Neste trabalho, apresentamos um método computacional rigoroso para a demonstração de existência de órbitas periódicas de alguns sistemas de equações diferenciais ordinárias com campo autônomo do tipo polinomial. Mostraremos que o problema de encontrar órbitas periódicas para esses sistemas de equações é equivalente a buscar por raízes de certas funções definidas no espaço de Banach das sequências com decaimento algébrico. O método pode ser dividido em duas etapas. Na primeira, buscamos numericamente por soluções periódicas aproximadas. Na segunda, mostraremos a existência de uma órbita periódica numa vizinhança da curva encontrada numericamente. O rigor das verificações computacionais é garantido pelo uso de aritimética intervalar. / In this work, we present a rigorous computational method for proving the existence of periodic orbits of some systems of ordinary differential equations with autonomous vector field of polynomial type. We show that the problem of finding periodic orbits for these systems is equivalent to check for roots of certain functions defined in the Banach space of sequences with algebraic decay. The method can be divided into two steps. First, we seek, numerically, to approximated periodic solutions. Then, we show the existence of a periodic orbit in a neighborhood of the curve numerically found in the previous stage. The accuracy of the computational verifications is guaranteed by the use of interval arithmetic.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:26:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigo Frehse Pereira.pdf: 4666622 bytes, checksum: b2dcf2959eef9f7fd82301c2e45ac87f (MD5) Previous issue date: 2013-03-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Unstable dimension variability (UDV) is an extreme form of nonhyperbolicity. It is a structurally stable phenomenon, typical for high dimensional chaotic systems, which implies severe restrictions to shadowing of perturbed solutions. Perturbations are unavoidable in modelling Physical phenomena, since no system can be made completely isolated, states and parameters cannot be determined without uncertainties and any numeric approach to such models is affected by truncation and/or roundoff errors. Thus, the lack of shadowability in systems exhibiting UDV presents a challenge for modelling. Aiming to unveil the effect of perturbations a class of nonhyperbolic systems is studied. These systems present transversal unstable dimension variability (TUDV), which means the dynamics can be split in a skew direct product form, i. e. the phase space is decomposed in two components: a hyperbolic chaotic one, called longitudinal, and a nonhyperbolic transversal one. Moreover, in the absence of perturbations, the longitudinal component is a global attractor of the system. A prototype composed of two coupled piecewise-linear chaotic maps is presented in order to study the TUDV effects. This system has an invariant subspace S which characterizes the complete chaos synchronization and UDV, when present, is transversal to it. Taking advantage of (piecewise) linearity of the equations, an analytical method for unstable periodic orbits’ computation is presented. The set of all unstable periodic orbits (UPOs) is one of the building block of chaotic dynamics and its properties provide valuable informations about the asymptotic behaviour of the system as, for instance, the invariant natural measure. Therefore, the TUDV’s intensity is analytically studied by computing the contrast measure, which quantifies the difference between the statistical weights associated to UPOs with different unstable dimension. The effect of perturbations is modelled by the introduction of a small parameter mismatch, instead of noise addition, in order to keep the model’s determinism. Consequently, the characterization of dynamics by means of UPOs is still possible. It is shown the existence of a dense set G of UPOs outside the invariant subspace consistent with a chaotic repeller. When perturbation takes place, G merges with the set H of UPOs previously in S, given rise to a new nonhyperbolic stationary state. The analysis of G ∪H provides a topological explanation to the behaviour of systems with TUDV under perturbations. Moreover, the relation between the set of UPOs embedded in a chaotic attractor and its natural measure, proven only for hyperbolic systems, is successfully applied to this system: the error between the natural measure estimated both numerically and by means of UPOs is shown to be decreasing with p, the considered UPOs’ period. It is conjectured the coincidence between both in limit. Hence, a positive answer to reliability of numerical estimation to natural measure in nonhyperbolic systems via unstable dimension variability is presented. / A variabilidade da dimensão instável (VDI) é uma forma extrema de não-hiperbolicidade. É um fenômeno estruturalmente estável, típico para sistemas caóticos de alta dimensionalidade, que implica restrições severas ao sombreamento de soluções perturbadas. As perturbações¸ s são inevitáveis na modelagem de fenômenos fíısicos, uma vez que nenhum sistema pode ser isolado completamente, os estados e os parâmetros não podem ser determinados sem incertezas e qualquer abordagem numérica dos modelos é afetada por erros de arredondamento e/ou truncamento. Portanto, a falta da sombreabilidade em sistemas exibindo VDI apresenta um desafio à modelagem. Visando revelar os efeitos das perturbações, uma classe desses sistemas não hiperbó licos é estudada. Esses sistemas apresentam variabilidade da dimensão instável transversal (VDIT), significando que a dinâmica pode ser decomposta na forma de um produto direto assimétrico, i. e. o espação de fase é dividido em dois componentes: um hiperbólico e caótico, dito longitudinal, e um transversal e não-hiperbólico. Mais ainda, na ausência de perturbações, o componente longitudinal é um atrator global do sistema. Um protótipo composto de dois mapas ca´oticos lineares por partes acoplados é apresentado para o estudo dos efeitos da VDIT. Esse sistema possui um subespaço invariante S que caracteriza a sincronização completa de caos e a VDI, quando presente, é transversal a esse subespaço. Valendo-se da linearidade (por partes) das equações, um método analítico para o cálculo das órbitas periódicas instáveis é apresentado. O conjunto de todas as órbitas periódicas instáveis (OPIs) é um dos fundamentos da dinâmica caótica e suas propriedades fornecem informaões, valiosas sobre o comportamento assintótico do sistema como, por exemplo, a medida natural invariante. Assim, a intensidade da VDIT é estudada analiticamente pelo cálculo da medida de contraste, que quantifica a diferença entre o peso estatístico associado às OPIs com dimensão instável distintas. O efeito das perturbações é modelado pela introdução de um pequeno desvio nos parâmetros, ao invés da adição de ruído, a fim de manter o determinismo do modelo. Consequentemente, a caracterização da dinâmica em termos das OPIs ainda é possível. Demonstra-se a existência de um conjunto denso G de OPIs fora do subespaço invariante consistente com um repulsor caótico. Na presença de perturbações, G se funde com o conjunto H das OPIs previamente em S, dando origem a um novo estado estacionario não-hiperbólico. A análise de G ∪H fornece uma explicação topológica ao comportamento de sistemas com variabilidade da dimensão instável sob a açãoo de perturbações. Mais ainda, a relação entre o conjunto de OPIs imersas em um atrator caótico e sua medida natural, provada apenas para sistemas hiperbólicos, é aplicada com sucesso nesse sistema: mostra-se que o erro entre as medidas naturais estimadas numericamente e pelas OPIs é decrescente com p, o período das OPIs consideradas. Conjectura-se, portanto, a coincidência entre ambas no limite . Logo, apresenta-se uma resposta positiva à estimativa numérica da medida natural em sistemas não-hiperbólicos via variabilidade da dimensão instável.

Le problème principalement étudié dans ce manuscrit est la stabilisation d’orbites périodiques de systèmes dynamiques non linéaires à l’aide d’une commande de rétroaction (feedback). Le but des méthodes de contrôle proposées ici est d’obtenir une oscillation périodique stable. Ces méthodes de contrôle sont appliquées à des systèmes présentant des orbites périodiques instables dans l’espace d’état, et ces dernières sont les orbites destinées à être stabilisées.Les méthodes proposées ici sont telles que l’oscillation stable qui en résulte est obtenue avec un effort de contrôle faible, et que la valeur de la commande tend vers zéro lorsque la trajectoire tend vers l’orbite stabilisée. La stabilité locale des orbites périodiques est analysée par l’étude de la stabilité des systèmes linéaires périodiques à l’aide de la théorie de Floquet. Ces systèmes linéaires sont obtenus par linéarisation des trajectoires au voisinage de l’orbite périodique.Les méthodes de contrôle utilisées ici pour la stabilisation des orbites périodiques sont une loi de commande proportionnelle, une loi de commande de rétroaction retardée et une loi de commande de rétroaction basée sur une prédiction. Ces méthodes sont appliquées aux systèmes en temps discret et aux systèmes en temps continu avec les modifications nécessaires. Les contributions principales de cette thèse sont associées à ces méthodes, proposant une méthode alternative de design de gain, une nouvelle loi de commande et des résultats associés. / The main problem evaluated in this manuscript is the stabilization of periodic orbits of non-linear dynamical systems by use of feedback control. The goal of the control methods proposed in this work is to achieve a stable periodic oscillation. These control methods are applied to systems that present unstable periodic orbits in the state space, and the latter are the orbits to be stabilized.The methods proposed here are such that the resulting stable oscillation is obtained with low control effort, and the control signal is designed to converge to zero when the trajectory tends to the stabilized orbit. Local stability of the periodic orbits is analyzed by studying the stability of some linear time-periodic systems, using the Floquet stability theory. These linear systems are obtained by linearizing the trajectories in the vicinity of the periodic orbits.The control methods used for stabilization of periodic orbits here are the proportional feedback control, the delayed feedback control and the prediction-based feedback control. These methods are applied to discrete and continuous-time systems with the necessary modifications. The main contributions of the thesis are related to these methods, proposing an alternative control gain design, a new control law and related results. / O principal problema avaliado neste manuscrito é a estabilização de órbitas periódicas em sistemas dinâmicos não-lineares utilizando controle por realimentação. O objetivo dos métodos de controle propostos neste trabalho é obter uma oscilação periódica estável. Estes métodos de controle são aplicados a sistemas que apresentam órbitas periódicas instáveis no espaço de estados, estas são as órbitas a serem estabilizadas.Os métodos propostos aqui são tais que a oscilação periódica estável resultante é obtida utilizando um baixo esforço de controle, e o sinal de controle é projetado de forma a convergir para zero quanto a trajetória tende à órbita estabilizada. A estabilidade local de órbitas periódicas é analisada através do estudo da estabilidade de alguns sistemas lineares periódicos no tempo, utilizando a teoria de estabilidade de Floquet. Estes sistemas lineares são obtidos por linearização das trajetórias na vizinhança da órbita periódica.Os métodos de controle utilizados aqui para estabilização de órbitas periódicas são o proportional feedback control, o delayed feedback control e o prediction-based feedback control (controle por realimentação baseado em predição). Estes métodos são aplicados a sistemas de tempo discreto e de tempo contínuo, com as modificações necessárias. As principais contribuições da tese são relacionadas a esses métodos, propondo um projeto de ganho de controle alternativo, uma nova lei de controle e resultados relacionados.