Бифуркация Андронова — Хопфа

04.04.2021

В теории динамических систем, бифуркация Андронова — Хопфа — локальная бифуркация векторного поля на плоскости, в ходе которой особая точка-фокус теряет устойчивость при переходе пары её комплексно-сопряжённых собственных значений через мнимую ось. При этом либо из особой точки рождается небольшой устойчивый предельный цикл (мягкая потеря устойчивости), либо, наоборот, небольшой неустойчивый предельный цикл в момент бифуркации схлопывается в эту точку, и её бассейн отталкивания после бифуркации имеет отделённый от нуля размер (жёсткая потеря устойчивости).

Для того, чтобы эта бифуркация имела место, достаточно в дополнение к переходу собственных значений через мнимую ось наложить на систему некоторые условия типичности.

Бифуркация Андронова — Хопфа и седлоузловая бифуркация — единственные локальные бифуркации векторных полей на плоскости, возникающие в типичных однопараметрических семействах.

Определение

Бифуркацией Андронова — Хопфа называют нормальную форму

d z d t = z ( ( λ + i ) + ( α + i β ) | z | 2 ) , {displaystyle {cfrac {dz}{dt}}=z((lambda +i)+(alpha +ieta )|z|^{2}),}

где

  • z ∈ C , {displaystyle zin mathbb {C} ;,}
  • λ {displaystyle lambda } — параметр,
  • α {displaystyle alpha } — коэффициент Ляпунова.

Если α {displaystyle alpha } отрицателен при положительном λ {displaystyle lambda } , то бифуркация суперкритическая, если положителен при отрицательном λ {displaystyle lambda } - субкритическая.

Мягкая и жёсткая потери устойчивости

Термины «мягкая» и «жёсткая» связаны с описанием поведения системы с точки зрения «внешнего» наблюдателя, при медленной (в сравнении с динамикой системы) эволюции параметра системы и зашумлении системы малыми случайными возмущениями. В случае мягкой потери устойчивости решение перейдёт из положения равновесия (ставшего неустойчивым) в предельный цикл — наблюдатель будет видеть периодическое «дрожание» состояния системы недалеко от положения равновесия, которое будет усиливаться с ростом параметра. Однако, в масштабе времени «движения параметра», «отклонения» решения нарастают непрерывно. Напротив того, при жёсткой потере устойчивости решение «резко» срывается и уходит за границу бассейна отталкивания исчезнувшего предельного цикла: с точки зрения наблюдателя, живущего в масштабе времени, в котором изменяется параметр, решение скачком поменяло режим.