제7장 극한 주기 궤도

약한 비선형 진동자Weakly Nonlinear Oscillators

빠르게 진동하는 동안 진폭은 아주 천천히 변한다. 두 시간 척도가 동시에 작동하는 약한 비선형 진동자를 다룬다. 정규 섭동 이론이 왜 실패하는지 직접 확인하고, 두 타이밍(two-timing)과 평균 방정식(averaged equations)으로 극한 주기 궤도의 반지름과 진동수를 예측한 뒤 수치 해와 비교한다.

이 데모는 Claude Opus 5.5가 제작했으며, 경상국립대학교 물리학과 이상훈 교수의 강의노트(2026 복잡계 여름학교, 7~8장 강의)를 기반으로 합니다.

x¨+x+ε(x2−1)x˙=0\ddot{x} + x + \varepsilon (x^{2} - 1)\dot{x} = 0, ε=0.1\varepsilon = 0.1. 진동(t∼O(1)t \sim O(1))은 빠르고, 포락선(t∼O(1/ε)t \sim O(1/\varepsilon ))은 느립니다. 누르면 다른 초기 진폭에서 다시 그립니다.
7.6

약한 비선형 진동자weakly nonlinear oscillator

x¨+x+εh(x,x˙)=0,0≤ε≪1\ddot{x} + x + \varepsilon h(x, \dot{x}) = 0,\qquad 0 \le \varepsilon \ll 1

여기서 h(x,x˙)h(x, \dot{x})는 임의의 매끄러운 함수다. 이 방정식은 선형 진동자 x¨+x=0\ddot{x} + x = 0에 대한 작은 섭동을 나타내므로 약한 비선형 진동자(weakly nonlinear oscillator)라고 한다. 두 가지 기본적인 예시는 (지난 절과 반대로 이제 약한 비선형성 극한에 해당하는) 반 데르 폴 방정식과 더핑 방정식(Duffing equation)이다.

x¨+x+ε(x2−1)x˙=0,x¨+x+εx3=0\ddot{x} + x + \varepsilon (x^{2} - 1)\dot{x} = 0,\qquad \qquad \ddot{x} + x + \varepsilon x^{3} = 0

ε=0.1\varepsilon = 0.1일 때 원점에 가까운 초기 조건에서 출발한 반 데르 폴 방정식의 궤적은 천천히 감아 돌아가는 나선형이고, 진폭이 크게 증가하려면 많이 돌아야 한다. 궁극적으로 궤적은 반지름이 2에 가까운 대략적인 원형의 극한 주기 궤도로 접근한다. 이 극한 주기 궤도의 모양, 주기, 반지름을 예측하는 것이 이 절의 목표다.

보충: 에너지를 이용한 추정

교재에는 나오지 않지만, Shane Ross 교수의 강의(Limit Cycles, Part 5: Van der Pol Oscillator, Weakly Nonlinear Limit, Energy Method)에서 소개한 방법이다. 극한 주기 궤도는 주기 운동이니 한 주기 동안 에너지가 보존되어야 한다. 단순 조화 진동자의 에너지 E=(1/2)x˙2+(1/2)x2E = (1/2)\dot{x}^{2} + (1/2)x^{2}에 대해

dEdt=x˙(x¨+x)=−εx˙2(x2−1)\frac{\mathrm{d}E}{\mathrm{d}t}=\dot{x}(\ddot{x}+x)=-\varepsilon\dot{x}^{2}(x^{2}-1)

이다. ε≪1\varepsilon \ll 1이므로 해가 ε=0\varepsilon = 0일 때의 x=Acos⁡tx = A \cos t에 대한 섭동으로 주어진다고 가정하면, 한 주기(2π+O(ε)2\pi + O(\varepsilon )) 동안의 에너지 변화는

ΔE=−2πε[A4⟨sin⁡2tcos⁡2t⟩−A2⟨sin⁡2t⟩]+O(ε2)=−2πε(18A4−12A2)+O(ε2)\begin{aligned}\Delta E&=-2\pi\varepsilon\left[A^{4}\langle\sin^{2}t\cos^{2}t\rangle-A^{2}\langle\sin^{2}t\rangle\right]+O(\varepsilon^{2})\\&=-2\pi\varepsilon\left(\tfrac{1}{8}A^{4}-\tfrac{1}{2}A^{2}\right)+O(\varepsilon^{2})\end{aligned}

이다. ΔE=O(ε2)\Delta E = O(\varepsilon ^{2})로 무시할 수 있으려면 (1/8)A4=(1/2)A2(1/8)A^{4} = (1/2)A^{2}, 곧 A=2A = 2다. 반지름이 2인 극한 주기 궤도라는 관찰 결과와 일치한다!

한 주기 동안의 에너지 변화 ΔE/ε\Delta E/\varepsilon와 진폭 AA

예측 −2π((1/8)A⁴ − (1/2)A²)수치 적분: (A, 0)에서 출발해 한 바퀴 돈 뒤 측정

ΔE > 0이면 진폭이 커지고 ΔE < 0이면 줄어듭니다. 부호가 바뀌는 A = 2가 극한 주기 궤도입니다. ε를 키우면 수치값이 예측에서 조금씩 벗어납니다.

정규 섭동 이론과 그것의 실패regular perturbation theory

첫 번째 접근법으로, ε\varepsilon에 대한 거듭제곱 급수(power series)의 형태로 해를 찾아보자.

x(t,ε)=x0(t)+εx1(t)+ε2x2(t)+⋯x(t, \varepsilon ) = x_{0}(t) + \varepsilon x_{1}(t) + \varepsilon ^{2}x_{2}(t) + \cdots

모든 중요한 정보는 처음 몇 개의 항에서 나타나고 고차항들은 아주 작은 보정에 해당하기를 바라는 것이다. 이 기법을 정규 섭동 이론(regular perturbation theory)이라고 한다. 문제의 원인을 드러내기 위해 정확히 풀 수 있는 약한 감쇠 선형 진동자에서 시작하자.

x¨+2εx˙+x=0,x(0)=0,x˙(0)=1\ddot{x} + 2\varepsilon \dot{x} + x = 0,\qquad x(0) = 0,\quad \dot{x}(0) = 1

5장의 기법으로 구한 정확한 해는 x(t)=(1−ε2)−1/2e−εtsin⁡[(1−ε2)1/2t]x(t) = (1 - \varepsilon ^{2})^{-1/2} e^{-\varepsilon t} \sin [(1 - \varepsilon ^{2})^{1/2} t]이다.

급수를 대입하고 ε\varepsilon에 대한 거듭제곱 차수에 따라 정리하면, 모든 충분히 작은 ε\varepsilon에 대해 성립해야 하므로 각 거듭제곱의 계수가 모두 사라져야 한다.

  • O(1)O(1): x¨0+x0=0\ddot{x}_{0} + x_{0} = 0, 초기 조건 x0(0)=0,x˙0(0)=1x_{0}(0) = 0, \dot{x}_{0}(0) = 1에서 x0=sin⁡tx_{0} = \sin t.
  • O(ε)O(\varepsilon ): x¨1+x1=−2x˙0=−2cos⁡t\ddot{x}_{1} + x_{1} = -2\dot{x}_{0} = -2 \cos t. 우변은 공진 강제력(resonant forcing)이다. 문제 발생의 첫 징후다.

x1(0)=x˙1(0)=0x_{1}(0) = \dot{x}_{1}(0) = 0일 때 해는 x1=−tsin⁡tx_{1} = -t \sin t, 제한 없이 t→∞t \to \infty로 점점 커지는 고유 항(secular term)이다. 결국 섭동 이론에 따른 해는

x(t,ε)=sin⁡t−εtsin⁡t+O(ε2)x(t, \varepsilon ) = \sin t - \varepsilon t \sin t + O(\varepsilon ^{2})

이다. 보정 항(실제로 O(ε2t2)O(\varepsilon ^{2}t^{2}))을 무시할 수 있으려면 εt≪1\varepsilon t \ll 1이 필요하다. 즉 섭동 근사는 시간 t≪O(1/ε)t \ll O(1/\varepsilon ) 동안만 작동한다. 오른쪽 그래프의 세로 점선이 t=1/εt = 1/\varepsilon이다.

실패의 원인은 두 가지다.

  • 정확한 해에는 사인파 진동에 해당하는 빠른 시간 척도 t∼O(1)t \sim O(1)과 진폭이 감소하는 느린 시간 척도 t∼1/εt \sim 1/\varepsilon가 있다. e−εt=1−εt+O(ε2t2)e^{-\varepsilon t} = 1 - \varepsilon t + O(\varepsilon ^{2}t^{2})이니, 이 차수에서는 진폭이 tt와 함께 증가하는 것으로 (잘못) 나타난다.
  • 진동수 ω=(1−ε2)1/2≈1−(1/2)ε2\omega = (1 - \varepsilon ^{2})^{1/2} \approx 1 - (1/2)\varepsilon ^{2}는 1과 약간 다르다. 매우 긴 시간 t∼O(1/ε2)t \sim O(1/\varepsilon ^{2}) 후에 이 차이는 상당한 누적 효과를 준다. 제3의, 매우 느린 시간 척도다!
정확한 해정규 섭동 sin t − εt sin t두 타이밍 e−εt sin t
최대 오차(정규 섭동) –최대 오차(두 타이밍) –

교재 그림 7.6.2와 7.6.3을 한 그래프에 겹쳤습니다. 두 타이밍을 켜 보세요. 정확한 해와 거의 구별할 수 없습니다.

두 타이밍two-timing

약한 비선형 진동자에는 (최소) 두 가지의 시간 척도가 있다. 두 타이밍(two-timing)은 처음부터 2개의 시간 척도가 있다는 것을 바탕으로 하며, 정규 섭동 이론보다 더 나은 근사치를 제공한다.

τ=t\tau = t는 빠른 O(1)O(1) 크기의 시간, T=εtT = \varepsilon t는 느린 시간이다. 이 두 시간 척도를 마치 독립 변수인 것처럼 취급하고, 특히 느린 시간 TT에 대한 함수들은 빠른 시간 척도에서는 상수로 간주한다.

비유: 키가 하루의 시간 척도에서 일정하다고 말하는 것과 같다

해를 x(t,ε)=x0(τ,T)+εx1(τ,T)+O(ε2)x(t, \varepsilon ) = x_{0}(\tau , T) + \varepsilon x_{1}(\tau , T) + O(\varepsilon ^{2})로 전개하면, 연쇄 법칙에 의해

x˙=∂τx+ε∂Tx=∂τx0+ε(∂Tx0+∂τx1)+O(ε2)x¨=∂ττx0+ε(∂ττx1+2∂Tτx0)+O(ε2)\begin{aligned}\dot{x}&=\partial_{\tau}x+\varepsilon\partial_{T}x=\partial_{\tau}x_{0}+\varepsilon(\partial_{T}x_{0}+\partial_{\tau}x_{1})+O(\varepsilon^{2})\\ \ddot{x}&=\partial_{\tau\tau}x_{0}+\varepsilon(\partial_{\tau\tau}x_{1}+2\partial_{T\tau}x_{0})+O(\varepsilon^{2})\end{aligned}

예제 7.6.1

감쇠 선형 진동자 x¨+2εx˙+x=0\ddot{x} + 2\varepsilon \dot{x} + x = 0, x(0)=0,x˙(0)=1x(0) = 0, \dot{x}(0) = 1에 대입해 ε\varepsilon의 차수로 모으면

  • O(1)O(1): ∂ττx0+x0=0\partial _{\tau \tau }x_{0} + x_{0} = 0. 단순 조화 진동자이니 x0=Asin⁡τ+Bcos⁡τx_{0} = A \sin \tau + B \cos \tau. 그런데 여기서 ‘상수’로 쓴 AA와 BB가 실제로는 느린 시간 TT의 함수다.
  • O(ε)O(\varepsilon ): ∂ττx1+x1=−2(A′+A)cos⁡τ+2(B′+B)sin⁡τ\partial _{\tau \tau }x_{1} + x_{1} = -2(A' + A) \cos \tau + 2(B' + B) \sin \tau. 우변은 τsin⁡τ\tau \sin \tau, τcos⁡τ\tau \cos \tau 같은 고유 항을 생성하는 공진 강제력이다.

고유 항이 없는 근사치를 원하기 때문에, 공진 강제력에 해당하는 항의 계수들을 0으로 설정한다. 이 전략이 모든 두 타이밍 계산의 특징이다. A′+A=0A' + A = 0, B′+B=0B' + B = 0에서 A=A(0)e−TA = A(0)e^{-T}, B=B(0)e−TB = B(0)e^{-T}이고, 초기 조건에서 B(0)=0B(0) = 0, A(0)=1A(0) = 1이므로

x=e−εtsin⁡t+O(ε)x = e^{-\varepsilon t} \sin t + O(\varepsilon )

이다. 위 그래프에서 확인했듯이 ε\varepsilon이 엄청나게 작지 않아도 정확한 해와 거의 구별할 수 없다. 이것이 이 방법의 특징인, 종종 기대를 뛰어넘어 잘 작동한다는 것이다.

예제 7.6.2 반 데르 폴 진동자

두 타이밍 기법을 사용해 반 데르 폴 진동자가 반지름이 2+O(ε)2 + O(\varepsilon )이고 진동수가 ω=1+O(ε2)\omega = 1 + O(\varepsilon ^{2})인 거의 원형의 안정적인 극한 주기 궤도를 갖는다는 것을 보이자.

O(1)O(1) 방정식의 해를 x0=r(T)cos⁡(τ+φ(T))x_{0} = r(T) \cos (\tau + \varphi (T))로 쓴다. 여기서 r(T)r(T)와 φ(T)\varphi (T)는 각각 x0x_{0}의 천천히 변하는 진폭과 위상이다. 이를 O(ε)O(\varepsilon ) 방정식에 대입하면 우변에 공진 항이 나타난다. sin⁡(τ+φ)cos⁡2(τ+φ)\sin (\tau + \varphi ) \cos ^{2}(\tau + \varphi )에도 삼각함수 공식

sin⁡θcos⁡2θ=14[sin⁡θ+sin⁡3θ]\sin\theta\cos^{2}\theta=\tfrac{1}{4}\left[\sin\theta+\sin 3\theta\right]

때문에 숨어 있는 공진 항이 있다. 고유 항을 피하려면

2r′−r+14r3=0,2rφ′=02r'-r+\tfrac{1}{4}r^{3}=0,\qquad 2r\varphi'=0
sin 3θ 항은 진동수가 달라서 공진 강제력과 다르다

첫 식은 반직선 r≥0r \ge 0 위의 벡터장 r′=(1/8)r(4−r2)r' = (1/8)r(4 - r^{2})이다. r∗=0r^{*} = 0은 불안정한 고정점이고 r∗=2r^{*} = 2는 안정된 고정점이니 T→∞T \to \infty일 때 r(T)→2r(T) \to 2. 또 φ′=0\varphi ' = 0이므로 φ(T)=φ0\varphi (T) = \varphi _{0}이다. 따라서 x(t)→2cos⁡(t+φ0)+O(ε)x(t) \to 2 \cos (t + \varphi _{0}) + O(\varepsilon ).

각진동수는 ω=dθ/dt=1+dφ/dT⋅dT/dt=1+εφ′=1\omega = \mathrm{d}\theta /\mathrm{d}t = 1 + \mathrm{d}\varphi /\mathrm{d}T \cdot \mathrm{d}T/\mathrm{d}t = 1 + \varepsilon \varphi ' = 1이니, ε\varepsilon의 1차 항까지 0이고 ω=1+O(ε2)\omega = 1 + O(\varepsilon ^{2})이다. 이 보정 항의 실제 공식을 원하면 매우 느린 시간 ℑ=ε2t\Im = \varepsilon ^{2}t를 도입하거나, 푸앵카레-린드스테트(Poincaré-Lindstedt) 방법을 사용할 수 있다(Strogatz 교수의 강의: Poincaré–Lindstedt method).

교재 오타 메모번역서의 식 (37), (39), (40)은 부호를 바로잡아 읽어야 한다. 올바른 식은 ∂ττx1+x1=2[r′sin⁡(τ+φ)+rφ′cos⁡(τ+φ)]+rsin⁡(τ+φ)[r2cos⁡2(τ+φ)−1]\partial _{\tau \tau }x_{1} + x_{1} = 2[r' \sin (\tau + \varphi ) + r\varphi ' \cos (\tau + \varphi )] + r \sin (\tau + \varphi )[r^{2} \cos ^{2}(\tau + \varphi ) - 1]이고, 고유 항을 피하는 조건은 2r′−r+(1/4)r3=02r' - r + (1/4)r^{3} = 0, 2rφ′=02r\varphi ' = 0이다. 이로부터 식 (42) r′=(1/8)r(4−r2)r' = (1/8)r(4 - r^{2})가 나온다.

평균 방정식averaged equations

약한 비선형 진동자에 대한 문제에서는 동일한 단계가 계속 반복해서 생긴다. 일반적인 공식을 유도해 놓으면 시간을 절약할 수 있다. 일반적인 두 타이밍 기법을 x¨+x+εh(x,x˙)=0\ddot{x} + x + \varepsilon h(x, \dot{x}) = 0에 쓰면

O(1):  ∂ττx0+x0=0O(ε):  ∂ττx1+x1=−2∂τTx0−h\begin{aligned}O(1)&:\ \ \partial_{\tau\tau}x_{0}+x_{0}=0\\ O(\varepsilon)&:\ \ \partial_{\tau\tau}x_{1}+x_{1}=-2\partial_{\tau T}x_{0}-h\end{aligned}

이고, x0=r(T)cos⁡(τ+φ(T))x_{0} = r(T) \cos (\tau + \varphi (T))를 대입하면 우변은 2[r′sin⁡(τ+φ)+rφ′cos⁡(τ+φ)]−h2[r' \sin (\tau + \varphi ) + r\varphi ' \cos (\tau + \varphi )] - h가 된다. 여기서 h=h(rcos⁡θ,−rsin⁡θ)h = h(r \cos \theta , -r \sin \theta ), θ=τ+φ\theta = \tau + \varphi이다. hh는 θ\theta에 대한 주기가 2π2\pi인 함수이니 푸리에 급수(Fourier series)로 쓸 수 있다.

h(θ)=∑k=0∞akcos⁡kθ+∑k=1∞bksin⁡kθh(\theta ) = \sum _{k=0}^{\infty } a_{k} \cos k\theta + \sum _{k=1}^{\infty } b_{k} \sin k\theta

공진 항은 [2r′−b1]sin⁡θ[2r' - b_{1}] \sin \theta와 [2rφ′−a1]cos⁡θ[2r\varphi ' - a_{1}] \cos \theta밖에 없다. 이를 0으로 놓고 푸리에 계수(Fourier coefficient) a1,b1a_{1}, b_{1}의 표현식을 쓰면

r′=⟨hsin⁡θ⟩,rφ′=⟨hcos⁡θ⟩r' = \langle h \sin \theta \rangle ,\qquad r\varphi ' = \langle h \cos \theta \rangle

여기서 꺾쇠 괄호 ⟨⋅⟩\langle \cdot \rangle는 한 주기 θ\theta에 대한 평균이다. 이것을 평균(averaged) 또는 느린 시간 방정식(slow-time equation)이라고 한다. 느린 변수 rr을 상수로 취급하면서 빠른 변수 θ\theta에 대해 평균을 계산한다. 자주 나타나는 평균:

⟨cos⁡⟩=⟨sin⁡⟩=⟨sin⁡cos⁡⟩=⟨cos⁡3⟩=⟨cos⁡3sin⁡⟩=0⟨cos⁡2⟩=⟨sin⁡2⟩=12,⟨cos⁡4⟩=⟨sin⁡4⟩=38⟨cos⁡2sin⁡2⟩=18\begin{gathered}\langle\cos\rangle=\langle\sin\rangle=\langle\sin\cos\rangle=\langle\cos^{3}\rangle=\langle\cos^{3}\sin\rangle=0\\ \langle\cos^{2}\rangle=\langle\sin^{2}\rangle=\tfrac{1}{2},\qquad\langle\cos^{4}\rangle=\langle\sin^{4}\rangle=\tfrac{3}{8}\\ \langle\cos^{2}\sin^{2}\rangle=\tfrac{1}{8}\end{gathered}

오른쪽 데모는 고른 hh에 대해 이 평균을 수치로 계산해 r′(r)r'(r)을 그린다. r′=0r' = 0인 점이 극한 주기 궤도의 반지름 예측이고, 그 점에서 r′r'의 기울기 부호로 안정성을 판정한다. 진동수는 ω=1+εφ′(r)\omega = 1 + \varepsilon \varphi '(r)이다.

보충: 더 간단한 평균화 유도

Shane Ross 교수의 강의(Averaging Theory for Weakly Nonlinear Oscillators)를 참고한 방법이다. x˙=y,y˙=−x−εh(x,y)\dot{x} = y, \dot{y} = -x - \varepsilon h(x, y)에서 ε=0\varepsilon = 0일 때의 해 모양을 그대로 써서 x=r(t)cos⁡(t+φ(t))x = r(t) \cos (t + \varphi (t)), y=−r(t)sin⁡(t+φ(t))y = -r(t) \sin (t + \varphi (t))로 두면, r2=x2+y2r^{2} = x^{2} + y^{2}와 tan⁡(t+φ)=−y/x\tan (t + \varphi ) = -y/x를 미분해서 정확하게

r˙=εhsin⁡(t+φ),φ˙=ε(h/r)cos⁡(t+φ)\dot{r} = \varepsilon h \sin (t + \varphi ),\qquad \dot{\varphi} = \varepsilon (h/r) \cos (t + \varphi )

를 얻는다. r˙,φ˙=O(ε)\dot{r}, \dot{\varphi} = O(\varepsilon )이니 rr과 φ\varphi는 천천히 변한다(slowly varying). “빠른” 진동 한 주기에 대해 평균을 내면 같은 평균 방정식이 나온다.

예측: 안정적인 극한 주기 궤도예측: 불안정한 극한 주기 궤도

평균 방정식 r′=⟨hsin⁡θ⟩r' = \langle h \sin \theta \rangle (반직선 r≥0r \ge 0 위의 벡터장)

“극한 주기 궤도 2개”를 고르면 r′=−(r/16)(r2−2)(r2−4)r' = -(r/16)(r^{2} - 2)(r^{2} - 4)가 되어, 반지름 √2인 불안정한 궤도와 2인 안정적인 궤도가 함께 나타납니다. 그 사이와 바깥에서 출발해 보세요.

예제 7.6.3 평균 방정식으로 구한 포락선

초기 조건 x(0)=1,x˙(0)=0x(0) = 1, \dot{x}(0) = 0인 반 데르 폴 방정식에서 h=(x2−1)x˙=(r2cos⁡2θ−1)(−rsin⁡θ)h = (x^{2} - 1)\dot{x} = (r^{2}\cos ^{2}\theta - 1)(-r \sin \theta )이므로

r′=⟨hsin⁡θ⟩=12r−18r3,rφ′=⟨hcos⁡θ⟩=0r'=\langle h\sin\theta\rangle=\tfrac{1}{2}r-\tfrac{1}{8}r^{3},\qquad r\varphi'=\langle h\cos\theta\rangle=0

이다. 당연히 그래야 하듯이 예제 7.6.2와 일치한다. 초기 조건에서 r(0)=1r(0) = 1, φ≡0\varphi \equiv 0이다. 미분 방정식을 분리하고 부분 분수로 적분하면

r(T)=21+3e−T,x(t,ε)≈2cos⁡t1+3e−εtr(T)=\frac{2}{\sqrt{1+3e^{-T}}},\qquad x(t,\varepsilon)\approx\frac{2\cos t}{\sqrt{1+3e^{-\varepsilon t}}}

이다. 이 식은 진동자가 극한 주기 궤도까지 나선형으로 뻗어나갈 때 과도기의 동역학을 설명한다. 오른쪽에서 일반적인 초기 진폭 r0r_{0}에 대해 같은 방법으로 구한 r(T)=2[1+(4/r02−1)e−T]−1/2r(T) = 2[1 + (4/r_{0}^{2} - 1)e^{-T}]^{-1/2}을 수치 해와 비교해 보자. 이러한 포락선(envelope)이 놀라울 정도로 잘 일치한다.

수치 적분(‘정확한’ 해)평균화 이론으로 예측한 포락선 ±r(εt)근사식 r(εt) cos t
최대 오차 –ε로 나눈 값 –

ε를 키울수록 오차가 커지지만, 오차를 ε로 나눈 값은 대체로 비슷한 크기에 머뭅니다. 근사식이 O(ε)O(\varepsilon )만큼 정확하다는 뜻입니다.

진동수가 진폭에 따라 달라지는 예Duffing oscillator

진동자의 진동수가 진폭에 따라 달라지는 것은 흔하게 발생하지만 선형 진동자에서는 있을 수 없는, 본질적인 비선형 현상이다.

예제 7.6.4 더핑 진동자

x¨+x+εx3=0\ddot{x} + x + \varepsilon x^{3} = 0의 진폭과 진동수 사이의 대략적인 관계를 찾아보자. ε\varepsilon은 양수, 음수 모두 가능하다. h=x3=r3cos⁡3θh = x^{3} = r^{3}\cos ^{3}\theta이므로

r′=⟨hsin⁡θ⟩=r3⟨cos⁡3θsin⁡θ⟩=0rφ′=⟨hcos⁡θ⟩=r3⟨cos⁡4θ⟩=38r3\begin{gathered}r'=\langle h\sin\theta\rangle=r^{3}\langle\cos^{3}\theta\sin\theta\rangle=0\\ r\varphi'=\langle h\cos\theta\rangle=r^{3}\langle\cos^{4}\theta\rangle=\tfrac{3}{8}r^{3}\end{gathered}

따라서 어떤 상수 aa에 대해 r(T)≡ar(T) \equiv a이고 φ′=(3/8)a2\varphi ' = (3/8)a^{2}이다. 진동수는

ω=1+εφ′=1+38εa2+O(ε2)\omega=1+\varepsilon\varphi'=1+\tfrac{3}{8}\varepsilon a^{2}+O(\varepsilon^{2})

물리적 해석. 더핑 방정식은 감쇠가 없는 복원력 F(x)=−x−εx3F(x) = -x - \varepsilon x^{3}인 비선형 용수철에 달린 단위 질량의 동작을 기술한다. F(x)=−kxF(x) = -kx(훅(Hooke)의 법칙)로 쓰면 용수철의 뻣뻣함(stiffness) k=1+εx2k = 1 + \varepsilon x^{2}이 xx에 따라 달라진다.

  • ε>0\varepsilon > 0: 변위 xx가 증가함에 따라 용수철이 더 뻣뻣해진다. 단단해지는 용수철(hardening spring)이며, 진동수가 증가한다.
  • ε<0\varepsilon < 0: 부드러워지는 용수철(softening spring)이며, 진동수가 감소한다. 진자가 그 예다.

r′=0r' = 0인 것도 말이 된다. 더핑 방정식은 ε\varepsilon이 충분히 작으면 보존계이며 원점에서 비선형 중심을 갖게 된다. 원점에 가까운 모든 궤도는 주기 운동을 하므로 진폭이 장기적으로 변하지 않는다.

보충: 단진자

단진자(simple pendulum) θ¨+(g/l)sin⁡θ=0\ddot{\theta} + (g/l) \sin \theta = 0에서 l=gl = g로 두고 sin⁡θ≈θ−θ3/6\sin \theta \approx \theta - \theta ^{3}/6로 근사하면 ε=−1/6\varepsilon = -1/6인 더핑 방정식과 O(θ5)O(\theta ^{5})까지 같다. 따라서 주기는

T=2πω≈2π[1−38εA2]=2π(1+A216)T=\frac{2\pi}{\omega}\approx 2\pi\left[1-\tfrac{3}{8}\varepsilon A^{2}\right]=2\pi\left(1+\frac{A^{2}}{16}\right)

이다. 진폭이 클수록 주기가 길어진다. 직관과 일치한다. 오른쪽에서 “단진자”를 누르면 정확한 진자의 주기와 비교할 수 있다.

진동수 ω\omega와 진폭 aa

예측 1 + (3/8)εa²수치 적분

복원력의 크기 −F(x)=x+εx3-F(x) = x + \varepsilon x^{3}

위상 평면의 궤도는 모두 닫혀 있습니다(비선형 중심). 진폭이 다른 궤도는 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이 달라서, 함께 출발한 점들이 점점 어긋납니다.

두 타이밍 기법 검증

경험 법칙에 의하면, xx와 x0x_{0}가 모두 동일한 초기 조건에서 시작한다고 가정할 때 t∼O(1/ε)t \sim O(1/\varepsilon )을 포함한 모든 시간 동안 1차 근사식 x0x_{0}와 실제 해인 xx의 차이가 O(ε)O(\varepsilon )만큼의 크기 안에 있다. xx가 주기적인 해라면 x0x_{0}가 모든 tt에서 차이가 O(ε)O(\varepsilon )보다 작은, 더 좋은 상황이다.

정확한 기술과 엄밀한 결과는 [Guckenheimer and Holmes 1983], [Grimshaw 1990]을 참고하라. 이 문헌들은 두 타이밍과 동일한 결과를 산출하는 대체 접근 방식인 평균화 방법(method of averaging)을 사용한다. 공식이 실제 해에 근접한다는 의미에 관한 적절한 개념은 점근적 근사(asymptotic approximation)다([Lin and Segel 1988], [Bender and Orszag 1978]).

참고문헌references

  1. 스티븐 스트로가츠, 『비선형 동역학과 카오스 2/e』 (에이콘출판사, 2025). 7장 「극한 주기 궤도」. 이 데모의 용어와 예제 번호는 이 번역서를 따랐습니다.
  2. Steven H. Strogatz, Nonlinear Dynamics and Chaos: 2nd Edition (Westview Press, 2014). 원서.
  3. Shane D. Ross, 강의 영상 Limit Cycles, Part 5: Van der Pol Oscillator, Weakly Nonlinear Limit, Energy Method, Averaging Theory for Weakly Nonlinear Oscillators.
  4. Steven H. Strogatz, 강의 영상 Poincaré–Lindstedt method.
  5. Phase Plane Plotter, aeb019.hosted.uark.edu/pplane.html. 강의에서 Shane Ross 교수의 강의 영상을 통해 소개한 위상 평면 도구로, 더 다양한 시스템을 직접 그려 볼 수 있습니다.