Orbita (matematica)

Disambiguazione – Se stai cercando la nozione generale di orbita di un elemento di un insieme sotto un'azione di gruppo, vedi azione di gruppo.

In matematica e in particolare in geometria differenziale, l'orbita di un sistema dinamico è una traiettoria percorsa dal sistema nello spazio delle fasi, ovvero una funzione che soddisfa l'equazione che definisce il sistema dinamico stesso.

Se il sistema dinamico è continuo, cioè è determinato da un'equazione differenziale ordinaria autonoma:

dXdt=F(X(t))

con F:M⊂ℝn→ℝn un campo vettoriale differenziabile definito nello spazio delle fasi M, un'orbita è una soluzione X(t) dell'equazione. Dal momento che il flusso Φt(x):M→M del sistema nel punto x0 è la soluzione quando x0 è preso come il punto di inizio dell'evoluzione del sistema, ovvero Φt(x0)≡X(t), si ha che l'orbita passante per x0 è talvolta scritta come l'insieme:

{Φt(x0):−∞<t<∞}

Definizione

Orbita periodica di un moto armonico.

Dato un sistema dinamico (T,M,Φ) dove T è un gruppo, M un insieme e Φ:U→M, con U⊂T×M, si definisce:

I(x):={t∈T:(t,x)∈U}

Allora l'insieme:

γx:={Φ(t,x):t∈I(x)}⊂M

è l'orbita passante per x. Se l'orbita consiste in un solo punto allora si dice orbita costante; ad esempio l'orbita in corrispondenza di un punto di equilibrio.

Un'orbita non costante è detta orbita periodica o orbita chiusa se esiste t∈T tale per cui Φ(t,x)=x per ogni punto x dell'orbita.

Sistemi dinamici continui (flussi)

Dato un sistema dinamico continuo su M con evoluzione Φ(t,x), sia I(x)⊂ℝ un intervallo aperto:

I(x)=(tx−,tx+)∀x∈M

La curva:

γx+≡{Φ(t,x):t∈(0,tx+)}

è la semi-orbita positiva passante per x, mentre:

γx−≡{Φ(t,x):t∈(tx−,0)}

è la semi-orbita negativa passante per x.

Sistemi dinamici discreti (mappe)

Si consideri un sistema discreto avente funzione di evoluzione (ricorsiva) Φ(t,x):X→X, con t∈ℕ il numero di iterazione. Detto x∈X il punto iniziale, l'orbita passante per x è:

γx≡γx−∪γx+

dove:

γx+≡{Φ(t,x):t≥0}

e:

γx−≡{Φ(−t,x):t≥0}

Sistemi dinamici in due dimensioni

Dato un sistema di equazioni differenziali in ℝ2 del seguente tipo:

{x′=f(x,y)y′=g(x,y)

La curva descritta nel piano al variare di t da ogni soluzione x=x(t) e y=y(t) del sistema è la traiettoria del sistema. Se il sistema soddisfa le ipotesi del teorema di esistenza e unicità di Cauchy, allora per ogni punto del piano passa un'orbita e una sola del sistema.

Le equazioni del sistema si possono interpretare da un punto di vista cinematico: il sistema descrive il moto di una particella (x,y) la cui velocità (x′,y′) è data in ogni punto da (f(x,y),g(x,y)). Le orbite del sistema sono le traiettorie chiuse descritte dalla particella e i punti critici sono i punti di equilibrio.

Sistemi dinamici lineari

Lo stesso argomento in dettaglio: Sistema dinamico lineare.

L'andamento qualitativo delle soluzioni del sistema:

{x′=ax+byy′=cx+dy

si ottiene derivando la prima equazione e inserendo al posto di y′ la seconda:

x″=ax′+b(cx+dy)=ax′+bcx+bdy

Dalla prima equazione si ricava by=x′−ax e sostituendo si ottiene l'equazione lineare:

x″=(a+d)x′+(bc−ad)x

riordinando i termini:

x″−(a+d)x′+(ad−bc)x=0

Si è così dimostrato che se (x(t),y(t)) è una soluzione del sistema lineare allora le funzioni x(t) e y(t) risolvono l'uguaglianza precedente, la cui equazione caratteristica è:

p(λ)=λ2−(a+d)λ+(ad−bc)=0

e coincide con il polinomio caratteristico della matrice dei coefficienti del sistema assegnato:

A=[abcd]

ossia:

det⁡(λI−A)

Dunque le radici:

λ1,2=(a+d)±(a−d)2+4bc2

sono gli autovalori della matrice A.

Il comportamento delle soluzioni del sistema dipende dalla natura degli autovalori, e si distinguono i vari casi:

Bibliografia

Voci correlate

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