Введение
В математике, при изучении динамических систем с двумерным фазовым пространством, предельный цикл — это замкнутая траектория в фазовом пространстве, обладающая свойством, что по крайней мере одна другая траектория спирально стремится к ней либо при стремлении времени к бесконечности, либо при стремлении времени к минус бесконечности. Подобное поведение наблюдается в некоторых нелинейных системах. Предельные циклы использовались для моделирования поведения многих реальных колебательных систем. Изучение предельных циклов было начато Анри Пуанкаре (1854–1912).
In mathematics, in the study of dynamical systems with two dimensional phase space, a limit cycle is a closed trajectory in phase space having the property that at least one other trajectory spirals into it either as time approaches infinity or as time approaches negative infinity. Such behavior is exhibited in some nonlinear systems. Limit cycles have been used to model the behavior of many real world oscillatory systems. The study of limit cycles was initiated by Henri Poincaré (1854–1912).
Свойства
Согласно теореме Жордана о кривых, любая замкнутая траектория разделяет плоскость на две области: внутреннюю и внешнюю по отношению к кривой. Если задан предельный цикл и траектория во внутренней области, стремящаяся к предельному циклу при времени, стремящемся к бесконечности, то существует окрестность вокруг предельного цикла, такая что все траектории во внутренней области, начинающиеся в этой окрестности, стремятся к предельному циклу при времени, стремящемся к бесконечности. Аналогичное утверждение справедливо для траектории во внутренней области, стремящейся к предельному циклу при времени, стремящемся к бесконечности, а также для траекторий во внешней области, стремящихся к предельному циклу.
Стабильные, нестабильные и полустабильные предельные циклы
В случае, когда все соседние траектории стремятся к предельному циклу при стремлении времени к бесконечности, он называется стабильным или привлекательным предельным циклом (ω-предельный цикл). Если же все соседние траектории стремятся к нему при стремлении времени к минус бесконечности, то это нестабильный предельный цикл (α-предельный цикл). Если существует соседняя траектория, спирально входящая в предельный цикл при стремлении времени к бесконечности, и другая, спирально входящая в него при стремлении времени к минус бесконечности, то это полустабильный предельный цикл. Существуют также предельные циклы, которые не являются ни стабильными, ни нестабильными, ни полустабильными: например, соседняя траектория может приближаться к предельному циклу снаружи, а внутрь предельного цикла стремится семейство других циклов (которые не являются предельными циклами). Стабильные предельные циклы являются примерами аттракторов. Они подразумевают самовозбуждающиеся колебания: замкнутая траектория описывает идеальное периодическое поведение системы, и любое небольшое отклонение от этой замкнутой траектории приводит к возврату системы к ней, заставляя систему оставаться на предельном цикле.
Найти предельные циклы
Каждая замкнутая траектория содержит в своей внутренней области стационарную точку системы, то есть точку, в которой теорема Бендиксона — Дюлака и теорема Пуанкаре — Бендиксона предсказывают, соответственно, отсутствие или существование предельных циклов для двумерных нелинейных динамических систем.
Открытые проблемы
Найти предельные циклы, в общем случае, — очень сложная задача. Количество предельных циклов полиномиального дифференциального уравнения на плоскости является центральным объектом исследования во второй части шестнадцатой проблемы Гильберта. Например, до сих пор неизвестно, существует ли система на плоскости, в которой обе компоненты являются квадратичными полиномами двух переменных, обладающая более чем четырьмя предельными циклами.