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        一類退化尖點(diǎn)環(huán)附近Melnikov函數(shù)展開式

        2022-08-18 01:05:42尚德生王政
        關(guān)鍵詞:尖點(diǎn)鞍點(diǎn)展開式

        尚德生,王政

        (山東理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,山東 淄博 255049)

        在平面分支理論研究中,同宿和異宿分支的研究是奇閉軌分支研究中的一個(gè)非常復(fù)雜而又有意義的課題。當(dāng)一個(gè)給定系統(tǒng)的奇閉軌同宿或者異宿于有限個(gè)非退化的雙曲鞍點(diǎn)時(shí),已經(jīng)有很多相對(duì)比較完善的理論和應(yīng)用結(jié)果[1-3]。但是當(dāng)奇閉軌同宿或異宿于非雙曲鞍點(diǎn),或者更加復(fù)雜的退化奇點(diǎn)(如退化鞍點(diǎn)或者尖點(diǎn))時(shí)的分支問題研究,卻是一個(gè)非常復(fù)雜而有意義的挑戰(zhàn)。對(duì)于奇點(diǎn)是冪零鞍點(diǎn)和冪零尖點(diǎn)的情形下的奇閉軌分支問題,學(xué)者都進(jìn)行了比較系統(tǒng)的討論,并給出了具體的同宿軌附近的Melnikov函數(shù)的展開式[2,4-5],并對(duì)一些不同類型的相關(guān)微分系統(tǒng)作了討論和應(yīng)用[6-8]。但是對(duì)更進(jìn)一步的退化奇點(diǎn)情形的同宿或異宿分支問題,至今還沒有見到比較系統(tǒng)的研究。本文在文獻(xiàn)[2,4]的啟發(fā)下,對(duì)一類具有退化尖點(diǎn)的同宿軌附近的Melnikov函數(shù)的展開式進(jìn)行探討,并給出m=1情形下展開式前幾項(xiàng)的系數(shù)。

        考慮微分系統(tǒng)

        (1)

        式中:φ(x)是次數(shù)大于2m的解析函數(shù);p(x,y),q(x,y) 為x,y的多項(xiàng)式。顯然原點(diǎn)O(0,0) 是未擾動(dòng)系統(tǒng)(即ε=0 時(shí))的一個(gè)退化尖點(diǎn),這里假設(shè)ε=0時(shí),未擾系統(tǒng)具有連接尖點(diǎn)O(0,0)的同宿軌。

        因?yàn)槲磾_系統(tǒng)是一個(gè)哈密爾頓系統(tǒng),且系統(tǒng)的哈密爾頓函數(shù)為

        (2)

        圖1 未擾動(dòng)系統(tǒng)(1)尖點(diǎn)環(huán)附近軌線分割圖Fig.1 Orbit division near the cuspidal loop of the unperturbed system(1)

        在周期區(qū)域Lh:H(x,y)=h,0<|h|?1 內(nèi)擾動(dòng)系統(tǒng)(1)的極限環(huán)可由周期擾動(dòng)下的一階Melnikov函數(shù)M(h,δ) 的零點(diǎn)來確定。

        下面討論系統(tǒng)(1)的一階Melnikov函數(shù)

        (3)

        首先,當(dāng)0<|h|?1時(shí),在原點(diǎn)附近存在唯一的解析函數(shù)x=θ(u) ,使得

        (4)

        成立。

        若設(shè)

        (5)

        則將式(5)代入式(4)后,借助數(shù)學(xué)計(jì)算軟件Mathimatica可根據(jù)需要遞推求得前面各項(xiàng)的系數(shù)ej,j=2,3,… 。

        (6)

        式中:

        ∈Cω。

        (7)

        (8)

        式中

        (9)

        引理1對(duì)非負(fù)整數(shù)i=0,1,2,…,j=0,1,2,…,有Iij(h,u)滿足如下遞推公式:

        (10)

        (11)

        因?yàn)閷?duì)非負(fù)整數(shù)i,j存在唯一的k,l,r,s,使得i=(2m+1)k+r,j=2l+s,其中0≤r≤2m,0≤s≤1 成立。這樣根據(jù)引理1的遞推公式,容易得到引理2。

        (12)

        式中:

        由于當(dāng)i=2m時(shí),有

        (13)

        證明首先討論當(dāng)h<0 時(shí)的情形。對(duì)

        (14)

        通過變量變換

        (15)

        可將式(14)化為

        (16)

        根據(jù)泰勒展開式

        (17)

        是與u0無關(guān)的收斂級(jí)數(shù)的和,而

        |h|j∈Cω。

        (18)

        這樣,一方面對(duì)式(18)關(guān)于h求偏導(dǎo)數(shù),得

        (19)

        另一方面,由式(14)取u0=1,再關(guān)于h求偏導(dǎo)數(shù),得

        (20)

        同樣,經(jīng)過變換(15),可將式(20)化為

        (21)

        這樣,當(dāng)4r+2(2m+1)s<3(2m+1)-4 時(shí),結(jié)合式(19)、式(21)得

        而當(dāng)4r+2(2m+1)s>3(2m+1)-4時(shí),由于

        所以結(jié)合式(19)、式(21),可以得到

        下面再討論當(dāng)h>0 時(shí)的情形。利用

        (22)

        先經(jīng)過變量變換

        (23)

        可將式(22)化為

        同樣利用泰勒展開式

        (24)

        其中

        是與u0無關(guān)的值,而

        (25)

        這樣,一方面對(duì)式(25)關(guān)于h求偏導(dǎo)數(shù),得

        (26)

        另一方面,對(duì)式(22)取u0=1,再關(guān)于h求偏導(dǎo)數(shù),得

        (27)

        (28)

        這樣,當(dāng)4r+2(2m+1)s<3(2m+1)-4 時(shí),結(jié)合式(26)、式(28)可得

        當(dāng)4r+2(2m+1)s>3(2m+1)-4時(shí),由于

        所以結(jié)合式(26)、式(28),可以得到

        這樣,根據(jù)式(8),結(jié)合引理2及引理3可得

        (29)

        因此,利用式(6)、式(7),并將式(29)代入式(6),可以得到Melnikov函數(shù)在h=0 附近的一般展開式。

        定理1在未擾系統(tǒng)具有式(1)形式的尖點(diǎn)環(huán)的假設(shè)下,尖點(diǎn)環(huán)附近的Melnikov函數(shù)展開式為

        M±(h,δ)=

        (30)

        結(jié)合文獻(xiàn)[2,4]的證明可知,若取m=1,則可得系統(tǒng)(1)展開到前八項(xiàng)的表達(dá)形式。

        推論1在m=1時(shí),系統(tǒng)(1)在尖點(diǎn)環(huán)Lh=0附近的Melnikov函數(shù)展開式為

        并且展開式的系數(shù)為:

        =0 ,

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