10.1.1.29.9665

7/28/2019 10.1.1.29.9665

http://slidepdf.com/reader/full/1011299665 1/59

T h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n T h e o r e m f o r M o n o t o n e C y c l i c F e e d b a c k

S y s t e m s w i t h D e l a y

J o h n M a l l e t - P a r e t

D i v i s i o n o f A p p l i e d M a t h e m a t i c s

B r o w n U n i v e r s i t y

P r o v i d e n c e , R I 0 2 9 1 2

G e o r g e R . S e l l

S c h o o l o f M a t h e m a t i c s

U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a

M i n n e a p o l i s , M N 5 5 4 5 5

O C T O B E R 2 4 , 1 9 9 4

T o a p p e a r : J o u r n a l o f D i e r e n t i a l E q u a t i o n s

7/28/2019 10.1.1.29.9665


7/28/2019 10.1.1.29.9665


1 I n t r o d u c t i o n

I n t h i s p a p e r w e p r o v e t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m f o r s y s t e m s o f c y c l i c a l l y ( n e a r e s t n e i g h b o r )

c o u p l e d d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s , i n w h i c h t h e c o u p l i n g s a t i s e s a m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n . A t y p i c a l

s u c h s y s t e m i s g i v e n b y t h e N + 1 e q u a t i o n s

_x

i

( t ) = f

i

( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ?

i

) ) ; 0 i N ; ( 1 1 )

w h e r e N 0 a n d t h e i n d i c e s a r e t a k e n m o d N + 1 , w h e r e

i

0 f o r e a c h i , a n d w h e r e e a c h f

i

e n j o y s

t h e m o n o t o n i c i t y p r o p e r t y

@ f

i

( ; )

@

6= 0 f o r a l l ( ; ) 2 I R

2

( 1 2 )

W e i n c l u d e t h e s c a l a r c a s e N = 0 o f ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) i n o u r t h e o r y . W e a c t u a l l y a l l o w a s l i g h t l y m o r e

g e n e r a l c l a s s o f s y s t e m s t h a n ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) , n a m e l y s y s t e m s p e r m i t t i n g a t w o - s i d e d i n t e r a c t i o n o f t h e

v a r i a b l e x

i

w i t h b o t h i t s n e i g h b o r s x

i 1

A d i s c r e t e ( i n t e g e r - v a l u e d ) L y a p u n o v f u n c t i o n , d e n o t e d V , w a s d e v e l o p e d i n M P - S e 1 ] f o r a c l a s s

o f d e l a y s y s t e m s i n c l u d i n g ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) . T h e f u n c t i o n V i s , i n a s e n s e , a h y b r i d o f t h e S m i l l i e f u n c t i o n

o f M P - S m ] , r s t d e n e d i n S m l ] , a n d a s c a l a r v e r s i o n o f V w h i c h w a s d e n e d i n M P ] . T h e p r e s e n t

p a p e r m a k e s e x t e n s i v e u s e o f t h e r e s u l t s i n M P - S e 1 ] , i n p a r t i c u l a r t h e p r o p e r t i e s o f V , a n d i t s h o u l d b e

c o n s i d e r e d a c o m p a n i o n p a p e r . N e v e r t h e l e s s , w e h a v e s u m m a r i z e d a l l t h e r e l e v a n t r e s u l t s f r o m M P -

S e 1 ] b e l o w , a n d o u r p r e s e n t a t i o n h e r e i s e s s e n t i a l l y s e l f - c o n t a i n e d .

R e s u l t s i n t h e d i r e c t i o n o f a P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m f o r d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s b e -

g a n w i t h e a r l y w o r k o f K a p l a n a n d Y o r k e K a - Y o 1 ] , K a - Y o 2 ] , a n d w e r e m o r e r e c e n t l y g i v e n b y

W a l t h e r W a 1 ] , W a 3 ] , W a 4 ] , W a 5 ] , W a 6 ] , b y H e r z H e r ] , a n d b y R . S m i t h S m R 1 ] , S m R 5 ] . E x c e p t

f o r t h e w o r k o f S m i t h , a l l t h e s e r e s u l t s c o n c e r n s c a l a r e q u a t i o n s , a n d g e n e r a l l y s l o w l y o s c i l l a t i n g s o l u -

t i o n s . T h e p r e s e n t p a p e r f o l l o w s t h e a p p r o a c h e s i n M P - S m ] a n d F i - M P 1 ] , a n d m a k e s f u l l u s e o f t h e

d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n V

T h e O D E c a s e o f ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) , i n w h i c h a l l

i

= 0 , w a s t r e a t e d i n M P - S m ] , w h e r e a P o i n c a r e -

B e n d i x s o n t h e o r e m w a s p r o v e d , f o l l o w i n g p r e l i m i n a r y r e s u l t s i n H a - T y - W e ] . T h i s w a s g e n e r a l i z e d

i n E l ] t o t w o - s i d e d i n t e r a c t i o n s ; s e e a l s o H o - M P - S m ] f o r a n e x t e n s i o n o f t h i s r e s u l t . A P o i n c a r e -

B e n d i x s o n t h e o r e m w a s p r o v e d i n F i - M P 1 ] f o r t h e s c a l a r P D E

u

t

= u

x x

+ f ( x ; u ; u

x

) ; x 2 S

1

;

1

7/28/2019 10.1.1.29.9665


w h e r e S

1

d e n o t e s t h e c i r c l e , t h a t i s , w e h a v e p e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s . I n t h e s e p a p e r s , a s h e r e ,

t h e m a i n t o o l i n p r o v i n g s u c h r e s u l t s i s a d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n . I n p a r t i c u l a r , f o r t h e a b o v e

P D E t h e z e r o - c r o s s i n g n u m b e r o f M a t a n o p l a y s t h i s r o l e .

T h e p r o o f s i n M P - S m ] a n d F i - M P 1 ] , w h i l e b o t h r e l y i n g o n d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n s , a r e

s o m e w h a t d i e r e n t ; i n t h e f o r m e r p a p e r t h e a r g u m e n t s a r e l o n g e r a n d m o r e i n v o l v e d , a l t h o u g h t h e y

y i e l d m o r e i n f o r m a t i o n , p a r t i c u l a r l y a b o u t c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r s a n d l o c a l i n v a r i a n t m a n i f o l d s . I n

t h e p r e s e n t p a p e r w e a d o p t t h e s i m p l e r \ s o f t e r " a p p r o a c h o f F i - M P 1 ] ( s e e a l s o F i ] ) , w h i c h a v o i d s

t h e u s e o f s u c h o b j e c t s . M a n y o f t h e r e s u l t s o n c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r s , F l o q u e t s o l u t i o n s , a n d

e x p o n e n t i a l d i c h o t o m i e s , h o w e v e r , c a n b e f o u n d i n M P - S e 1 ] , a n d a l s o i n M P - S e 2 ] . A s m e n t i o n e d

b e l o w , m a n y o f t h e r e s u l t s o f t h e p r e s e n t p a p e r f o r t h e s c a l a r e q u a t i o n

_x ( t ) = f ( x ( t ) ; x ( t ? 1 ) ) ( 1 3 )

w e r e d e v e l o p e d m o r e o r l e s s s i m u l t a n e o u s l y w i t h t h o s e o f F i - M P ] a n d M P - S m ] .

T h e a p p r o a c h o f R . S m i t h i n t h e p a p e r s n o t e d a b o v e , a n d i n t h e O D E p a p e r s S m R 2 ] , S m R 3 ] ,

a n d S m R 4 ] , i s v e r y d i e r e n t f r o m o u r o w n , a n d y i e l d s c o m p l e m e n t a r y r e s u l t s w i t h o n l y m i n i m a l

o v e r l a p . R o u g h l y s p e a k i n g , S m i t h d o e s n o t u s e a d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n , b u t r a t h e r e m p l o y s

c o n e c o n d i t i o n s t o p r o d u c e t w o - d i m e n s i o n a l i n v a r i a n t s u r f a c e s , o n w h i c h a r g u m e n t s f r o m t h e c l a s s i c a l

P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m c a n t h e n b e a p p l i e d .

A s n o t e d i n M P - S e 1 ] , a s p e c i a l c a s e o f t h e s y s t e m ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) i s g i v e n b y t h e ( N + 1 )

s t

o r d e r s c a l a r

d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n

p ( D ) x ( t ) = f ( x ( t ? 1 ) ) w h e r e D =

d

d t

; ( 1 4 )

w h e r e p ( D ) = ( D ?

0

) ( D ?

1

) ( D ?

N

) i s a n ( N + 1 )

s t

- d e g r e e p o l y n o m i a l a l l o f w h o s e r o o t s a r e

r e a l , a n d w h e r e f

0

( x ) 6= 0 f o r a l l x 2 I R I n d e e d , u p o n s e t t i n g x

0

( t ) = x ( t ) a n d x

i + 1

( t ) = _x

i

( t ) ?

i

x

i

( t )

f o r 0 i N ? 1 , o n e o b t a i n s a s y s t e m o f t h e f o r m ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) , w i t h a l l

i

= 0 e x c e p t

N

= 1

P e r i o d i c s o l u t i o n s o f e q u a t i o n ( 1 . 4 ) h a v e b e e n o b t a i n e d i n H e i 2 ] f o r N = 1 , a n d f o r g e n e r a l N i n t h e

s i n g u l a r p e r t u r b a t i o n c a s e i n H a - I v ] . F o r o u r r e s u l t s t o a p p l y t o e q u a t i o n ( 1 . 4 ) , i t i s n e c e s s a r y t h a t

a l l r o o t s o f t h e p o l y n o m i a l p b e r e a l , s o t h a t t h e a b o v e t r a n s f o r m a t i o n t o a s y s t e m ( 1 . 1 ) c a n b e m a d e .

I n d e e d , t h e r e s u l t s o f H L M M S ] s u g g e s t t h a t i f p h a s n o n - r e a l r o o t s , t h e n t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n

t h e o r e m c a n f a i l f o r ( 1 . 4 ) , a n d t h a t c o m p l e x a n d c h a o t i c d y n a m i c s c a n o c c u r .

T h e c l a s s o f e q u a t i o n s w e t r e a t i n t h i s p a p e r i s a c t u a l l y s l i g h t l y m o r e g e n e r a l t h a n ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) .

I n p a r t i c u l a r , w e m a y a l l o w f

i

t o d e p e n d o n x

i ? 1

( t ) i n a n a p p r o p r i a t e f a s h i o n , a t l e a s t f o r i 6= 0

2

7/28/2019 10.1.1.29.9665


A f t e r a s e q u e n c e o f n o r m a l i z i n g t r a n s f o r m a t i o n s ( w h i c h a r e f u l l y d e s c r i b e d i n M P - S e 1 ] ) , t h e s y s t e m

w e c o n s i d e r t a k e s t h e f o r m

_x

0

( t ) = f

0

( x

0

( t ) ; x

1

( t ) ) ;

_x

i

( t ) = f

i

( x

i ? 1

( t ) ; x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) ; 1 i N ? 1 ;

_x

N

( t ) = f

N

( x

N ? 1

( t ) ; x

N

( t ) ; x

0

( t ? 1 ) )

( 1 5 )

w i t h n o n l i n e a r i t i e s s a t i s f y i n g

@ f

i

( ; ; )

@

0 ; a n d

i

@ f

i

( ; ; )

@

> 0 f o r a l l ( ; ; ) 2 I R

3

; ( 1 6 )

f o r 0 i N T h e q u a n t i t i e s

i

a r e a l l 1 , a n d h a v e b e e n n o r m a l i z e d s o t h a t

i

=

8

>

<

>

:

1 i f i 6= N ;

i f i = N

( 1 7 )

T h e q u a n t i t y

2 f ? 1 ; 1 g

i s x e d t h r o u g h o u t o u r a n a l y s i s , a n d i n d i c a t e s t h e o v e r a l l n a t u r e o f t h e f e e d b a c k , p o s i t i v e o r n e g a t i v e .

A s y s t e m o f t h e f o r m ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , ( 1 . 7 ) , i s s a i d t o b e a m o n o t o n e c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m w i t h

d e l a y , i n s t a n d a r d f e e d b a c k f o r m .

I n t h e s p e c i a l c a s e o f t h e s y s t e m ( 1 . 1 ) , w h i c h w e r e f e r t o a s a u n i d i r e c t i o n a l s y s t e m , t h e n o r m a l i z i n g

t r a n s f o r m a t i o n l e a d s t o a s y s t e m o f t h e s a m e u n i d i r e c t i o n a l f o r m ( 1 . 1 ) , b u t w i t h

i

= 0 f o r i 6= N , a n d

N

= 1 , w i t h p o s i t i v e d e r i v a t i v e s i n ( 1 . 2 ) , f o r i 6= N . T h e s i g n o f t h e d e r i v a t i v e @ f

N

= @ o f t h e n a l

f u n c t i o n c a n b e e i t h e r p o s i t i v e o r n e g a t i v e ; i n m o s t p r o b l e m s o f i n t e r e s t i n a p p l i c a t i o n s i t i s n e g a t i v e .

I n t h e c a s e

= 1 o f p o s i t i v e f e e d b a c k , t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , ( 1 . 7 ) f a l l s w i t h i n t h e r e a l m o f t h e

s o - c a l l e d c o o p e r a t i v e s y s t e m s ; s e e t h e e a r l y w o r k o f H i r s c h H i ] , a n d a l s o S m H 1 ] , S m H 3 ] , S m H 4 ] ,

a n d S m - T h ] , f o r e x a m p l e . O r b i t s o f c o o p e r a t i v e s y s t e m s h a v e a s t r o n g t e n d e n c y t o c o n v e r g e t o

e q u i l i b r i a . O n t h e o t h e r h a n d , w h e n

= ? 1 , a t t r a c t i n g p e r i o d i c o r b i t s c a n e x i s t , a n d o n e e n c o u n t e r s

d y n a m i c s q u i t e d i e r e n t f r o m t h o s e o f c o o p e r a t i v e s y s t e m s .

W e b r i e y m e n t i o n h e r e s o m e o f t h e e q u a t i o n s o f s c i e n t i c i n t e r e s t t o w h i c h o u r r e s u l t s a p p l y , a n d

d i r e c t t h e r e a d e r t o M P - S e 1 ] f o r a m o r e c o m p r e h e n s i v e b i b l i o g r a p h y . T h e w e l l - k n o w n M a c k e y - G l a s s

e q u a t i o n

_x ( t ) = ? x ( t ) + g ( x ( t ? 1 ) ) ;

3

7/28/2019 10.1.1.29.9665


w i t h m o n o t o n e g , i s o n e s u c h e q u a t i o n ; i t a p p e a r s i n s e v e r a l a r e a s , i n c l u d i n g p h y s i o l o g y , b i o l o g y , a n d

o p t i c s . S e e M a - G l ] , a n d M P - N u 1 ] a n d t h e r e f e r e n c e s t h e r e i n . M o n o t o n e c y c l i c s y s t e m s ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 )

a r i s e i n v e r s i o n s o f t h e c l a s s i c a l G o o d w i n m o d e l G o ] o f e n z y m e s y n t h e s i s w i t h d e l a y s ; s e e , f o r e x a m -

p l e , L a ] , A l ] , M D ] , B a - M a ] , H e i 1 ] , M a 1 ] , M a 2 ] , S m H 2 ] , a n d s o m e o f t h e r e f e r e n c e s i n M P - S m ] .

I n a d d i t i o n , m o d e l s i n t h e t h e o r y o f n e u r a l n e t w o r k s a r e a n o t h e r s o u r c e o f s u c h s y s t e m s ; s e e A t - B a ]

a n d B a - A t ] .

P e r h a p s t h e m o s t f a m o u s e q u a t i o n t o w h i c h o u r r e s u l t s a p p l y i s W r i g h t ' s e q u a t i o n

_y ( t ) = ? y ( t ? 1 ) ( 1 + y ( t ) ) ;

w i t h > 0 , w h i c h f o r y ( t ) > ? 1 i s e q u i v a l e n t t o

_x ( t ) = f ( x ( t ? 1 ) ) ; f ( x ) = ? ( e

x

? 1 ) ; ( 1 8 )

b y t h e c h a n g e o f v a r i a b l e s e

x

= 1 + y . N o t e t h a t ( 1 . 8 ) h a s t h e f o r m ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) , w i t h N = 0 . I t

i s a n i m m e d i a t e c o n s e q u e n c e o f o u r T h e o r e m 2 . 1 b e l o w , a n d o f t h e r e s u l t s o n M o r s e d e c o m p o s i t i o n s

i n M P ] , t h a t f o r a l a r g e c l a s s o f e q u a t i o n s o f t h e f o r m _x ( t ) = f ( x ( t ? 1 ) ) , i n c l u d i n g ( 1 . 8 ) , i f t h e o r i g i n

i s a h y p e r b o l i c e q u i l i b r i u m , t h e n e v e r y s o l u t i o n x ( t ) e n j o y s o n e o f t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s : e i t h e r

( a ) x ( t ) ! 0 a s t ! 1 ; o r

( b ) t h e o m e g a - l i m i t s e t o f t h e s o l u t i o n x ( ) i s a s i n g l e , n o n c o n s t a n t , p e r i o d i c s o l u t i o n p ( )

I n d e e d , T h e o r e m 2 . 1 i m p l i e s t h a t i f n e i t h e r ( a ) n o r ( b ) o c c u r s f o r t h i s e q u a t i o n , t h e n t h e o m e g a -

l i m i t s e t o f x ( ) c o n s i s t s o f t h e o r i g i n a n d a s e t o f o r b i t s h o m o c l i n i c t o t h e o r i g i n ; a n d t h e M o r s e

d e c o m p o s i t i o n r e s u l t s o f M P ] i m p l y t h a t t h e s i n g l e t o n s e t f 0 g c o n t a i n i n g t h e o r i g i n i s a M o r s e s e t ,

a n d h e n c e c a n h a v e n o o r b i t s h o m o c l i n i c t o i t . ( E v e n i f t h e o r i g i n i s n o t h y p e r b o l i c , o n e e x p e c t s t h e

s a m e c o n c l u s i o n s t o h o l d , b y r e n e m e n t s o f t h e r e s u l t s o f M P ] , a n d b y c e n t e r m a n i f o l d a r g u m e n t s . )

W h e t h e r ( a ) o r ( b ) h o l d s d e p e n d s o f c o u r s e o n t h e i n i t i a l c o n d i t i o n o f t h e s o l u t i o n x ( ) . A l s o ,

t h e r e i s n o c l a i m h e r e t h a t a p e r i o d i c s o l u t i o n p ( ) i n ( b ) e v e n e x i s t s , o r t h a t i t i s u n i q u e i f o n e e x i s t s .

I n p a r t i c u l a r , i f n o p e r i o d i c s o l u t i o n e x i s t s , t h e n n e c e s s a r i l y ( a ) h o l d s f o r a l l s o l u t i o n s o f i n i t i a l v a l u e

p r o b l e m s , a n d s o t h e o r i g i n i s a g l o b a l l y a s y m p t o t i c a l l y s t a b l e e q u i l i b r i u m . O n t h e o t h e r h a n d , i t i s n o t

r u l e d o u t t h a t m u l t i p l e p e r i o d i c s o l u t i o n s c a n c o e x i s t , i n w h i c h c a s e t h e l i m i t i n g o r b i t p ( ) i n c a s e ( b )

w o u l d d e p e n d o n t h e i n i t i a l c o n d i t i o n o f x ( ) . I f ( b ) h o l d s f o r s o m e h y p e r b o l i c p e r i o d i c s o l u t i o n p ( ) ,

4

7/28/2019 10.1.1.29.9665


f o r s o m e x ( ) , t h e n c e r t a i n l y x ( t ) ? p ( t + ) ! 0 a s t ! 1 , f o r s o m e 2 I R , b y a s y m p t o t i c o r b i t a l

s t a b i l i t y w i t h a s y m p t o t i c p h a s e ; b u t i f p ( ) i s n o t h y p e r b o l i c , t h e n s u c h n e e d n o t e x i s t .

W e m e n t i o n h e r e t h a t i f t h e o r i g i n i s u n s t a b l e , t h e n f o r a n o p e n , d e n s e s e t o f i n i t i a l c o n d i t i o n s ,

c o n c l u s i o n ( b ) o c c u r s , a n d t h e l i m i t i n g s o l u t i o n p ( ) i s s l o w l y o s c i l l a t i n g ( m e a n i n g t h a t V = 1 ) , a t l e a s t

f o r a c l a s s o f s c a l a r e q u a t i o n s c o n t a i n i n g W r i g h t ' s e q u a t i o n . T h e p r o o f o f t h i s r e s u l t , g i v e n i n M P - W a ] ,

u s e s q u i t e d i e r e n t t e c h n i q u e s f r o m t h o s e c o n t a i n e d h e r e i n , h o w e v e r .

O n e w o u l d e x p e c t e x t e n s i o n s o f s u c h r e s u l t s f o r s c a l a r e q u a t i o n s t o h o l d f o r t h e s y s t e m s ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) .

F o r e x a m p l e , o n e e x p e c t s t h a t e i t h e r ( a ) o r ( b ) a b o v e h o l d s f o r e a c h b o u n d e d s o l u t i o n , p r o v i d e d

t h a t x = 0 i s t h e o n l y e q u i l i b r i u m , a n d a l s o p r o v i d e d t h a t t h e l i n e a r i z a t i o n o f ( 1 . 1 ) a t x = 0 h a s

a n e v e n ( r e s p e c t i v e l y , o d d ) n u m b e r o f u n s t a b l e e i g e n v a l u e s , w h e r e t h e o v e r a l l s y s t e m h a s n e g a t i v e

( r e s p e c t i v e l y p o s i t i v e ) f e e d b a c k . S u c h a r e s u l t w o u l d b e t h e d i r e c t a n a l o g o f M P - S m , T h e o r e m 4 . 1 ] .

C o n c l u s i o n s o f t h i s s o r t r e l y u p o n t h e e x i s t e n c e o f a M o r s e d e c o m p o s i t i o n , o r a t l e a s t i n v o l v e s o m e o f

t h e i d e a s i n t h e c o n s t r u c t i o n o f a M o r s e d e c o m p o s i t i o n . A m o n g t h e s e i s t h e p r o o f o f t h e n o n e x i s t e n c e

o f s u p e r e x p o n e n t i a l s o l u t i o n s , n a m e l y s o l u t i o n s x ( t ) w h i c h a p p r o a c h t h e o r i g i n f a s t e r t h a n a n y

e x p o n e n t i a l f u n c t i o n . S u c h s o l u t i o n s w e r e r s t e x p l o r e d i n M P ] , w h e r e t h e y w e r e p r o v e d n o t t o e x i s t

o n t h e a t t r a c t o r ; t h i s r e s u l t i m p l i e s t h a t s o l u t i o n s i n t h e s t a b l e m a n i f o l d o f t h e o r i g i n a r e d e s c r i b e d

a s y m p t o t i c a l l y b y t h e a s s o c i a t e d l i n e a r i z e d e q u a t i o n . S e e a l s o C a ] a n d A r ] f o r l a t e r r e s u l t s . R e l e v a n t

q u e s t i o n s i n v o l v i n g s u p e r e x p o n e n t i a l s o l u t i o n s f o r l i n e a r s y s t e m s a r e s t u d i e d m o r e f u l l y i n M P - S e 2 ] .

W e b e l i e v e o u r r e s u l t s h e r e o p e n t h e d o o r t o a g e n e r a l i n q u i r y i n t o t h e s t r u c t u r e o f t h e a t t r a c t o r o f

t h e s y s t e m ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) . O n e e x p e c t s r e s u l t s o n c o n n e c t i n g o r b i t s b e t w e e n s e t s i n M o r s e d e c o m p o s i t i o n s ,

i n t h e s p i r i t o f s u c h r e s u l t s f o r c y c l i c s y s t e m s o f O D E ' s ( s e e G e ] , G e - M i 1 ] , a n d G e - M i 2 ] ) , a n d s c a l a r

d e l a y e q u a t i o n s ( s e e F i - M P 2 ] , M P ] , a n d M c - M i ] ) , a l t h o u g h w i t h a m o r e g e o m e t r i c , a n d l e s s t o p o l o g -

i c a l a v o r . S i m i l a r l y , t h e t r a n s v e r s a l i t y r e s u l t s i n A n ] , F u - O l ] , a n d H e n ] s h o u l d h a v e c o u n t e r p a r t s

h e r e . O t h e r p o s s i b l e e x t e n s i o n s o f t h e s e r e s u l t s w o u l d b e t o e q u a t i o n s w i t h v a r i a b l e , s t a t e - d e p e n d e n t

d e l a y s ( s e e M P - N u 2 ] a n d M P - N u 3 ] ) , a n d t o s y s t e m s w i t h d i s c r e t e t i m e ( s e e M P - S e 3 ] ) .

O u r m a i n r e s u l t s a r e T h e o r e m 2 . 1 ( t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m ) , T h e o r e m s 7 . 1 a n d 7 . 2 , a n d

T h e o r e m 8 . 1 . L e t u s b r i e y o u t l i n e t h e c o n t e n t s o f t h i s p a p e r . I n S e c t i o n 2 w e s t a t e t h e P o i n c a r e -

B e n d i x s o n t h e o r e m , a n d d e l i n e a t e t h e c l a s s o f d i e r e n t i a l d e l a y s y s t e m s w e c o n s i d e r . S e c t i o n 3 s e t s

t h e n o t a t i o n w h i l e i n S e c t i o n 4 w e p r e s e n t t h e n e c e s s a r y r e s u l t s f r o m M P - S e 1 ] o n t h e L y a p u n o v

f u n c t i o n . T h e p r o o f o f t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m o c c u p i e s S e c t i o n 5 ( w i t h p r e l i m i n a r y l e m m a s )

a n d S e c t i o n 6 ( w i t h m o r e f a m i l i a r p l a n a r a r g u m e n t s , a d a p t e d t o o u r s i t u a t i o n ) .

5

7/28/2019 10.1.1.29.9665


I n a d d i t i o n t o p r o v i n g a P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m , w e o b t a i n i n S e c t i o n 7 a n u m b e r o f p r o p e r t i e s

o f p e r i o d i c s o l u t i o n s o f m o n o t o n e f e e d b a c k s y s t e m s s u c h a s ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) . I n p a r t i c u l a r , i n T h e o r e m 7 . 1

w e g i v e c o n d i t i o n s f o r p e r i o d i c s o l u t i o n s t o b e s i n u s o i d a l , i n t h e s e n s e t h a t t h e c o o r d i n a t e f u n c t i o n s x

i

( t )

h a v e e x a c t l y o n e l o c a l m a x i m u m a n d o n e l o c a l m i n i m u m p e r p e r i o d , a n d a r e m o n o t o n e i n b e t w e e n .

T h i s i s a l w a y s t h e c a s e f o r a s y s t e m ( 1 . 1 ) w i t h ( 1 . 2 ) . A l s o , i n T h e o r e m 7 . 2 , w e s h o w u n d e r q u i t e

g e n e r a l c o n d i t i o n s t h a t w h e n t h e n o n l i n e a r i t y f i n ( 1 . 1 ) i s o d d , t h e n t h e p e r i o d i c s o l u t i o n s i n h e r i t t h e

s y m m e t r y , a n d m u s t s a t i s f y x ( t + T = 2 ) = ? x ( t ) , w h e r e T i s t h e p e r i o d . F i n a l l y , i n S e c t i o n 8 w e s h o w

i n T h e o r e m 8 . 1 t h a t , r o u g h l y , t h e m o r e r a p i d l y a s o l u t i o n o s c i l l a t e s , t h e m o r e u n s t a b l e ( i n t h e s e n s e

o f F l o q u e t m u l t i p l i e r s ) i t i s .

E a r l i e r v e r s i o n o f t h i s p a p e r , w i t h s p e c i a l e m p h a s i s o n t h e s c a l a r e q u a t i o n ( 1 . 3 ) , w e r e p r e s e n t e d

i n s e v e r a l l e c t u r e s i n t h e m i d 1 9 8 0 ' s b y t h e a u t h o r s . T h e s e p r e s e n t a t i o n s i n c l u d e d i n v i t e d l e c t u r e s a t :

t h e A M S M e e t i n g , A n a h e i m , C a l i f o r n i a , J a n u a r y , 1 9 8 5 ; t h e S I A M M e e t i n g , T e m p e , A r i z o n a , O c t o b e r ,

1 9 8 5 ; t h e I C I A M M e e t i n g , P a r i s , J u l y , 1 9 8 7 ; a n d t h e A M S M e e t i n g , A t l a n t a , J a n u a r y , 1 9 8 8 .

A c k n o w l e d g m e n t s . M a l l e t - P a r e t w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n G r a n t

D M S - 9 3 1 0 3 2 8 , b y O c e o f N a v a l R e s e a r c h C o n t r a c t N 0 0 0 1 4 - 9 2 - J - 1 4 8 1 , a n d b y A r m y R e s e a r c h O c e

C o n t r a c t D A A H 0 4 - 9 3 - G - 0 1 9 8 . S e l l w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y t h e A r m y R e s e a r c h O c e a n d b y t h e

N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n . B o t h a u t h o r s a c k n o w l e d g e t h e s u p p o r t o f t h e A r m y H i g h P e r f o r m a n c e

C o m p u t i n g R e s e a r c h C e n t e r , a n d t h e I n s t i t u t e f o r M a t h e m a t i c s a n d i t s A p p l i c a t i o n s , a t t h e U n i v e r s i t y

o f M i n n e s o t a ; t h e L e f s c h e t z C e n t e r f o r D y n a m i c a l S y s t e m s , a t B r o w n U n i v e r s i t y ; a n d t h e C e n t e r f o r

D y n a m i c a l S y s t e m s a n d N o n l i n e a r S t u d i e s , a t t h e G e o r g i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y .

6

7/28/2019 10.1.1.29.9665


2 S t a t e m e n t o f R e s u l t s

I n t h i s p a p e r w e p r o v e t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m f o r m o n o t o n e c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s w i t h

d e l a y . I n s o - c a l l e d s t a n d a r d f e e d b a c k f o r m , t h e s e a r e s y s t e m s o f N + 1 a u t o n o m o u s e q u a t i o n s ( 1 . 5 )

s a t i s f y i n g t h e m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n s ( 1 . 6 ) , w i t h ( 1 . 7 ) . H e r e e a c h n o n l i n e a r i t y f

i

i s a s s u m e d C

1

o n

I R

3

, o r o n I R

2

i n t h e c a s e o f f

0

( w h e n i = 0 , t h e v a r i a b l e i s a b s e n t , t h a t i s , w e c o n s i d e r f

0

( ; ) a s a

f u n c t i o n o f a n d o n l y ) .

T h e c a s e N = 0 o f a s c a l a r e q u a t i o n i s i n c l u d e d i n o u r t h e o r y . W h e n N = 0 , w e i n t e r p r e t t h e

s y s t e m ( 1 . 5 ) a s

_x

0

( t ) = f

0

( x

0

( t ) ; x

0

( t ? 1 ) ) ;

a n d t h e m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n s ( 1 . 6 ) b e c o m e

0

@ f

0

( ; )

@

> 0 f o r a l l ( ; ) 2 I R

2

;

0

=

2 f ? 1 ; 1 g

I n o u r s u b s e q u e n t a n a l y s i s , s u c h s l i g h t n o t a t i o n a l m o d i c a t i o n s w i l l b e n e c e s s a r y i n t h i s s c a l a r c a s e ,

a l t h o u g h w e s h a l l n o t g e n e r a l l y m e n t i o n t h e i r o c c u r r e n c e .

O b s e r v e i n ( 1 . 6 ) t h a t o n l y t h e s e c o n d i n e q u a l i t y n e e d b e s t r i c t . I n m a n y s y s t e m s o f i n t e r e s t , i n

f a c t , t h e r s t v a r i a b l e i s a b s e n t f r o m e a c h e q u a t i o n ( n o t j u s t f r o m t h e e q u a t i o n f o r _x

0

( t ) ) , g i v i n g

r i s e t o a s o - c a l l e d u n i d i r e c t i o n a l s y s t e m

_x

i

( t ) = f

i

( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) ; 0 i N ? 1 ;

_x

N

( t ) = f

N

( x

N

( t ) ; x

0

( t ? 1 ) )

( 2 1 )

W e n o w s t a t e o u r m a i n r e s u l t . S o m e u n f a m i l i a r n o t a t i o n a n d t e r m i n o l o g y i n t h e s t a t e m e n t o f t h i s

t h e o r e m w i l l b e e x p l a i n e d i n t h e n e x t s e c t i o n .

T h e o r e m 2 . 1 ( T h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n T h e o r e m ) . C o n s i d e r t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) w i t h C

1

n o n l i n -

e a r i t i e s s a t i s f y i n g ( 1 . 6 ) . L e t x ( t ) b e a s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) o n s o m e i n t e r v a l t

0

; 1 ) , a n d a s s u m e t h a t x ( t )

i s b o u n d e d i n I R

N + 1

a s t ! 1 . L e t ! ( x ) C ( I K ) d e n o t e t h e o m e g a - l i m i t s e t o f t h i s s o l u t i o n i n t h e

p h a s e s p a c e C ( I K ) . T h e n e i t h e r

( a ) ! ( x ) i s a s i n g l e n o n - c o n s t a n t p e r i o d i c o r b i t ; o r e l s e

( b ) f o r e a c h s o l u t i o n u ( t ) o f ( 1 . 5 ) i n ! ( x ) , t h a t i s , f o r s o l u t i o n s w i t h u

t

2 ! ( x ) f o r a l l t 2 I R , w e

h a v e t h a t

( u ) ! ( u ) E ;

7

7/28/2019 10.1.1.29.9665


w h e r e ( u ) a n d ! ( u ) d e n o t e t h e a l p h a - a n d o m e g a - l i m i t s e t s , r e s p e c t i v e l y , o f t h i s s o l u t i o n , a n d

w h e r e E C ( I K ) d e n o t e s t h e s e t o f e q u i l i b r i u m p o i n t s o f ( 1 . 5 ) .

I n a n y c a s e , e a c h p l a n a r p r o j e c t i o n f u n c t i o n

i

: ! ( x ) !

i

( ! ( x ) ) I R

2

;

f o r 0 i N , i s o n e - t o - o n e , a n d s o e m b e d s t h e c o m p a c t s e t ! ( x ) h o m e o m o r p h i c a l l y i n t h e p l a n e .

W e r e m a r k t h a t c a s e ( b ) o f t h e t h e o r e m c o v e r s t h e s i m p l e s t s i t u a t i o n i n w h i c h t h e o m e g a - l i m i t s e t

! ( x ) i s j u s t a s i n g l e e q u i l i b r i u m p o i n t , t h a t i s , w h e n x ( t ) a p p r o a c h e s a s i n g l e e q u i l i b r i u m a s t ! 1

W e a l s o n o t e t h a t i n c a s e ( b ) , i f t h e e q u i l i b r i a a r e n o t i s o l a t e d p o i n t s , o n e c a n n o t c o n c l u d e t h a t u ( t )

a p p r o a c h e s a s i n g l e e q u i l i b r i u m a s e i t h e r t ! 1 o r t ! ? 1 . T h a t i s , e i t h e r ( u ) o r ! ( u ) c o u l d

c o n c e i v a b l e b e a c o n t i n u u m o f e q u i l i b r i u m p o i n t s . O n t h e o t h e r h a n d , i f a l l e q u i l i b r i a a r e i s o l a t e d ,

t h e n i n c a s e ( b ) e a c h s e t ( u ) a n d ! ( u ) i s c o n n e c t e d a n d h e n c e i s a s i n g l e e q u i l i b r i u m .

8

7/28/2019 10.1.1.29.9665


3 N o t a t i o n a n d P r e l i m i n a r i e s

T h e n a t u r a l p h a s e s p a c e f o r t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) i s t h e B a n a c h s p a c e C ( I K ) , w h e r e

I K = ? 1 ; 0 f 1 ; 2 ; : : : ; N g

T h i s s p a c e i s a s l i g h t m o d i c a t i o n o f t h e s p a c e C ( ? 1 ; 0 ; I R

N + 1

) f o u n d i n H a - V L ] , a n d i s a d a p t e d t o

s u i t t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) i n w h i c h a d e l a y a p p e a r s o n l y i n t h e l a s t v a r i a b l e . F o r e a s e o f n o t a t i o n w e s h a l l

d e n o t e C = C ( I K ) . I f x ( ) i s a s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) o n s o m e i n t e r v a l , t h e n w e l e t x

t

2 C b e d e n e d b y

x

t

( ) =

8

>

<

>

:

x

0

( t + ) f o r 2 ? 1 ; 0 ;

x

( t ) f o r 2 f 1 ; 2 ; : : : ; N g ;

a t l e a s t w h e r e t h i s m a k e s s e n s e . G e n e r a l l y , w h e n w e s a y t h a t x ( ) i s a s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) o n a n i n t e r v a l

I , w e m e a n t h a t x ( ) i s C

1

o n I , t h a t i n a d d i t i o n t h e c o o r d i n a t e f u n c t i o n x

0

( ) i s C

0

o n t h e l a r g e r

i n t e r v a l

~

I = f t + t 2 I a n d 2 ? 1 ; 0 g

w h i c h e x t e n d s t o t h e l e f t o f I b y o n e u n i t , a n d o f c o u r s e t h a t x ( t ) s a t i s e s t h e d i e r e n t i a l e q u a t i o n s ( 1 . 5 )

f o r t 2 I . F o r c o n v e n i e n c e o f n o t a t i o n w e s h a l l o f t e n w r i t e

x

N + 1

( t ) = x

0

( t ? 1 ) ;

a l t h o u g h w e o b s e r v e t h a t N + 1 62 I K , a n d t h a t x

N + 1

( ) i s n o t o n e o f t h e c o o r d i n a t e f u n c t i o n s i n t h e

s y s t e m o f d i e r e n t i a l e q u a t i o n s ( 1 . 5 ) . W e l e t E C d e n o t e t h e s e t o f e q u i l i b r i a f o r t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) .

O f c o u r s e , e a c h 2 E i s a c o n s t a n t f u n c t i o n o n I K

W e m e n t i o n h e r e t h e p l a n a r p r o j e c t i o n f u n c t i o n s

i

: C ! I R

2

, f o r 0 i N , d e n e d b y

i

' =

8

>

<

>

:

( ' ( i ) ; ' ( i + 1 ) ) f o r 0 i N ? 1 ;

( ' ( N ) ; ' ( ? 1 ) ) f o r i = N

( 3 1 )

T h e s e f u n c t i o n s a p p e a r i n t h e s t a t e m e n t o f T h e o r e m 2 . 1 , a n d w i l l p l a y a p r o m i n e n t r o l e i n o u r a n a l y s i s .

A n i n i t i a l v a l u e p r o b l e m f o r ( 1 . 5 ) i s p o s e d b y s e t t i n g x

t

0 = ' f o r s o m e t

0

2 I R a n d ' 2 C , a n d t h i s

y i e l d s a u n i q u e s o l u t i o n x ( ) o n a m a x i m a l i n t e r v a l t

0

; t

) t o t h e r i g h t o f t

0

. T h e ( f o r w a r d ) o r b i t o f

t h i s s o l u t i o n i n p h a s e s p a c e i s t h e s e t

+

( ' ) = f x

t

t 2 t

0

; t

) g C ;

9

7/28/2019 10.1.1.29.9665


a n d w e a l s o d e n e

+

T

( ' ) = f x

t

t 2 t

0

+ T ; t

) g C

f o r a n y T 0 I f t

< 1 , t h e n k x

t

k ! 1 a s t ! t

( w h e r e k k d e n o t e s t h e n o r m i n C ) , a n d s o

i f

+

( ' ) i s b o u n d e d t h e n n e c e s s a r i l y t

= 1 ; i n f a c t , t h e c l o s u r e

+

( ' ) i s c o m p a c t i n t h i s c a s e . I n

a d d i t i o n , w h e n t

= 1 t h e o m e g a - l i m i t s e t ! ( ' )

+

( ' ) i s d e n e d a s

! ( ' ) = f 2 C t h e r e e x i s t s t

n

! 1 s u c h t h a t x

t

n

! g ;

a n d s a t i s e s t h e s t a n d a r d p r o p e r t i e s . I n p a r t i c u l a r , i f

+

( ' ) i s b o u n d e d t h e n ! ( ' ) i s n o n e m p t y ,

c o m p a c t , c o n n e c t e d , a n d i n v a r i a n t . ( W e s a y t h a t a s u b s e t A C i s i n v a r i a n t , m e a n i n g b o t h p o s i t i v e l y

a n d n e g a t i v e l y i n v a r i a n t , i f T ( t ) A = A f o r e a c h t 0 , w h e r e T ( t ) d e n o t e s t h e t i m e t s o l u t i o n o p e r a t o r

o f t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) . ) A l s o , t h r o u g h e a c h 2 ! ( ' ) t h e r e e x i s t s a t w o - s i d e d s o l u t i o n u ( ) i n ! ( ' ) , t h a t

i s , a s o l u t i o n s a t i s f y i n g u

0

= a n d u

t

2 ! ( ' ) f o r a l l t 2 I R

I f a s o l u t i o n x ( ) , w i t h x

t

0

= ' , i s d e n e d f o r t ! ? 1 , w e m a y a l s o c o n s i d e r t h e b a c k w a r d o r b i t

?

( ' ) a n d t h e a l p h a - l i m i t s e t ( ' ) , d e n e d a n a l o g o u s l y . O f c o u r s e f o r g e n e r a l ' 2 C , t h e r e m a y n o t

e x i s t a b a c k w a r d s o l u t i o n . W h e n o n e e x i s t s , h o w e v e r , i t i s u n i q u e ; t h i s f a c t i m p l i e s t h a t i f A C i s a

c o m p a c t i n v a r i a n t s e t , t h e n T ( t ) g e n e r a t e s a ( t w o - s i d e d ) o w o n A

T o p r o v e b a c k w a r d u n i q u e n e s s , s u p p o s e t h a t x ( ) a n d u ( ) a r e b o t h s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) o n a n i n t e r v a l

I , a n d t h a t x

t

0 = u

t

0 a t s o m e t

0

2 I . W e c l a i m t h a t x

t

= u

t

f o r a l l t 2 I w i t h t t

0

, a n d h e n c e f o r

a l l t 2 I . T o p r o v e t h i s c l a i m i t i s e n o u g h t o s h o w t h a t x

t

= u

t

f o r a l l t 2 t

0

? 1 ; t

0

\ I . L e t t i n g

J = t

0

? 1 ; t

0

\ I , a n d a s s u m i n g t h i s i n t e r v a l h a s p o s i t i v e l e n g t h , w e h a v e t h a t x

0

( t ) = u

0

( t ) a n d

h e n c e t h a t _x

0

( t ) = _u

0

( t ) f o r a l l t 2 J , a s x

t

0

= u

t

0

. T h e r s t e q u a t i o n i n ( 1 . 5 ) , a n d i n p a r t i c u l a r t h e

s t r i c t m o n o t o n i c i t y o f f

0

i n i t s s e c o n d a r g u m e n t , i m p l i e s t h a t x

1

( t ) = u

1

( t ) f o r a l l t 2 J . C o n t i n u i n g

i n t h i s f a s h i o n s u c c e s s i v e l y w i t h t h e r e m a i n i n g e q u a t i o n s o f ( 1 . 5 ) , a n d u s i n g t h e s t r i c t m o n o t o n i c i t y o f

f

i

i n i t s l a s t a r g u m e n t , w e s e e t h a t x

i

( t ) = u

i

( t ) f o r a l l t 2 J , f o r 0 i N + 1 . T h i s n o w g i v e s t h e

d e s i r e d c o n c l u s i o n .

L e t u s n a l l y d e n o t e

C

1

= C

1

( I K ) = f ' 2 C t h e r e s t r i c t i o n '

? 1 0

i s c o n t i n u o u s l y d i e r e n t i a b l e g ;

a n d o b s e r v e t h a t f o r a s o l u t i o n x ( ) o n t

0

; t

) w e h a v e t h a t x

t

2 C

1

f o r a l l t 2 t

0

+ 1 ; t

) . I n f a c t , t h e

t i m e t m a p T ( t ) , f o r t 1 , i s c o n t i n u o u s f r o m C i n t o C

1

. I t f o l l o w s e a s i l y t h a t i f A C i s a b o u n d e d

i n v a r i a n t s e t w i t h c o m p a c t c l o s u r e A , t h e n A C

1

. T h e c l o s u r e o f A i n t h e C

1

t o p o l o g y y i e l d s t h e

s a m e s e t A a s f o r t h e t o p o l o g y o f C , a n d t h e t o p o l o g i e s i n d u c e d o n A f r o m C a n d C

1

a r e e q u i v a l e n t .

1 0

7/28/2019 10.1.1.29.9665


4 T h e D i s c r e t e L y a p u n o v F u n c t i o n

T h e d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n s

V

+

; V

?

: C n f 0 g ! f 0 ; 1 ; 2 ; : : : ; 1 g ;

d e n e d i n M P - S e 1 ] a n d d i s c u s s e d b e l o w , a r e a s s o c i a t e d w i t h s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s . T h e

s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s a r e a c l a s s o f s y s t e m s r e l a t e d t o , b u t d i s t i n c t f r o m , t h e m o n o t o n e c y c l i c

f e e d b a c k s y s t e m s ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) . G e n e r a l l y , b y a s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m w e m e a n a n o n a u t o n o m o u s

s y s t e m

_y

0

( t ) = g

0

( t ; y

0

( t ) ; y

1

( t ) ) ;

_y

i

( t ) = g

i

( t ; y

i ? 1

( t ) ; y

i

( t ) ; y

i + 1

( t ) ) ; 1 i N ;

_y

N

( t ) = g

N

( t ; y

N ? 1

( t ) ; y

N

( t ) ; y

0

( t ? 1 ) ) ;

( 4 1 )

i n w h i c h t h e n o n l i n e a r i t i e s s a t i s f y t h e s i g n c o n d i t i o n s

g

i

( t ; ; 0 ; )

8

>

<

>

:

> 0 i f b o t h 0 a n d

i

> 0 ;

< 0 i f b o t h 0 a n d

i

< 0 ;

( 4 2 )

f o r 0 i N a n d f o r e a c h t ( w i t h t h e v a r i a b l e a b s e n t i n ( 4 . 2 ) w h e n i = 0 , a s b e f o r e ) . T h e q u a n t i t i e s

i

a r e a s i n ( 1 . 7 ) , a n d w e a s s u m e t h e t e r m s g

i

( t ; ; ; ) i n t h e r i g h t - h a n d s i d e o f ( 4 . 1 ) , f o r 0 i N ,

a r e c o n t i n u o u s i n t ( i n s o m e i n t e r v a l I ) a n d C

1

i n ( ; ; ) 2 I R

3

. G e n e r a l l y , t h e f u n c t i o n V

d e s c r i b e d

b e l o w i s a L y a p u n o v f u n c t i o n f o r t h e s y s t e m ( 4 . 1 ) s a t i s f y i n g ( 4 . 2 ) , w h e r e d e n o t e s t h e s i g n o f t h e

f e e d b a c k c o n s t a n t

T h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e s y s t e m s ( 1 . 5 ) a n d ( 4 . 1 ) i s s t r a i g h t f o r w a r d , a n d s t a n d a r d i n t h e c o n t e x t

o f r e l a t e d r e s u l t s F i - M P 1 ] , M P - S m ] . L e t u s w r i t e t h e m o n o t o n e s y s t e m ( 1 . 5 ) a s _x ( t ) = f ( x

t

) , w h e r e

f : C ! I R

N + 1

, a n d l e t x ( ) a n d x ( ) b e a n y t w o s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) o n s o m e i n t e r v a l I . C o n s i d e r t h e

d i e r e n c e y ( t ) = x ( t ) ? x ( t ) . T h e n

_y ( t ) = f ( x

t

) ? f ( x

t

)

= f ( y

t

+ x

t

) ? f ( x

t

) = g ( t ; y

t

) ;

w h e r e g : I C ! I R

N + 1

i s d e n e d a s

g ( t ; ' ) = f ( ' + x

t

) ? f ( x

t

)

1 1

7/28/2019 10.1.1.29.9665


I t i s e a s y t o v e r i f y t h a t g h a s t h e f o r m ( 4 . 1 ) a n d s a t i s e s t h e s i g n c o n d i t i o n s ( 4 . 2 ) , i f f s a t i s e s t h e

m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n s ( 1 . 6 ) . ( O f c o u r s e , t h e n o n l i n e a r i t y g d e p e n d s o n t h e s o l u t i o n x ( ) c h o s e n . )

A n i n n i t e s i m a l v e r s i o n o f t h e a b o v e c o n s t r u c t i o n a l s o c a n b e m a d e . I f x ( ) i s a n y s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) ,

t h e n w e m a y c o n s i d e r t h e l i n e a r v a r i a t i o n a l e q u a t i o n

_y ( t ) = g ( t ; y

t

) ; w h e r e g ( t ; ' ) = f

0

( x

t

) ' ; ( 4 3 )

w h e r e f

0

( ) , f o r a n y 2 C , i s t h e F r e c h e t d e r i v a t i v e o f f : C ! I R

N + 1

a t A g a i n , t h i s g h a s t h e

f o r m ( 4 . 1 ) a n d s a t i s e s t h e s i g n c o n d i t i o n s ( 4 . 2 ) , i f f s a t i s e s t h e m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n s ( 1 . 6 ) . O f

c o u r s e , y ( t ) = _x ( t ) i s a p a r t i c u l a r s o l u t i o n o f ( 4 . 3 ) .

W e r e m a r k h e r e t h a t y ( t ) 0 i s a l w a y s a s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) , a n d a l s o t h a t b a c k w a r d u n i q u e n e s s

h o l d s f o r t h i s s o l u t i o n . T h a t i s , i f y ( ) i s a s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) o n a n i n t e r v a l I , a n d i f y

t

0 = 0

f o r s o m e t

0

2 I , t h e n y

t

= 0 f o r a l l t 2 I . T h e p r o o f o f t h i s f a c t i s s i m i l a r t o t h e p r o o f o f b a c k w a r d

u n i q u e n e s s f o r ( 1 . 5 ) g i v e n i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . B y a n o n t r i v i a l s o l u t i o n o f t h e s y s t e m ( 4 . 1 ) , w e

m e a n a s o l u t i o n f o r w h i c h y

t

6= 0

L e t u s n o w r e c a l l t h e d e n i t i o n o f t h e f u n c t i o n s V

g i v e n i n M P - S e 1 ] . F i r s t , f o r a n y ' 2 C n f 0 g

d e n e t h e n u m b e r o f s i g n c h a n g e s

s c ( ' ) = s u p f k 1 t h e r e e x i s t

0

<

1

< <

k

w i t h

e a c h

i

2 I K a n d ' (

i ? 1

) ' (

i

) < 0 f o r 1 i k g ;

( 4 4 )

w i t h t h e c o n v e n t i o n t h a t s c ( ' ) = 0 i f e i t h e r ' ( ) 0 , o r ' ( ) 0 f o r a l l 2 I K . W e c o n s i d e r s c ( 0 ) t o

b e u n d e n e d . C e r t a i n l y , s c ( ' ) = 1 i s p o s s i b l e i n ( 4 . 4 ) . N o w s e t

V

+

( ' ) =

8

>

<

>

:

s c ( ' ) i f s c ( ' ) i s e v e n o r i n n i t e ;

s c ( ' ) + 1 i f s c ( ' ) i s o d d ;

V

?

( ' ) =

8

>

<

>

:

s c ( ' ) i f s c ( ' ) i s o d d o r i n n i t e ;

s c ( ' ) + 1 i f s c ( ' ) i s e v e n ;

( 4 5 )

a n d s o

V

+

: C n f 0 g ! f 0 ; 2 ; 4 ; : : : ; 1 g ; V

?

: C n f 0 g ! f 1 ; 3 ; 5 ; : : : ; 1 g

T h e f o l l o w i n g r e s u l t i s p r o v e d i n M P - S e 1 , T h e o r e m 2 . 1 ] .

1 2

7/28/2019 10.1.1.29.9665


T h e o r e m 4 . 1 . L e t y ( ) b e a n o n t r i v i a l s o l u t i o n o f t h e s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) , o n

a n i n t e r v a l I , a n d l e t d e n o t e t h e s i g n o f t h e f e e d b a c k c o n s t a n t

f o r t h i s s y s t e m T h e n V

( y

t

) i s a

n o n i n c r e a s i n g f u n c t i o n o f t , t h a t i s ,

V

( y

t

1

) V

( y

t

2

) i f t

1

t

2

w i t h t

1

; t

2

2 I

A n i m m e d i a t e c o n s e q u e n c e o f T h e o r e m 4 . 1 a n d t h e d i s c u s s i o n a b o v e i s t h a t i f x ( ) a n d x ( ) a r e

t w o d i e r e n t s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , t h e n

V

( x

t

? x

t

) i s n o n i n c r e a s i n g i n t ;

a n d t h a t i f x ( ) i s a n o n c o n s t a n t s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , t h e n

V

( _x

t

) i s n o n i n c r e a s i n g i n t

A s e c o n d r e s u l t M P - S e 1 , T h e o r e m 2 . 2 a n d P r o p o s i t i o n 2 . 3 ] c o n c e r n s p o i n t s a t w h i c h V

( y

t

) m u s t

d r o p s t r i c t l y .

T h e o r e m 4 . 2 . L e t y ( ) b e a n o n t r i v i a l s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) o n a n i n t e r v a l I , S u p p o s e f o r s o m e

t 2 I t h a t a l s o t ? 3 2 I , a n d t h a t a t t h i s t i m e t o n e o f t h e f o l l o w i n g o c c u r s : e i t h e r

( a ) y

i

( t ) = y

i + 1

( t ) = 0 f o r s o m e i w i t h 0 i N ; o r

( b ) y

i

( t ) = 0 a n d

i

y

i ? 1

( t ) y

i + 1

( t ) > 0 f o r s o m e i w i t h 1 i N

T h e n e i t h e r

V

( y

t

) < V

( y

t ? 3

) o r V

( y

t

) = 1

W e n o t e t h e f o l l o w i n g c o n s e q u e n c e o f T h e o r e m s 4 . 1 a n d 4 . 2 . S u p p o s e t h a t y ( ) i s a n o n t r i v i a l

s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) o n a n i n n i t e i n t e r v a l t

0

; 1 ) S u p p o s e a l s o t h a t V

( y

t

) < 1 f o r l a r g e t ( t h i s i s

n e c e s s a r i l y t h e c a s e i f V

( y

t

0

) < 1 f o r t h e i n i t i a l c o n d i t i o n ) . T h e n V

( y

t

) i s c o n s t a n t a n d n i t e f o r

l a r g e t , b y T h e o r e m 4 . 1 , a n d s o n e i t h e r ( a ) n o r ( b ) o f T h e o r e m 4 . 2 c a n o c c u r f o r l a r g e t . C o n d i t i o n ( a )

i s o f p a r t i c u l a r i n t e r e s t f o r o u r p u r p o s e s , a n d w e m a y e x p r e s s i t a s

i

y

t

6= 0 f o r a l l l a r g e t ; a n d 0 i N ;

1 3

7/28/2019 10.1.1.29.9665


w h e r e

i

i s t h e p l a n a r p r o j e c t i o n f u n c t i o n ( 3 . 1 ) . I n c a s e y ( t ) = x ( t ) ? x ( t ) i s t h e d i e r e n c e o f t w o

s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , w e h a v e t h a t

i

x

t

6=

i

x

t

f o r a l l l a r g e t ; a n d 0 i N

S u p p o s e t h a t y ( ) i s a n o n t r i v i a l s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) o n a n i n t e r v a l I , a n d t h a t f o r s o m e t 2 I

w e a l s o h a v e t ? 4 2 I , a n d

V

( y

t

) = V

( y

t ? 4

) < 1

F o r a n y 2 ? 1 ; 0 ] w e h a v e t ? 4 t + ? 3 t + t ; a n d h e n c e

V

( y

t +

) = V

( y

t + ? 3

) < 1 ( 4 6 )

b y T h e o r e m 4 . 1 . W e c l a i m t h a t

( y

0

( t + ) ; _y

0

( t + ) ) 6= ( 0 ; 0 ) ( 4 7 )

I n d e e d , b y ( 4 . 6 ) a n d T h e o r e m 4 . 2 w e h a v e t h a t ( y

0

( t + ) ; y

1

( t + ) ) 6= ( 0 ; 0 ) ; s o i f y

0

( t + ) = 0 t h e n

n e c e s s a r i l y

_y

0

( t + ) = g

0

( t + ; 0 ; y

1

( t + ) ) 6= 0 ( 4 8 )

b y t h e s t r i c t i n e q u a l i t i e s i n ( 4 . 2 ) . F r o m t h i s ( 4 . 7 ) f o l l o w s . W e m a y e x p r e s s ( 4 . 7 ) b y s a y i n g t h a t a l l

z e r o s o f y

t

2 C

1

i n t h e i n t e r v a l ? 1 ; 0 I K a r e s i m p l e , n a m e l y t h a t

_y

t

( ) 6= 0 w h e n e v e r y

t

( ) = 0 f o r s o m e 2 ? 1 ; 0 ( 4 9 )

N o t e i n f a c t t h a t

0

_y

0

( t + ) y

1

( t + ) > 0 , w h i c h f o l l o w s f r o m ( 4 . 2 ) a n d ( 4 . 8 ) . A t = 0 w e m a y e x p r e s s

t h i s f a c t a s

0

_y

t

( 0 ) y

t

( 1 ) > 0 w h e n e v e r y

t

( 0 ) = 0 ( 4 1 0 )

i n t h e e l e m e n t y

t

2 C

L e t u s f o r m a l l y s u m m a r i z e t h e a b o v e o b s e r v a t i o n s , t o g e t h e r w i t h a n a d d i t i o n a l o b s e r v a t i o n , a s a

t h e o r e m . W e r s t d e n e a s e t S C

1

a s f o l l o w s . L e t

S

i

= f ' 2 C

1

i f ' ( i ) = 0 t h e n

i

' ( i ? 1 ) ' ( i + 1 ) < 0 g ( 4 1 1 )

1 4

7/28/2019 10.1.1.29.9665


f o r 1 i N ; w i t h t h e c o n v e n t i o n t h a t ' ( N + 1 ) = ' ( ? 1 ) . A l s o l e t

S

0

= f ' 2 C

1

i f ' ( 0 ) = 0 t h e n

0

_' ( 0 ) ' ( 1 ) > 0 g ;

S

? 1

= f ' 2 C

1

i f ' ( ? 1 ) = 0 t h e n

N

' ( N ) _' ( ? 1 ) < 0 g ;

S

= f ' 2 C

1

i f ' ( ) = 0 f o r s o m e 2 ? 1 ; 0 ] t h e n _' ( ) 6= 0 g ;

( 4 1 2 )

a n d s e t

S =

0

@

N

\

i = ? 1

S

i

1

A

\ S

C l e a r l y , S i s a n o p e n d e n s e s u b s e t o f C

1

, i n t h e t o p o l o g y o f C

1

. L e t u s a l s o n o t e , f o r f u t u r e u s e , t h a t

i

' 6= 0 2 I R

2

i f ' 2 S ; f o r 0 i N ; ( 4 1 3 )

w h e r e

i

i s g i v e n b y ( 3 . 1 ) . W e h a v e t h e f o l l o w i n g r e s u l t , w h i c h s t a t e s t h a t V

( y

t

) n e c e s s a r i l y d r o p s

i n v a l u e ( i f i t i s n i t e ) w h e n e v e r y

t

l e a v e s S

T h e o r e m 4 . 3 . L e t y ( ) b e a n o n t r i v i a l s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) o n a n i n t e r v a l I . S u p p o s e f o r s o m e

t 2 I t h a t a l s o t ? 4 2 I , a n d t h a t

V

( y

t

) = V

( y

t ? 4

) < 1 ( 4 1 4 )

T h e n

y

t

2 S ;

a n d i n p a r t i c u l a r ,

i

y

t

6= 0 f o r 0 i N ( 4 1 5 )

P r o o f . C e r t a i n l y V

( y

t

) = V

( y

t ? 3

) < 1 f o l l o w s f r o m ( 4 . 1 4 ) , s o b y T h e o r e m 4 . 2 w e i m m e d i a t e l y

c o n c l u d e t h a t y

t

2 S

i

f o r e a c h i w i t h 1 i N . T h i s i s e a s i l y s e e n t o i m p l y ( 4 . 1 5 ) . A l s o , ( 4 . 9 )

a n d ( 4 . 1 0 ) i m p l y , r e s p e c t i v e l y , t h a t y

t

2 S

a n d t h a t y

t

2 S

0

. A l l t h a t r e m a i n s t h e n i s t o p r o v e t h a t

y

t

2 S

? 1

S u p p o s e y

t

( ? 1 ) = 0 ; t h a t i s , y

0

( t ? 1 ) = 0 . W e k n o w t h a t y

t

2 S

N

, a n d c o n c l u d e f r o m t h i s t h a t

y

t

( N ) = y

N

( t ) 6= 0 ; a l s o , y

t

2 S

, w h i c h i m p l i e s t h a t _y

t

( ? 1 ) = _y

0

( t ? 1 ) 6= 0 . T h e r e f o r e , i f y

t

62 S

? 1

t h e n n e c e s s a r i l y

N

y

N

( t ) _y

0

( t ? 1 ) > 0 ( 4 1 6 )

1 5

7/28/2019 10.1.1.29.9665


7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f . T h e l o w e r s e m i c o n t i n u i t y o f V

f o l l o w s f r o m t h e l o w e r s e m i c o n t i n u i t y o f t h e f u n c t i o n s c , w h i c h

f o l l o w s i m m e d i a t e l y f r o m t h e d e n i t i o n ( 4 . 4 ) .

N o w t a k e ' 2 S . T h e s i m p l i c i t y o f t h e z e r o s o f ' i n ? 1 ; 0 ] i m p l y t h a t s c ( ' ) < 1 , h e n c e

V

( ' ) < 1 I f i n a d d i t i o n b o t h ' ( ? 1 ) 6= 0 a n d ' ( N ) 6= 0 , t h e n b y u s i n g t h e d e n i t i o n s ( 4 . 1 1 ) , ( 4 . 1 2 )

o f S

i

f o r 0 i N ? 1 o n e e a s i l y s e e s t h a t s c ( ) = s c ( ' ) , h e n c e t h a t V

( ) = V

( ' ) , f o r n e a r '

i n C

1

O n t h e o t h e r h a n d , s u p p o s e t h a t ' ( ? 1 ) = 0 o r ' ( N ) = 0 , w i t h ' 2 S ; a s ' 2 S

? 1

, t h e s e q u a n t i t i e s

c a n n o t b o t h v a n i s h . S u p p o s e r s t t h a t ' ( ? 1 ) = 0 a n d ' ( N ) 6= 0 ; s a y ' ( N ) > 0 . F o r d e n i t e n e s s a l s o

a s s u m e t h a t

= 1 ; t h a t i s

N

= 1 , t h e c a s e o f

= ? 1 b e i n g t r e a t e d s i m i l a r l y . T h e d e n i t i o n ( 4 . 1 2 ) o f

S

? 1

i m p l i e s t h a t _' ( ? 1 ) < 0 , s o i n p a r t i c u l a r s c ( ' ) i s o d d . O n e s e e s m o r e o v e r t h a t a n y C

1

p e r t u r b a t i o n

o f ' t o c a n i n t r o d u c e a t m o s t o n e m o r e s i g n c h a n g e , n a m e l y o n e n e a r = ? 1 . T h a t i s , f o r s o m e

" > 0 ,

s c ( ) 2 f s c ( ' ) ; s c ( ' ) + 1 g i f k ? ' k

C

1 < " ( 4 1 9 )

T h e d e n i t i o n ( 4 . 5 ) o f V

+

a n d t h e o d d n e s s o f s c ( ' ) n o w i m p l y f r o m ( 4 . 1 9 ) t h a t

V

+

( ) = V

+

( ' ) = s c ( ' ) + 1 i f k ? ' k

C

1 < " ( 4 2 0 )

F i n a l l y , s u p p o s e t h a t ' ( N ) = 0 b u t ' ( ? 1 ) 6= 0 , s a y ' ( ? 1 ) > 0 . W e s t i l l t a k e

= 1 . T h e n t h e

d e n i t i o n ( 4 . 1 1 ) o f S

N

i m p l i e s t h a t ' ( N ? 1 ) < 0 , s o a g a i n s c ( ' ) i s o d d . O n e e a s i l y v e r i e s t h a t ( 4 . 1 9 )

a n d h e n c e ( 4 . 2 0 ) h o l d , a s b e f o r e . I n a n y c a s e , w e c o n c l u d e ( 4 . 1 8 ) , a s d e s i r e d .

I n o r d e r t o u s e t h e t h e a b o v e r e s u l t s , i t i s i m p o r t a n t t o k n o w w h e n V

( y

t

) < 1 . T h e f o l l o w i n g

r e s u l t i s e a s i l y a d a p t e d f r o m M P - S e 1 , T h e o r e m 2 . 4 ] .

T h e o r e m 4 . 5 . L e t y ( ) b e a s o l u t i o n o f ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) o n a n i n t e r v a l I = ( ? 1 ; t

) . A s s u m e t h a t y ( t )

i s b o u n d e d a s t ! ? 1 , s a y y

i

( t ) R f o r s o m e R , f o r a l l s u c i e n t l y n e g a t i v e t a n d e a c h i . A l s o

a s s u m e f o r s o m e c o n s t a n t B t h a t

@ g

i

( t ;

i ? 1

;

i

;

i + 1

)

@

j

B f o r

i 1

;

i

R a n d a l l s u c i e n t l y n e g a t i v e t ;

f o r e a c h j = i ? 1 ; i ; i + 1 a n d 0 i N ( o f c o u r s e o m i t t i n g j = ? 1 w h e n i = 0 ) . T h e n

V

( y

t

) < 1 f o r a l l t 2 I

1 7

7/28/2019 10.1.1.29.9665


T h e f o l l o w i n g r e s u l t i s a n i m m e d i a t e c o n s e q u e n c e o f T h e o r e m 4 . 5 a n d o u r e a r l i e r d i s c u s s i o n o f t h e

r e l a t i o n b e t w e e n t h e s y s t e m s ( 1 . 5 ) a n d ( 4 . 1 ) .

C o r o l l a r y 4 . 6 . L e t x ( ) a n d x ( ) b e s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) o n a n i n t e r v a l I = ( ? 1 ; t

) , a n d a s s u m e

t h a t b o t h x ( t ) a n d x ( t ) a r e b o u n d e d a s t ! ? 1 . T h e n f o r a l l t 2 I

V

( x

t

? x

t

) < 1 p r o v i d e d x

t

6= x

t

; a n d

V

( _x

t

) < 1 p r o v i d e d _x

t

6= 0

W e m e n t i o n , a s a n i l l u s t r a t i v e e x a m p l e , o n e c o n s e q u e n c e o f o u r r e s u l t s s o f a r . S u p p o s e t h a t x ( )

i s a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , s a y w i t h m i n i m u m p e r i o d T > 0 , t h a t i s ,

x

t

= x

s

i f a n d o n l y i f t s ( m o d T )

T a k e a n y c 2 ( 0 ; T ) , l e t x ( t ) = x ( t + c ) , a n d s e t y ( t ) = x ( t ) ? x ( t ) . T h e n y ( ) i s a n o n z e r o T -

p e r i o d i c s o l u t i o n o f a s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) , s o b y T h e o r e m 4 . 1 w e h a v e t h a t

V

( y

t

) i s c o n s t a n t i n t 2 I R . C o r o l l a r y 4 . 6 i m p l i e s t h a t t h e v a l u e o f V

( y

t

) i s n i t e , a n d s o ( 4 . 1 5 ) o f

T h e o r e m 4 . 3 i m p l i e s t h a t

i

y

t

6= 0 f o r a l l t 2 I R , a n d 0 i N ; t h a t i s ,

( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) 6= ( x

i

( t + c ) ; x

i + 1

( t + c ) ) f o r a l l t 2 I R a n d 0 i N ( 4 2 1 )

B e c a u s e c 2 ( 0 ; T ) i s a r b i t r a r y , w e c o n c l u d e i m m e d i a t e l y f r o m ( 4 . 2 1 ) t h a t f o r e a c h i t h e m a p

t 2 I R ! ( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) 2 I R

2

( 4 2 2 )

i s T - p e r i o d i c a n d o n e - t o - o n e o n 0 ; T ) , a n d h e n c e t h a t ( 4 . 2 2 ) d e s c r i b e s a J o r d a n c u r v e i n t h e p l a n e .

T h a t i s , e a c h m a p

i

: ( ' ) C !

i

( ( ' ) ) I R

2

t a k e s t h e p e r i o d i c o r b i t ( ' ) ( h e r e ' = x

0

i s t h e i n i t i a l c o n d i t i o n ) h o m e o m o r p h i c a l l y o n t o i t s i m a g e

i

( ( ' ) ) i n t h e p l a n e .

W e n o t e f u r t h e r t h a t V

( _x

t

) i s n i t e a n d c o n s t a n t , a n d s o _x

t

2 S a n d h e n c e

i

_x

t

= ( _x

i

( t ) ; _x

i + 1

( t ) ) 6= ( 0 ; 0 )

f o r a l l t 2 I R . T h a t i s , e a c h o f t h e c u r v e s ( 4 . 2 2 ) i s a n i m m e r s i o n o f t h e c i r c l e S

1

i n t o t h e p l a n e .

1 8

7/28/2019 10.1.1.29.9665


5 P r e l i m i n a r y R e s u l t s

I n t h i s s e c t i o n w e e m b a r k o n t h e p r o o f o f T h e o r e m 2 . 1 , t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m . A s n o t e d ,

w e f o l l o w t h e a p p r o a c h i n F i - M P 1 ] .

T h r o u g h o u t t h i s s e c t i o n , x ( t ) d e n o t e s a x e d s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) o n t h e i n t e r v a l 0 ; 1 ) . W e

a s s u m e t h a t x ( t ) i s b o u n d e d a s t ! 1 , a s i n t h e s t a t e m e n t o f t h e t h e o r e m , a n d s o t h e r e e x i s t s a

n o n e m p t y o m e g a - l i m i t s e t ! ( x

0

) C f o r t h i s s o l u t i o n ( a s u s u a l , x

0

2 C d e n o t e s t h e i n i t i a l c o n d i t i o n

o f t h e s o l u t i o n x ( ) ) . R e c a l l t h a t t h e s e t ! ( x

0

) i s n o n e m p t y , c o m p a c t , c o n n e c t e d , a n d i n v a r i a n t , a n d

t h a t t h e s o l u t i o n o p e r a t o r o f ( 1 . 5 ) r e s t r i c t e d t o ! ( x

0

) y i e l d s a t w o - s i d e d o w . T h u s , i f ' 2 ! ( x

0

) t h e n

t h e r e e x i s t s a u n i q u e s o l u t i o n u ( t ) o f ( 1 . 5 ) , w i t h u

0

= ' a n d u

t

2 ! ( x

0

) f o r a l l t 2 I R . W e s h a l l r e f e r t o

t h i s a s t h e s o l u t i o n t h r o u g h ' . S i n c e w e a r e c o n s i d e r i n g a s p e c i c s y s t e m ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , w i t h a s p e c i c

f e e d b a c k p a r a m e t e r

2 f ? 1 ; 1 g ; w e s h a l l d e n o t e t h e L y a p u n o v f u n c t i o n V

, w h e r e d e n o t e s t h e

s i g n o f

, s i m p l y a s V

T h e b a s i c i d e a h e r e i s t o s h o w t h a t v a r i o u s s u b s e t s o f ! ( x

0

) ( o r m o r e g e n e r a l l y s u b s e t s o f

+

( x

0

) )

a r e m a p p e d h o m e o m o r p h i c a l l y i n t o t h e p l a n e b y t h e m a p s

i

. W e t h e n a p p l y s u i t a b l y a d a p t e d

v e r s i o n s o f t h e f a m i l i a r p l a n a r a r g u m e n t s o f t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m t o t h e i n d u c e d o w s o n

t h e s e i m a g e s . O u r u l t i m a t e g o a l i s t o s h o w t h a t a l l o f ! ( x

0

) i s m a p p e d h o m e o m o r p h i c a l l y i n t o t h e

p l a n e , a l t h o u g h t h i s f o l l o w s o n l y a f t e r a l o n g s e r i e s o f l e m m a s . T h e n e x t f o u r r e s u l t s , c u l m i n a t i n g i n

L e m m a 5 . 4 , s h o w t h a t c l o s u r e s o f i n d i v i d u a l o r b i t s ( ' ) , f o r ' 2 ! ( x

0

) , a r e m a p p e d h o m e o m o r p h i c a l l y

i n t o t h e p l a n e .

L e m m a 5 . 1 . T a k e ' 2 ! ( x

0

) , a n d l e t u ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) t h r o u g h ' . L e t > 0 b e s u c h

t h a t i s n o t a p e r i o d o f u ( ) , t h a t i s , u

6= ' . ( I f u ( ) i s n o t p e r i o d i c , t h e n a n y > 0 w i l l d o . ) T h e n

t h e r e e x i s t s a n i n t e g e r = ( ) < 1 s u c h t h a t

V ( u

t +

? u

t

) = ( ) f o r a l l t 2 I R ; ( 5 1 )

a n d m o r e o v e r

u

t +

? u

t

2 S f o r a l l t 2 I R ( 5 2 )

P r o o f . A s ' 2 ! ( x

0

) , w e h a v e x

t

n

! ' i n C f o r s o m e s e q u e n c e t

n

! 1 . T h e r e f o r e , f o r a n y t 2 I R ;

x

t

n

+ t +

? x

t

n

+ t

! u

t +

? u

t

6= 0 a s n ! 1 ; ( 5 3 )

1 9

7/28/2019 10.1.1.29.9665


a n d i n f a c t t h e c o n v e r g e n c e i n ( 5 . 3 ) i s i n t h e s p a c e C

1

. N o w d e n e ( ) b y

( ) = l i m

t ! 1

V ( x

t +

? x

t

) ;

w h e r e w e u s e T h e o r e m 4 . 1 . A t t h i s p o i n t , w e d o n o t y e t k n o w t h a t ( ) < 1 A s V i s l o w e r

s e m i c o n t i n u o u s , b y T h e o r e m 4 . 4 , w e h a v e f o r e a c h t 2 I R t h a t

V ( u

t +

? u

t

) l i m

n ! 1

V ( x

t

n

+ t +

? x

t

n

+ t

) = ( ) ( 5 4 )

I t i s a l s o t h e c a s e t h a t i f u

t +

? u

t

2 S , t h e n w e h a v e e q u a l i t y i n ( 5 . 4 ) , a g a i n b y T h e o r e m 4 . 4 .

I n p a r t i c u l a r , w e k n o w t h a t V ( u

t +

? u

t

) < 1 f o r a l l t 2 I R , b y C o r o l l a r y 4 . 6 , a s u ( t ) i s b o u n d e d

a s t ! ? 1 . T h u s f o r a l l l a r g e t w e h a v e t h a t V ( u

t +

? u

t

) i s c o n s t a n t , a n d h e n c e t h a t u

t +

? u

t

2 S ,

b y T h e o r e m 4 . 3 . T h i s i n t u r n i m p l i e s t h a t V ( u

t +

? u

t

) = ( ) f o r a l l l a r g e t , a n d t h e r e f o r e ( ) < 1

W e n o w c o n c l u d e , b y T h e o r e m 4 . 1 , t h a t V ( u

t +

? u

t

) ( ) f o r a l l t 2 I R , a n d h e n c e , u s i n g ( 5 . 4 ) ,

t h a t V ( u

t +

? u

t

) = ( ) f o r a l l t 2 I R . T h u s ( 5 . 1 ) h o l d s , a n d f r o m t h i s ( 5 . 2 ) f o l l o w s , b y T h e o r e m 4 . 3 .

C o r o l l a r y 5 . 2 . S u p p o s e f o r s o m e > 0 t h a t ! ( x

0

) c o n t a i n s a n o r b i t w h i c h i s n e i t h e r a n e q u i l i b r i u m ,

n o r i s a p e r i o d i c s o l u t i o n o f ( n o t n e c e s s a r i l y m i n i m u m ) p e r i o d T h e n ( ) = ( ) f o r a l l n e a r

P r o o f . L e t u ( ) , w i t h u

t

2 ! ( x

0

) , b e t h e s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) a s i n t h e s t a t e m e n t o f t h e l e m m a . T h a t i s ,

u

6= u

0

, a n d h e n c e u

6= u

0

f o r a l l n e a r . B y L e m m a 5 . 1 w e h a v e t h a t

( ) = V ( u

? u

0

) ( 5 5 )

f o r s u c h A l s o , u

? u

0

2 S v a r i e s c o n t i n u o u s l y i n , i n t h e C

1

t o p o l o g y . T h e r e f o r e , b y T h e o r e m 4 . 4 ,

t h e q u a n t i t y ( 5 . 5 ) i s c o n s t a n t f o r n e a r

C o r o l l a r y 5 . 3 . L e t ' 2 ! ( x

0

) . T h e n t h e r e e x i s t s a n i n t e g e r s u c h t h a t

V ( ? ) = i f ; 2 ( ' ) a n d 6= ( 5 6 )

P r o o f . L e t u ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h ' I f u ( ) i s n e i t h e r a p e r i o d i c s o l u t i o n n o r a n e q u i l i b r i u m ,

t h e n w e h a v e ( 5 . 1 ) o f L e m m a 5 . 1 f o r a n y > 0 , a n d s o ( ) i s i n d e p e n d e n t o f > 0 b y C o r o l l a r y 5 . 2 .

2 0

7/28/2019 10.1.1.29.9665


I f o n t h e o t h e r h a n d u ( ) i s a s o l u t i o n o f m i n i m u m p e r i o d T > 0 , t h e n ( 5 . 1 ) h o l d s f o r 0 < < T a n d

( ) i s i n d e p e n d e n t o f s u c h . I n e i t h e r c a s e w e c o n c l u d e ( 5 . 6 ) .

L e m m a 5 . 4 . L e t ' 2 ! ( x

0

) . T h e n t h e r e e x i s t s a n i n t e g e r s u c h t h a t

V ( ? ) = a n d ? 2 S i f ; 2 ( ' ) a n d 6=

I n p a r t i c u l a r , e a c h m a p =

i

, f o r 0 i N ; t a k e s ( ' ) h o m e o m o r p h i c a l l y o n t o i t s i m a g e ( ( ' ) )

i n t h e p l a n e .

P r o o f . L e t b e a s i n C o r o l l a r y 5 . 3 . T h e n t h e l o w e r s e m i c o n t i n u i t y o f V i m p l i e s t h a t

V ( ? ) i f ; 2 ( ' ) a n d 6=

A l s o f r o m T h e o r e m 4 . 4 a n d f r o m C o r o l l a r y 5 . 3 , w e h a v e t h a t

V ( ? ) = i f ; 2 ( ' ) a n d ? 2 S ;

s i n c e t h e r e e x i s t p o i n t s o f ( ' ) a r b i t r a r i l y n e a r a n d i n t h e C

1

t o p o l o g y . ( R e c a l l t h e t o p o l o g i e s o n

( ' ) i n d u c e d b y C a n d C

1

a r e e q u i v a l e n t . )

N o w x a n d a s i n t h e s t a t e m e n t o f t h e l e m m a , a n d l e t v ( ) a n d w ( ) r e s p e c t i v e l y d e n o t e t h e

s o l u t i o n s t h r o u g h t h e s e p o i n t s . O f c o u r s e , V ( v

t

? w

t

) h o l d s f o r a l l t 2 I R , a n d t h u s V ( v

t

? w

t

) i s

c o n s t a n t a n d n i t e f o r l a r g e t , b o t h a s t ! 1 a n d t ! ? 1 ( b u t p o s s i b l y w i t h d i e r e n t c o n s t a n t s

f o r t h e t w o l i m i t s ) . T h e r e f o r e v

t

? w

t

2 S f o r l a r g e t b y T h e o r e m 4 . 3 , a n d s o V ( v

t

? w

t

) = f o r s u c h

t . T h u s V ( v

t

? w

t

) = f o r a l l f o r a l l t 2 I R , w h i c h i n t u r n i m p l i e s , b y T h e o r e m 4 . 4 , t h a t v

t

? w

t

2 S

f o r a l l t

T h e n a l s e n t e n c e o f t h e l e m m a f o l l o w s f r o m t h e f a c t t h a t ? 2 S f o r d i s t i n c t ; 2 ( ' ) ,

u s i n g ( 4 . 1 3 ) . T h i s p r o v e s t h e l e m m a .

T h e f a c t t h a t e a c h o r b i t c l o s u r e ( ' ) , f o r ' 2 ! ( x

0

) , i s m a p p e d h o m e o m o r p h i c a l l y i n t o t h e p l a n e ,

d o e s n o t d i r e c t l y i m p l y t h a t t h e s a m e i s t r u e f o r t h e w h o l e s e t ! ( x

0

) . F u r t h e r r e s u l t s a r e n e e d e d b e f o r e

t h i s c o n c l u s i o n c a n b e m a d e . T h e n e x t t w o l e m m a s a r e a s t e p i n t h i s d i r e c t i o n .

L e m m a 5 . 5 . L e t ' 2 ! ( x

0

) , a n d s u p p o s e t h a t ( ' ) \ ! ( ' ) = . T h e n t h e r e e x i s t s T > 0 a n d a n

i n t e g e r s u c h t h a t

V ( ? ) = i f 2 ( ' ) a n d 2

+

T

( x

0

) ; a n d 6=

2 1

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f . A s s u m e t h e r e s u l t i s f a l s e , w i t h a s i n t h e s t a t e m e n t o f L e m m a 5 . 4 . T h e n t h e r e e x i s t s e q u e n c e s

n

2 ( ' ) a n d t

n

! 1 ; w i t h V (

n

? x

t

n

) 6=

F o r d e n i t e n e s s a s s u m e t h a t

V (

n

? x

t

n

) > f o r e a c h n ;

t h e c a s e o f t h e o p p o s i t e i n e q u a l i t y i s h a n d l e d s i m i l a r l y , a s w e n o t e a t t h e e n d o f t h i s p r o o f . L e t v

n

( )

d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h

n

. W e s h a l l c o n s t r u c t a s e q u e n c e s

n

s a t i s f y i n g

s

n

< t

n

; w i t h s

n

! 1 ; s u c h t h a t

x

s

n

! 2 ( ' ) a n d l i m s u p

n ! 1

k v

n

s

n

? t

n

? k > 0 ;

( 5 7 )

f o r s o m e

F r o m ( 5 . 7 ) o n e e a s i l y o b t a i n s a c o n t r a d i c t i o n , a s f o l l o w s . B y p a s s i n g t o a s u b s e q u e n c e w e m a y

a s s u m e t h a t v

n

s

n

? t

n

! f o r s o m e 2 ( ' ) w i t h 6= ; a n d w e n o t e t h a t b o t h t h i s l i m i t a n d t h e l i m i t

x

s

n

! h o l d i n t h e C

1

t o p o l o g y . A s ? 2 S b y L e m m a 5 . 4 , w e h a v e f r o m T h e o r e m 4 . 4 t h a t

V ( v

n

s

n

? t

n

? x

s

n

) = V ( ? ) =

f o r l a r g e n O n t h e o t h e r h a n d , a s s

n

< t

n

, w e h a v e t h a t

V ( v

n

s

n

? t

n

? x

s

n

) V ( v

n

0

? x

t

n

) = V (

n

? x

t

n

) >

f o r a l l n , a c o n t r a d i c t i o n .

B e f o r e c o n s t r u c t i n g t h e s e q u e n c e s

n

, w e m a k e a n e l e m e n t a r y o b s e r v a t i o n . L e t t

n

! 1 a n d t a k e

a n y 2 ! ( x

0

) . T h e n t h e r e e x i s t s a s e q u e n c e s

n

< t

n

, w i t h s

n

! 1 a n d x

s

n

!

W e c o n s i d e r s e v e r a l c a s e s i n t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e s e q u e n c e s

n

. F i r s t s u p p o s e t h a t

n

2 ! ( ' )

f o r i n n i t e l y m a n y n . I n t h i s c a s e t a k e a n y 2 ( ' ) ! ( x

0

) , a n d t a k e s

n

a s i n t h e p a r a g r a p h a b o v e .

T h e n c e r t a i n l y t h e i n e q u a l i t y i n ( 5 . 7 ) i n v o l v i n g t h e l i m s u p h o l d s , a s v

n

s

n

? t

n

2 ! ( ' ) f o r i n n i t e l y m a n y

n , a n d ( ' ) \ ! ( ' ) = S i m i l a r l y , i f

n

2 ( ' ) i n n i t e l y o f t e n , w e t a k e 2 ! ( ' ) t o a c h i e v e ( 5 . 7 ) .

F i n a l l y s u p p o s e t h a t o n l y n i t e l y m a n y t e r m s

n

b e l o n g t o ( ' ) ! ( ' ) . T h e n e v e n t u a l l y

n

2 ( ' ) ,

t h a t i s ,

n

= u

n

f o r a l l l a r g e n ; f o r s o m e s e q u e n c e

n

2 I R , w h e r e u ( ) d e n o t e s t h e s o l u t i o n t h r o u g h '

I n t h i s c a s e w e t a k e t w o p o i n t s ,

1

2 ( ' ) a n d

2

2 ! ( ' ) ; a n d c o r r e s p o n d i n g s e q u e n c e s s

2 n

< s

1 n

< t

n

2 2

7/28/2019 10.1.1.29.9665


w i t h s

2 n

! 1 ; a n d x

s

n

!

i

f o r i = 1 ; 2 ( O n e r s t c h o o s e s t h e s e q u e n c e s

1 n

f r o m t

n

a s a b o v e , a n d

t h e n r e p e a t s t h e p r o c e d u r e b y c h o o s i n g s

2 n

f r o m s

1 n

. ) T w o s u b c a s e s n o w a r i s e . F i r s t , i f

l i m s u p

n ! 1

(

n

+ s

1 n

? t

n

) > ? 1 ( 5 8 )

w e t a k e =

1

a n d s

n

= s

1 n

, f o r t h e n

l i m s u p

n ! 1

k v

n

s

n

? t

n

? k = l i m s u p

n ! 1

k u

n

+ s

1 n

? t

n

?

1

k > 0 ;

a g a i n u s i n g t h e f a c t t h a t ( ' ) \ ! ( ' ) = . O n t h e o t h e r h a n d , i f ( 5 . 8 ) i s f a l s e , t a k e =

2

a n d

s

n

= s

2 n

. T h e n

n

+ s

2 n

? t

n

! ? 1 ; a n d s o

l i m s u p

n ! 1

k v

n

s

n

? t

n

? k = l i m s u p

n ! 1

k u

n

+ s

2 n

? t

n

?

2

k > 0

I n a n y c a s e a s e q u e n c e s

n

s a t i s f y i n g ( 5 . 7 ) i s c o n s t r u c t e d , a n d t h e p r o o f o f t h e l e m m a i s c o m p l e t e .

F i n a l l y , w e r e m a r k h e r e t h a t i n t h e c a s e V (

n

? x

t

n

) < n o t c o n s i d e r e d , t h e p r o o f i s m o d i e d b y

c h o o s i n g s

n

> t

n

i n s t e a d o f s

n

< t

n

L e m m a 5 . 6 . L e t ' b e a s i n t h e s t a t e m e n t o f L e m m a 5 . 5 . T h e n t h e r e e x i s t s T > 0 a n d a n i n t e g e r

s u c h t h a t

V ( ? ) = a n d ? 2 S i f 2 ( ' ) a n d 2

+

T

( x

0

) ; a n d 6=

I n p a r t i c u l a r ,

i

6=

i

f o r s u c h a n d , a n d e a c h i w i t h 0 i N

P r o o f . T h e p r o o f f o l l o w s e s s e n t i a l l y t h e s a m e l i n e s a s t h a t o f L e m m a 5 . 4 , s o w i l l b e o m i t t e d .

T h e n e x t t w o r e s u l t s d e a l w i t h p e r i o d i c o r b i t s a n d e q u i l i b r i a .

L e m m a 5 . 7 . L e t u ( ) a n d v ( ) b e a n y t w o d i s t i n c t ( t h a t i s , ( u

0

) \ ( v

0

) = ) p e r i o d i c s o l u t i o n s

o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) . T h e n t h e r e e x i s t s a n i n t e g e r s u c h t h a t

V ( ' ? ) = a n d ' ? 2 S i f ' 2 ( u

0

) a n d 2 ( v

0

) ( 5 9 )

E a c h p l a n a r p r o j e c t i o n =

i

, f o r 1 i N , i s o n e - t o - o n e o n t h e o r b i t s ( u

0

) a n d ( v

0

) , a n d t h e i r

i m a g e s ( ( u

0

) ) a n d ( ( v

0

) ) a r e d i s j o i n t J o r d a n c u r v e s i n I R

2

I f o n e o f u ( ) o r v ( ) i s a n e q u i l i b r i u m a n d t h e o t h e r a p e r i o d i c s o l u t i o n , o r i f b o t h a r e e q u i l i b r i a ,

t h e n t h e a n a l o g o u s r e s u l t s , i n c l u d i n g ( 5 . 9 ) , h o l d .

2 3

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f . W e c o n s i d e r o n l y t h e c a s e t h a t b o t h s o l u t i o n s u ( ) a n d v ( ) a r e p e r i o d i c .

T h e p r o o f t h a t m a p s ( u

0

) a n d ( v

0

) h o m e o m o r p h i c a l l y o n t o t h e i r r a n g e s i n t h e p l a n e w a s g i v e n

a t t h e e n d o f S e c t i o n 4 . T o p r o v e t h e l e m m a , i t i s e n o u g h t h e n t o p r o v e ( 5 . 9 ) ; f r o m t h i s t h e d i s j o i n t n e s s

o f t h e i m a g e s ( ( u

0

) ) a n d ( ( v

0

) ) f o l l o w s d i r e c t l y f r o m t h e f a c t t h a t ' ? 2 S , h e n c e ' 6=

b y ( 4 . 1 3 ) , w i t h ' a n d a s i n ( 5 . 9 ) .

C o n s i d e r t h e f u n c t i o n W : I R

2

! f 0 ; 1 ; 2 ; : : : ; 1 g g i v e n b y W ( t ; s ) = V ( u

t

? v

s

) ; w h i c h h a s p e r i o d s

T

1

a n d T

2

, r e s p e c t i v e l y i n t h e v a r i a b l e s t a n d s , w h e r e T

1

a n d T

2

a r e t h e p e r i o d s o f t h e s o l u t i o n s u ( )

a n d v ( ) . W e r e g a r d W a s a f u n c t i o n o n t h e t o r u s S

1

S

1

, w h e r e w e t a k e t a n d s m o d u l o T

1

a n d T

2

I n p a r t i c u l a r , t h e s e t

? = f ( t ; s ) 2 S

1

S

1

u

t

? v

s

2 S g

i s o f i n t e r e s t . T h e s e t ? i s o p e n , a n d W i s c o n s t a n t a n d n i t e o n e a c h c o n n e c t e d c o m p o n e n t o f ? , b y

T h e o r e m 4 . 4 .

C e r t a i n l y W ( t ; s ) < 1 f o r a l l t ; s , b y C o r o l l a r y 4 . 6 . A l s o , W ( t ; t + c ) i s a n o n i n c r e a s i n g f u n c t i o n

o f t f o r e a c h x e d c 2 I R b y T h e o r e m 4 . 1 , s o i n p a r t i c u l a r

l i m

t ! 1

W ( t ; t + c ) = ( c )

f o r s o m e i n t e g e r ( c ) . T h e o r e m 4 . 3 t h e r e f o r e i m p l i e s t h a t f o r e a c h c 2 I R , w e h a v e t h a t ( t ; t + c ) 2 ?

f o r a l l l a r g e t . W i t h c x e d b u t a r b i t r a r y , l e t t = t

0

b e c h o s e n s o t h a t W ( t

0

; t

0

+ c ) = ( c ) , a n d

( t

0

; t

0

+ c ) 2 ? . T h e n t h e r e e x i s t s a s e q u e n c e t

n

! ? 1 s u c h t h a t ( t

n

; t

n

+ c ) ! ( t

0

; t

0

+ c ) o n t h e

t o r u s S

1

S

1

, a n d s o f o r l a r g e n w e h a v e a l s o t h a t W ( t

n

; t

n

+ c ) = ( c ) , b y T h e o r e m 4 . 4 . T h u s

l i m

t ! ? 1

W ( t ; t + c ) = ( c ) ;

w h i c h i m p l i e s t h a t W ( t ; t + c ) = ( c ) f o r a l l t 2 I R . T h i s i n t u r n i m p l i e s t h a t ( t ; t + c ) 2 ? f o r a l l

t 2 I R , a n d h e n c e t h a t ? = S

1

S

1

. F r o m t h i s f a c t w e s e e t h a t ( c ) i s i n d e p e n d e n t o f c , a n d t h a t t h e

c o n c l u s i o n ( 5 . 9 ) f o l l o w s d i r e c t l y .

L e m m a 5 . 8 . T h e r e e x i s t s a n i n t e g e r s u c h t h a t

V ( ' ? ) = a n d ' ? 2 S i f ' 2 ! ( x

0

) a n d 2 E \ ! ( x

0

) ; a n d ' 6= ; ( 5 1 0 )

w h e r e E C d e n o t e s t h e s e t o f e q u i l i b r i a o f ( 1 . 5 ) .

2 4

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f . F i x a n y e q u i l i b r i u m 2 E \ ! ( x

0

) , a n d d e n e ( ) b y

( ) = l i m

t ! 1

V ( x

t

? )

O b s e r v e b y t h e l o w e r s e m i c o n t i n u i t y o f V t h a t w e h a v e V ( ' ? ) ( ) f o r e v e r y ' 2 ! ( x

0

) w i t h

' 6= ; a n d i f i n a d d i t i o n ' ? 2 S , t h e n V ( ' ? ) = ( ) , b y T h e o r e m 4 . 4 .

N o w x a n y ' 2 ! ( x

0

) w i t h ' 6= , a n d l e t u ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h ' . W e h a v e t h e n

V ( u

t

? ) ( ) f o r a l l t 2 I R . A l s o , w e c e r t a i n l y h a v e V ( u

t

? ) < 1 f o r a l l t 2 I R b y C o r o l l a r y 4 . 6 ,

a n d m o r e o v e r t h i s q u a n t i t y i s c o n s t a n t f o r l a r g e t . T h u s u

t

? 2 S , a n d h e n c e V ( u

t

? ) = ( ) ,

f o r l a r g e t . I t f o l l o w s t h a t V ( u

t

? ) ( ) f o r a l l t 2 I R b y T h e o r e m 4 . 1 , a n d s o w e c o n c l u d e t h a t

V ( u

t

? ) = ( ) < 1 f o r a l l t 2 I R . O f c o u r s e , n o w i t f o l l o w s t h a t u

t

? 2 S f o r a l l t 2 I R

T o c o m p l e t e t h e p r o o f o f t h e l e m m a , w e m u s t s h o w t h a t t h e i n t e g e r ( ) i s i n d e p e n d e n t o f t h e

c h o i c e o f e q u i l i b r i u m . S u p p o s e

1

;

2

2 E \ ! ( x

0

) a r e d i s t i n c t e q u i l i b r i a . T h e n l e t t i n g e a c h o f t h e s e

p l a y t h e r o l e o f ' i n ( 5 . 1 0 ) , w e o b t a i n

(

1

) = V (

2

?

1

) = V (

1

?

2

) = (

2

) ;

a s d e s i r e d .

I n t h e a r g u m e n t s t h a t f o l l o w w e a t t e m p t t o e m u l a t e t h e w e l l - k n o w n p r o o f o f t h e c l a s s i c a l P o i n c a r e -

B e n d i x s o n t h e o r e m , a d a p t i n g i t t o o u r p r e s e n t s i t u a t i o n . W h i l e t h e g e n e r a l a p p r o a c h i s f a m i l i a r , s o m e

c a r e m u s t b e t a k e n , a n d a n u m b e r o f p r e l i m i n a r y r e m a r k s a r e t h e r e f o r e i n o r d e r .

S u p p o s e t h a t A C i s a c o m p a c t i n v a r i a n t s e t ( o n e t h i n k s s p e c i c a l l y o f A = ( ' ) , f o r ' 2 ! ( x

0

) )

S u p p o s e a l s o t h a t f o r s o m e i n t e g e r w e h a v e t h a t

V ( ? ) = a n d ? 2 S i f ; 2 A a n d 6= ( 5 1 1 )

T h e n 6= f o r a n y s u c h ; , w h e r e =

i

i s a n y o n e o f t h e m a p s ( 3 . 1 ) , t h u s

: A ! ( A ) I R

2

i s a h o m e o m o r p h i s m ( 5 1 2 )

A s t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) g e n e r a t e s a t w o - s i d e d o w o n A , w e i m m e d i a t e l y o b t a i n a n i n d u c e d ( c o n t i n u o u s )

o w o n t h e c o m p a c t i m a g e ( A ) , v i a . W e w i s h t o c o n s t r u c t a c o n t i n u o u s v e c t o r e l d

F : ( A ) I R

2

! I R

2

; ( 5 1 3 )

2 5

7/28/2019 10.1.1.29.9665


t h a t i s , a n O D E o n ( A ) ; w h i c h t h i s o w s a t i s e s . ( H e r e , a n d i n t h e f o l l o w i n g d i s c u s s i o n , w e k e e p t h e

i n d e x i i n =

i

x e d , b u t a r b i t r a r y , w i t h 0 i N )

T a k e a n y 2 A a n d l e t v ( ) = v ( ; ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h , t h a t i s , v

0

= v

0

( ) = a n d

v

t

= v

t

( ) 2 A . W e m a y d i e r e n t i a t e w i t h r e s p e c t t o t t o o b t a i n _v

t

( ) 2 C , a n d w e o b s e r v e t h a t t h i s

p o i n t d e p e n d s c o n t i n u o u s l y o n t 2 I R a n d 2 A . I n d e e d , t h i s i s a s t r a i g h t f o r w a r d c o n s e q u e n c e o f t h e

f a c t t h a t w e h a v e a t w o - s i d e d o w o n A , a n d t h a t t h e t i m e - o n e m a p o f t h e o w i s c o n t i n u o u s f r o m C

i n t o C

1

. W e t h e r e f o r e h a v e t h a t

_v

t

= ( v

t

) ; w h e r e : A ! C i s c o n t i n u o u s ; ( 5 1 4 )

w i t h d e n e d b y ( ) = _v

0

( ) B y t h e h o m e o m o r p h i s m ( 5 . 1 2 ) , t h e n , t h e r e e x i s t s a u n i q u e c o n t i n u o u s

m a p F a s i n ( 5 . 1 3 ) , f o r w h i c h

( ) = F ( ) f o r a l l 2 A ( 5 1 5 )

I t f o l l o w s f r o m t h i s , t h a t f o r a n y s o l u t i o n v ( ) w i t h v

t

2 A , t h e i m a g e ( t ) = v

t

i n I R

2

s a t i s e s t h e

O D E

_

( t ) = F ( ( t ) ) ( 5 1 6 )

i n t h e c o m p a c t s u b s e t ( A ) o f t h e p l a n e .

W e w a r n t h e r e a d e r h e r e t h a t a l t h o u g h t h e v e c t o r e l d F i s c o n t i n u o u s , t h e r e i s n o a s s u r a n c e t h a t

i t i s L i p s c h i t z , o r t h a t i n i t i a l v a l u e p r o b l e m s o f e q u a t i o n ( 5 . 1 6 ) h a v e u n i q u e s o l u t i o n s . O n t h e o t h e r

h a n d , f o r o u r p u r p o s e s t h i s i s n o t a c o n c e r n . G i v e n a n y

0

2 ( A ) , t h e r e e x i s t s a u n i q u e 2 A w i t h

=

0

, a n d a u n i q u e s o l u t i o n v ( ) o f ( 1 . 5 ) i n A w i t h v

0

= A s n o t e d , ( t ) = v

t

t h e n s a t i s e s

e q u a t i o n ( 5 . 1 6 ) , w i t h ( 0 ) =

0

. T h u s , e v e n t h o u g h t h e s o l u t i o n s o f ( 5 . 1 6 ) m a y n o t b e u n i q u e , t h e r e

i s t h r o u g h e a c h

0

2 ( A ) a c a n o n i c a l l y d e t e r m i n e d s o l u t i o n ( ) o b t a i n e d f r o m t h e o w o n A

I n t h e n e x t s e c t i o n w e s h a l l e m p l o y s o m e o f t h e t e c h n i q u e s o f t h e p r o o f o f t h e c l a s s i c a l P o i n c a r e -

B e n d i x s o n t h e o r e m . I n p a r t i c u l a r , i f

0

2 ( A ) i s s u c h t h a t F (

0

) 6= 0 , t h e n t h e r e e x i s t s a t r a n s v e r s a l

L t o t h e v e c t o r e l d a t

0

, a n d a r s t r e t u r n m a p R a s s o c i a t e d t o L . H e r e L I R

2

i s a s u c i e n t l y

s m a l l o p e n l i n e s e g m e n t , w i t h

0

2 L , s u c h t h a t t h e v e c t o r F ( ) 6= 0 i s n o t p a r a l l e l t o L a n d p o i n t s

i n t h e s a m e d i r e c t i o n a c r o s s L a s d o e s F (

0

) , f o r e a c h 2 L \ ( A ) . T h a t i s , t h e r e e x i s t s a n o n z e r o

v e c t o r q 2 I R

2

w h i c h i s o r t h o g o n a l t o L , s u c h t h a t w e h a v e a p o s i t i v e i n n e r p r o d u c t

h q ; F ( ) i > 0 f o r e a c h 2 L \ ( A ) ( 5 1 7 )

2 6

7/28/2019 10.1.1.29.9665


T h e c o n t i n u i t y o f F o n t h e c o m p a c t s e t ( A ) e n s u r e s t h a t s u c h L e x i s t s . T h e r s t r e t u r n m a p

R : U L \ ( A ) ! L \ ( A ) ; ( 5 1 8 )

i s d e n e d a n d c o n t i n u o u s o n t h e r e l a t i v e l y o p e n s e t U o f p o i n t s o f L \ ( A ) w h o s e t r a j e c t o r i e s r e t u r n

t o L i n f u t u r e t i m e . I n t h i s d e n i t i o n o f R , w e t a k e o n l y t h e c a n o n i c a l l y d e t e r m i n e d s o l u t i o n s o f t h e

a b o v e p a r a g r a p h , n a m e l y t h e s o l u t i o n s o b t a i n e d f r o m t h e o w o n A

T h e f o l l o w i n g r e s u l t a l l o w s u s t o u s e t h e r e t u r n m a p R a s i f i t a c t u a l l y a r o s e f r o m a p l a n a r v e c t o r

e l d . I n p a r t i c u l a r , t h i s r e s u l t s h o w s t h a t R i s m o n o t o n e . A l s o , u n d e r a p p r o p r i a t e c o n d i t i o n s , t h e

p l a n a r i m a g e s o f s o m e o r b i t s n e a r A c r o s s L i n t h e r i g h t d i r e c t i o n .

L e m m a 5 . 9 . L e t A C b e a c o m p a c t i n v a r i a n t s e t , =

i

a n y o n e o f t h e m a p s ( 3 . 1 ) , a n d

F : ( A ) ! I R

2

t h e v e c t o r e l d g i v e n b y ( 5 . 1 4 ) , ( 5 . 1 5 ) , a s d e s c r i b e d a b o v e . L e t

0

2 ( A ) b e s u c h t h a t

F (

0

) 6= 0 , l e t L b e a t r a n s v e r s a l t h r o u g h L , a n d l e t R a s i n ( 5 . 1 8 ) b e t h e a s s o c i a t e d r s t r e t u r n m a p .

T h e n R i s s t r i c t l y m o n o t o n e , n a m e l y

R (

0

) < R (

0

) i f

0

<

0

w i t h

0

;

0

2 U ;

a n d w h e r e < d e n o t e s e i t h e r o f t h e t w o n a t u r a l o r d e r s o n L

S u p p o s e i n a d d i t i o n t h a t A = ( ' ) f o r s o m e ' 2 ! ( x

0

) f o r w h i c h ( ' ) \ ! ( ' ) = T h e n t h e r e

e x i s t T > 0 a n d " > 0 s u c h t h a t

h q ; _x i > 0 i f x

t

2 L ; a n d t T a n d k x

t

?

0

k < " ; ( 5 1 9 )

w i t h q a s i n ( 5 . 1 7 ) . T h a t i s , t h e i m a g e x

t

o f t h e t r a j e c t o r y t ! x

t

u n d e r c r o s s e s t h e t r a n s v e r s a l L

i n t h e s a m e d i r e c t i o n t h a t t h e v e c t o r e l d F p o i n t s , a t l e a s t n e a r

0

a n d f o r l a r g e t

P r o o f . T h e p r o o f o f t h e s t r i c t m o n o t o n i c i t y o f R r e l i e s o n t h e J o r d a n c u r v e t h e o r e m . I n d e e d ,

w i t h

0

<

0

a s s t a t e d , c o n s i d e r t h e c o r r e s p o n d i n g ( c a n o n i c a l l y d e t e r m i n e d ) s o l u t i o n s ( ) a n d ( )

o f ( 5 . 1 6 ) t h r o u g h t h e s e p o i n t s . L e t T ; T > 0 d e n o t e t h e r s t r e t u r n t i m e s f o r t h e s e s o l u t i o n s , s o t h a t

( T ) = R (

0

) a n d ( T ) = R (

0

) , a n d c o n s i d e r t h e J o r d a n c u r v e J c o m p r i s e d o f t h e a r c t ! ( t ) f o r

t 2 0 ; T ] a n d t h e l i n e s e g m e n t

0

; R (

0

) L . W e h a v e t h a t ( t ) 62 J f o r a l l t i n t h e o p e n i n t e r v a l

( 0 ; T ) , a n d s o f o r s m a l l " > 0 t h e t w o p o i n t s ( " ) a n d ( T ? " ) b e l o n g t o t h e s a m e c o n n e c t e d c o m p o n e n t

o f I R

2

n J , e i t h e r t o t h e i n t e r i o r J

n t

, o r t o t h e e x t e r i o r J

e x t

2 7

7/28/2019 10.1.1.29.9665


O n t h e o t h e r h a n d , o n e e a s i l y s e e s , i n a c o m p l e t e l y s t a n d a r d f a s h i o n , t h a t i f R (

0

) > R (

0

) t h e n

( " ) a n d ( T ? " ) n e c e s s a r i l y b e l o n g t o d i e r e n t c o m p o n e n t s o f I R

2

n J . T h i s i s a c o n t r a d i c t i o n , a n d

w e c o n c l u d e f r o m t h i s t h a t R (

0

) < R (

0

) , a s c l a i m e d .

T o p r o v e t h e s e c o n d p a r t o f t h e l e m m a , l e t A = ( ' ) f o r s o m e ' 2 ! ( x

0

) , f o r w h i c h ( ' ) \ ! ( ' ) = ,

a n d s u p p o s e t h a t ( 5 . 1 9 ) f a i l s f o r a r b i t r a r i l y l a r g e T a n d a r b i t r a r i l y s m a l l " . T h e n t h e r e e x i s t s a s e q u e n c e

t

n

! 1 s u c h t h a t x

t

n

2 L w i t h x

t

n

!

0

, b u t w i t h

h q ; _x

t

n

i 0 ( 5 2 0 )

W i t h o u t l o s s w e m a y a s s u m e t h a t

x

t

n

! 2 ! ( x

0

) ( 5 2 1 )

L e t t i n g 2 ( ' ) b e s u c h t h a t =

0

, a n d l e t t i n g v ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h , w e k n o w t h a t

h q ; _v

0

i = h q ; F (

0

) i > 0 ( 5 2 2 )

N o w = =

0

, a n d s o = b y L e m m a 5 . 6 . H o w e v e r , t h e c o n v e r g e n c e i n ( 5 . 2 1 ) i s i n C

1

, a n d s o

f r o m ( 5 . 2 0 ) w e c o n c l u d e t h a t h q ; _v

0

i 0 . T h i s c o n t r a d i c t s ( 5 . 2 2 ) a n d p r o v e s t h e r e s u l t .

O n e c o n c e r n a r i s i n g f r o m t h e p o s s i b l e n o n u n i q u e n e s s o f s o l u t i o n s o f t h e O D E ( 5 . 1 6 ) m u s t b e

a d d r e s s e d . N a m e l y , w e m u s t p r o v e t h a t i f ( ) i s a n o n c o n s t a n t s o l u t i o n ( e q u i v a l e n t l y , t h a t v ( ) i s n o t

c o n s t a n t , w h e r e ( t ) = v

t

) , t h e n F ( ( t ) ) 6= 0 T h i s i s t h e s u b s t a n c e o f t h e f o l l o w i n g r e s u l t .

L e m m a 5 . 1 0 . A s s u m e t h a t A C i s a c o m p a c t i n v a r i a n t s e t f o r ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , a n d a s s u m e t h a t ( 5 . 1 1 )

h o l d s f o r s o m e i n t e g e r . T h e n i f v ( ) i s a s o l u t i o n i n A w h i c h i s n o t a n e q u i l i b r i u m , w e h a v e f o r t h e

d e r i v a t i v e t h a t

_v

t

6= 0 ; h e n c e F ( ( t ) ) 6= 0 ;

w h e r e ( t ) = v

t

a n d F i s a s a b o v e i n ( 5 . 1 4 ) , ( 5 . 1 5 ) .

P r o o f . F o r e a c h t 2 I R w e h a v e t h a t

V ( "

? 1

( v

t + "

? v

t

) ) = V ( v

t + "

? v

t

) =

f o r a l l s m a l l " > 0 , b y ( 5 . 1 1 ) , a n d t h e r e f o r e V ( _v

t

) b y t h e l o w e r s e m i c o n t i n u i t y o f V , b u t w i t h

e q u a l i t y w h e n _v

t

2 S , b y T h e o r e m 4 . 4 . A s i n t h e p r o o f o f L e m m a 5 . 4 , o n e h a s t h a t _v

t

2 S a s f o r a l l

2 8

7/28/2019 10.1.1.29.9665


l a r g e t , a n d h e n c e t h a t V ( _v

t

) = a n d _v

t

2 S f o r a l l t 2 I R ( O f c o u r s e w e u s e t h r o u g h o u t t h e f a c t

t h a t _v ( ) s a t i s e s t h e l i n e a r v a r i a t i o n a l e q u a t i o n , w h i c h i s a s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m . ) B y ( 4 . 1 3 )

t h e n , _v

t

2 S i m p l i e s t h a t _v

t

6= 0 , a s d e s i r e d .

2 9

7/28/2019 10.1.1.29.9665


6 T h e P r o o f o f t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n T h e o r e m

W e n o w u s e t h e r e s u l t s o f t h e p r e v i o u s s e c t i o n , t o g e t h e r w i t h p l a n a r a r g u m e n t s i n t h e s t y l e o f t h e

c l a s s i c a l P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m , t o p r o v e T h e o r e m 2 . 1 .

L e m m a 6 . 1 . L e t ' 2 ! ( x

0

) , a n d l e t u ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h ' . A s s u m e t h a t u ( ) i s n o t

p e r i o d i c . T h e n e i t h e r ( ' ) ! ( ' ) E , o r e l s e ( ' ) \ ! ( ' ) =

P r o o f . W i t h u ( ) t h e s o l u t i o n t h r o u g h s o m e ' 2 ! ( x

0

) , a s s u m e t h a t u ( ) i s n o t p e r i o d i c , a n d t h a t

e i t h e r ( ' ) o r ! ( ' ) c o n t a i n s a n o n - e q u i l i b r i u m p o i n t . F o r d e n i t e n e s s a s s u m e t h e r e e x i s t s 2

! ( ' ) w h i c h i s n o t a n e q u i l i b r i u m , a n d l e t v ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h . W e s h a l l s h o w t h a t

( ' ) \ ! ( ' ) =

B y v i r t u e o f L e m m a 5 . 4 , w e m a y c o n s t r u c t a c o n t i n u o u s v e c t o r e l d ( 5 . 1 3 ) o n t h e s e t ( A ) , w h e r e

A = ( ' ) a n d =

i

i s a n y o n e o f t h e p l a n a r p r o j e c t i o n f u n c t i o n s ( i t d o e s n o t m a t t e r w h i c h o n e ) .

T h e o w o f o u r s y s t e m ( 1 . 5 ) o n A i s m a p p e d h o m e o m o r p h i c a l l y b y o n t o t h e c o r r e s p o n d i n g o w o n

( A ) , a n d s a t i s e s t h e O D E ( 5 . 1 6 ) a s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n .

L e t

0

= . T h e n F (

0

) 6= 0 b y L e m m a 5 . 1 0 , a s i s n o t a n e q u i l i b r i u m . W e m a y t h e r e f o r e

c o n s t r u c t a t r a n s v e r s a l L t o t h e v e c t o r e l d F a t

0

, w i t h a n a s s o c i a t e d r e t u r n m a p R , a s i n ( 5 . 1 8 ) ,

d e n e d a n d s t r i c t l y m o n o t o n e o n U L \ ( A ) , b y L e m m a 5 . 9 .

N o w l e t ( t ) = u

t

. B e c a u s e 2 ! ( ' ) = ! ( u

0

) , t h e p o i n t

0

= b e l o n g s t o t h e o m e g a - l i m i t s e t

o f t h e o r b i t ( ) . N e c e s s a r i l y ( t ) 2 L f o r i n n i t e l y m a n y t a s t ! 1 ; i n f a c t t h e r e e x i s t t

n

! 1 s u c h

t h a t

n

2 L a n d R (

n

) =

n + 1

, w h e r e w e d e n o t e

n

= ( t

n

) . B e c a u s e t h e s o l u t i o n u ( ) , a n d h e n c e ( ) ,

i s a s s u m e d n o t t o b e p e r i o d i c , i t f o l l o w s t h a t

n

6=

n + 1

, a n d s o n e c e s s a r i l y

n

i s a s t r i c t l y m o n o t o n e

s e q u e n c e . I n a d d i t i o n , a s

0

b e l o n g s t o t h e o m e g a - l i m i t s e t o f ( ) , w e m u s t h a v e t h e l i m i t

n

!

0

F o r a n y m c o n s i d e r t h e J o r d a n c u r v e J

m

c o m p r i s e d o f t h e a r c t ! ( t ) f o r t 2 t

m

; t

m + 1

] , t o g e t h e r

w i t h t h e l i n e s e g m e n t

m

;

m + 1

L . T h e s e t J

m

s o d e n e d i s c e r t a i n l y a J o r d a n c u r v e , i n p a r t i c u l a r

b e c a u s e t h e m a p t ! ( t ) i s o n e - t o - o n e o n I R . M o r e o v e r , t h e p o i n t ( t ) , f o r t i n t h e t w o i n t e r v a l s

( ? 1 ; t

m

) a n d ( t

m + 1

; 1 ) , l i e s i n d i e r e n t c o n n e c t e d c o m p o n e n t s ( t h e i n t e r i o r J

m

n t

a n d e x t e r i o r J

m

e x t

, o r

v i c e v e r s a ) o f I R

2

n J

m

A s s u m e f o r d e n i t e n e s s t h a t ( t ) 2 J

m

e x t

f o r t < t

m

, a n d t h a t ( t ) 2 J

m

n t

f o r t > t

m + 1

. T h e n w e

c e r t a i n l y h a v e t h a t

( ( ' ) ) J

m

e x t

a n d ( ! ( ' ) ) J

m

n t

3 0

7/28/2019 10.1.1.29.9665


N o w t a k e a n y p o i n t 2 ( ' ) \ ! ( ' ) a n d l e t w ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h t h i s p o i n t ; t h e n

w

t

2 ( ' ) \ ! ( ' ) a n d s o

w

t

2 J

m

e x t

\ J

m

n t

= J

m

( 6 1 )

f o r a l l t 2 I R . H o w e v e r , ( 6 . 1 ) c a n n o t h o l d f o r a l l t , i n v i e w o f t h e d e n i t i o n o f J

m

a s a s e g m e n t o f t h e

o r b i t ( ) , a n d a l i n e s e g m e n t

m

;

m + 1

] o f t h e t r a n s v e r s a l L . W i t h t h i s c o n t r a d i c t i o n , t h e p r o o f o f

L e m m a 6 . 1 i s c o m p l e t e .

P r o p o s i t i o n 6 . 2 . L e t ' 2 ! ( x

0

) , a n d l e t u ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h ' . T h e n e i t h e r u ( ) i s

p e r i o d i c , o r e l s e ( ' ) ! ( ' ) E

P r o o f . A s s u m e t h a t u ( ) , a s i n t h e s t a t e m e n t o f t h e p r o p o s i t i o n , i s n o t p e r i o d i c , a n d a l s o t h a t e i t h e r

( ' ) o r ! ( ' ) ( s a y ! ( ' ) , f o r d e n i t e n e s s ) c o n t a i n s a n o n - e q u i l i b r i u m p o i n t . T h e n ( ' ) \ ! ( ' ) =

b y L e m m a 6 . 1 . O b s e r v e h e r e t h a t t h e h y p o t h e s e s o f L e m m a 5 . 6 a r e s a t i s e d ; w e s h a l l u s e t h i s r e s u l t

l a t e r i n o u r p r o o f .

F i x a n o n - e q u i l i b r i u m p o i n t 2 ! ( ' ) , l e t v ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h t h a t p o i n t , d e n o t e

0

= , a n d l e t L d e n o t e a t r a n s v e r s a l t h r o u g h

0

, w i t h r e t u r n m a p R , f o r t h e p l a n a r v e c t o r e l d F ,

j u s t a s i n t h e p r o o f o f L e m m a 6 1 A s i n t h a t p r o o f , w e h a v e a s t r i c t l y m o n o t o n e s e q u e n c e

n

2 U L

w i t h R (

n

) =

n + 1

a n d

n

!

0

, w h e r e

n

= ( t

n

) f o r s o m e t

n

! 1 , w h e r e ( t ) = u

t

C o n s i d e r i n a d d i t i o n t h e c u r v e t r a c e d o u t i n I R

2

b y x

t

, f o r l a r g e t . F o r a n y x e d m l e t J

m

d e n o t e

t h e J o r d a n c u r v e i n t h e p r o o f o f L e m m a 6 . 1 . I n p a r t i c u l a r , x m l a r g e e n o u g h t h a t k

m

?

0

k < " ,

w h e r e " i s a s i n ( 5 . 1 9 ) , i n t h e s t a t e m e n t o f L e m m a 5 . 9 . T h e p o i n t s

m ? 1

a n d

m + 2

l i e i n d i e r e n t

c o n n e c t e d c o m p o n e n t s o f I R n J

m

, a n d , a s

m ? 1

;

m + 2

2 ( ( ' ) ) ( ! ( x

0

) ) ;

i t f o l l o w s t h a t x

t

g e t s a r b i t r a r i l y c l o s e b o t h t o

m ? 1

a n d t o

m + 2

a s t ! 1 . I n p a r t i c u l a r , t h e

c u r v e x

t

m u s t c r o s s J

m

a t a r b i t r a r i l y l a r g e t , a n d m u s t e n t e r b o t h J

m

n t

a n d J

m

e x t

i n n i t e l y o f t e n f o r

a r b i t r a r i l y l a r g e t

B y L e m m a 5 . 6 , t h e r e e x i s t s T > 0 s u c h t h a t i f t T , t h e n x

t

62 ( ( ' ) ) . T h u s i f x

t

2 J

m

f o r

s u c h t , n e c e s s a r i l y x

t

2 (

m

;

m + 1

) L A l s o , b y L e m m a 5 . 9 a n d o u r c h o i c e o f m , f o r l a r g e t t h e

c u r v e x

t

a l w a y s c r o s s e s L i n t h e s a m e d i r e c t i o n t h a t F (

0

) p o i n t s , a t l e a s t w h e n i t c r o s s e s t h e l i n e

s e g m e n t (

m

;

m + 1

) . H o w e v e r , t h i s i s i m p o s s i b l e a s x

t

e n t e r s a n d l e a v e s e a c h c o m p o n e n t o f I R n J

m

i n n i t e l y o f t e n f o r a r b i t r a r i l y l a r g e t . W i t h t h i s c o n t r a d i c t i o n t h e p r o p o s i t i o n i s p r o v e d .

3 1

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o p o s i t i o n 6 . 3 . S u p p o s e t h a t ! ( x

0

) c o n t a i n s a ( n o n c o n s t a n t ) p e r i o d i c o r b i t , s a y ( ' ) ! ( x

0

) f o r

s o m e ' 2 ! ( x

0

) . T h e n i n f a c t ! ( x

0

) = ( ' ) i s a s i n g l e p e r i o d i c o r b i t .

P r o o f . W i t h ' a s i n t h e s t a t e m e n t o f t h e p r o p o s i t i o n , a s s u m e t h a t ( ' ) 6= ! ( x

0

) . L e t U C b e a

n e i g h b o r h o o d o f t h e o r b i t ( ' ) s u c h t h a t U \ E = ( t h a t i s , U c o n t a i n s n o e q u i l i b r i a ) , a n d s u c h t h a t

! ( x

0

) i s n o t a s u b s e t o f U

W e s h a l l r s t c o n s t r u c t a s e c o n d p e r i o d i c o r b i t i n ! ( x

0

) , s a y ( ) ! ( x

0

) , d i s t i n c t f r o m ( ' ) , s u c h

t h a t ( ) U . T o d o t h i s , r s t o b s e r v e t h a t s i n c e U c o n t a i n s s o m e , b u t n o t a l l o f ! ( x

0

) , t h e t r a j e c t o r y

x

t

r e p e a t e d l y e n t e r s a n d l e a v e s t h e s e t U a s t ! 1 ; i n f a c t t h e r e e x i s t i n t e r v a l s I

n

= t

n

; t

n

+

n

s u c h t h a t x

t

2 U f o r a l l t 2 I

n

, w i t h x

t

n

2 @ U , a n d w i t h t

n

! 1 a n d t h e l e n g t h s o f t h e i n t e r v a l s

n

! 1 . B y t a k i n g a c o n v e r g e n t s u b s e q u e n c e x

t

n

! 2 ! ( x

0

) , w e o b t a i n a p o i n t 2 @ U s u c h t h a t

t h e s o l u t i o n v ( ) t h r o u g h s a t i s e s v

t

2 U f o r a l l t 0 . N e c e s s a r i l y ! ( v

0

) U , a n d s o ! ( v

0

) \ E =

B y P r o p o s i t i o n 6 . 2 , t h e r e f o r e , t h e s o l u t i o n v ( ) i s a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n . A l s o , v ( ) i s d i s t i n c t

f r o m t h e p e r i o d i c s o l u t i o n t h r o u g h ' , a s v

0

2 @ U ; w h i l e ( ' ) U a n d s o ( ' ) \ @ U = . O b s e r v e t h a t

f r o m t h e p e r i o d i c i t y , t h e s o l u t i o n v ( ) s a t i s e s v

t

2 U f o r a l l t 0 , h e n c e f o r t 2 I R , t h a t i s , ( ) U

I n a s i m i l a r f a s h i o n , b y r e d u c i n g t h e s i z e o f t h e n e i g h b o r h o o d U o f ( ' ) s o t h a t t h e o r b i t ( )

c o n s t r u c t e d a b o v e n o w l i e s o u t s i d e o f U , a t h i r d p e r i o d i c o r b i t ( ) , d i s t i n c t f r o m b o t h ( ' ) a n d ( ) ,

c a n b e s h o w n t o e x i s t .

T h e i m a g e s ( ( ' ) ) , ( ( ) ) , a n d ( ( ) ) o f t h e s e t h r e e o r b i t s a r e d i s j o i n t J o r d a n c u r v e s , b y

L e m m a 5 . 7 . M o r e o v e r , b y c h o o s i n g t h e n e i g h b o r h o o d s U i n t h e a b o v e c o n s t r u c t i o n s u c i e n t l y s m a l l ,

w e e n s u r e t h a t t h e H a u s d o r d i s t a n c e b e t w e e n t h e t h r e e o r b i t s i s s m a l l e n o u g h t h a t t h e s e J o r d a n

c u r v e s a r e n e s t e d i n t h e s e n s e t h a t ( a f t e r p o s s i b l y r e l a b e l i n g t h e p o i n t s ' , , ) w e h a v e t h a t

J

1

J

2

n t

a n d J

2

J

3

n t

; w h e r e

J

1

= ( ( ' ) ) ; J

2

= ( ( ) ) ; J

3

= ( ( ) ) ;

w h e r e a s u s u a l J

n t

d e n o t e t h e i n t e r i o r o f a J o r d a n c u r v e J

I n o r d e r t o o b t a i n a c o n t r a d i c t i o n a n d s o c o m p l e t e t h e p r o o f , w e s h a l l s h o w t h a t x

t

62 J

2

f o r a l l

l a r g e t . T h i s c o n t r a d i c t s t h e f a c t t h a t x

t

p a s s e s a r b i t r a r i l y n e a r t h e i n n e r m o s t a n d o u t e r m o s t c u r v e s

J

1

a n d J

3

, f o r a r b i t r a r i l y l a r g e t , a n d h e n c e m u s t r e p e a t e d l y c r o s s t h e m i d d l e c u r v e J

2

a s t ! 1

L e t u ( ) a n d v ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n s t h r o u g h ' a n d r e s p e c t i v e l y , a n d l e t d e n o t e t h e i n t e g e r

i n t h e s t a t e m e n t o f L e m m a 5 . 7 f o r t h e s e t w o s o l u t i o n s . T h e n a s u

s

? v

t

2 S f o r a l l s ; t 2 I R , t h e r e

3 2

7/28/2019 10.1.1.29.9665


e x i s t s a n e i g h b o r h o o d W C

1

i n t h e C

1

t o p o l o g y , w i t h ( ' ) W , s u c h t h a t

? v

t

2 S a n d V ( ? v

t

) = f o r a l l 2 W a n d t 2 I R

W h e n e v e r 0 i s s u c h t h a t x

2 W , t h e n V ( x

? v

t

) = f o r a l l t . B e c a u s e ( ' ) ! ( x

0

) , t h e r e e x i s t

a r b i t r a r i l y l a r g e s u c h , a n d i t f o l l o w s t h e r e f o r e t h a t t h e r e e x i s t s

0

s u c h t h a t

V ( x

s

? v

t

) = f o r a l l s

0

a n d t 2 I R ( 6 2 )

W e c o n c l u d e i m m e d i a t e l y f r o m ( 6 . 2 ) a n d T h e o r e m 4 . 3 t h a t x

s

? v

t

2 S f o r a l l s

0

+ 4 a n d t 2 I R ,

a n d h e n c e t h a t

x

s

62 ( ( ) ) f o r a l l s

0

+ 4 ; ( 6 3 )

u s i n g ( 4 . 1 3 ) . B u t ( 6 . 3 ) s a y s s i m p l y t h a t x

s

62 J

2

f o r a l l l a r g e s , a s d e s i r e d . W i t h t h i s , t h e p r o o f o f

t h e p r o p o s i t i o n i s c o m p l e t e .

W i t h t h e a b o v e r e s u l t s , w e n o w g i v e t h e p r o o f o f T h e o r e m 2 . 1 , t h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m .

P r o o f o f T h e o r e m 2 . 1 . T h e c l a i m t h a t e i t h e r ( a ) o r ( b ) i n t h e s t a t e m e n t o f t h e t h e o r e m o c c u r s ,

f o l l o w s d i r e c t l y f r o m P r o p o s i t i o n s 6 . 2 a n d 6 . 3 . A l l t h a t r e m a i n s , t h e r e f o r e , i s t o p r o v e t h a t e a c h p l a n a r

p r o j e c t i o n f u n c t i o n =

i

i s o n e - t o - o n e o n t h e o m e g a - l i m i t s e t ! ( x

0

)

A s s u m e t h a t ( b ) i n t h e s t a t e m e n t o f t h e t h e o r e m h o l d s ; o t h e r w i s e , i f ( a ) h o l d s , t h e n ! ( x

0

) i s a

s i n g l e p e r i o d i c o r b i t , a n d w e a r e d o n e b y t h e r e m a r k s a t t h e e n d o f S e c t i o n 4 . L e t d e n o t e t h e i n t e g e r

i n t h e s t a t e m e n t o f L e m m a 5 . 8 . W e s h a l l s h o w t h a t

V ( ' ? ) = i f ' ; 2 ! ( x

0

) a n d ' 6= ( 6 4 )

F r o m t h i s i t f o l l o w s t h a t ' ? 2 S f o r a l l s u c h ' ; , u s i n g T h e o r e m 4 . 3 , a n d h e n c e t h a t ' 6=

b y ( 4 . 1 3 ) , a s d e s i r e d .

L e t ' ; 2 ! ( x

0

) b e d i s t i n c t p o i n t s . W e m a y a s s u m e w i t h o u t l o s s t h a t i s n o t a n e q u i l i b r i u m ,

o t h e r w i s e ( 6 . 4 ) f o l l o w s f r o m L e m m a 5 . 8 . L e t u ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n t h r o u g h ' , a n d l e t t

n

! 1 b e

s u c h t h a t x

t

n

! . A s s u m e w i t h o u t l o s s t h a t

n

! 1 a l s o , w h e r e

n

= t

n + 1

? t

n

. T h e n u s i n g t h e

l o w e r s e m i c o n t i n u i t y a n d t h e m o n o t o n i c i t y o f V , w e h a v e t h a t

V ( ' ? ) l i m i n f

n ! 1

V ( u

0

? x

t

n + 1

) l i m i n f

n ! 1

V ( u

?

n

? x

t

n

) ( 6 5 )

3 3

7/28/2019 10.1.1.29.9665


B e c a u s e ( u

0

) E ; a n d b e c a u s e x

t

n

a p p r o a c h e s a n o n - e q u i l i b r i u m p o i n t i n t h e C

1

t o p o l o g y , w e

h a v e f r o m L e m m a 5 . 8 t h a t u

?

n

? x

t

n

2 S a n d t h a t V ( u

?

n

? x

t

n

) = f o r a l l l a r g e n . W i t h ( 6 . 5 ) t h i s

p r o v e s t h a t V ( ' ? )

S u p p o s e n o w t h a t V ( ' ? ) < f o r s o m e d i s t i n c t ' ; 2 ! ( x

0

) . W e s h a l l o b t a i n a c o n t r a d i c t i o n ,

t o c o m p l e t e o u r p r o o f . B y r e p l a c i n g ' a n d w i t h u

a n d v

f o r s u c i e n t l y l a r g e , w h e r e u ( ) a n d

v ( ) d e n o t e t h e s o l u t i o n s t h r o u g h ' a n d r e s p e c t i v e l y , w e m a y a s s u m e w i t h o u t l o s s t h a t ' ? 2 S

A g a i n l e t t

n

! 1 w i t h x

t

n

! , a n d

n

= t

n + 1

? t

n

! 1 . B e c a u s e ' ? 2 S , w e h a v e f o r l a r g e n

t h a t

V ( u

n

? x

t

n + 1

) V ( u

0

? x

t

n

) = V ( ' ? ) < ( 6 6 )

O n t h e o t h e r h a n d , b y p a s s i n g t o a s u b s e q u e n c e i n ( 6 . 6 ) f o r w h i c h u

n

! , w h e r e 2 ! ( u

0

) E

i s a n e q u i l i b r i u m , w e o b t a i n u s i n g t h e l o w e r s e m i c o n t i n u i t y o f V t h a t V ( ? ) < . H o w e v e r , t h i s

c o n t r a d i c t s L e m m a 5 . 8 , a n d s o c o m p l e t e s t h e p r o o f o f t h e t h e o r e m .

3 4

7/28/2019 10.1.1.29.9665


7 F u r t h e r R e s u l t s o n P e r i o d i c S o l u t i o n s

I n t h i s s e c t i o n w e e x p l o r e f u r t h e r p r o p e r t i e s o f p e r i o d i c s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) . R e c a l l t h a t a u n i d i -

r e c t i o n a l s y s t e m i s o n e o f t h e f o r m ( 2 . 1 ) . M o r e g e n e r a l l y , f o r s o m e i w e s a y t h a t t h e n o n l i n e a r i t y f

i

i n

t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) i s u n i d i r e c t i o n a l i n c a s e f

i

( ; ; ) d e p e n d s o n l y o n i t s l a s t t w o a r g u m e n t s , a n d

, t h a t i s , i f t h e e q u a t i o n f o r _x

i

( t ) i n ( 1 . 5 ) h a s t h e f o r m

_x

i

( t ) = f

i

( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) )

T h e n o n l i n e a r i t y f

0

i s a l w a y s u n i d i r e c t i o n a l i n ( 1 . 5 ) , w h i l e e a c h o f t h e r e m a i n i n g f

i

, f o r 1 i N ,

m a y o r m a y n o t b e u n i d i r e c t i o n a l . I f f

i

i s u n i d i r e c t i o n a l f o r e a c h i w i t h 0 i N , s o t h a t t h e

s y s t e m ( 1 . 5 ) t a k e s t h e f o r m ( 2 . 1 ) , w e s a y s i m p l y t h a t t h i s s y s t e m i s u n i d i r e c t i o n a l .

T h e n e x t r e s u l t s h o w s t h a t f o r p e r i o d i c s o l u t i o n s , t h e c o o r d i n a t e x

i

( ) h a s o n e l o c a l m i n i m u m , a n d

o n e l o c a l m a x i m u m p e r p e r i o d w h e n e v e r f

i

i s u n i d i r e c t i o n a l .

T h e o r e m 7 . 1 . A s s u m e f o r s o m e i , w i t h 0 i N ; t h a t t h e n o n l i n e a r i t y f

i

i s u n i d i r e c t i o n a l , a n d l e t

x ( ) b e a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , o f m i n i m u m p e r i o d T T h e n f o r t 2 0 ; T ) ; t h e

c o o r d i n a t e x

i

( ) a s s u m e s e a c h v a l u e i n i t s r a n g e e x a c t l y t w i c e , e x c e p t f o r t h e m a x i m u m a n d m i n i m u m

w h i c h a r e e a c h a s s u m e d e x a c t l y o n c e . I n p a r t i c u l a r , t h e r e e x i s t t i m e s t

0

< t

1

< t

0

+ T s u c h t h a t

x

i

( t

0

) < x

i

( t ) < x

i

( t

1

) a n d _x

i

( t ) > 0 f o r t

0

< t < t

1

;

x

i

( t

0

) < x

i

( t ) < x

i

( t

1

) a n d _x

i

( t ) < 0 f o r t

1

< t < t

0

+ T ;

( 7 1 )

a n d s o x

i

( ) i s s t r i c t l y i n c r e a s i n g f r o m i t s m i n i m u m t o i t s m a x i m u m , a n d s t r i c t l y d e c r e a s i n g f r o m i t s

m a x i m u m t o i t s m i n i m u m .

P r o o f . W e o b s e r v e t h a t o u r h y p o t h e s e s e n s u r e t h a t t h e m a p

?

i

( x

i

; x

i + 1

) = ( x

i

; f

i

( x

i

; x

i + 1

) )

i s a d i e o m o r p h i s m f r o m I R

2

o n t o i t s r a n g e i n I R

2

; t h e r e f o r e , t h e m a p

t 2 0 ; T ) ! ? (

i

x

t

) = ?

i

( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) = ( x

i

( t ) ; _x

i

( t ) ) ( 7 2 )

i s o n e - t o - o n e a n d d e s c r i b e s a J o r d a n c u r v e i n t h e p l a n e . N o t e a l s o t h a t ( 7 . 2 ) i s a n i m m e r s i o n , t h a t i s ,

( _x

i

( t ) ; x

i

( t ) ) 6= ( 0 ; 0 ) f o r a l l t . T h i s i s a s i m p l e c o n s e q u e n c e o f t h e f a c t t h a t ( _x

i

( t ) ; _x

i + 1

( t ) ) 6= ( 0 ; 0 ) f o r

3 5

7/28/2019 10.1.1.29.9665


a l l t , t h a t i s , t !

i

x

t

i s a n i m m e r s i o n , a s w a s n o t e d a t t h e e n d o f S e c t i o n 4 , a n d t h e f a c t t h a t ? i s a

d i e o m o r p h i s m .

L e t t

0

< t

1

< t

0

+ T b e s u c h t h a t

x

i

( t

0

) = m i n

t 2 I R

x

i

( t ) ; x

i

( t

1

) = m a x

t 2 I R

x

i

( t )

W e n o t e t h a t i t i s s u c i e n t t o p r o v e t h e s l i g h t l y w e a k e r v e r s i o n o f ( 7 . 1 ) , n a m e l y t h a t

x

i

( t

0

) < x

i

( t ) < x

i

( t

1

) a n d _x

i

( t ) 0 f o r t

0

< t < t

1

;

x

i

( t

0

) < x

i

( t ) < x

i

( t

1

) a n d _x

i

( t ) 0 f o r t

1

< t < t

0

+ T ;

( 7 3 )

s i n c e w h e n e v e r _x

i

( t ) = 0 w e h a v e t h a t x

i

( t ) 6= 0

S u p p o s e t h e n ( 7 . 3 ) f a i l s ; t o b e s p e c i c , s u p p o s e t h a t t h e r s t l i n e i n ( 7 . 3 ) i s f a l s e . T h e n b y S a r d ' s

t h e o r e m t h e r e e x i s t s 2 ( x

i

( t

0

) ; x

i

( t

1

) ) s u c h t h a t i s a r e g u l a r v a l u e o f x

i

( ) i n ( t

0

; t

1

) ; t h a t i s ,

_x

i

( t ) 6= 0 w h e n e v e r x

i

( t ) = a n d t 2 ( t

0

; t

1

) ;

a n d s u c h t h a t x

i

( t

) = w i t h _x

i

( t

) < 0 f o r s o m e s u c h t = t

L e t s u c h b e x e d . C o n s i d e r t h o s e

( n i t e l y m a n y ) t 2 ( t

0

; t

1

) f o r w h i c h x

i

( t ) = a n d _x

i

( t ) > 0 ; n e c e s s a r i l y t h e r e e x i s t s m o r e t h a n o n e

s u c h t ; a t l e a s t o n e o n e i t h e r s i d e o f t

. D e n o t e

P = f ( ; _x ( t ) ) 2 I R

2

x

i

( t ) = a n d _x

i

( t ) > 0 ; w h e r e t 2 ( t

0

; t

1

) g

L e t t

2

; t

3

2 ( t

0

; t

1

) ; w i t h t

2

< t

3

b e s u c h t h a t x

i

( t

i

) = a n d _x

i

( t

i

) > 0 f o r i = 2 ; 3 ; a n d s u c h t h a t t h e

o p e n l i n e s e g m e n t j o i n i n g ( ; _x

i

( t

2

) ) a n d ( ; _x

i

( t

3

) ) c o n t a i n s n o p o i n t s o f P ; d e n o t e t h i s l i n e s e g m e n t

b y L I R

2

T h e n t h e u n i o n J = K L ; w h e r e K i s t h e i m a g e o f t 2 t

2

; t

3

! ( x

i

( t ) ; _x

i

( t ) ) ; i s a J o r d a n

c u r v e . I t i s e a s i l y s e e n t h a t t h e c u r v e ( x

i

( t ) ; _x

i

( t ) ) l i e s i n d i e r e n t c o n n e c t e d c o m p o n e n t s o f I R n J f o r

t 2 t

0

; t

2

) a n d f o r t 2 ( t

3

; t

1

B u t t h i s i s i m p o s s i b l e , a s b o t h t h e p o i n t s ( x

i

( t

j

) ; _x

i

( t

j

) ) = ( x

i

( t

j

) ; 0 ) ;

f o r j = 0 ; 1 ; c o r r e s p o n d i n g t o t h e m i n i m u m a n d m a x i m u m o f x

i

( ) , l i e i n t h e e x t e r i o r o f J

e x t

; a n d w e

h a v e ( x

i

( t ) ; _x

i

( t ) ) 62 J f o r t 2 t

0

; t

2

) ( t

3

; t

1

T h i s c o n t r a d i c t i o n c o m p l e t e s t h e p r o o f .

T h e n e x t r e s u l t s h o w s t h a t i f t h e n o n l i n e a r i t y i n ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) i s o d d , t h e n p e r i o d i c s o l u t i o n s w h i c h

o s c i l l a t e a b o u t z e r o e n j o y a c o r r e s p o n d i n g s y m m e t r y p r o p e r t y .

T h e o r e m 7 . 2 . A s s u m e a l l n o n l i n e a r i t i e s f

i

i n ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) a r e o d d , t h a t i s

f

0

( ? ; ? ) ? f

0

( ; ) ;

f

i

( ? ; ? ; ? ) ? f

i

( ; ; ) ; f o r 1 i N ;

3 6

7/28/2019 10.1.1.29.9665


a n d l e t x ( ) b e a n y n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) . A s s u m e t h a t x

0

( t ) = 0 f o r s o m e t 2 I R ;

t h e n

x

i

( t + T = 2 ) = ? x

i

( t ) f o r a l l t 2 I R a n d 0 i N ; ( 7 4 )

w h e r e T i s t h e m i n i m u m p e r i o d o f x ( ) I f t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) i s u n i d i r e c t i o n a l a n d t h e o r i g i n 0 2 I R

N

i s t h e o n l y e q u i l i b r i u m o f ( 1 . 5 ) , t h e n a l l n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n s o f ( 1 . 5 ) s a t i s f y ( 7 . 4 ) f o r t h e i r

m i n i m u m p e r i o d s T

B e f o r e p r o v i n g T h e o r e m 7 . 2 , w e n e e d t o e x p l o r e t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e J o r d a n c u r v e s

i

( ( ' ) )

w h e r e ( ' ) i s a p e r i o d i c o r b i t , a n d t h e p o i n t s

i

w h e r e i s a n e q u i l i b r i u m . T h e n e x t r e s u l t c a l c u l a t e s

t h e w i n d i n g n u m b e r o f t h e s e J o r d a n c u r v e s a b o u t s u c h p o i n t s .

P r o p o s i t i o n 7 . 3 . L e t x ( ) b e a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) , o f m i n i m u m p e r i o d T ,

a n d l e t 2 C b e a n e q u i l i b r i u m o f t h i s s y s t e m . L e t W

i

( x ? ) d e n o t e t h e w i n d i n g n u m b e r o f t h e c u r v e

t 2 0 ; T ) !

i

( x

t

? ) = ( x

i

( t ) ?

i

; x

i + 1

( t ) ?

i + 1

) 2 I R

2

a b o u t 0 2 I R

2

. L e t

M =

8

>

<

>

:

0 i f x

0

( t ) 6=

0

f o r a l l t 2 I R ;

1 i f x

0

( t ) =

0

f o r s o m e t 2 I R

T h e n w e h a v e t h a t

W

i

( x ? ) =

i

M f o r 0 i N

I f m o r e o v e r M = 1 , t h e n t h e c o n s t a n t v a l u e V ( x

t

? ) i s p o s i t i v e . F i n a l l y , i f M = 1 a n d i f f

i

i s

u n i d i r e c t i o n a l f o r s o m e i , t h e n x

i

( t ) =

i

f o r e x a c t l y t w o v a l u e s o f t 2 0 ; T ) , a n d _x

i

( t ) 6= 0 w h e n

x

i

( t ) =

i

f o r t h i s i

B e f o r e p r o v i n g P r o p o s i t i o n 7 . 3 , a n d t h e n T h e o r e m 7 . 2 , w e i n c l u d e f o r c o m p l e t e n e s s t h e f o l l o w i n g

e a s y c o r o l l a r y o f P r o p o s i t i o n 7 . 3 , w h i c h i s e s s e n t i a l l y f o u n d i n M P - S m ] . I n t e r e s t i n g l y , t h e a n a l o g o f

t h i s r e s u l t f o r t h e g e n e r a l ( b i d i r e c t i o n a l ) c a s e s e e m s n o t t o b e k n o w .

C o r o l l a r y 7 . 4 . C o n s i d e r t h e u n i d i r e c t i o n a l s y s t e m ( 2 . 1 ) , s a t i s f y i n g ( 1 . 6 ) , a n d l e t x ( ) b e a n o n c o n -

s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f t h i s s y s t e m . T h e n t h e r e e x i s t s a n e q u i l i b r i u m s u c h t h a t w e h a v e f o r t h e

w i n d i n g n u m b e r

W

i

( x ? ) =

i

f o r 0 i N ( 7 5 )

3 7

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f . L e t I

i

I R d e n o t e t h e r a n g e o f t h e c o o r d i n a t e f u n c t i o n x

i

( ) ; f o r 0 i N + 1 . W e i n c l u d e

h e r e x

N + 1

( t ) = x

0

( t ? 1 ) , a n d s o I

N + 1

= I

0

W e r s t s h o w f o r e a c h 2 I

i

; w i t h 0 i N ; t h a t

t h e r e e x i s t s 2 I

i + 1

s u c h t h a t f

i

( ; ) = 0 I n d e e d , g i v e n 2 I

i

, t h e r e e x i s t t i m e s t

0

; t

1

s u c h t h a t

( ? 1 )

j

_x

i

( t

j

) 0 a n d x

i

( t

j

) = ; f o r j = 0 ; 1 ; a n d s o ( ? 1 )

j

f

i

( ; x

i + 1

( t

j

) ) 0 T h u s f

i

( ; ) a s s u m e s

b o t h n o n n e g a t i v e a n d n o n p o s i t i v e v a l u e s o n I

i + 1

; s o f

i

( ; ) = 0 f o r s o m e 2 I

i + 1

T h e s t r i c t m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n s ( 1 . 6 ) n o w i m p l y t h a t s u c h i s u n i q u e a n d d e p e n d s c o n t i n u o u s l y

o n ; l e t u s d e n o t e = h

i

( ) ; s o t h a t h

i

: I

i

! I

i + 1

i s c o n t i n u o u s , w i t h f

i

( ; h

i

( ) ) = 0 f o r a l l 2 I

i

N o w c o n s i d e r t h e c o m p o s i t i o n

h : I

0

! I

0

g i v e n b y h = h

N

h

N ? 1

h

0

T h e n h h a s a x e d p o i n t i n I

0

O n e e a s i l y s e e s t h a t s u c h a p o i n t y i e l d s a n e q u i l i b r i u m , a n d u s i n g

P r o p o s i t i o n 7 . 3 o n e s e e s t h a t ( 7 . 5 ) h o l d s .

T h e f o l l o w i n g c o n s t r u c t i o n p l a y s a k e y r o l e i n t h e p r o o f o f P r o p o s i t i o n 7 . 3 . C o n s i d e r t h e m a p

: C ( I K ) ! C ? 1 ; N + 1

g i v e n b y l i n e a r l y i n t e r p o l a t i n g a f u n c t i o n b e t w e e n t h e p o i n t s o f I K f N + 1 g . N a m e l y , f o r e a c h

' 2 C ( I K ) , r s t s e t

( ' ) ( ) =

8

>

<

>

:

' ( ) f o r 2 I K ;

' ( ? 1 ) f o r = N + 1 ;

( 7 6 )

a n d t h e n i n t e r p o l a t e t o g e t

( ' ) ( ) = ( i + 1 ? ) ( ' ) ( i ) + ( ? i ) ( ' ) ( i + 1 )

f o r i i + 1 a n d 0 i N

( 7 7 )

O b s e r v e h o w

e n t e r s i n t o t h e f o r m u l a f o r . M o r e p r o p e r l y , o n e s h o u l d s p e a k o f t h e t w o f u n c t i o n s

s o d e n e d ,

, w h e r e i s t h e s i g n o f

. B e l o w , w e s h a l l s i m p l y w r i t e ; t h e v a l u e o f

h a v i n g b e e n

x e d .

N o w s u p p o s e t h a t x : I R ! I R

N + 1

i s a C

1

f u n c t i o n ( n o t n e c e s s a r i l y a s o l u t i o n ) , a n d s a t i s e s

x

t

2 S C

1

f o r a l l t 2 I R . F o r e x a m p l e , x ( ) c o u l d b e t h e d i e r e n c e b e t w e e n a p e r i o d i c s o l u t i o n a n d

3 8

7/28/2019 10.1.1.29.9665


a n e q u i l i b r i u m o f ( 1 . 5 ) . W e a r e i n t e r e s t e d i n t h e g e o m e t r y o f t h e z e r o s e t

Z ( x ) = f ( t ; ) 2 I R ? 1 ; N + 1 ( x

t

) ( ) = 0 g

A s t h e f o l l o w i n g r e s u l t s h o w s , t h e s e t Z ( x ) c o n s i s t s o f c e r t a i n d i s c r e t e c u r v e s g i v e n a s g r a p h s = ( t )

o v e r c e r t a i n i n t e r v a l s o f t

P r o p o s i t i o n 7 . 5 . L e t x : I R ! I R

N + 1

b e C

1

a n d s a t i s f y x

t

2 S f o r a l l t 2 I R . T h e n e a c h c o n n e c t e d

c o m p o n e n t o f t h e s e t Z ( x ) i s a g r a p h

= ( t ) ; t 2 I ; ( 7 8 )

o f a c o n t i n u o u s f u n c t i o n : I ! ? 1 ; N + 1 o v e r s o m e c l o s e d i n t e r v a l I . T h e f u n c t i o n s a t i s e s

( a ) ( t ) = ? 1 i f a n d o n l y i f t i s t h e r i g h t - h a n d e n d p o i n t o f I ( i f s u c h e x i s t s ) ;

( b ) ( t ) = N + 1 i f a n d o n l y i f t i s t h e l e f t - h a n d e n d p o i n t o f I ( i f s u c h e x i s t s ) ;

( c ) i f ( t

0

) 0 t h e n

( t ) = ? ( t ? t

0

) + ( t

0

)

i s l i n e a r w i t h s l o p e ? 1 f o r a l l t s u c h t h a t ? ( t ? t

0

) + ( t

0

) 2 ? 1 ; 0 ;

( d ) i f ( t

0

) 0 t h e n ( t ) > ( t

0

) f o r a l l t 2 I w i t h t < t

0

;

( e ) i f t h e i n t e r v a l I i s u n b o u n d e d i n t h e p o s i t i v e d i r e c t i o n , t h e n x

0

( t ) 6= 0 f o r a l l l a r g e t ; a n d s i m i l a r l y

i f I i s u n b o u n d e d i n t h e n e g a t i v e d i r e c t i o n , t h e n x

0

( t ) 6= 0 f o r a l l n e g a t i v e t o f l a r g e n o r m ; n a l l y ,

( f ) t h e f u n c t i o n ( x

t

) ( ) c h a n g e s s i g n a c r o s s t h e g r a p h o f

I n a d d i t i o n , w e h a v e t h a t

( g ) w h e n e v e r x

0

( t ? 1 ) 6= 0 ; t h e n t h e q u a n t i t y V ( x

t

) i s p r e c i s e l y t h e n u m b e r o f z e r o s

V ( x

t

) = c a r d f 2 ? 1 ; N + 1 ( x

t

) ( ) = 0 g ; ( 7 9 )

a n d a l s o

( h ) i f 0 i N , t h e n f o r e a c h t t h e r e e x i s t s a t m o s t o n e p o i n t ( t ; ) 2 Z ( x ) w i t h i i + 1

3 9

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f . T h e p r o o f i s f a i r l y e l e m e n t a r y , a n d c o n s i s t s m a i n l y i n c o n s i d e r i n g ( t

0

;

0

) 2 Z ( x ) ; a n d e x a m i n -

i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e s e t Z ( x ) n e a r t h a t p o i n t , o f c o u r s e u s i n g t h e d e n i t i o n o f t h e s e t S . T o b e g i n ,

l e t ( t

0

;

0

) 2 Z ( x ) , w h e r e i <

0

< i + 1 f o r s o m e i n t e g e r i w i t h 0 i N N e c e s s a r i l y b o t h ( x

t

) ( i )

a n d ( x

t

) ( i + 1 ) a r e n o n z e r o w i t h o p p o s i t e s i g n s f o r t n e a r t

0

, f o r o t h e r w i s e

i

x

t

0 = 0 , c o n t r a d i c t i n g

x

t

0

2 S . S e t t i n g t h e r i g h t - h a n d s i d e o f ( 7 . 7 ) t o z e r o y i e l d s t h e f o r m u l a

( t ) = i +

( x

t

) ( i )

( x

t

) ( i ) ? ( x

t

) ( i + 1 )

= i +

x

i

( t )

x

i

( t ) ?

i

x

i + 1

( t )

;

( 7 1 0 )

w h i c h i s a q u a n t i t y s t r i c t l y b e t w e e n i a n d i + 1 , a n d i s t h e o n l y p o i n t o f Z ( x ) n e a r

0

, f o r t n e a r t

0

N o w s u p p o s e t h a t

0

= i i s a n i n t e g e r w i t h 1 i N . T h e n t h e t w o q u a n t i t i e s ( x

t

0

) ( i 1 ) a r e

n o n z e r o a n d h a v e o p p o s i t e s i g n s , a g a i n b e c a u s e x

t

0 2 S ( r e c a l l h e r e t h e d e n i t i o n ( 4 . 1 1 ) o f S

i

) . O n e

o b t a i n s ( t ) u s i n g e i t h e r ( 7 . 1 0 ) , o r e l s e ( 7 . 1 0 ) w i t h i ? 1 r e p l a c i n g i ; d e p e n d i n g o n t h e s i g n o f ( x

t

) ( i )

T h e f u n c t i o n i s e a s i l y s e e n t o b e c o n t i n u o u s .

N o w s u p p o s e

0

2 ? 1 ; 0 ) T h e n x

0

( t

0

+

0

) = 0 I n t h i s c a s e Z ( x ) i s g i v e n l o c a l l y b y t h e g r a p h

= ? ( t ? t

0

) +

0

f o r t t

0

+

0

+ 1 n e a r t

0

;

s i n c e x

t

( ) = x

0

( t + ) i s g i v e n b y t i m e - t r a n s l a t i o n a n d a l l z e r o s o f x

0

( ) a r e s i m p l e , h e n c e i s o l a t e d .

I f

0

= 0 ; t h e n t h e f a c t t h a t t h e s i g n o f x

0

( t ) n e a r b y i s g i v e n b y t h e c o n d i t i o n t h a t

0

_x

0

( t ) x

1

( t ) > 0

( f r o m t h e d e n i t i o n o f t h e s e t S

0

i n ( 4 . 1 2 ) ) , i m p l i e s t h a t Z ( x ) i s a g a i n l o c a l l y a g r a p h . F i n a l l y

s u p p o s e t h a t

0

= N + 1 ; s o x

0

( t

0

? 1 ) = 0 W e k n o w f r o m t h e d e n i t i o n o f t h e s e t S

? 1

i n ( 4 . 1 2 ) t h a t

N

x

N

( t

0

) _x

0

( t

0

? 1 ) < 0 , t h a t i s , ( x

t

) ( N ) a n d ( _x

t

) ( N + 1 ) a r e n o n z e r o a n d h a v e o p p o s i t e s i g n s f o r t

n e a r t

0

A s ( x

t

) ( ) i s g i v e n b y l i n e a r i n t e r p o l a t i o n f o r b e t w e e n N a n d N + 1 , w e o b t a i n l o c a l l y t h e

s e t Z ( x ) a s g r a p h = ( t ) , b u t o n l y f o r t t

0

, w i t h ( t

0

) = N + 1 a n d ( t ) < N + 1 f o r t > t

0

n e a r

t

0

A t t h i s p o i n t , w e s e e f r o m t h e a b o v e d i s c u s s i o n t h a t e a c h c o n n e c t e d c o m p o n e n t o f Z ( x ) i s a

g r a p h ( 7 . 8 ) , a n d t h a t ( a ) , ( b ) , ( c ) , a n d ( d ) h a v e b e e n p r o v e d . W e n o t e h e r e i n a l l t h e s e c a s e s t h a t

( x

t

) ( ) c h a n g e s s i g n a c r o s s t h e g r a p h o f ; t h a t i s , ( f ) i n t h e s t a t e m e n t o f t h e p r o p o s i t i o n h o l d s . W e

a l s o n o t e , f r o m t h e d e n i t i o n s o f V a n d ; t h a t ( g ) h o l d s , a n d t h a t ( h ) f o l l o w s f r o m t h e d e n i t i o n o f

, i n p a r t i c u l a r f r o m t h e l i n e a r i n t e r p o l a t i o n f o r m u l a ( 7 . 7 ) .

W e n o w p r o v e t h e c l a i m ( e ) . S u p p o s e t h a t I i s u n b o u n d e d i n t h e p o s i t i v e d i r e c t i o n , b u t t h a t t h e r e

e x i s t t

n

! 1 w i t h x

0

( t

n

) = 0 T h e n f o r e a c h n t h e r e i s a c u r v e

n

: I

n

! ? 1 ; N + 1 ] i n Z ( x ) w i t h

4 0

7/28/2019 10.1.1.29.9665


n

( t

n

+ 1 ) = N + 1 ; w h e r e t

n

+ 1 i s t h e l e f t - h a n d e n d p o i n t o f I

n

A s t h e g r a p h s o f a n d

n

i n I R

2

a r e d i s j o i n t , i t f o l l o w s t h a t

I

n

= t

n

; 1 ) f o r l a r g e n ; ( 7 1 1 )

f o r o t h e r w i s e t h e g r a p h o f

n

w o u l d h a v e t o c r o s s t h e g r a p h o f t o r e a c h t h e l i n e = ? 1 I n d e e d ,

a s t h e g r a p h s o f a l l t h e

n

a r e p a i r w i s e d i s j o i n t , ( 7 . 1 1 ) f o r c e s t h e r i g h t - h a n d s i d e o f ( 7 . 9 ) t o a p p r o a c h

i n n i t y a s t ! 1 B u t t h i s i s a c o n t r a d i c t i o n a s w e k n o w t h a t V ( x

t

) i s l o c a l l y c o n s t a n t , h e n c e c o n s t a n t

i n t , a s x

t

2 S . A s i m i l a r a r g u m e n t p r o v e s t h e c l a i m ( e ) f o r t h e n e g a t i v e d i r e c t i o n .

W i t h t h e s e a r g u m e n t s t h e p r o o f o f t h e p r o p o s i t i o n i s c o m p l e t e .

R e m a r k . S u p p o s e t h a t x : I R ! I R

N + 1

i s a s i n P r o p o s i t i o n 7 . 5 , a n d t h a t i n a d d i t i o n t h e c o o r d i n a t e

f u n c t i o n x

0

( ) h a s a b i - i n n i t e s e t o f z e r o s f t

n

g

1

n = ? 1

; o r d e r e d s o t h a t t

n

< t

n + 1

f o r a l l n 2 Z Z

T h e n ( e ) o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 i m p l i e s t h a t f o r e a c h o f t h e c u r v e s ( 7 . 8 ) c o m p r i s i n g Z ( x ) t h e i n t e r v a l I i s

c o m p a c t , a n d ( u s i n g ( a ) a n d ( b ) ) o n e s e e s b o t h e n d p o i n t s o f I a r e p o i n t s i n t h e s e t f t

n

+ 1 g

1

n = ? 1

I n

f a c t , e a c h t

n

+ 1 o c c u r s e x a c t l y o n c e a s a l e f t e n d p o i n t a n d e x a c t l y o n c e a s a r i g h t e n d p o i n t , a s t h e

g r a p h s o f t h e v a r i o u s a r e d i s j o i n t . T h i s i m p l i e s t h e r e e x i s t s a u n i q u e i n t e g e r > 0 ; s u c h t h a t f o r

e a c h n 2 Z Z t h e r e i s a f u n c t i o n

n

: I

n

= t

n ?

+ 1 ; t

n

+ 1 ! ? 1 ; N + 1 ] ( 7 1 2 )

s a t i s f y i n g t h e c o n c l u s i o n s o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 . T h e g r a p h s ( 7 . 1 2 ) a r e d i s j o i n t , s o

n

( t ) <

n + 1

( t ) f o r t 2 I

n

\ I

n + 1

; ( 7 1 3 )

a n d Z ( x ) i s p r e c i s e l y t h e u n i o n o f t h e g r a p h s ( 7 . 1 2 ) . F i n a l l y , f r o m ( 7 . 9 ) , t h e c o n s t a n t v a l u e o f V h e r e

i s s i m p l y V ( x

t

) = f o r a l l t

W e a r e i n t e r e s t e d i n h o w t h e c u r v e s

t !

i

x

t

= ( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) ( 7 1 4 )

w i n d a r o u n d t h e o r i g i n i n t h e p l a n e , w h e n x ( ) i s a s i n t h e a b o v e p r o p o s i t i o n . I n p a r t i c u l a r , w e a r e

i n t e r e s t e d i n t h e c a s e t h a t x ( ) i s p e r i o d i c . C e r t a i n l y , ( 7 . 1 4 ) d o e s n o t m e e t t h e o r i g i n , a s x

t

2 S

T h e r e f o r e , i f x ( ) i s p e r i o d i c , t h e r e i s d e n e d t h e w i n d i n g n u m b e r W

i

( x ) o f t h e c u r v e ( 7 . 1 4 ) a b o u t t h e

o r i g i n . T h e f o l l o w i n g r e s u l t g i v e s a n e x p l i c i t c a l c u l a t i o n o f t h i s q u a n t i t y .

4 1

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o p o s i t i o n 7 . 6 . L e t x : I R ! I R

N + 1

b e a s i n t h e s t a t e m e n t o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 , a n d a l s o b e p e r i o d i c

o f p e r i o d T > 0 T h e n t h e w i n d i n g n u m b e r o f t h e m a p ( 7 . 1 4 ) a b o u t t h e o r i g i n , f o r 0 t T ; i s g i v e n

b y

W

i

( x ) =

i

M f o r 0 i N ( 7 1 5 )

w h e r e M i s d e n e d b y

c a r d f t 2 0 ; T ) x

0

( t ) = 0 g = 2 M ; ( 7 1 6 )

a n d i s a n i n t e g e r .

P r o o f . F i x <

~

i n ? 1 ; N + 1 ; a n d c o n s i d e r t h e m a p

t ! ( ( x

t

) ( ) ; ( x

t

) (

~

) ) 2 I R

2

( 7 1 7 )

P r o p o s i t i o n 7 . 5 i m p l i e s t h e r e e x i s t s > 0 s u c h t h a t t h e r a n g e o f ( 7 . 1 7 ) d o e s n o t c o n t a i n t h e o r i g i n

i f

~

? I n d e e d , i t i s s u c i e n t t o c h o o s e l e s s t h a n t h e m i n i m u m o f t h e v e r t i c a l s e p a r a t i o n

n + 1

( t ) ?

n

( t ) o f t h e v a r i o u s c u r v e s c o m p r i s i n g Z ( x ) ; o v e r a l l t f o r w h i c h t h i s i s d e n e d . A l s o

o b s e r v e t h a t i f a n d

~

b o t h b e l o n g t o t h e s a m e i n t e r v a l i ; i + 1 ; w h e r e 0 i N ; t h e n t h e r a n g e

o f ( 7 . 1 7 ) d o e s n o t c o n t a i n t h e o r i g i n , n o m a t t e r w h a t t h e v a l u e o f

~

? ; b y ( h ) o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 . I n

e i t h e r c a s e t h e w i n d i n g n u m b e r o f ( 7 . 1 7 ) , w i t h r e s p e c t t o t h e o r i g i n , f o r 0 t T , i s d e n e d . D e n o t e

t h i s q u a n t i t y b y W ( ;

~

) a n d n o t e t h a t f r o m ( 7 . 6 ) t h a t

W ( i ; i + 1 ) =

i

W

i

( x ) f o r 0 i N ( 7 1 8 )

T h e q u a n t i t y W ( ;

~

) i s l o c a l l y c o n s t a n t i n ( ;

~

) w h e r e d e n e d , b y t h e h o m o t o p y p r o p e r t y . S e t

? = f ( ;

~

) 2 ? 1 ; N + 1 ? 1 ; N + 1 <

~

; a n d e i t h e r

~

? ; o r ;

~

2 i ; i + 1 ] f o r s o m e i w i t h 0 i N g ;

w i t h a s a b o v e . T h e n W ( ;

~

) i s d e n e d f o r a l l ( ;

~

) 2 ? ; a n d i s c o n s t a n t o n e a c h c o n n e c t e d

c o m p o n e n t o f ? W e e a s i l y s e e t h a t ? i s c o n n e c t e d , a n d t h e r e f o r e t h a t t h e w i n d i n g n u m b e r s ( 7 . 1 8 ) a r e

i n d e p e n d e n t o f i ; a s e a c h ( i ; i + 1 ) 2 ? T h u s i t i s s u c i e n t t o p r o v e ( 7 . 1 5 ) o n l y i n t h e c a s e i = 0 ; t h a t

i s , t o s h o w t h a t W

0

( x ) =

0

M ; o r e q u i v a l e n t l y , t h a t

W ( 0 ; 1 ) = M ( 7 1 9 )

4 2

7/28/2019 10.1.1.29.9665


T h e p r o o f o f ( 7 . 1 9 ) n o w f o l l o w s f r o m s o m e e a s y o b s e r v a t i o n s c o n n e c t e d w i t h t h e d e n i t i o n o f t h e

s e t S , a n d i n p a r t i c u l a r w i t h t h e d e n i t i o n ( 4 . 1 2 ) o f S

0

. F o r s i m p l i c i t y a s s u m e t h a t

0

= 1 T h e n

x

t

2 S S

0

f o r a l l t , a n d t h i s i m p l i e s t h a t w h e n e v e r t h e c u r v e

t ! ( x

0

( t ) ; x

1

( t ) ) ( 7 2 0 )

t o u c h e s t h e v e r t i c a l a x i s x

0

= 0 ; t h e n i t c r o s s e s t r a n s v e r s e l y f r o m l e f t t o r i g h t i f x

1

> 0 a n d f r o m r i g h t

t o l e f t i f x

1

< 0 T h e c u r v e ( 7 . 2 0 ) m o r e o v e r d o e s n o t p a s s t h r o u g h t h e o r i g i n . I t i s n o w f a i r l y e a s y t o

s e e ( w e o m i t t h e d e t a i l s ) t h a t t h i s i m p l i e s t h e q u a n t i t y ( 7 . 1 6 ) i s e v e n , a n d t h a t t h e w i n d i n g n u m b e r

o f ( 7 . 2 0 ) i s M T h i s e s t a b l i s h e s ( 7 . 1 9 ) a n d c o m p l e t e s t h e p r o o f .

P r o p o s i t i o n 7 . 3 i s n o w e a s i l y p r o v e d u s i n g t h e a b o v e r e s u l t .

P r o o f o f P r o p o s i t i o n 7 . 3 . W i t h x ( ) a n d a s i n t h e s t a t e m e n t o f P r o p o s i t i o n 7 . 3 , w e c e r t a i n l y h a v e

t h a t x

t

? 2 S f o r a l l t 2 I R , a n d s o w e m a y a p p l y P r o p o s i t i o n 7 . 6 t o t h e d i e r e n c e x ( ) ?

I n d e e d , i f x

0

( t ) 6=

0

f o r a l l t , t h e n M = 0 i n ( 7 . 1 6 ) ( w i t h x

0

( t ) ?

0

r e p l a c i n g x

0

( t ) ) , a n d s o

W

i

( x ? ) = 0 f o r e a c h i , a s d e s i r e d .

N o w s u p p o s e t h a t x

0

( t ) =

0

f o r s o m e t , s o t h a t M i n ( 7 . 1 6 ) i s p o s i t i v e . B e c a u s e t h e n o n l i n e a r i t y

f

0

i s u n i d i r e c t i o n a l , T h e o r e m 7 . 1 i m p l i e s t h a t 2 M 2 , a n d h e n c e M = 1 . T h u s W

i

( x ? ) =

i

f o r e a c h i , a g a i n a s d e s i r e d . I n t h i s c a s e w e m u s t a l s o p r o v e t h a t V ( x

t

? ) > 0 . S u p p o s e t h a t

V ( x

t

? ) = 0 ; t h e n s c ( x

t

? ) = 0 f o r a l l t , a n d w e c a n a s s u m e w i t h o u t l o s s t h a t x

t

( ) ? 0 f o r a l l

t 2 I R a n d 2 I K . I n p a r t i c u l a r , x

0

( t ) ?

0

0 f o r a l l t . P r o p o s i t i o n 7 . 6 , a p p l i e d t o x ( ) ? , i m p l i e s

t h a t x

0

( t ) =

0

e x a c t l y t w i c e ( a s M = 1 ) i n 0 ; T ) . A n d T h e o r e m 7 . 1 i m p l i e s t h a t

0

i s n e i t h e r t h e

m i n i m u m n o r t h e m a x i m u m o f x

0

( ) ; i n p a r t i c u l a r , x

0

( t ) <

0

f o r s o m e t , a c o n t r a d i c t i o n .

W e m u s t p r o v e t h e n a l s e n t e n c e i n t h e s t a t e m e n t o f P r o p o s i t i o n 7 . 3 t o c o m p l e t e t h e p r o o f .

S u p p o s e t h a t M = 1 a n d t h a t f

i

i s u n i d i r e c t i o n a l f o r s o m e i . N e c e s s a r i l y

i

b e l o n g s t o t h e r a n g e o f

x

i

( ) , o t h e r w i s e w e w o u l d h a v e W

i

( x ? ) = 0 , a c o n t r a d i c t i o n . T h e o r e m 7 . 1 e n s u r e s t h a t t h e v a l u e

i

i s a s s u m e d b y x

i

( ) a t m o s t t w i c e p e r p e r i o d . T o c o m p l e t e t h e p r o o f o f t h e p r o p o s i t i o n , t h e r e f o r e , i t i s

c l e a r l y s u c i e n t t o s h o w t h a t _x

i

( t ) 6= 0 w h e n e v e r x

i

( t ) =

i

. S u p p o s e t o t h e c o n t r a r y , t h a t x

i

( t ) =

i

a n d _x

i

( t ) = 0 f o r s o m e t . W e h a v e

0 = _x

i

( t ) = f

i

( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) = f

i

(

i

; x

i + 1

( t ) ) ;

a n d a l s o f

i

(

i

;

i + 1

) = 0 f o r t h e e q u i l i b r i u m . T h e r e f o r e , t h e s t r i c t m o n o t o n i c i t y o f f

i

i n i t s n a l

4 3

7/28/2019 10.1.1.29.9665


a r g u m e n t i m p l i e s t h a t x

i + 1

( t ) =

i + 1

. B u t t h e n

i

x

t

= ( x

i

( t ) ; x

i + 1

( t ) ) = (

i

;

i + 1

) =

i

f o r t h i s v a l u e o f t , c o n t r a d i c t i n g L e m m a 5 . 7 .

L e t u s n o w p r o v e T h e o r e m 7 . 2 .

P r o o f o f T h e o r e m 7 . 2 . L e t T d e n o t e t h e m i n i m u m p e r i o d o f x ( ) ; a n d c o n s i d e r t h e s e t J =

0

( ( x

0

) ) ,

t h a t i s ,

J = f ( x

0

( t ) ; x

1

( t ) ) 2 I R

2

t 2 0 ; T ) g ;

w h i c h i s a J o r d a n c u r v e . A s ? x ( t ) a l s o s a t i s e s ( 1 . 5 ) , o n e h a s b y L e m m a 5 . 7 t h a t e i t h e r J \ ( ? J ) = ;

o r e l s e J = ? J ; w h e r e

? J = f ( ? x

0

( t ) ; ? x

1

( t ) ) 2 I R

2

t 2 0 ; T ) g

B y a s s u m p t i o n x

0

( t ) = 0 f o r s o m e t ; a n d s o b y P r o p o s i t i o n 7 . 3 w e h a v e t h a t W

i

( x ) =

i

6= 0 , a n d s o

t h e c u r v e s J a n d ? J b o t h e n c l o s e t h e o r i g i n ( 0 ; 0 ) i n t h e i r i n t e r i o r s . I t t h u s f o l l o w s t h a t J = ? J B u t

t h i s n o w i m p l i e s , w i t h L e m m a 5 . 7 , t h a t t h e s o l u t i o n ? x ( ) i s s i m p l y a t i m e t r a n s l a t e o f t h e s o l u t i o n

x ( ) , s a y ? x ( t ) = x ( t + ) f o r a l l t 2 I R , f o r s o m e . T h i s i m m e d i a t e l y i m p l i e s ( 7 . 4 ) .

I n c a s e ( 1 . 5 ) i s u n i d i r e c t i o n a l a n d 0 2 I R

N + 1

i s t h e o n l y e q u i l i b r i u m , C o r o l l a r y 7 . 4 i m p l i e s t h a t J

a n d ? J m u s t c o n t a i n ( 0 ; 0 ) i n t h e i r i n t e r i o r s . T h e p r o o f i n t h i s c a s e p r o c e e d s a s b e f o r e .

4 4

7/28/2019 10.1.1.29.9665


8 R a p i d l y O s c i l l a t i o n s a r e U n s t a b l e

I n t h i s s e c t i o n w e s h o w t h a t , a t l e a s t f o r u n i d i r e c t i o n a l s y s t e m s , t h e m o r e r a p i d l y a p e r i o d i c s o l u t i o n

o s c i l l a t e s ( a s m e a s u r e d b y t h e L y a p u n o v f u n c t i o n V ) , t h e m o r e u n s t a b l e t h e s o l u t i o n i s . I n p a r t i c u l a r ,

w e h a v e t h e f o l l o w i n g r e s u l t .

T h e o r e m 8 . 1 . L e t x ( ) b e a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f t h e u n i d i r e c t i o n a l s y s t e m ( 2 . 1 ) , w i t h

m o n o t o n i c i t y c o n d i t i o n s ( 1 . 6 ) . L e t b e a n y e q u i l i b r i u m o f ( 2 . 1 ) f o r w h i c h W

i

( x ? ) 6= 0 f o r s o m e

( a n d h e n c e e v e r y ) i . ( S u c h e x i s t s b y C o r o l l a r y 7 . 4 . ) T h e n

d i m W

c u

( x ( ) ) V ( x

t

? ) + 1 ;

w h e r e W

c u

( x ( ) ) d e n o t e s t h e c e n t e r - u n s t a b l e m a n i f o l d o f t h e s o l u t i o n x ( ) , a n d w h e r e , o f c o u r s e , t h e

q u a n t i t y V ( x

t

? ) + 1 i s c o n s t a n t i n t i m e .

R e m a r k . A s w i l l b e e x p l a i n e d b e l o w , w e a l s o o b t a i n t h e l o w e r b o u n d

d i m W

c u

( x ( ) ) V ( x

t

? ) ; ( 8 1 )

p r o v i d e d a c e r t a i n e q u a l i t y c o n j e c t u r e d i n M P - S e 1 ] h o l d s .

R e m a r k . I f = 0 i s a n e q u i l i b r i u m , a n d i f t h e f e e d b a c k

= ? 1 i s n e g a t i v e , t h e n w e m a y d e n e a

s l o w l y o s c i l l a t i n g p e r i o d i c s o l u t i o n t o b e a p e r i o d i c s o l u t i o n f o r w h i c h V ( x

t

) = 1 T h i s d e n i t i o n ,

i n t h e s c a l a r c a s e , a g r e e s w i t h t h e u s u a l o n e o f a s o l u t i o n w i t h z e r o s s e p a r a t e d b y a t l e a s t 1 ( t h e d e l a y ) ,

a n d w h i c h r e p e a t s a f t e r t w o z e r o s ( h e r e T h e o r e m 7 . 1 i s u s e d ) . F o r a s l o w l y o s c i l l a t i n g p e r i o d i c s o l u t i o n ,

T h e o r e m 8 . 1 s a y s t h a t x ( ) h a s a t m o s t o n e c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r w i t h 1 , i n a d d i t i o n t o

t h e t r i v i a l m u l t i p l i e r = 1 . S e e W a 2 ] , W a 3 ] , W a 4 ] , a n d W a 5 ] f o r t h i s r e s u l t i n t h e s c a l a r c a s e , a n d

a l s o C h - D i - M P ] , C h - W a ] , a n d I v - L W - W a ] .

T h e o r e m 8 . 1 i s a n i m m e d i a t e c o n s e q u e n c e o f t h e f o l l o w i n g t w o r e s u l t s .

P r o p o s i t i o n 8 . 2 . L e t x ( ) a n d b e a s i n t h e s t a t e m e n t o f T h e o r e m 8 . 1 . T h e n w e h a v e t h a t

V ( x

t

? ) = V ( _x

t

)

4 5

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o p o s i t i o n 8 . 3 . L e t x ( ) b e a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) . T h e n

d i m W

c u

( x ( ) ) V ( _x

t

) + 1 ( 8 2 )

C l e a r l y , T h e o r e m 8 . 1 f o l l o w s f r o m P r o p o s i t i o n s 8 . 2 a n d 8 . 3 . O b s e r v e t h a t t h e c o n c l u s i o n o f P r o p o -

s i t i o n 8 . 3 h o l d s e v e n i f t h e s y s t e m ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) i s n o t u n i d i r e c t i o n a l ; h o w e v e r , f o r P r o p o s i t i o n 8 . 2 , a n d

h e n c e f o r T h e o r e m 8 . 1 , w e n e e d t o a s s u m e t h a t s y s t e m i s u n i d i r e c t i o n a l .

T h e p r o o f o f P r o p o s i t i o n 8 . 2 w i l l b e g i v e n b e l o w . P r o p o s i t i o n 8 . 3 f o l l o w s d i r e c t l y f r o m e a r l i e r

r e s u l t s o f t h e a u t h o r s , i n p a r t i c u l a r f r o m M P - S e 1 , T h e o r e m 3 . 1 ] . W e s h a l l r s t d e s c r i b e t h e s e r e s u l t s ,

a n d s h o w h o w t h e y y i e l d P r o p o s i t i o n 8 . 3 .

A s w a s s h o w n i n M P - S e 1 , T h e o r e m 3 . 1 ] , t h e L y a p u n o v f u n c t i o n V g i v e s q u i t e p r e c i s e i n f o r m a t i o n

a b o u t t h e F l o q u e t m u l t i p l i e r s o f s i g n e d c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s ( 4 . 1 ) , ( 4 . 2 ) , w h i c h a r e l i n e a r , a n d a r e

a l s o p e r i o d i c i n t . S u c h s y s t e m s a r i s e a s v a r i a t i o n a l e q u a t i o n s a b o u t p e r i o d i c s o l u t i o n s o f o u r f e e d b a c k

s y s t e m ( 1 . 5 ) . T o b e p r e c i s e , c o n s i d e r a s y s t e m ( 4 . 1 ) i n w h i c h

g

i

( t ; ; ; ) = a

i

( t ) + c

i

( t ) + b

i

( t ) ; ( 8 3 )

w i t h T - p e r i o d i c c o e c i e n t s a

i

( ) , b

i

( ) , c

i

( ) , w h i c h s a t i s f y

a

i

( t ) 0 a n d

i

b

i

( t ) > 0 ; ( 8 4 )

f o r 0 i N a n d a l l t . T h u s , t h e f e e d b a c k i n e q u a l i t i e s ( 4 . 2 ) h o l d . L e t

P = f 2 I C n f 0 g i s a F l o q u e t m u l t i p l i e r o f ( 4 1 ) ; ( 8 3 ) ; ( 8 4 ) g

d e n o t e t h e s e t o f n o r m s o f a l l F l o q u e t m u l t i p l i e r s . T h e n e a c h 2 P h a s a u n i q u e l y d e t e r m i n e d i n t e g e r

J ( ) a s s o c i a t e d t o i t , w h e r e

V ( ' ) = J ( ) f o r a l l ' 2 G

( t ) n f 0 g

H e r e G

( t ) , a t a n y i n i t i a l t i m e t , d e n o t e s t h e s p a n o f a l l g e n e r a l i z e d F l o q u e t s u b s p a c e s w i t h m u l t i p l i e r s

s a t i s f y i n g = I t w a s a l s o s h o w n i n M P - S e 1 , T h e o r e m 3 . 1 ] t h a t

J (

1

) J (

2

) w h e n e v e r

1

<

2

w i t h

1

;

2

2 P ;

4 6

7/28/2019 10.1.1.29.9665


t h a t i s , t h e u n s t a b l e s p a c e s c o r r e s p o n d t o s m a l l e r v a l u e s o f t h e L y a p u n o v f u n c t i o n V . I n a d d i t i o n ,

X

J ( ) =

d i m G

( t )

8

>

<

>

:

2 i f > 0 ;

1 i f = 0 ;

p r o v i d e d ( ? 1 )

=

( 8 5 )

w a s s h o w n , a n d b a s e d o n a n a l o g o u s r e s u l t s f o r O D E ' s M P - S m ] , e q u a l i t y i n ( 8 . 5 ) w a s c o n j e c t u r e d .

( E q u a l i t y i n ( 8 . 5 ) w a s p r o v e d f o r ( 4 . 1 ) i n M P - S e 1 ] , w h e n t h i s s y s t e m i s a u t o n o m o u s . )

N o w l e t x ( ) b e a n o n c o n s t a n t p e r i o d i c s o l u t i o n o f t h e m o n o t o n e c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m ( 1 . 5 ) , ( 1 . 6 ) ,

a n d l e t ( 4 . 1 ) , ( 8 . 3 ) , d e n o t e t h e l i n e a r v a r i a t i o n a l e q u a t i o n o f ( 1 . 5 ) f o r t h i s s o l u t i o n . T h e m u l t i p l i e r s

a r e t h u s t h e c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r s , a n d w e a l w a y s h a v e t h e t r i v i a l m u l t i p l i e r = 1 . T h e r e s u l t ( 8 . 5 )

g i v e s t h e u p p e r b o u n d ( 8 . 2 ) f o r t h e d i m e n s i o n o f t h e c e n t e r - u n s t a b l e m a n i f o l d o f x ( ) i n t e r m s o f t h e

c o n s t a n t q u a n t i t y V ( _x

t

) . I n d e e d , l e t 0 b e s u c h t h a t ( ? 1 )

=

, a n d s u m ( 8 . 5 ) o v e r a l l i n t e g e r s

~ w i t h ( ? 1 )

~

=

. I n a n y c a s e , t h i s g i v e s

X

J ( )

d i m G

( t ) + 1 ( 8 6 )

N o w l e t b e t h e v a l u e o f V ( _x

t

) . B e c a u s e _x ( ) i s a s o l u t i o n o f t h e l i n e a r v a r i a t i o n a l e q u a t i o n c o r r e -

s p o n d i n g t o = = 1 , t h i s m e a n s t h a t J ( 1 ) = . C o n s i d e r n o w a c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r w i t h

= 1 , t h a t i s , a c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r c o r r e s p o n d i n g t o t h e c e n t e r - u n s t a b l e m a n i f o l d o f x ( )

T h e n J ( ) J ( 1 ) = , s o t h e c o r r e s p o n d i n g F l o q u e t s u b s p a c e i s c o u n t e d i n t h e s u m ( 8 . 6 ) . O n e s e e s

t h a t , c o u n t i n g m u l t i p l i c i t y , t h e r e a r e a t m o s t + 1 s u c h c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r s , i n c l u d i n g t h e

t r i v i a l m u l t i p l i e r = 1 , a n d t h u s t h e d e s i r e d i n e q u a l i t y ( 8 . 2 ) h o l d s . T h i s e s t a b l i s h e s P r o p o s i t i o n 8 . 3 .

I f , a s i s c o n j e c t u r e d i n M P - S e 1 ] , w e h a v e e q u a l i t y i n ( 8 . 5 ) a n d h e n c e i n ( 8 . 6 ) , t h e n a l o w e r b o u n d

f o r t h e i n s t a b i l i t y d i m e n s i o n i s a l s o o b t a i n e d . E v e r y i n t e g e r ~ < , w i t h ( ? 1 )

~

=

a n d w h e r e

= V ( _x

t

) , g i v e s r i s e t o a t e r m o r t e r m s o n t h e l e f t - h a n d s i d e o f ( 8 . 6 ) c o r r e s p o n d i n g t o s o m e > 1

F o r t h e i n t e g e r , t h e r e i s a t m o s t o n e c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r , i n a d d i t i o n t o t h e t r i v i a l m u l t i p l i e r ,

f o r w h i c h J ( ) = , w i t h = . H o w e v e r , o n e d o e s n o t k n o w w h e t h e r 1 o r < 1 f o r t h i s

m u l t i p l i e r . T h i s i m p l i e s t h a t t h e r e a r e a t l e a s t c h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r s ( i n c l u d i n g t h e t r i v i a l

m u l t i p l i e r ) f o r w h i c h 1 , a n d s o

d i m W

c s

( x ( ) ) = V ( _x

t

) ;

w h i c h , w i t h P r o p o s i t i o n 8 . 2 , y i e l d s ( 8 . 1 ) .

W e c o m p l e t e t h i s s e c t i o n , a n d t h e p r o o f o f T h e o r e m 8 . 1 , b y g i v i n g t h e p r o o f o f P r o p o s i t i o n 8 . 2 .

4 7

7/28/2019 10.1.1.29.9665


P r o o f o f P r o p o s i t i o n 8 . 2 . L e t x ( ) a n d b e a s i n t h e s t a t e m e n t o f t h e p r o p o s i t i o n , a n d l e t T > 0

d e n o t e t h e m i n i m u m p e r i o d o f x ( ) . L e t a n d ~ d e n o t e t h e q u a n t i t i e s

V ( x

t

? ) = a n d V ( _x

t

) = ~ f o r t 2 I R ;

w h i c h w e k n o w e x i s t b y T h e o r e m 4 . 1 . W e m u s t s h o w t h a t = ~

F o r s i m p l i c i t y o f n o t a t i o n , a s s u m e w i t h o u t l o s s t h a t = 0 . F i r s t n o t e t h a t > 0 b y P r o p o s i t i o n 7 . 3 .

A l s o n o t e t h a t ~ > 0 ; i f n o t , t h e n s c ( _x

t

) = 0 , s o e i t h e r _x

i

( t ) 0 f o r a l l i a n d t ; o r e l s e _x

i

( t ) 0 f o r a l l

i a n d t ; b o t h o f w h i c h a r e i m p o s s i b l e a s x ( ) i s p e r i o d i c . O f c o u r s e , x

t

2 S a n d _x

t

2 S b o t h h o l d f o r

a l l t . W e w i s h t o c o n s i d e r t h e z e r o s e t s Z ( x ) a n d Z ( _x ) , a n d t o t h i s e n d , w e d e n o t e t h e z e r o s o f x

0

( )

a n d o f _x

0

( ) r e s p e c t i v e l y b y

f t 2 I R x

0

( t ) = 0 g = f t

n

g

1

n = ? 1

; f t 2 I R _x

0

( t ) = 0 g = f

~

t

n

g

1

n = ? 1

;

w h e r e w e m a y a s s u m e t h a t

< t

n

<

~

t

n

< t

n + 1

<

~

t

n + 1

< ; ( 8 7 )

a n d a l s o t h a t

t

n + 2

= t

n

+ T a n d

~

t

n + 2

=

~

t

n

+ T ;

b y T h e o r e m 7 . 1 a n d P r o p o s i t i o n 7 . 3 . N o t e t h a t h e r e w e a r e u s i n g t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e s y s t e m

i s u n i d i r e c t i o n a l . F o l l o w i n g P r o p o s i t i o n 7 . 5 a n d t h e d i s c u s s i o n i m m e d i a t e l y t h e r e a f t e r , t h e r e e x i s t

f u n c t i o n s

n

a s i n ( 7 . 1 2 ) , t h e g r a p h s o f w h i c h a r e d i s j o i n t ( 7 . 1 3 ) a n d c o m p r i s e t h e s e t Z ( x ) S i m i l a r l y

t h e r e e x i s t f u n c t i o n s

~

n

:

~

I

n

=

~

t

n ? ~

+ 1 ;

~

t

n

+ 1 ! ? 1 ; N + 1 ;

~

n

( t ) <

~

n + 1

( t ) f o r t 2

~

I

n

\

~

I

n + 1

;

( 8 8 )

s a t i s f y i n g t h e c o n c l u s i o n s o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 f o r t h e s e t Z ( _x ) N o t e t h a t t h e f u n c t i o n s

n

a n d

~

n

a r e

s o l a b e l e d t h a t

n

( t

n

) =

~

n

(

~

t

n

) = 0 ; ( 8 9 )

( r e c a l l ( a ) a n d ( c ) o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 ) a n d t h a t n e c e s s a r i l y

n + 2

( t ) =

n

( t ? T ) f o r t 2 I

n + 2

;

~

n + 2

( t ) =

~

n

( t ? T ) f o r t 2

~

I

n + 2

4 8

7/28/2019 10.1.1.29.9665


W e n o t e a g a i n f r o m T h e o r e m 7 . 1 t h a t x

i

( ) a n d _x

i

( ) e a c h e q u a l z e r o e x a c t l y t w i c e p e r p e r i o d , a n d

a l s o t h a t

( x

i

( t ) ; _x

i

( t ) ) 6= ( 0 ; 0 ) f o r a l l t ; f o r 0 i N ( 8 1 0 )

W e u s e t h e s e f a c t s t o c o n c l u d e t h a t

n

( t ) = i ; f o r e x a c t l y o n e t 2 I

n

; a n d s i m i l a r l y t h a t

~

( t ) = i f o r

e x a c t l y o n e t 2

~

I

n

( O n e k n o w s t h i s a l r e a d y f o r i = ? 1 ; 0 a n d N + 1 b y P r o p o s i t i o n 7 . 5 . ) I n d e e d , f o r

e a c h n a n d i w i t h 0 i N + 1 , c h o o s e a n y p o i n t t

n i

2 I

n

f o r w h i c h

n

( t

n i

) = i ; s u b j e c t o n l y t o t h e

c o n d i t i o n t h a t t

n + 2 i

= t

n i

+ T T h e n ( t

n i

; i ) 2 Z ( x ) ; t h a t i s ,

x

i

( t

n i

) = 0 ; ( 8 1 1 )

a n d a l s o

t

n i

< t

n + 1 i

< t

n + 2 i

= t

n i

+ T ; ( 8 1 2 )

w h i c h i s a c o n s e q u e n c e o f t h e f a c t ( 7 . 1 3 ) t h e g r a p h s o f

n

a n d

n + 1

a r e d i s j o i n t . T h e f a c t t h a t t h e

t

n i

a r e z e r o s o f x

i

( ) s a t i s f y i n g ( 8 . 1 2 ) i m p l i e s t h e y a r e u n i q u e l y d e t e r m i n e d , s i n c e x ( ) v a n i s h e s e x a c t l y

t w i c e p e r p e r i o d . A s i m i l a r a r g u m e n t s h o w s t h e r e a r e u n i q u e p o i n t s

~

t

n i

2

~

I

n

a t w h i c h

~

(

~

t

n i

) = i ; a n d

o n e h a s

_x (

~

t

n i

) = 0 ( 8 1 3 )

W e n o t e a l s o , u s i n g ( a ) a n d ( b ) o f P r o p o s i t i o n 7 . 5 , t h a t f o r a l l n

t

n i + 1

< t

n i

a n d

~

t

n i + 1

<

~

t

n i

f o r 0 i N ( 8 1 4 )

I t f o l l o w s f u r t h e r , u s i n g ( 8 . 1 0 ) , t h a t t h e s e z e r o s a r e i n t e r l a c e d : f o r e a c h i w i t h 0 i N + 1 t h e r e

e x i s t s a n i n t e g e r c

i

s u c h t h a t

< t

n i

<

~

t

n + c i

< t

n + 1 i

<

~

t

n + 1 + c i

< ( 8 1 5 )

F r o m ( 8 . 7 ) a n d ( 8 . 9 ) w e h a v e t h a t

t

n 0

= t

n

a n d

~

t

n 0

=

~

t

n

; h e n c e c

0

= 0

O n t h e o t h e r h a n d , t h e f a c t t h a t

n

( t

n ?

+ 1 ) = N + 1 a n d

~

n

(

~

t

n ? ~

+ 1 ) = N + 1 ( f r o m ( b ) o f

P r o p o s i t i o n 7 . 5 , a n d f r o m ( 7 . 1 2 ) a n d ( 8 . 8 ) ) i m p l i e s t h a t

t

n N + 1

= t

n ?

+ 1 a n d

~

t

n N + 1

=

~

t

n ? ~

+ 1 ; h e n c e c

N + 1

= ~ ?

4 9

7/28/2019 10.1.1.29.9665


S u p p o s e n o w t h a t 6= ~ ; a n d s o c

0

= 0 b u t c

N + 1

6= 0 . L e t i ; w i t h 0 i N ; b e c h o s e n s o t h a t

c

j

= 0 f o r 0 j i ; b u t c

i + 1

6= 0 A s s u m e a l s o , f o r e a s e o f n o t a t i o n , t h a t

i

=

i + 1

= 1 F i r s t s u p p o s e

t h a t c

i + 1

> 0 ; w e c o n s i d e r t h e f o u r p o i n t s

1

=

~

t

0 i + 1

;

2

= t

0 i + 1

;

3

= t

0 i

;

4

=

~

t

0 i

( 8 1 6 )

T h e n

2

<

3

<

4

f r o m ( 8 . 1 4 ) , ( 8 . 1 5 ) , a n d t h e f a c t t h a t c

i

= 0 A l s o , a s c

i + 1

> 0 ; b y ( 8 . 1 5 ) a g a i n

1

=

~

t

0 i + 1

< t

1 ? c

+ 1

i + 1

t

0 i + 1

=

2

;

a n d s o

1

<

2

<

3

<

4

( 8 1 7 )

I t n o w f o l l o w s , u s i n g t h e d e n i t i o n ( 8 . 1 6 ) o f t h e

j

; a l o n g w i t h ( 8 . 1 1 ) a n d ( 8 . 1 3 ) , a n d t h e d e n i t i o n o f

t h e i n t e r p o l a t i n g m a p , t h a t

i <

0

( t ) < i + 1 h e n c e x

i

( t ) x

i + 1

( t ) < 0 f o r t 2 (

2

;

3

) ;

i <

~

0

( t ) < i + 1 h e n c e _x

i

( t ) _x

i + 1

( t ) < 0 f o r t 2

2

;

3

(

1

;

4

) ;

( 8 1 8 )

a n d t h a t

x

i

(

2

) 6= 0 ; x

i + 1

(

3

) 6= 0 ; x

i

(

3

) = x

i + 1

(

2

) = 0 ( 8 1 9 )

I n s p e c t i o n o f ( 8 . 1 8 ) , ( 8 . 1 9 ) i m m e d i a t e l y y i e l d s a c o n t r a d i c t i o n , a n d s o o n e c o n c l u d e s t h a t c

i + 1

> 0 i s

i m p o s s i b l e .

T o c o m p l e t e t h e p r o o f o f t h e t h e o r e m w e s u p p o s e t h a t c

i + 1

< 0 a n d a g a i n o b t a i n a c o n t r a d i c t i o n .

I n t h i s c a s e s e t

1

= t

1 i + 1

;

2

=

~

t

0 i + 1

;

3

=

~

t

0 i

;

4

= t

1 i

T h e n o n e a g a i n v e r i e s ( 8 . 1 7 ) , a n d n o w c o n c l u d e s t h a t

i <

1

( t ) < i + 1 h e n c e x

i

( t ) x

i + 1

( t ) < 0 f o r t 2

2

;

3

(

1

;

4

) ;

i <

~

0

( t ) < i + 1 h e n c e _x

i

( t ) _x

i + 1

( t ) < 0 f o r t 2 (

2

;

3

) ;

( 8 2 0 )

a n d t h a t

_x

i

(

2

) 6= 0 ; _x

i + 1

(

3

) 6= 0 ; _x

i

(

3

) = _x

i + 1

(

2

) = 0 ( 8 2 1 )

T o o b t a i n a c o n t r a d i c t i o n f r o m ( 8 . 2 0 ) a n d ( 8 . 2 1 ) , r s t a s s u m e f o r d e n i t e n e s s t h a t

x

i

( t ) < 0 < x

i + 1

( t ) f o r t 2

2

;

3

;

_x

i

( t ) < 0 < _x

i + 1

( t ) f o r t 2 (

2

;

3

) ;

( 8 2 2 )

5 0

7/28/2019 10.1.1.29.9665


t h e o t h e r p o s s i b l e s i g n c o n d i t i o n s b e i n g h a n d l e d i n a s i m i l a r f a s h i o n . C o n s i d e r x

i + 1

( t ) f o r t n e a r

2

T h e n _x

i + 1

(

2

) = 0 ; h e n c e x

i + 1

(

2

) 6= 0 , a n d s o t h e d e r i v a t i v e _x

i + 1

( t ) c h a n g e s s i g n a t

2

T h a t i s ,

_x

i + 1

( t ) < 0 f o r t <

2

n e a r

2

; a l o n g w i t h t h e n a l i n e q u a l i t y i n ( 8 . 2 2 ) . T h i s i m p l i e s t h a t t =

2

i s

a s t r i c t l o c a l m i n i m u m o f x

i + 1

( ) ; w h i c h i n t u r n i m p l i e s , b y T h e o r e m 7 . 1 , t h a t x

i + 1

(

2

) i s t h e g l o b a l

m i n i m u m o f x

i + 1

( ) B u t o n e k n o w s t h a t t h e m i n i m u m o f x

i + 1

( ) i s n e g a t i v e , a n d s o t h i s c o n t r a d i c t s

x

i + 1

(

2

) > 0 ; w h i c h f o l l o w s f r o m ( 8 . 2 2 ) . T h i s c o n t r a d i c t i o n p r o v e s t h a t c

i + 1

< 0 i s i m p o s s i b l e , a n d

t h e r e b y c o m p l e t e s t h e p r o o f o f t h e t h e o r e m .

5 1

7/28/2019 10.1.1.29.9665


R e f e r e n c e s

A l ] D . J . A l l w r i g h t , A g l o b a l s t a b i l i t y c r i t e r i o n f o r s i m p l e c o n t r o l l o o p s , J . M a t h . B i o l . , 4 ( 1 9 7 7 ) ,

p p . 3 6 3 - 3 7 3 .

A n ] S . B . A n g e n e n t , T h e M o r s e - S m a l e p r o p e r t y f o r a s e m i - l i n e a r p a r a b o l i c e q u a t i o n , J . D i . E q . , 6 2

( 1 9 8 6 ) , p p . 4 2 7 - 4 4 2 .

A r ] O . A r i n o , A n o t e o n \ T h e d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n , " J . D i . E q . , 1 0 4 ( 1 9 9 3 ) , p p . 1 6 9 - 1 8 1 .

A t - B a ] A . A t i y a a n d P . B a l d i , O s c i l l a t i o n s a n d s y n c h r o n i z a t i o n s i n n e u r a l n e t w o r k s : a n e x p l o r a t i o n

o f t h e l a b e l i n g h y p o t h e s i s , I n t e r n a t . J o u r . N e u r a l S y s t . , 1 ( 1 9 8 9 ) , p p . 1 0 3 - 1 2 4 .

B a - A t ] P . B a l d i a n d A . A t i y a , N e u r a l n e t w o r k s w i t h d e l a y e d i n t e r a c t i o n s : o s c i l l a t i o n s a n d l e a r n i n g ,

p r e p r i n t .

B a - M a ] H . T . B a n k s a n d J . M . M a h a y , S t a b i l i t y o f c y c l i c g e n e m o d e l s f o r s y s t e m s i n v o l v i n g r e p r e s -

s i o n , J . T h e o r . B i o l . , 7 4 ( 1 9 7 8 ) , p p . 3 2 3 - 3 3 4 .

C a ] Y . C a o , T h e d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n f o r s c a l a r d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s , J . D i . E q . , 8 7

( 1 9 9 0 ) , p p . 3 6 5 - 3 9 0 .

C h - D i - M P ] S . - N . C h o w , O . D i e k m a n n , a n d J . M a l l e t - P a r e t , S t a b i l i t y , m u l t i p l i c i t y a n d g l o b a l c o n -

t i n u a t i o n o f s y m m e t r i c p e r i o d i c s o l u t i o n s o f a n o n l i n e a r V o l t e r r a i n t e g r a l e q u a t i o n , J a p . J o u r .

A p p l . M a t h . , 2 ( 1 9 8 5 ) , p p . 4 3 3 - 4 6 9 .

C h - W a ] S . - N . C h o w a n d H . - O . W a l t h e r , C h a r a c t e r i s t i c m u l t i p l i e r s a n d s t a b i l i t y o f p e r i o d i c s o l u t i o n s

o f _x ( t ) = g ( x ( t ? 1 ) ) ; T r a n s . A m e r . M a t h . S o c . , 3 0 7 ( 1 9 8 8 ) , p p . 1 2 7 - 1 4 2 .

E l ] A . S . E l k h a d e r , A r e s u l t o n a f e e d b a c k s y s t e m o f o r d i n a r y d i e r e n t i a l e q u a t i o n s , J . D y n . D i .

E q , 4 ( 1 9 9 2 ) , p p . 3 9 9 - 4 1 8 .

F i ] B . F i e d l e r , D i s c r e t e L j a p u n o v f u n c t i o n a l s a n d ! - l i m i t s e t s , i n : A t t r a c t o r s , i n e r t i a l m a n i f o l d s a n d

t h e i r a p p r o x i m a t i o n s , M a r s e i l l e - L u m i n y , 1 9 8 7 , R A I R O M o d e l . M a t h . A n a l . N u m e r . , 2 3 ( 1 9 8 9 ) ,

p p . 4 1 5 - 4 3 1 .

F i - M P 1 ] B . F i e d l e r a n d J . M a l l e t - P a r e t , T h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m f o r s c a l a r r e a c t i o n d i u -

s i o n e q u a t i o n s , A r c h . R a t . M e c h . A n a l . , 1 0 7 ( 1 9 8 9 ) , p p . 3 2 5 - 3 4 5 .

5 2

7/28/2019 10.1.1.29.9665


F i - M P 2 ] B . F i e d l e r a n d J . M a l l e t - P a r e t , C o n n e c t i o n s b e t w e e n M o r s e s e t s f o r d e l a y - d i e r e n t i a l e q u a -

t i o n s , J . R e i n e A n g e w . M a t h . , 3 9 7 ( 1 9 8 9 ) , p p . 2 3 - 4 1 .

F u - O l ] G . F u s c o a n d W . M . O l i v a , T r a n s v e r s a l i t y b e t w e e n i n v a r i a n t m a n i f o l d s o f p e r i o d i c o r b i t s f o r

a c l a s s o f m o n o t o n e d y n a m i c a l s y s t e m s , J . D y n . D i . E q . , 2 ( 1 9 9 0 ) , p p . 1 - 1 7 .

G e ] T . G e d e o n , C y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s , p r e p r i n t .

G e - M i 1 ] T . G e d e o n a n d K . M i s c h a i k o w , S t r u c t u r e o f t h e g l o b a l a t t r a c t o r o f c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s ,

J . D y n . D i . E q . , 7 ( 1 9 9 5 ) , t o a p p e a r .

G e - M i 2 ] T . G e d e o n a n d K . M i s c h a i k o w , G l o b a l d y n a m i c s o f c y c l i c f e e d b a c k s y s t e m s , J . D y n . D i .

E q , t o a p p e a r .

G o ] B . C . G o o d w i n , O s c i l l a t o r y b e h a v i o r i n e n z y m a t i c c o n t r o l p r o c e s s e s , A d v a n c e s i n E n z y m e R e g u -

l a t i o n , 3 ( 1 9 6 5 ) , p p . 4 2 5 - 4 3 8 .

H a - I v ] J . K . H a l e a n d A . F . I v a n o v , O n a h i g h o r d e r d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n , J . M a t h . A n a l . A p p l . ,

1 7 3 ( 1 9 9 3 ) , p p . 5 0 5 - 5 1 4 .

H a - V L ] J . K . H a l e a n d S . M . V e r d u y n L u n e l , I n t r o d u c t i o n t o F u n c t i o n a l D i e r e n t i a l E q u a t i o n s ,

S p r i n g e r - V e r l a g , 1 9 9 3 .

H a - T y - W e ] S . H a s t i n g s , J . T y s o n , a n d D . W e b s t e r , E x i s t e n c e o f p e r i o d i c s o l u t i o n s f o r n e g a t i v e

f e e d b a c k c e l l u l a r c o n t r o l s y s t e m s , J . D i . E q . , 2 5 ( 1 9 7 7 ) , p p . 3 9 - 6 4 .

H e i 1 ] U . a n d e r H e i d e n , D e l a y s i n p h y s i o l o g i c a l s y s t e m s , J . M a t h . B i o l . , 8 ( 1 9 7 9 ) , p p . 3 4 5 - 3 6 4 .

H e i 2 ] U . a n d e r H e i d e n , P e r i o d i c s o l u t i o n s o f a n o n l i n e a r s e c o n d o r d e r d i e r e n t i a l e q u a t i o n w i t h

d e l a y , J . M a t h . A n a l . A p p l . , 7 0 ( 1 9 7 9 ) , p p . 5 9 9 - 6 0 9 .

H L M M S ] U . a n d e r H e i d e n , A . L o n g t i n , M . C . M a c k e y , J . G . M i l t o n , a n d R . S c h o l l , O s c i l l a t o r y

m o d e s i n a n o n l i n e a r s e c o n d - o r d e r d i e r e n t i a l e q u a t i o n w i t h d e l a y , J . D y n . D i . E q . , 2 ( 1 9 9 0 ) ,

p p . 4 2 3 - 4 4 9 .

H e n ] D . B . H e n r y , S o m e i n n i t e d i m e n s i o n a l M o r s e - S m a l e s y s t e m s d e n e d b y p a r a b o l i c p a r t i a l d i f -

f e r e n t i a l e q u a t i o n s , J . D i . E q . , 5 9 ( 1 9 8 5 ) , p p . 1 6 5 - 2 0 5 .

5 3

7/28/2019 10.1.1.29.9665


H e r ] A . V . M . H e r z , S o l u t i o n s o f _x ( t ) = ? g ( x ( t ? 1 ) ) a p p r o a c h t h e K a p l a n - Y o r k e o r b i t s f o r o d d

s i g m o i d g ; J . D i . E q . , t o a p p e a r .

H i ] M . W . H i r s c h , S t a b i l i t y a n d c o n v e r g e n c e i n s t r o n g l y m o n o t o n e d y n a m i c a l s y s t e m s , J . R e i n e

A n g e w . M a t h . , 3 8 3 ( 1 9 8 8 ) , p p . 1 - 5 3 .

H o - M P - S m ] J . H o f b a u e r , J . M a l l e t - P a r e t , a n d H . L . S m i t h , S t a b l e p e r i o d i c s o l u t i o n s f o r t h e h y p e r -

c y c l e s y s t e m , J . D y n . D i . E q . , 3 ( 1 9 9 1 ) , p p . 4 2 3 - 4 3 6 .

I v - L W - W a ] A . I v a n o v , B . L a n i - W a y d a , a n d H . - O . W a l t h e r , U n s t a b l e h y p e r b o l i c p e r i o d i c s o l u t i o n s

o f d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s , i n : R e c e n t t r e n d s i n d i e r e n t i a l e q u a t i o n s , W o r l d S c i . S e r . A p p l .

A n a l . , V o l . 1 , W o r l d S c i . P u b l i s h i n g , R i v e r E d g e , N J , 1 9 9 2 , p p . 3 0 1 - 3 1 6 .

K a - Y o 1 ] J . L . K a p l a n a n d J . A . Y o r k e , O n t h e s t a b i l i t y o f a p e r i o d i c s o l u t i o n o f a d i e r e n t i a l d e l a y

e q u a t i o n , S I A M J . M a t h . A n a l . , 6 ( 1 9 7 5 ) , p p . 2 6 8 - 2 8 2 .

K a - Y o 2 ] J . L . K a p l a n a n d J . A . Y o r k e , O n t h e n o n l i n e a r d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n x

0

( t ) = ? f ( x ( t ) ;

x ( t ? 1 ) ) , J . D i . E q . , 2 3 ( 1 9 7 7 ) , p p . 2 9 3 - 3 1 4 .

L a ] H . D . L a n d a h l , S o m e c o n d i t i o n s f o r s u s t a i n e d o s c i l l a t i o n i n b i o c h e m i c a l c h a i n s w i t h f e e d b a c k

i n h i b i t i o n , B u l l . M a t h . B i o p h y s . , 3 1 ( 1 9 6 9 ) , p p . 7 7 5 - 7 8 7 .

M D ] N . M a c D o n a l d , T i m e l a g i n a m o d e l o f a b i o c h e m i c a l r e a c t i o n s e q u e n c e w i t h e n d p r o d u c t

i n h i b i t i o n , J . T h e o r . B i o l . , 6 7 ( 1 9 7 7 ) , p p . 5 4 9 - 5 5 6 .

M a - G l ] M . C . M a c k e y a n d L . G l a s s , O s c i l l a t i o n a n d c h a o s i n p h y s i o l o g i c a l c o n t r o l s y s t e m s , S c i e n c e ,

1 9 7 ( 1 9 7 7 ) , p p . 2 8 7 - 2 8 9 .

M a 1 ] J . M . M a h a y , P e r i o d i c s o l u t i o n s f o r c e r t a i n p r o t e i n s y n t h e s i s m o d e l s , J . M a t h . A n a l . A p p l . ,

7 4 ( 1 9 8 0 ) , p p . 7 2 - 1 0 5 .

M a 2 ] J . M . M a h a y , S t a b i l i t y o f p e r i o d i c s o l u t i o n s f o r a m o d e l o f g e n e t i c r e p r e s s i o n w i t h d e l a y s , J

M a t h . B i o l . , 2 2 ( 1 9 8 5 ) , p p . 1 3 7 - 1 4 4 .

M P ] J . M a l l e t - P a r e t , M o r s e d e c o m p o s i t i o n s f o r d e l a y d i e r e n t i a l e q u a t i o n s , J . D i . E q . , 7 2 ( 1 9 8 8 ) ,

p p . 2 7 0 - 3 1 5 .

5 4

7/28/2019 10.1.1.29.9665


M P - N u 1 ] J . M a l l e t - P a r e t a n d R . D . N u s s b a u m , G l o b a l c o n t i n u a t i o n a n d a s y m p t o t i c b e h a v i o u r f o r

p e r i o d i c s o l u t i o n s o f a d i e r e n t i a l - d e l a y e q u a t i o n , A n n . M a t . P u r a A p p l . , 1 4 5 ( 1 9 8 6 ) , p p . 3 3 - 1 2 8 .

M P - N u 2 ] J . M a l l e t - P a r e t a n d R . D . N u s s b a u m , B o u n d a r y l a y e r p h e n o m e n a f o r d i e r e n t i a l - d e l a y

e q u a t i o n s w i t h s t a t e - d e p e n d e n t t i m e l a g s : I , A r c h . R a t . M e c h . A n a l . , 1 2 0 ( 1 9 9 2 ) , p p . 9 9 - 1 4 6 .

M P - N u 3 ] J . M a l l e t - P a r e t a n d R . D . N u s s b a u m , B o u n d a r y l a y e r p h e n o m e n a f o r d i e r e n t i a l - d e l a y

e q u a t i o n s w i t h s t a t e - d e p e n d e n t t i m e l a g s : I I , J . R e i n e A n g e w . M a t h . , t o a p p e a r .

M P - S e 1 ] J . M a l l e t - P a r e t a n d G . R . S e l l , S y s t e m s o f d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s I : F l o q u e t m u l t i p l i e r s

a n d d i s c r e t e L y a p u n o v f u n c t i o n s , p r e p r i n t .

M P - S e 2 ] J . M a l l e t - P a r e t a n d G . R . S e l l , S y s t e m s o f d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s I I : l i n e a r t h e o r y , i n

p r e p a r a t i o n .

M P - S e 3 ] J . M a l l e t - P a r e t a n d G . R . S e l l , S y s t e m s o f d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n s I I I : t i m e d i s c r e t i z a -

t i o n s , i n p r e p a r a t i o n .

M P - S m ] J . M a l l e t - P a r e t a n d H . L . S m i t h , T h e P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r e m f o r m o n o t o n e c y c l i c

f e e d b a c k s y s t e m s , J . D y n . D i . E q . , 2 ( 1 9 9 0 ) , p p . 3 6 7 - 4 2 1 .

M P - W a ] J . M a l l e t - P a r e t a n d H . - O . W a l t h e r , R a p i d o s c i l l a t i o n s a r e r a r e i n s c a l a r s y s t e m s g o v e r n e d

b y m o n o t o n e n e g a t i v e f e e d b a c k w i t h a t i m e l a g , p r e p r i n t .

M c - M i ] C . M c C o r d a n d K . M i s c h a i k o w , O n t h e g l o b a l d y n a m i c s o f a t t r a c t o r s f o r s c a l a r d e l a y e q u a -

t i o n s , p r e p r i n t .

S m l ] J . S m i l l i e , C o m p e t i t i v e a n d c o o p e r a t i v e t r i d i a g o n a l s y s t e m s o f d i e r e n t i a l e q u a t i o n s , S I A M J .

M a t h . A n a l . , 1 5 ( 1 9 8 4 ) , p p . 5 3 0 - 5 3 4 .

S m H 1 ] H . L . S m i t h , P e r i o d i c o r b i t s o f c o m p e t i t i v e a n d c o o p e r a t i v e s y s t e m s , J . D i . E q . , 6 5 ( 1 9 8 6 ) ,

p p . 3 6 1 - 3 7 3 .

S m H 2 ] H . L . S m i t h , O s c i l l a t i o n s a n d m u l t i p l e s t e a d y s t a t e s i n a c y c l i c g e n e m o d e l w i t h r e p r e s s i o n ,

J . M a t h . B i o l . , 2 5 ( 1 9 8 7 ) , p p . 1 6 9 - 1 9 0 .

S m H 3 ] H . L . S m i t h , S y s t e m s o f o r d i n a r y d i e r e n t i a l e q u a t i o n s w h i c h g e n e r a t e a n o r d e r p r e s e r v i n g

o w . A s u r v e y o f r e s u l t s , S I A M R e v . , 3 0 ( 1 9 8 8 ) , p p . 8 7 - 1 1 3 .

5 5

7/28/2019 10.1.1.29.9665


S m H 4 ] H . L . S m i t h , P e r i o d i c t r i d i a g o n a l c o m p e t i t i v e a n d c o o p e r a t i v e s y s t e m s o f d i e r e n t i a l e q u a -

t i o n s , S I A M J . M a t h . A n a l . , 2 2 ( 1 9 9 1 ) , p p . 1 1 0 2 - 1 1 0 9 .

S m - T h ] H . L . S m i t h a n d H . R . T h i e m e , S t r o n g l y o r d e r p r e s e r v i n g s e m i o w s g e n e r a t e d b y f u n c t i o n a l

d i e r e n t i a l e q u a t i o n s , J . D i . E q . , 9 3 ( 1 9 9 1 ) , p p . 3 3 2 - 3 6 3 .

S m R 1 ] R . A . S m i t h , E x i s t e n c e o f p e r i o d i c o r b i t s o f a u t o n o m o u s r e t a r d e d f u n c t i o n a l - d i e r e n t i a l e q u a -

t i o n s , M a t h . P r o c . C a m b r i d g e P h i l o s o p h . S o c . , 8 8 ( 1 9 8 0 ) , p p . 8 9 - 1 0 9 .

S m R 2 ] R . A . S m i t h , E x i s t e n c e o f p e r i o d i c o r b i t s o f a u t o n o m o u s o r d i n a r y d i e r e n t i a l e q u a t i o n s , P r o c .

R o y . S o c . E d i n . , 8 5 A ( 1 9 8 0 ) , p p . 1 5 3 - 1 7 2 .

S m R 3 ] R . A . S m i t h , A n i n d e x t h e o r e m a n d B e n d i x s o n ' s n e g a t i v e c r i t e r i o n f o r c e r t a i n d i e r e n t i a l

e q u a t i o n s o f h i g h e r o r d e r , P r o c . R o y . S o c . E d i n . , 9 1 A ( 1 9 8 1 / 8 2 ) , p p . 6 3 - 7 7 .

S m R 4 ] R . A . S m i t h , S o m e m o d i e d M i c h a e l i s - M e n t e n e q u a t i o n s h a v i n g s t a b l e c l o s e d t r a j e c t o r i e s ,

P r o c . R o y . S o c . E d i n . , 1 0 9 A ( 1 9 8 8 ) , p p . 3 4 1 - 3 5 9 .

S m R 5 ] R . A . S m i t h , A P o i n c a r e - B e n d i x s o n t h e o r y f o r c e r t a i n r e t a r d e d f u n c t i o n a l - d i e r e n t i a l e q u a -

t i o n s , D i . I n t . E q . , 5 ( 1 9 9 2 ) , p p . 2 1 3 - 2 4 0 .

W a 1 ] H . - O . W a l t h e r , D e n s i t y o f s l o w l y o s c i l l a t i n g s o l u t i o n s o f _x ( t ) = ? f ( x ( t ? 1 ) ) ; J . M a t h . A n a l .

A p p l . , 7 9 ( 1 9 8 1 ) , p p . 1 2 7 - 1 4 0 .

W a 2 ] H . - O . W a l t h e r , O n F l o q u e t m u l t i p l i e r s o f p e r i o d i c s o l u t i o n s o f d e l a y e q u a t i o n s w i t h m o n o -

t o n e n o n l i n e a r i t i e s , i n : P r o c . I n t . S y m p . F u n c t i o n a l D i e r e n t i a l E q u a t i o n s , K y o t o , 1 9 9 0 , W o r l d

S c i e n t i c , S i n g a p o r e , 1 9 9 1 , p p . 3 4 9 - 3 5 6 .

W a 3 ] H . - O . W a l t h e r , A n i n v a r i a n t m a n i f o l d o f s l o w l y o s c i l l a t i n g s o l u t i o n s f o r _x ( t ) = ? x ( t ) + f ( x ( t ?

1 ) ) ; J . R e i n e A n g e w . M a t h . , 4 1 4 ( 1 9 9 1 ) , p p . 6 7 - 1 1 2 .

W a 4 ] H . - O . W a l t h e r , U n s t a b l e m a n i f o l d s o f p e r i o d i c o r b i t s o f a d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n , C o n t e m p .

M a t h . , 1 2 9 ( 1 9 9 2 ) , p p . 1 7 7 - 2 3 9 .

W a 5 ] H . - O . W a l t h e r , T h e 2 - d i m e n s i o n a l a t t r a c t o r o f x

0

( t ) = ? x ( t ) + f ( x ( t ? 1 ) ) ; M e m . A m e r . M a t h .

S o c . , t o a p p e a r .

5 6

7/28/2019 10.1.1.29.9665


W a 6 ] H . - O . W a l t h e r , A d i e r e n t i a l d e l a y e q u a t i o n w i t h a p l a n a r a t t r a c t o r , i n : P r o c . I n t e r n a t . C o n f .

o n D i e r e n t i a l E q s . , M a r r a k e c h , 1 9 9 1 , e d . b y O . A r i n o a n d M . H b i d , W o r l d S c i e n t i c , S i n g a p o r e .

10.1.1.29.9665

Documents