제7장 극한 주기 궤도
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.
여기서 는 임의의 매끄러운 함수다. 이 방정식은 선형 진동자 에 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.
일 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.
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 에 대해
이다. 이므로 해가 일 때의 에 대한 섭동으로 주어진다고 가정하면, 한 주기() 동안의 에너지 변화는
이다. 로 무시할 수 있으려면 , 곧 다. 반지름이 2인 극한 주기 궤도라는 관찰 결과와 일치한다!
한 주기 동안의 에너지 변화 와 진폭
ΔE > 0이면 진폭이 커지고 ΔE < 0이면 줄어듭니다. 부호가 바뀌는 A = 2가 극한 주기 궤도입니다. ε를 키우면 수치값이 예측에서 조금씩 벗어납니다.
첫 번째 접근법으로, 에 대한 거듭제곱 급수(power series)의 형태로 해를 찾아보자.
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.
5장의 기법으로 구한 정확한 해는 이다.
급수를 대입하고 에 대한 거듭제곱 차수에 따라 정리하면, 모든 충분히 작은 에 대해 성립해야 하므로 각 거듭제곱의 계수가 모두 사라져야 한다.
일 때 해는 , 제한 없이 로 점점 커지는 고유 항(secular term)이다. 결국 섭동 이론에 따른 해는
이다. 보정 항(실제로 )을 무시할 수 있으려면 이 필요하다. 즉 섭동 근사는 시간 동안만 작동한다. 오른쪽 그래프의 세로 점선이 이다.
실패의 원인은 두 가지다.
교재 그림 7.6.2와 7.6.3을 한 그래프에 겹쳤습니다. 두 타이밍을 켜 보세요. 정확한 해와 거의 구별할 수 없습니다.
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.
는 빠른 크기의 시간, 는 느린 시간이다. 이 두 시간 척도를 마치 독립 변수인 것처럼 취급하고, 특히 느린 시간 에 대한 함수들은 빠른 시간 척도에서는 상수로 간주한다.
비유: 키가 하루의 시간 척도에서 일정하다고 말하는 것과 같다해를 로 전개하면, 연쇄 법칙에 의해
감쇠 선형 진동자 , 에 대입해 의 차수로 모으면
고유 항이 없는 근사치를 원하기 때문에, 공진 강제력에 해당하는 항의 계수들을 0으로 설정한다. 이 전략이 모든 두 타이밍 계산의 특징이다. , 에서 , 이고, 초기 조건에서 , 이므로
이다. 위 그래프에서 확인했듯이 이 엄청나게 작지 않아도 정확한 해와 거의 구별할 수 없다. 이것이 이 방법의 특징인, 종종 기대를 뛰어넘어 잘 작동한다는 것이다.
두 타이밍 기법을 사용해 반 데르 폴 진동자가 반지름이 이고 진동수가 인 거의 원형의 안정적인 극한 주기 궤도를 갖는다는 것을 보이자.
방정식의 해를 로 쓴다. 여기서 와 는 각각 의 천천히 변하는 진폭과 위상이다. 이를 방정식에 대입하면 우변에 공진 항이 나타난다. 에도 삼각함수 공식
때문에 숨어 있는 공진 항이 있다. 고유 항을 피하려면
첫 식은 반직선 위의 벡터장 이다. 은 불안정한 고정점이고 는 안정된 고정점이니 일 때 . 또 이므로 이다. 따라서 .
각진동수는 이니, 의 1차 항까지 0이고 이다. 이 보정 항의 실제 공식을 원하면 매우 느린 시간 를 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 이고, 고유 항을 피하는 조건은 , 이다. 이로부터 식 (42) 가 나온다.
약한 비선형 진동자에 대한 문제에서는 동일한 단계가 계속 반복해서 생긴다. 일반적인 공식을 유도해 놓으면 시간을 절약할 수 있다. 일반적인 두 타이밍 기법을 에 쓰면
이고, 를 대입하면 우변은 가 된다. 여기서 , 이다. 는 에 대한 주기가 인 함수이니 푸리에 급수(Fourier series)로 쓸 수 있다.
공진 항은 와 밖에 없다. 이를 0으로 놓고 푸리에 계수(Fourier coefficient) 의 표현식을 쓰면
여기서 꺾쇠 괄호 는 한 주기 에 대한 평균이다. 이것을 평균(averaged) 또는 느린 시간 방정식(slow-time equation)이라고 한다. 느린 변수 을 상수로 취급하면서 빠른 변수 에 대해 평균을 계산한다. 자주 나타나는 평균:
오른쪽 데모는 고른 에 대해 이 평균을 수치로 계산해 을 그린다. 인 점이 극한 주기 궤도의 반지름 예측이고, 그 점에서 의 기울기 부호로 안정성을 판정한다. 진동수는 이다.
Shane Ross 교수의 강의(Averaging Theory for Weakly Nonlinear Oscillators)를 참고한 방법이다. 에서 일 때의 해 모양을 그대로 써서 , 로 두면, 와 를 미분해서 정확하게
를 얻는다. 이니 과 는 천천히 변한다(slowly varying). “빠른” 진동 한 주기에 대해 평균을 내면 같은 평균 방정식이 나온다.
평균 방정식 (반직선 위의 벡터장)
“극한 주기 궤도 2개”를 고르면 가 되어, 반지름 √2인 불안정한 궤도와 2인 안정적인 궤도가 함께 나타납니다. 그 사이와 바깥에서 출발해 보세요.
초기 조건 인 반 데르 폴 방정식에서 이므로
이다. 당연히 그래야 하듯이 예제 7.6.2와 일치한다. 초기 조건에서 , 이다. 미분 방정식을 분리하고 부분 분수로 적분하면
이다. 이 식은 진동자가 극한 주기 궤도까지 나선형으로 뻗어나갈 때 과도기의 동역학을 설명한다. 오른쪽에서 일반적인 초기 진폭 에 대해 같은 방법으로 구한 을 수치 해와 비교해 보자. 이러한 포락선(envelope)이 놀라울 정도로 잘 일치한다.
ε를 키울수록 오차가 커지지만, 오차를 ε로 나눈 값은 대체로 비슷한 크기에 머뭅니다. 근사식이 만큼 정확하다는 뜻입니다.
진동자의 진동수가 진폭에 따라 달라지는 것은 흔하게 발생하지만 선형 진동자에서는 있을 수 없는, 본질적인 비선형 현상이다.
의 진폭과 진동수 사이의 대략적인 관계를 찾아보자. 은 양수, 음수 모두 가능하다. 이므로
따라서 어떤 상수 에 대해 이고 이다. 진동수는
물리적 해석. 더핑 방정식은 감쇠가 없는 복원력 인 비선형 용수철에 달린 단위 질량의 동작을 기술한다. (훅(Hooke)의 법칙)로 쓰면 용수철의 뻣뻣함(stiffness) 이 에 따라 달라진다.
인 것도 말이 된다. 더핑 방정식은 이 충분히 작으면 보존계이며 원점에서 비선형 중심을 갖게 된다. 원점에 가까운 모든 궤도는 주기 운동을 하므로 진폭이 장기적으로 변하지 않는다.
단진자(simple pendulum) 에서 로 두고 로 근사하면 인 더핑 방정식과 까지 같다. 따라서 주기는
이다. 진폭이 클수록 주기가 길어진다. 직관과 일치한다. 오른쪽에서 “단진자”를 누르면 정확한 진자의 주기와 비교할 수 있다.
진동수 와 진폭
복원력의 크기
위상 평면의 궤도는 모두 닫혀 있습니다(비선형 중심). 진폭이 다른 궤도는 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이 달라서, 함께 출발한 점들이 점점 어긋납니다.
경험 법칙에 의하면, 와 가 모두 동일한 초기 조건에서 시작한다고 가정할 때 을 포함한 모든 시간 동안 1차 근사식 와 실제 해인 의 차이가 만큼의 크기 안에 있다. 가 주기적인 해라면 가 모든 에서 차이가 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]).