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	P.262の問題番号「7.6.25」に対する解答系$\ddot{x} + x + \varepsilon h(x,\dot{x},t)=0$ (a) 変数変換$x(t) = r(t) \cos (t+\phi(t)), \ \ \dot{x}(t) = - r(t) \sin (t + \phi(t))$とおいたとき、$y(t)=-\dot{x}(t)$とすると、系は \[ \dot{x}=-y, \ \ \dot{y} = x + \varepsilon h \]と表すことができ、変数変換 \[ x = r \cos (t+\phi), \ \ y=r \sin (t + \phi) \]は極座標への変換とみなすことができる。したがって、 \[ r \dot{r} = x \dot{x} + y \dot{y} = \varepsilon h y = \varepsilon h r \sin (t+\phi) \]から、 \[ \dot{r} = \varepsilon h \sin (t + \phi) \]が得られる。また、 \[ r^2 (1 + \dot{\phi}) = x \dot{y} - y \dot{x} = r^2 + \varepsilon h x = r^2 + \varepsilon h r \cos (t+\phi) \]から \[ r \dot{\phi} = \varepsilon h \cos (t+ \phi) \]が得られる。 (b) 移動平均$\langle r \rangle$は \[ \langle r \rangle = \frac{1}{2 \pi} \int_{t-\pi}^{t+\pi} r(\tau) d \tau = \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} r(t+\tau) d \tau \]と表せる。したがって、 \[ \begin{align} \frac{ d \langle r \rangle}{d t} &= \frac{d}{d t} \left[ \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} r(t+\tau) d \tau \right] \\ &= \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} \frac{d}{dt} r(t+\tau) d \tau \\ &= \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} \frac{d r(t+\tau)}{d(t+\tau)} \frac{d(t+\tau)}{dt} d \tau \\ &= \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} \dot{r}(t+\tau) d \tau \\ &= \langle \frac{dr}{dt} \rangle \end{align} \]となる。 (c) (b)の結果より \[ \begin{align} \frac{ d \langle r \rangle}{d t} &= \langle \dot{r} \rangle = \langle \varepsilon h [x(t), \dot{x}(t), t] \sin(t+\phi(t)) \rangle \\ &= \varepsilon \langle h [r \cos(t+\phi), -r \sin(t+\phi), t] \sin(t+\phi(t)) \rangle \end{align} \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-18 06:02:03
	P.262の問題番号「7.6.24」に対する解答へのコメント系$\ddot{x}+x-\varepsilon x^3 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0) = 0$ 解）数式処理パッケージとして、sympyを用いる。 $\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x - \varepsilon x^3 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \varepsilon^3 x_3(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^4), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 )^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'' + \varepsilon^3 x_3'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 + \varepsilon^3 x_3 ) - \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 )^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 = - 2 \omega_1 x_0'' + x_0^3 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 = - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' - 2 \omega_1 x_1'' + 3 x_0^2 x_1 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^3) \ &: \ x_3'' + x_3 = - 2 ( \omega_1 \omega_2 + \omega_3 ) x_0'' - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_1'' - 2 \omega_1 x_2'' + 3 x_0 x_1^2 + 3 x_0^2 x_2 \end{align} \]となる。また、初期条件は $x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0$、および$x_k(0) = 0, \ \ x_k'(0)=0 \ \ (k \geq 1)$となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-16 06:10:36
	P.262の問題番号「7.6.24」に対する解答系$\ddot{x}+x-\varepsilon x^3 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0) = 0$ 解）数式処理パッケージとして、sympyを用いる。 $\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x - \varepsilon x^3 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \varepsilon^3 x_3(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^4), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 )^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'' + \varepsilon^3 x_3'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 + \varepsilon^3 x_3 ) - \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 )^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 = - 2 \omega_1 x_0'' + x_0^3 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 = - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' - 2 \omega_1 x_1'' + 3 x_0^2 x_1 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^3) \ &: \ x_3'' + x_3 = - 2 ( \omega_1 \omega_2 + \omega_3 ) x_0'' - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_1'' - 2 \omega_1 x_2'' + 3 x_0 x_1^2 + 3 x_0^2 x_2 \end{align} \]となる。また、初期条件は $x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0$、および$x_k(0) = 0, \ \ x_k'(0)=0 \ \ (k \geq 1)$となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-16 06:05:43
	P.262の問題番号「7.6.23」に対する解答系$\ddot{x} - \varepsilon x \dot{x} + x = 0$ 解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' - \varepsilon x x' + x = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ - \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1) ( x_0 + \varepsilon x_1 ) (x_0' + \varepsilon x_1' ) + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' - x_0 x_0' = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' - \omega_1 x_0 x_0' - x_0' x_1 - x_0 x_1' = 0 \end{align} \]が得られる。$\mathcal{O}(1)$の方程式から \[ x_0(\tau) = r_0 \cos (\tau + \phi_0) \]が得られる。次に、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式は、 \[ x_1'' + x_1 = 2 \omega_1 r_0 \cos (\tau + \phi_0) - \frac{r_0^2}{2} \sin 2 (\tau + \phi_0) \]となる。この式から永年項を回避するために、 \[ \omega_1 = 0 \]が得られる。また、このとき、 \[ x_1(\tau) = r_1 \cos (\tau + \phi_1) + \frac{r_0^2}{6} \sin 2(\tau+ \phi_0) \]となる。さらに、$\mathcal{O}(\varepsilon^2)$の方程式は、 \[ x_2'' + x_2 = \left( 2 \omega_2 r_0 + \frac{r_0^3}{12} \right) \cos(\tau+ \phi_0) + \frac{r_0^3}{4} \cos 3(\tau + \phi_0) -r_0 r_1 \sin (2 \tau + \phi_0 + \phi_1 ) \]となるので、永年項を回避するために、 \[ \omega_2 = - \frac{r_0^2}{24} \]が得られる。したがって、振幅と振動数の間の近似的な関係式は、 \[ \omega \approx 1 - \frac{1}{24} \varepsilon^2 r_0^2 \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-14 06:12:48
	P.262の問題番号「7.6.22」に対する解答へのコメント系$\ddot{x} + x + \varepsilon x^2 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ 解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x + \varepsilon x^2 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1)^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' + x_0^2 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' + 2 x_0 x_1 = 0 \end{align} \]となる。また、初期条件は \[ x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0, \ \ x_1(0) = 0, \ \ x_1'(0)=0, \ \ x_2(0) = 0, \ \ x_2'(0)=0 \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-14 05:12:25
	P.262の問題番号「7.6.22」に対する解答系$\ddot{x} + x + \varepsilon x^2 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ 解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x + \varepsilon x^2 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1)^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' + x_0^2 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' + 2 x_0 x_1 = 0 \end{align} \]となる。また、初期条件は \[ x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0, \ \ x_1(0) = 0, \ \ x_1'(0)=0, \ \ x_2(0) = 0, \ \ x_2'(0)=0 \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-14 05:05:32
	P.262の問題番号「7.6.21」に対する解答解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + \varepsilon \omega (x^2-1) x' + x = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ + \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1) \{ ( x_0 + \varepsilon x_1 )^2 -1 \}(x_0' + \varepsilon x_1' ) + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' + (x_0^2 - 1 ) x_0' = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' + (x_0^2 - 1 ) (\omega_1 x_0' + x_1' ) + 2 x_0 x_0' x_1 = 0 \end{align} \]が得られる。$\mathcal{O}(1)$の方程式から \[ x_0(\tau) = r_0 \cos (\tau + \phi_0) \]が得られる。次に、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式は、 \[ x_1'' + x_1 = 2 \omega_1 r_0 \cos (\tau + \phi_0) + \left( \frac{r_0^3}{4} - r_0 \right) \sin (\tau + \phi_0) + \frac{r_0^3}{4} \sin 3(\tau+\phi_0) \]となる。この式から永年項を回避するために、 \[ \omega_1 = 0, r_0 = 2 \]が得られる。また、このとき、 \[ x_1(\tau) = r_1 \cos (\tau + \phi_1) - \frac{1}{4} \sin 3(\tau+ \phi_0) \]となる。さらに、$\mathcal{O}(\varepsilon^2)$の方程式は、 \[ \begin{align} x_2'' + x_2 &= \left( 4 \omega_2 + r_1 \sin( \phi_0 - \phi_1) + \frac{1}{4} \right) \cos(\tau+ \phi_0) \\ &+ r_1 ( 1+ \cos (\phi_0-\phi_1) ) \sin (\tau + \phi_0) \\ &+ 3 \left( - r_1 \sin (\phi_0 - \phi_1) + \frac{1}{4} \right) \cos 3(\tau+\phi_0) \\ &+ 3r_1 \cos(\phi_0 - \phi_1) \sin 3 (\tau + \phi_0) + \frac{5}{4} \cos 5(\tau+\phi_0) \end{align} \]となるので、永年項を回避するために、 \[ \omega_2 = - \frac{1}{16} \]が得られる。したがって、リミットサイクルの振動数は、 \[ \omega = 1 - \frac{1}{16} \varepsilon^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-13 12:05:31
	P.262の問題番号「7.6.20」に対する解答ダフィン方程式$\ddot{x}+x+\varepsilon x^3 = 0, \ \ 0< \varepsilon \ll 1, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ (a) $x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^2)$とおき、ダフィン方程式に代入すると、 \[ \ddot{x}_0 + \varepsilon \ddot{x}_1 + x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1)^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ \ddot{x}_0 + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ \ddot{x}_1 + x_1 = - x_0^3 \end{align} \]が得られる。また、初期条件は \[ \begin{align} x(0) &= x_0(0) + \varepsilon x_1(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = a \\ \dot{x}(0) &= \dot{x}_0(0) + \varepsilon \dot{x}_1(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = 0 \end{align} \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すれば、$x_0(0)=a, \ \dot{x}_0(0)=0$、および$x_1(0)=\dot{x}_1(0)=0$が得られる。したがって、$\mathcal{O}(1)$の方程式から \[ x_0(t) = a \cos t \]が得られ、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式から、 \[ x_1(\tau) = -\frac{3}{8} a^3 t \sin t + \frac{1}{32} a^3 ( \cos 3 t - \cos t ) \]が得られる。つまり、通常の摂動法を用いると、 \[ x(t, \varepsilon) = a \cos t + \varepsilon a^3 \left[ -\frac{3}{8} t \sin t + \frac{1}{32} ( \cos 3 t - \cos t ) \right] + \mathcal{O}(\varepsilon^2) \]が得られる。演習問題7.6.19の結果より、$\varepsilon \ll 1$のとき、 \[ \begin{align} x_0(\tau) &= a \cos \tau = a \cos \omega t = a \cos \left( 1 + \frac{3}{8} \varepsilon a^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^2) \right) t \\ &= a \cos t - \frac{3}{8} \varepsilon a^3 t \sin t + \mathcal{O}(\varepsilon^2) \end{align} \]となる。通常の摂動法による永年項はこの近似により生じており、これを$\varepsilon$のオーダーまでで見ると、振幅が$t$とともに増加するように見えるが、これは間違い。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-13 08:10:59
	P.261の問題番号「7.6.19」に対する解答ダフィン方程式$\ddot{x}+x+\varepsilon x^3 = 0, \ \ 0< \varepsilon \ll 1, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ (a) $\tau = \omega t$とおくと、 \[ \dot{x} = \frac{dx}{dt} = \frac{d \tau}{d t} \frac{dx}{d \tau} = \omega x', \ \ \ddot{x} = \omega^2 x'' \]となる。したがって、ダフィン方程式は \[ \omega^2 x'' + x + \varepsilon x^3 = 0 \]となる。 (b) $x(\tau, \varepsilon) = x_0(\tau) + \varepsilon x_1(\tau) + \mathcal{O}(\varepsilon^2), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \mathcal{O}(\varepsilon^2)$とおき、ダフィン方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1)^2( x_0'' + \varepsilon x_1'' ) + (x_0 + \varepsilon x_1) + \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1)^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 = -2 \omega_1 x_0'' - x_0^3 \end{align} \]が得られる。 (c) 初期条件は \[ \begin{align} x(0) &= x_0(0) + \varepsilon x_1(0) + \varepsilon^2 x_2(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = a \\ \dot{x}(0) &= \dot{x}_0(0) + \varepsilon \dot{x}_1(0) + \varepsilon^2 \dot{x}_2(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \end{align} \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すれば、$x_0(0)=a, \ \dot{x}_0(0)=0$、およびすべての$k>0$に対して、$x_k(0)=\dot{x}_k(0)=0$が得られる。 (d) $\mathcal{O}(1)$の方程式の一般解は \[ x_0(\tau) = A \sin \tau + B \cos \tau \]であるので、初期条件$x_0(0)=a, \ \dot{x}_0(0)=0$から \[ x_0(\tau) = a \cos \tau \]が得られる。 (e) $x_0'' = - a \cos \tau$と \[ \cos^3 \tau = \frac{3}{4} \cos \tau + \frac{1}{4} \cos 3 \tau \]を用いると、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式は \[ x_1'' + x_1 = \left( 2 \omega_1 a - \frac{3}{4} a^3 \right) \cos \tau - \frac{1}{4} a^3 \cos 3 \tau \]となる。したがって、永年項を回避するために、$\omega_1=\frac{3}{8} a^2$が必要となる。 (f) $\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式を解くと、 \[ x_1(\tau) = \frac{1}{32} a^3 \cos 3 \tau \]が得られる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-12 06:36:43
	P.261の問題番号「7.6.18」に対する解答へのコメントマシュー方程式（Mathieu equation）$\ddot{x} + (a + \varepsilon \cos t ) x = 0, \ \ a \approx 1$ 解）$\tau = t$として$\tau$を速い時間とし、$T = \varepsilon^2 t$を遅い時間とすると、 \[ \dot{x} = \frac{\partial x}{\partial t} = \frac{\partial x}{\partial \tau} + \frac{\partial x}{\partial T} \frac{\partial T}{ \partial t} = \partial_{\tau} x + \varepsilon^2 \partial_T x \]となる。また、 \[ x(t,\varepsilon) = x_0(\tau, T ) + \varepsilon x_1(\tau, T) + \varepsilon^2 x_2(\tau, T) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]とおくと、 \[ \dot{x} = \partial_{\tau} x_0 + \varepsilon \partial_{\tau} x_1 + \varepsilon^2 ( \partial_{\tau} x_2 + \partial_T x_0 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \\ \ddot{x} = \partial_{\tau \tau} x_0 + \varepsilon \partial_{\tau \tau} x_1 + \varepsilon^2 ( \partial_{\tau \tau} x_2 + 2 \partial_{T \tau} x_0 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]となる。さらに、 \[ a = 1 + \varepsilon a_1 + \varepsilon^2 a_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]とおき、上記の式をマシュー方程式に代入して$\varepsilon$のべき順に整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ \partial_{\tau \tau} x_0 + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ \partial_{\tau \tau} x_1 + x_1 + (a_1 + \cos t ) x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ \partial_{\tau \tau} x_2 + x_2 + (a_1 + \cos t ) x_1 + 2 \partial_{T \tau} x_0 + a_2 x_0 = 0 \end{align} \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-11 07:59:41

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	P.262の問題番号「7.6.25」に対する解答系$\ddot{x} + x + \varepsilon h(x,\dot{x},t)=0$ (a) 変数変換$x(t) = r(t) \cos (t+\phi(t)), \ \ \dot{x}(t) = - r(t) \sin (t + \phi(t))$とおいたとき、$y(t)=-\dot{x}(t)$とすると、系は \[ \dot{x}=-y, \ \ \dot{y} = x + \varepsilon h \]と表すことができ、変数変換 \[ x = r \cos (t+\phi), \ \ y=r \sin (t + \phi) \]は極座標への変換とみなすことができる。したがって、 \[ r \dot{r} = x \dot{x} + y \dot{y} = \varepsilon h y = \varepsilon h r \sin (t+\phi) \]から、 \[ \dot{r} = \varepsilon h \sin (t + \phi) \]が得られる。また、 \[ r^2 (1 + \dot{\phi}) = x \dot{y} - y \dot{x} = r^2 + \varepsilon h x = r^2 + \varepsilon h r \cos (t+\phi) \]から \[ r \dot{\phi} = \varepsilon h \cos (t+ \phi) \]が得られる。 (b) 移動平均$\langle r \rangle$は \[ \langle r \rangle = \frac{1}{2 \pi} \int_{t-\pi}^{t+\pi} r(\tau) d \tau = \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} r(t+\tau) d \tau \]と表せる。したがって、 \[ \begin{align} \frac{ d \langle r \rangle}{d t} &= \frac{d}{d t} \left[ \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} r(t+\tau) d \tau \right] \\ &= \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} \frac{d}{dt} r(t+\tau) d \tau \\ &= \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} \frac{d r(t+\tau)}{d(t+\tau)} \frac{d(t+\tau)}{dt} d \tau \\ &= \frac{1}{2 \pi} \int_{-\pi}^{\pi} \dot{r}(t+\tau) d \tau \\ &= \langle \frac{dr}{dt} \rangle \end{align} \]となる。 (c) (b)の結果より \[ \begin{align} \frac{ d \langle r \rangle}{d t} &= \langle \dot{r} \rangle = \langle \varepsilon h [x(t), \dot{x}(t), t] \sin(t+\phi(t)) \rangle \\ &= \varepsilon \langle h [r \cos(t+\phi), -r \sin(t+\phi), t] \sin(t+\phi(t)) \rangle \end{align} \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-18 06:02:03
	P.262の問題番号「7.6.24」に対する解答へのコメント系$\ddot{x}+x-\varepsilon x^3 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0) = 0$ 解）数式処理パッケージとして、sympyを用いる。 $\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x - \varepsilon x^3 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \varepsilon^3 x_3(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^4), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 )^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'' + \varepsilon^3 x_3'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 + \varepsilon^3 x_3 ) - \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 )^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 = - 2 \omega_1 x_0'' + x_0^3 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 = - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' - 2 \omega_1 x_1'' + 3 x_0^2 x_1 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^3) \ &: \ x_3'' + x_3 = - 2 ( \omega_1 \omega_2 + \omega_3 ) x_0'' - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_1'' - 2 \omega_1 x_2'' + 3 x_0 x_1^2 + 3 x_0^2 x_2 \end{align} \]となる。また、初期条件は $x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0$、および$x_k(0) = 0, \ \ x_k'(0)=0 \ \ (k \geq 1)$となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-16 06:10:36
	P.262の問題番号「7.6.24」に対する解答系$\ddot{x}+x-\varepsilon x^3 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0) = 0$ 解）数式処理パッケージとして、sympyを用いる。 $\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x - \varepsilon x^3 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \varepsilon^3 x_3(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^4), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \varepsilon^3 \omega_3 )^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'' + \varepsilon^3 x_3'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 + \varepsilon^3 x_3 ) - \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 )^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^4) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 = - 2 \omega_1 x_0'' + x_0^3 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 = - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' - 2 \omega_1 x_1'' + 3 x_0^2 x_1 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^3) \ &: \ x_3'' + x_3 = - 2 ( \omega_1 \omega_2 + \omega_3 ) x_0'' - ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_1'' - 2 \omega_1 x_2'' + 3 x_0 x_1^2 + 3 x_0^2 x_2 \end{align} \]となる。また、初期条件は $x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0$、および$x_k(0) = 0, \ \ x_k'(0)=0 \ \ (k \geq 1)$となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-16 06:05:43
	P.262の問題番号「7.6.23」に対する解答系$\ddot{x} - \varepsilon x \dot{x} + x = 0$ 解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' - \varepsilon x x' + x = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ - \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1) ( x_0 + \varepsilon x_1 ) (x_0' + \varepsilon x_1' ) + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' - x_0 x_0' = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' - \omega_1 x_0 x_0' - x_0' x_1 - x_0 x_1' = 0 \end{align} \]が得られる。$\mathcal{O}(1)$の方程式から \[ x_0(\tau) = r_0 \cos (\tau + \phi_0) \]が得られる。次に、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式は、 \[ x_1'' + x_1 = 2 \omega_1 r_0 \cos (\tau + \phi_0) - \frac{r_0^2}{2} \sin 2 (\tau + \phi_0) \]となる。この式から永年項を回避するために、 \[ \omega_1 = 0 \]が得られる。また、このとき、 \[ x_1(\tau) = r_1 \cos (\tau + \phi_1) + \frac{r_0^2}{6} \sin 2(\tau+ \phi_0) \]となる。さらに、$\mathcal{O}(\varepsilon^2)$の方程式は、 \[ x_2'' + x_2 = \left( 2 \omega_2 r_0 + \frac{r_0^3}{12} \right) \cos(\tau+ \phi_0) + \frac{r_0^3}{4} \cos 3(\tau + \phi_0) -r_0 r_1 \sin (2 \tau + \phi_0 + \phi_1 ) \]となるので、永年項を回避するために、 \[ \omega_2 = - \frac{r_0^2}{24} \]が得られる。したがって、振幅と振動数の間の近似的な関係式は、 \[ \omega \approx 1 - \frac{1}{24} \varepsilon^2 r_0^2 \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-14 06:12:48
	P.262の問題番号「7.6.22」に対する解答へのコメント系$\ddot{x} + x + \varepsilon x^2 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ 解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x + \varepsilon x^2 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1)^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' + x_0^2 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' + 2 x_0 x_1 = 0 \end{align} \]となる。また、初期条件は \[ x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0, \ \ x_1(0) = 0, \ \ x_1'(0)=0, \ \ x_2(0) = 0, \ \ x_2'(0)=0 \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-14 05:12:25
	P.262の問題番号「7.6.22」に対する解答系$\ddot{x} + x + \varepsilon x^2 = 0, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ 解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + x + \varepsilon x^2 = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1)^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' + x_0^2 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' + 2 x_0 x_1 = 0 \end{align} \]となる。また、初期条件は \[ x_0(0) = a, \ \ x_0'(0)=0, \ \ x_1(0) = 0, \ \ x_1'(0)=0, \ \ x_2(0) = 0, \ \ x_2'(0)=0 \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-14 05:05:32
	P.262の問題番号「7.6.21」に対する解答解）$\tau = \omega t$とおくと、方程式は \[ \omega^2 x'' + \varepsilon \omega (x^2-1) x' + x = 0 \]となる。$x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \varepsilon^2 x_2(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3)$とおき、方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1 + \varepsilon^2 \omega_2)^2 ( x_0'' + \varepsilon x_1'' + \varepsilon^2 x_2'') \\ + \varepsilon (1 + \varepsilon \omega_1) \{ ( x_0 + \varepsilon x_1 )^2 -1 \}(x_0' + \varepsilon x_1' ) + (x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon^2 x_2 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 + 2 \omega_1 x_0'' + (x_0^2 - 1 ) x_0' = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ x_2'' + x_2 + ( \omega_1^2 + 2 \omega_2) x_0'' + 2 \omega_1 x_1'' + (x_0^2 - 1 ) (\omega_1 x_0' + x_1' ) + 2 x_0 x_0' x_1 = 0 \end{align} \]が得られる。$\mathcal{O}(1)$の方程式から \[ x_0(\tau) = r_0 \cos (\tau + \phi_0) \]が得られる。次に、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式は、 \[ x_1'' + x_1 = 2 \omega_1 r_0 \cos (\tau + \phi_0) + \left( \frac{r_0^3}{4} - r_0 \right) \sin (\tau + \phi_0) + \frac{r_0^3}{4} \sin 3(\tau+\phi_0) \]となる。この式から永年項を回避するために、 \[ \omega_1 = 0, r_0 = 2 \]が得られる。また、このとき、 \[ x_1(\tau) = r_1 \cos (\tau + \phi_1) - \frac{1}{4} \sin 3(\tau+ \phi_0) \]となる。さらに、$\mathcal{O}(\varepsilon^2)$の方程式は、 \[ \begin{align} x_2'' + x_2 &= \left( 4 \omega_2 + r_1 \sin( \phi_0 - \phi_1) + \frac{1}{4} \right) \cos(\tau+ \phi_0) \\ &+ r_1 ( 1+ \cos (\phi_0-\phi_1) ) \sin (\tau + \phi_0) \\ &+ 3 \left( - r_1 \sin (\phi_0 - \phi_1) + \frac{1}{4} \right) \cos 3(\tau+\phi_0) \\ &+ 3r_1 \cos(\phi_0 - \phi_1) \sin 3 (\tau + \phi_0) + \frac{5}{4} \cos 5(\tau+\phi_0) \end{align} \]となるので、永年項を回避するために、 \[ \omega_2 = - \frac{1}{16} \]が得られる。したがって、リミットサイクルの振動数は、 \[ \omega = 1 - \frac{1}{16} \varepsilon^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-13 12:05:31
	P.262の問題番号「7.6.20」に対する解答ダフィン方程式$\ddot{x}+x+\varepsilon x^3 = 0, \ \ 0< \varepsilon \ll 1, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ (a) $x(t, \varepsilon) = x_0(t) + \varepsilon x_1(t) + \mathcal{O}(\varepsilon^2)$とおき、ダフィン方程式に代入すると、 \[ \ddot{x}_0 + \varepsilon \ddot{x}_1 + x_0 + \varepsilon x_1 + \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1)^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ \ddot{x}_0 + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ \ddot{x}_1 + x_1 = - x_0^3 \end{align} \]が得られる。また、初期条件は \[ \begin{align} x(0) &= x_0(0) + \varepsilon x_1(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = a \\ \dot{x}(0) &= \dot{x}_0(0) + \varepsilon \dot{x}_1(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = 0 \end{align} \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すれば、$x_0(0)=a, \ \dot{x}_0(0)=0$、および$x_1(0)=\dot{x}_1(0)=0$が得られる。したがって、$\mathcal{O}(1)$の方程式から \[ x_0(t) = a \cos t \]が得られ、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式から、 \[ x_1(\tau) = -\frac{3}{8} a^3 t \sin t + \frac{1}{32} a^3 ( \cos 3 t - \cos t ) \]が得られる。つまり、通常の摂動法を用いると、 \[ x(t, \varepsilon) = a \cos t + \varepsilon a^3 \left[ -\frac{3}{8} t \sin t + \frac{1}{32} ( \cos 3 t - \cos t ) \right] + \mathcal{O}(\varepsilon^2) \]が得られる。演習問題7.6.19の結果より、$\varepsilon \ll 1$のとき、 \[ \begin{align} x_0(\tau) &= a \cos \tau = a \cos \omega t = a \cos \left( 1 + \frac{3}{8} \varepsilon a^2 + \mathcal{O}(\varepsilon^2) \right) t \\ &= a \cos t - \frac{3}{8} \varepsilon a^3 t \sin t + \mathcal{O}(\varepsilon^2) \end{align} \]となる。通常の摂動法による永年項はこの近似により生じており、これを$\varepsilon$のオーダーまでで見ると、振幅が$t$とともに増加するように見えるが、これは間違い。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-13 08:10:59
	P.261の問題番号「7.6.19」に対する解答ダフィン方程式$\ddot{x}+x+\varepsilon x^3 = 0, \ \ 0< \varepsilon \ll 1, \ \ x(0)=a, \ \ \dot{x}(0)=0$ (a) $\tau = \omega t$とおくと、 \[ \dot{x} = \frac{dx}{dt} = \frac{d \tau}{d t} \frac{dx}{d \tau} = \omega x', \ \ \ddot{x} = \omega^2 x'' \]となる。したがって、ダフィン方程式は \[ \omega^2 x'' + x + \varepsilon x^3 = 0 \]となる。 (b) $x(\tau, \varepsilon) = x_0(\tau) + \varepsilon x_1(\tau) + \mathcal{O}(\varepsilon^2), \ \ \omega = 1 + \varepsilon \omega_1 + \mathcal{O}(\varepsilon^2)$とおき、ダフィン方程式に代入すると、 \[ (1 + \varepsilon \omega_1)^2( x_0'' + \varepsilon x_1'' ) + (x_0 + \varepsilon x_1) + \varepsilon (x_0 + \varepsilon x_1)^3 + \mathcal{O}(\varepsilon^2) = 0 \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ x_0'' + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ x_1'' + x_1 = -2 \omega_1 x_0'' - x_0^3 \end{align} \]が得られる。 (c) 初期条件は \[ \begin{align} x(0) &= x_0(0) + \varepsilon x_1(0) + \varepsilon^2 x_2(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = a \\ \dot{x}(0) &= \dot{x}_0(0) + \varepsilon \dot{x}_1(0) + \varepsilon^2 \dot{x}_2(0) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) = 0 \end{align} \]となるので、$\varepsilon$のべきごとに整理すれば、$x_0(0)=a, \ \dot{x}_0(0)=0$、およびすべての$k>0$に対して、$x_k(0)=\dot{x}_k(0)=0$が得られる。 (d) $\mathcal{O}(1)$の方程式の一般解は \[ x_0(\tau) = A \sin \tau + B \cos \tau \]であるので、初期条件$x_0(0)=a, \ \dot{x}_0(0)=0$から \[ x_0(\tau) = a \cos \tau \]が得られる。 (e) $x_0'' = - a \cos \tau$と \[ \cos^3 \tau = \frac{3}{4} \cos \tau + \frac{1}{4} \cos 3 \tau \]を用いると、$\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式は \[ x_1'' + x_1 = \left( 2 \omega_1 a - \frac{3}{4} a^3 \right) \cos \tau - \frac{1}{4} a^3 \cos 3 \tau \]となる。したがって、永年項を回避するために、$\omega_1=\frac{3}{8} a^2$が必要となる。 (f) $\mathcal{O}(\varepsilon)$の方程式を解くと、 \[ x_1(\tau) = \frac{1}{32} a^3 \cos 3 \tau \]が得られる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-12 06:36:43
	P.261の問題番号「7.6.18」に対する解答へのコメントマシュー方程式（Mathieu equation）$\ddot{x} + (a + \varepsilon \cos t ) x = 0, \ \ a \approx 1$ 解）$\tau = t$として$\tau$を速い時間とし、$T = \varepsilon^2 t$を遅い時間とすると、 \[ \dot{x} = \frac{\partial x}{\partial t} = \frac{\partial x}{\partial \tau} + \frac{\partial x}{\partial T} \frac{\partial T}{ \partial t} = \partial_{\tau} x + \varepsilon^2 \partial_T x \]となる。また、 \[ x(t,\varepsilon) = x_0(\tau, T ) + \varepsilon x_1(\tau, T) + \varepsilon^2 x_2(\tau, T) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]とおくと、 \[ \dot{x} = \partial_{\tau} x_0 + \varepsilon \partial_{\tau} x_1 + \varepsilon^2 ( \partial_{\tau} x_2 + \partial_T x_0 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3), \\ \ddot{x} = \partial_{\tau \tau} x_0 + \varepsilon \partial_{\tau \tau} x_1 + \varepsilon^2 ( \partial_{\tau \tau} x_2 + 2 \partial_{T \tau} x_0 ) + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]となる。さらに、 \[ a = 1 + \varepsilon a_1 + \varepsilon^2 a_2 + \mathcal{O}(\varepsilon^3) \]とおき、上記の式をマシュー方程式に代入して$\varepsilon$のべき順に整理すると、 \[ \begin{align} \mathcal{O}(1) \ &: \ \partial_{\tau \tau} x_0 + x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon) \ &: \ \partial_{\tau \tau} x_1 + x_1 + (a_1 + \cos t ) x_0 = 0 \\ \mathcal{O}(\varepsilon^2) \ &: \ \partial_{\tau \tau} x_2 + x_2 + (a_1 + \cos t ) x_1 + 2 \partial_{T \tau} x_0 + a_2 x_0 = 0 \end{align} \]となる。ストロガッツ非線形ダイナミクスとカオス : 数学的基礎から物理・生物・化学・工学への応用まで(9784621085806) 投稿者：goodbook 投稿日：2021-03-11 07:59:41