m,sξ2m,s + µ 1/2 1 Λ̂ ctg(ŵ) exp (i(ωt + 2mh))ξm,1 � J∗2m,s, Q̂(JJ) � . (48) Преобразование ξm,1 = η + µ 1/2 1 Λ̂ ctg(ŵ) ( s0∑ s=1 exp(i(ωt + mh)) � J∗, Q̂(JJ0,s) � (λ0,s(0))−1ξ0,s + + exp(−i(ωt−mh)) � J∗, Q̂(JJ2m,s) � (2iω0 + λ2m,s(0))−1ξ2m,s ) в силу уравнений (47), (48) и равенств � J∗, Q̂(J(A0)−1(Q̂(JJ))) � = = s0∑ s=1 � J∗, Q̂(JJ0,s) �� J∗0,s, Q̂(JJ) � (λ0,s(0))−1 + r1(s0), � J∗, Q̂(J(2iω0 + A2m)−1Q̂(J2)) � = = s0∑ s=1 � J∗, Q̂(JJ2m,s) �� J∗2m,s, Q̂(J2) � (2iω0 + λ2m,s(0))−1 + r2(s0) приводит уравнение (46) с точностью порядка µ3/2 к виду η̇ = λ(µ)η + µ1 ( (exp (imh) � J∗,−Λ̂Q̂(J2J)+ + 1 2 (Λ̂ ctg(ŵ))2 exp (2imh)Q̂(J(2iω0 + A2m)−1Q̂(J2) �)+ + exp (i(2ωt + mh)) � J∗, Q̂(JA−1 0 Q̂(JJ)) � −r1(s0))η+ + ( exp (i(2ωt + mh)) � J∗, 1 2 Λ̂Q̂(J2J) + + (Λ̂ ctg(ŵ))2 exp (2imh)Q̂(JA−1 0 Q̂(JJ)) + Q̂(JA−1 0 Q̂(J2)) � −r2(s0) ) η. (49) Уравнение (49), рассматриваемое совместно с соответствующим ему комплексно-сопря- женным уравнением, определяет с точностью порядка µ3/2 систему (45) на ее двумерном ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 168 Е. П. БЕЛАН, О. Б. ЛЫКОВА критическом инвариантном многообразии. Выполним теперь в уравнении (49) преобра- зование η → η exp (−iω(µ)t), η → η exp (iω(µ)t). В результате получим систему линейных дифференциальных уравнений с периодически- ми коэффициентами, которая членами порядка µ3/2, µr1(s0), µr2(s0) отличается от сис- темы с постоянными коэффициентами. Очевидно, что при соответствующем выборе s0 устойчивость полученной матрицы коэффициентов указанной системы, а следователь- но, и устойчивость уравнения (44) определяются матрицей µ1 ( −Re λ′(0)(1 + iχ) −Re λ′(0)(1− iχ) −Re λ′(0)(1 + iχ) −Re λ′(0)(1− iχ) ) , где χ = Im c1 Re c1 . Согласно условию 2 отсюда следует, что v∗ является экспоненциально орбитально устойчивым решением уравнения (10). Теорема доказана. Заключение. В данной работе метод исследования бифурцирующих из стационарно- го решения периодических решений для нелинейных сред с малой диффузией [18] (см. также [19 – 21] использован при общих условиях бифуркации Андронова – Хопфа для па- раболической задачи с преобразованием поворота-сжатия пространственных перемен- ных. Метод опирается на развитую в указанных работах технику построения приближен- ных бифурцирующих периодических решений. В настоящей статье с этой целью исполь- зуется одночастотный метод [9 – 11] в сочетании с формализмом построения централь- ных многообразий для уравнений, инвариантных относительно группы вращений окруж- ности. Основным результатом работы является теорема 1 о существовании и асимптоти- ческой форме вращающейся структуры, рождающейся из стационарного пространствен- но-однородного решения исходной задачи. Теорема 1 примыкает к результатам [5, 6] по исследованию бифуркации Андронова – Хопфа для общих параболических задач с пре- образованным аргументом. Теорема 2 об устойчивости вращающейся структуры была сформулирована и доказана авторами в работе [8]. В приведенном в настоящей статье новом доказательстве использованы подходы, которые были инициированы работой [18] и успешно развиваются для исследования автоволновых процессов в нелинейных средах с малой диффузией [19, 20]. Для исследования орбитальной устойчивости вращающейся структуры применяется принцип сведения в теории устойчивости линейных систем диф- ференциальных уравнений с периодическими коэффициентами [26] и метод Галеркина. Авторы признательны рецензенту за полезные замечания и советы. 1. Ахманов С. А., Воронцов М. А., Иванов В. Ю. Генерация структур в оптических системах с двумер- ной обратной связью: на пути к созданию нелинейно-оптических аналогов нейронных сетей // Новые принципы оптической обработки информации. — М.: Наука, 1990. — С. 263 – 325. 2. Разгулин А. В. Ротационные волны в оптической системе с двумерной обратной связью // Мат. моде- лирование. — 1993. — 5, № 4. — С. 106 – 119. 3. Razgulin A. V. Rotational multi-petal waves in optical system with 2-D feedback // Chaos in Optics / Ed. Rajarshi Roy. (Proc. SPIE-2039). — 1993. — P. 342 – 351. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2 БИФУРКАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ СТРУКТУР В ПАРАБОЛИЧЕСКОМ . . . 169 4. Белан Е. П. Вращающиеся волны в параболической задаче с преобразованным аргументом // Дина- мические системы. — 2000. — Вып.16. — С. 160 – 167. 5. Skubachevskii A. L. Bifurcation of periodic solution for nonlinear parabolic functional differential equations arising in optoelectronics // Nonlinear Anal.: Theory, Methods and Appl. — 1998. — 12, № 2. — P. 261 – 278. 6. Скубачевский А. Л. О бифуркации Хопфа для квазилинейного параболического функционально-диф- ференциального уравнения // Дифференц. уравнения. — 1998. — 34, № 10. — С. 1394 – 1401. 7. Белан Е. П. О бифуркации периодических решений в параболическом функционально-дифферен- циальном уравнении // Учен. зап. Таврич. нац. ун-та. Сер. Математика. Механика. Информатика и кибернетика. — 2002. — № 2. — С. 11 – 23. 8. Белан Е. П., Лыкова О. Б. Вращающиеся структуры в параболическом функционально-дифференци- альном уравнении // Дифференц. уравнения. — 2004. — 40, № 10. — С. 1348 – 1357. 9. Боголюбов Н. Н., Митропольский Ю. А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. — М.: Наука, 1969. 10. Митропольский Ю. А., Лыкова О. Б. Интегральные многообразия в нелинейной механике. — М.: На- ука, 1973. 11. Митропольский Ю. А., Мосеенков Б. И. Асимптотические решения уравнений в частных произ- водных. — Киев: Вища шк., 1976. 12. Ruelle D. Bifurcations in the presence of a symmetry group // Arch.Ration. Mech. and Anal. — 1973. — 51, № 2. — P. 136 – 152. 13. Марсден Дж., Мак-Кракен М. Бифуркация рождения цикла и ее приложения. — М.: Мир, 1980. 14. Арнольд В. И., Афраймович В. С., Ильяшенко Ю. С., Шильников Л. П. Теория бифуркаций // Итоги науки и техники. Соврем. направления математики. Фундам. направления / ВИНИТИ. — 1985. —5. — C. 5 – 218. 15. Kuznetzov Y. A. Elements of applied bifurcation theory. — New York: Springer, 1998. 16. Белан Е. П. О бифуркации бегущих волн в сингулярно возмущенной параболической задаче с пре- образованным аргументом // Динамические системы. — 2001. — Вып. 17. — С. 179 – 184. 17. Хейл Дж. Теория функционально-дифференциальных уравнений. — М.: Мир, 1984. 18. Васильева А. Б., Кащенко С. А., Колесов Ю. С., Розов Н. Х. Бифуркация автоколебаний нелинейных параболических уравнений с малой диффузией // Мат. сб. — 1986. — 130, вып. 4. — С. 488 – 499. 19. Колесов А. Ю., Розов Н. Х. Инвариантные торы нелинейных волновых уравнений. — М.: Физматлит, 2004. 20. Мищенко Е. Ф., Садовничий В. А., Колесов А. Ю., Розов Н. Х. Автоволновые процессы в нелинейных средах с диффузией. — М.: Физматлит, 2005. 21. Белан Е. П. О динамике бегущих волн в параболическом уравнении с преобразованием сдвига про- странственной переменной // Журн. мат. физики, анализа, геометрии. — 2005. — 1, № 1. — С. 3 – 34. 22. Хэссард Б., Казаринов Н., Вэн И. Теория и приложения бифуркации рождения цикла. — М.: Мир, 1985. 23. Колесов А. Ю., Розов Н. Х. Оптическая буферность и механизмы ее возникновения // Теорет. и мат. физика. — 2004. — 140, № 1. — С. 14 – 28. 24. Белан Е. П. О взаимодействии бегущих волн в параболическом функционально-дифференциальном уравнении // Дифференц. уравнения. — 2004. — 40, № 5. — С. 645 – 654. 25. Хенри Д. Геометрическая теория полулинейных параболических уравнений. — М.: Мир, 1985. 26. Плисс В. А. Принцип сведения в теории устойчивости движения // Изв. АН СССР. Сер. мат. — 1964. — 28, № 6. — С. 1297 – 1324. Получено 16.09.2005 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2006, т . 9, N◦ 2