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千葉大学 融合理工学府 数学情報科学専攻 数学・情報数理学コース 2023年8月実施 専門 B6

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

次の連立常微分方程式を考え、初期値 P∈R2P\in\mathbb R^2 をもつ解を (xP(t),yP(t))(x_P(t),y_P(t)) とする。

x′=x(1−x2−y2)−y,y′=y(1−x2−y2)+x.x'=x(1-x^2-y^2)-y,\qquad y'=y(1-x^2-y^2)+x.

(1) r(t)=x(t)2+y(t)2r(t)=\sqrt{x(t)^2+y(t)^2} の微分方程式を求めよ。

(2) P=(1/2,0)P=(1/\sqrt2,0) の解を求めよ。

(3) 一般の PP に対し、尾軌道の閉包の共通部分

L(P)=⋂s∈R{(xP(t),yP(t))∣t≥s}‾L(P)=\bigcap_{s\in\mathbb R}\overline{\{(x_P(t),y_P(t))\mid t\ge s\}}

を求めよ。

题目描述​

对上述平面系统,记初值为 PP 的解为 (xP,yP)(x_P,y_P)。(1) 求半径 rr 的微分方程。(2) 求初值 (1/2,0)(1/\sqrt2,0) 的解。(3) 求任意初值的尾轨道闭包的交集 L(P)L(P),即其正向极限集合。

Kai​

(1)​

r>0r>0 では

r′=xx′+yy′r=r(1−r2).r'=\frac{xx'+yy'}r=r(1-r^2).

原点は平衡点なので r=0r=0 の場合も同じ式が成立する。偏角は θ′=(xy′−yx′)/r2=1\theta'=(xy'-yx')/r^2=1 を満たす。

(2)​

u=r2u=r^2 とおくと u′=2u(1−u)u'=2u(1-u)、u(0)=1/2u(0)=1/2 だから u(t)=(1+e−2t)−1u(t)=(1+e^{-2t})^{-1}。よって

xP(t)=cos⁡t1+e−2t,yP(t)=sin⁡t1+e−2t.\boxed{x_P(t)=\frac{\cos t}{\sqrt{1+e^{-2t}}},\qquad y_P(t)=\frac{\sin t}{\sqrt{1+e^{-2t}}}}.

(3)​

P=0P=0 なら零解で、L(P)={0}L(P)=\{0\}。P≠0P\ne0 では

r(t)2=11+(∣P∣−2−1)e−2t⟶1,θ(t)=t+θ0.r(t)^2=\frac1{1+(|P|^{-2}-1)e^{-2t}}\longrightarrow1, \qquad\theta(t)=t+\theta_0.

解は t≥0t\ge0 で存在する。すべての集積点は単位円上にあり、任意の角度 ϕ\phi に対して tj=ϕ−θ0+2πj→∞t_j=\phi-\theta_0+2\pi j\to\infty を選べば、その角度の単位円上の点に収束する。したがって

L(P)={{(0,0)},P=0,S1,P≠0.\boxed{L(P)=\begin{cases}\{(0,0)\},&P=0,\\S^1,&P\ne0.\end{cases}}

尾集合の共通部分は s≥0s\ge0 に制限しても同じである。