المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية
معنى قوله تعالى زين للناس حب الشهوات من النساء
2024-11-24
مسألتان في طلب المغفرة من الله
2024-11-24
من آداب التلاوة
2024-11-24
مواعيد زراعة الفجل
2024-11-24
أقسام الغنيمة
2024-11-24
سبب نزول قوله تعالى قل للذين كفروا ستغلبون وتحشرون الى جهنم
2024-11-24

Laser Pulsed operation: Laser Mode-Locking
5-3-2020
التعرية الجليدية
26/11/2022
معنى كلمة كأين
4-1-2023
نصير الدين الكاشي
8-8-2016
Cahen,s Constant
20-2-2020
LCF Notation
26-4-2022

Duffing Differential Equation  
  
1237   03:13 مساءً   date: 11-6-2018
Author : Bender, C. M. and Orszag, S. A
Book or Source : dvanced Mathematical Methods for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill
Page and Part : ...


Read More
Date: 27-5-2018 721
Date: 30-12-2018 1455
Date: 13-6-2018 768

Duffing Differential Equation

The most general forced form of the Duffing equation is

 

 x^..+deltax^.+(betax^3+/-omega_0^2x)=gammacos(omegat+phi).

(1)

Depending on the parameters chosen, the equation can take a number of special forms. For example, with no damping and no forcing, delta=gamma=0 and taking the plus sign, the equation becomes

 x^..+omega_0^2x+betax^3=0

(2)

(Bender and Orszag 1978, p. 547; Zwillinger 1997, p. 122). This equation can display chaotic behavior. For beta>0, the equation represents a "hard spring," and for beta<0, it represents a "soft spring." If beta<0, the phase portrait curves are closed.

If instead we take beta=1omega_0=1, reset the clock so that phi=0, and use the minus sign, the equation is then

 x^..+deltax^.+(x^3-x)=gammacos(omegat).

(3)

This can be written as a system of first-order ordinary differential equations as

x^. = y,

(4)

y^. = x-x^3-deltay+gammacos(omegat)

(5)

(Wiggins 1990, p. 5) which, in the unforced case, reduces to

x^. = y

(6)

y^. = x-x^3-deltay

(7)

(Wiggins 1990, p. 6; Ott 1993, p. 3).

The fixed points of this set of coupled differential equations are given by

 x^.=y=0,

(8)

so y=0, and

y^. = x-x^3-deltay

(9)

= x(1-x^2)-0

(10)

giving x=0,+/-1. The fixed points are therefore (-1,0)(0,0), and (1,0).

Analysis of the stability of the fixed points can be point by linearizing the equations. Differentiating gives

x^.. = y^.

(11)

= x-x^3-deltay

(12)

y^.. = (1-3x^2)x^.-deltay^.,

(13)

which can be written as the matrix equation

 [x^..; y^..]=[0 1; 1-3x^2 -delta][x^.; y^.].

(14)

Examining the stability of the point (0,0):

 |0-lambda 1; 1 -delta-lambda|=lambda(lambda+delta)-1=lambda^2+lambdadelta-1=0

(15)

 lambda_+/-^((0,0))=1/2(-delta+/-sqrt(delta^2+4)).

(16)

But delta^2>=0, so lambda_+/-^((0,0)) is real. Since sqrt(delta^2+4)>|delta|, there will always be one positive root, so this fixed point is unstable. Now look at (+/-1, 0). The characteristic equation is

 |0-lambda 1; -2 -delta-lambda|=lambda(lambda+delta)+2=lambda^2+lambdadelta+2=0,

(17)

which has roots

 lambda_+/-^((+/-1,0))=1/2(-delta+/-sqrt(delta^2-8)).

(18)

For delta>0R[lambda_+/-^((+/-1,0))]<0, so the point is asymptotically stable. If delta=0lambda_+/-^((+/-1,0))=+/-isqrt(2), so the point is linearly stable (Wiggins 1990, p. 10). However, if delta in (-2sqrt(2),0), the radical gives an imaginary part and the real part is >0, so the point is unstable. If delta=-2sqrt(2)lambda_+/-^((+/-1,0))=sqrt(2), which has a positive real root, so the point is unstable. If delta<-2sqrt(2), then |delta|<sqrt(delta^2-8), so both roots are positive and the point is unstable.

DuffingOscillatorPhasePortrait

Interestingly, the special case delta=0 with no forcing,

x^. = y

(19)

y^. = x-x^3,

(20)

can be integrated by quadratures. Differentiating (19) and plugging in (20) gives

 x^..=y^.=x-x^3.

(21)

Multiplying both sides by x^. gives

 x^..x^.-x^.x+x^.x^3=0.

(22)

But this can be written

 d/(dt)(1/2x^.^2-1/2x^2+1/4x^4)=0,

(23)

so we have an invariant of motion h,

 h=1/2x^.^2-1/2x^2+1/4x^4.

(24)

Solving for x^.^2 gives

 x^.^2=((dx)/(dt))^2=2h+x^2-1/2x^4

(25)

 (dx)/(dt)=sqrt(2h+x^2-1/2x^4),

(26)

so

 t=intdt=int(dx)/(sqrt(2h+x^2-1/2x^4))

(27)

(Wiggins 1990, p. 29).

Note that the invariant of motion h satisfies

 x^.=(partialh)/(partialx^.)=(partialh)/(partialy)

(28)

 (partialh)/(partialx)=-x+x^3=-y^.,

(29)

so the equations of the Duffing oscillator are given by the Hamiltonian system

x^. = (partialh)/(partialy)

(30)

y^. = -(partialh)/(partialx)

(31)

(Wiggins 1990, p. 31).


REFERENCES:

Bender, C. M. and Orszag, S. A. Advanced Mathematical Methods for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill, p. 547, 1978.

Ott, E. Chaos in Dynamical Systems. New York: Cambridge University Press, 1993.

Tabor, M. Chaos and Integrability in Nonlinear Dynamics: An Introduction. New York: Wiley, p. 35, 1989.

Trott, M. "The Mathematica Guidebooks Additional Material: Wigner Function of a Duffing Oscillator." http://www.mathematicaguidebooks.org/additions.shtml#N_1_08.

Wiggins, S. "Application to the Dynamics of the Damped, Forced Duffing Oscillator." §1.2E in Introduction to Applied Nonlinear Dynamical Systems and Chaos. New York: Springer-Verlag, pp. 5-6, 10, 23, 26-32, 44-45, 50-51, and 153-175, 1990.

Zwillinger, D. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 413, 1995.

Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, p. 122, 1997.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.