半个世纪以来, 经过无数科学工作者的艰苦研究和探索, 人们对混沌运动的特点、规律及其在各个学科领域的表现已经有了深刻的理解. 1963年, Lorenz在一个三维自治系统首次发现了混沌吸引子[1]; 1999年, Chen和Ueta也发现了一种和Lorenz系统族相似但不同的混沌吸引子[2]; 根据文献[3]对混沌系统的代数结构划分, Lorenz系统满足${a_{12}}{a_{21}} > 0$, Chen系统满足${a_{12}}{a_{21}} < 0$, 自然的问题是是否存在过渡系统满${a_{12}}{a_{21}} = 0$; 2002年Lü和Chen发现了过渡系统Lü系统[4]; 2008年Yang和Chen[5]给出了混沌系统代数结构的分类条件, 发现Lorenz系统满足${a_{11}}{a_{22}} > 0$, Chen系统, Lü系统满足${a_{11}}{a_{22}} < 0$, 一个自然的问题是是否有过渡混沌系统满足${a_{11}}{a_{22}} = 0$.事实上, 满足${a_{11}}{a_{22}} = 0$的混沌系统在2005年, 2008年, 2010年等分别被Gh. Tigan, Yang和作者构造[5-8].人们构造混沌系统, 其主要目的是为了研究混沌的形成机理, 探究混沌系统间的内在联系, 以期更为深入的探索混沌的奥秘.然而目前混沌基础理论研究方面多集中在混沌吸引子的发现, 通向混沌的道路, 混沌的动力学行为等[9-12], 但从微分方程定性理论层面来看, 对系统的周期解的探究, 轨道结构研究并不多见.又由于混沌运动具有初值敏感性, 混沌控制成了混沌应用的关键环节.到目前为止, 国内外的科学工作者基于不同的策略提出了大量的混沌控制方法[13-15].为了研究振子状态及周期解, 国内外研究者提出基于摄动思想的控制方法[16-17], 通过扰动使系统达到某一状态.文献[18-20]运用Melnikov方法对Duffing振子, 上田振子, 布鲁塞尔振子, Lorenz系统, 扩散Lorenz系统进行了分析, 并通过参数扰动进行了控制.又由于混沌系统在工程领域的重要性, 因此有目的的构造简单混沌系统来产生或强化混沌现象, 并对混沌系统进行结构分析, 周期轨道探测等已经成为一个关键性的课题.本文在文献[7, 21]的基础上继续对此类T混沌系统
($a$, $b$, $c$为实数, $a \ne 0$)进行了参数扰动控制, 并通过广义Hamilton系统扰动理论, 运用Melnikov方法对周期轨道进行了分析, 解析地给出系统周期轨道, 并进行了数值仿真验证.
令$x = \tilde x$, $y = \frac{1}{{\sqrt a }}\tilde y$, $z = \frac{1}{a}(c - \tilde z)$, 则系统(1.1) 可变为
为了便于控制系统(2.1), 运用周期参数扰动控制方法, 将参数$c$变为${c_0} + {c_1}\sin \omega t$, 则有
显然当$c_1=0$时, 系统(2.2) 即为系统(2.1).为了便于分析系统(2.1), 令$\tilde x = \frac{{\hat x}}{\varepsilon }$, $\tilde y = \frac{{\hat y}}{{{\varepsilon ^2}}}$, $\tilde z = \frac{{\hat z}}{{{\varepsilon ^2}}}$, $t = \varepsilon \tau $, $\omega = \frac{{{\omega _1}}}{\varepsilon }$, $\varepsilon = \frac{1}{{\sqrt {b{c_0}} }}$, 有
记$\hat x = x$, $\hat y = y$, $\hat z = z$, $\tau = t$, 且导数用符号“$\cdot$”, 则系统(2.3) 可变为
显然当$\varepsilon = 0$, 系统(2.4) 为广义Hamilton系统
其中Hamilton函数为$H(x, y, z) = \frac{1}{2}{x^2} + z = A, $ Casimir函数为
且在平衡点$(0, 0, B)$处存在“8形”同宿轨道, 在同宿轨道“内外”分别被振荡周期轨道和旋转周期轨道充满, 在三维空间中, 这些周期轨道在柱面${y^2} + {z^2} = {B^2}$和$\frac{1}{2}{x^2} + z = A$上.
为了应用广义Hamilton系统中次谐波Melnikov向量函数理论[22], 取
且$B > 0$, $\left| {\frac{\rho }{B}} \right| \ll 1$, 则系统(2.4) 可变化为慢变系统[23]
当$\varepsilon = 0$时, 系统(2.6) 退化为$\theta - x$平面上的单摆系统, 其Hamiltonian函数
容易得知, 当$ - (B + \rho ) < A < (B + \rho )$, 有振荡周期轨道$\{ \Gamma _o^\kappa \} $
其中${\kappa ^2} = \frac{{A + (B + \rho )}}{{2(B + \rho )}}$, 周期${T_o}(\kappa ) = \frac{{4K(\kappa )}}{{\sqrt {a(B + \rho )} }}$, ${\rm{sn}}(u, \kappa )$和${\rm{cn}}(u, \kappa )$表示含模数$\kappa$的Jacobian椭圆函数, $K(\kappa )$表示第一类完全椭圆积分.当$A > (B + \rho )$, 存在旋转周期轨道$\{ {\Gamma _ \pm }\} $
其中$\kappa _1^2 = \frac{{2(B + \rho )}}{{A + (B + \rho )}}$, 周期${T_r}({\kappa _1}) = \frac{{2{\kappa _1}K({\kappa _1})}}{{\sqrt {a(B + \rho )} }}$, ${\rm{dn}}(u, \kappa )$表示含模数$\kappa$的Jacobian椭圆函数.
为了对慢变系统(2.6) 的周期轨道进行分析, 定义满足$mT = n{T_p}$的未扰周期轨道的次谐波Melnikov向量函数两分量为
其中$p = o$为振荡周期轨道, $p = r$为旋转周期轨道.
振荡周期轨道$\{ \Gamma _o^\kappa \} $的周期${T_o}(\kappa ) = \frac{{4K(\kappa )}}{{\sqrt {a(B + \rho )} }} = \frac{m}{n}\frac{{2\pi }}{{{\omega _1}}} = \frac{m}{n}T$, 取$p = o, n = 1$, 运用(3.1), (3.2) 式有
其中
$E(\kappa )$表示第二类完全椭圆积分
可以看到, 当$\frac{m}{2} = j$时, 则当$m = 2, j = 1$, 有
当$m = 4, j = 2$, 有
所以当
成立时, $M_1^o = 0$有解.同样, 可以计算
其中$\kappa ' = \sqrt {1 - {\kappa ^2}} $, 且取$\frac{m}{2} = j$, 则当$m = 2, j = 1$, 有
成立时, $M_3^o = 0$有解.由以上运算, 可得
定理 3.1 如果系统(2.2) 的各参数同时满足(3.4), (3.6) 式, 则相应的子谐波Melnikov函数为零, 其振荡周期轨道的周期为$\frac{{2m\pi }}{{{\omega _1}}}$.
旋转周期轨道$\{ {\Gamma _ \pm }\} $的周期${T_r}({\kappa _1}) = \frac{{2{\kappa _1}K({\kappa _1})}}{{\sqrt {a(B + \rho )} }} = \frac{m}{n}\frac{{2\pi }}{{{\omega _1}}} = \frac{m}{n}T$, 取$p = r, ~n = 1$, 运用(3.1), (3.2) 式有
取$m = j$, 则当$m = 3, j = 3$, 有
当$m = 4, j = 4$, 有
成立时, $M_1^r = 0$有解.同样, 可以计算
取$m = j$, 则当$m = 3, j = 3$时, 有
当$m = 4, j = 4$时, 有
成立时, $M_3^r = 0$有解.由以上运算, 可得
定理 3.2 如果系统(2.2) 的各参数同时满足(3.8), (3.10) 式, 则相应的子谐波Melnikov函数为零, 其旋转周期轨道的周期为$\frac{{2m\pi }}{{{\omega _1}}}$.
为了论证上述理论, 我们给出数值仿真.取$a = 2$和$a = 1.05$, 图 1给出未扰系统${(2.4)_{\varepsilon = 0}}$在三维空间及在相应平面上的投影“8形”同宿轨道内外的振荡周期轨道和旋转周期轨道.取$B = 1$, 图 2分别给出了$A=1$和$A=3$时抛物柱面$\frac{1}{2}{x^2} + z = A$与圆柱面${y^2} + {z^2} = 1$的交线, 即振荡周期轨道和旋转周期轨道.
当系统(2.4) 变为慢变系统(2.6) 时, 相应的空间柱面上的同宿轨道退化为平面$\theta - x$平面内的异宿轨道, 在保持上述参数的不变的情形下, 图 3给出了未扰系统${(2.6)_{\varepsilon = 0}}$在退化$\theta - x$平面内的异宿轨道, 及振荡周期轨道(解析式(2.7) 和数值方法)和旋转周期轨道(解析式(2.8) 和数值方法). 图 4作出了系统(2.6) 的三维空间振荡周期轨道和旋转周期轨道及在$\theta - x$平面内的投影, 从投影图形可以看到, 当$\varepsilon $在零的附近取值, 系统(2.6) 在定理3.1和定理3.2所给参数条件下, 在三维空间异宿轨道的内外存在振荡周期轨道和旋转周期轨道.
本文通过符号与数值运算, 运用次谐波Melnikov函数分析和计算了周期参数扰动的T混沌系统的振荡周期轨道和旋转周期轨道, 并通过数值仿真进行了实验, 验证了理论分析的正确性.根据数值仿真, 可以看到周期参数扰动策略不仅可以探究系统的周期轨道解析式, 同时可以对原混沌系统进行控制.当然还可以继续分析该系统的全局结构, 如分叉等动力学行为, 限于篇幅, 此处讨论从略.