§E13.18Poincaré–Bendixson の定理

最終更新

自律系の解の長時間挙動を調べるとき、軌道がどの集合に集積するかを表すω\omega極限集合が基本的な対象となる。たとえば四次元の系では、前方軌道がコンパクト集合に留まり、ω\omega極限集合が平衡点を含まない場合でも、ω\omega極限集合は周期軌道であるとは限らない。ところが、平面の開集合UU上のC1C^1級ベクトル場では、Jordan の曲線定理により、前方軌道がUUのコンパクト集合に留まり、ω\omega極限集合が平衡点を含まない場合に、ω\omega極限集合は周期軌道に限られる。この主張を Poincaré–Bendixson の定理という。Poincaré–Bendixson の定理は、平面の自律系が周期解をもつことを示すために用いられる。たとえば van der Pol 方程式では、この定理により周期解の存在が導かれる。本記事では、Poincaré–Bendixson の定理を証明し、周期軌道の Poincaré 写像の微分係数による極限閉軌道の判定、周期軌道が存在しないための Bendixson–Dulac の判定法、周期軌道の内側に平衡点が存在することを扱う。

1 横断線分と流れ箱

定義 1.1.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像とする。v,w∈R2v,w\in\R^2に対して、v,wv,wを列とする2×22\times2行列の行列式をdet⁡(v,w)\det(v,w)と書く。p∈R2p\in\R^2、v∈R2∖{0}v\in\R^2\setminus\{0\}、a>0a>0に対して閉線分Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}がΣ⊆U\Sigma\subseteq Uを満たし、すべてのq∈Σq\in\Sigmaでdet⁡(v,F(q))≠0\det(v,F(q))\ne0であるとき、組(p,v,a)(p,v,a)とともに与えたΣ\SigmaをFFの横断線分 (transversal segment) という。q=p+sv∈Σq=p+sv\in\Sigmaに対してssをqqのΣ\Sigma上の座標といい、Σ∘={p+sv:∣s∣<a}\Sigma^\circ=\{p+sv:\lvert s\rvert<a\}と書く。

補題 1.2.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像とする。このとき、次が成り立つ。

  1. q∈Uq\in UがF(q)≠0F(q)\ne0を満たすならば、det⁡(v,F(q))≠0\det(v,F(q))\ne0を満たすv∈R2v\in\R^2が存在し、そのようなvvに対してa>0a>0を十分小さくとると{q+sv:∣s∣≤a}\{q+sv:\lvert s\rvert\le a\}は横断線分である。
  2. Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}が横断線分ならば、δ>0\delta>0が存在して{p+sv:∣s∣≤a+δ}\{p+sv:\lvert s\rvert\le a+\delta\}は横断線分である。

証明.p∈R2p\in\R^2、v∈R2∖{0}v\in\R^2\setminus\{0\}に対してOp,v={s∈R:p+sv∈U, det⁡(v,F(p+sv))≠0}O_{p,v}=\{s\in\R:p+sv\in U,\ \det(v,F(p+sv))\ne0\}とおく。UUは開集合でFFは連続であるから、Op,vO_{p,v}は開集合である。

主張 (1)を示す。w=F(q)=(w1,w2)w=F(q)=(w_1,w_2)としv=(−w2,w1)v=(-w_2,w_1)とおくと、det⁡(v,w)=−w22−w12≠0\det(v,w)=-w_2^2-w_1^2\ne0である。det⁡(v,F(q))≠0\det(v,F(q))\ne0を満たすvvについて0∈Oq,v0\in O_{q,v}であるから、a>0a>0を[−a,a]⊆Oq,v[-a,a]\subseteq O_{q,v}を満たすようにとることができる。

主張 (2)を示す。[−a,a]⊆Op,v[-a,a]\subseteq O_{p,v}である。Op,v=RO_{p,v}=\Rならば任意のδ>0\delta>0でよい。そうでなければ、R∖Op,v\R\setminus O_{p,v}は閉集合でコンパクト集合[−a,a][-a,a]と交わらないから、両者の距離δ′\delta'は正であり、0<δ<δ′0<\delta<\delta'について[−a−δ,a+δ]⊆Op,v[-a-\delta,a+\delta]\subseteq O_{p,v}である。▨

補題 1.3.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ:D→U\varphi:D\to UをFFの流れとする。p∈Up\in Uとv∈R2v\in\R^2がdet⁡(v,F(p))≠0\det(v,F(p))\ne0を満たすとする。このときε>0\varepsilon>0とb>0b>0が存在し、R=(−ε,ε)×(−b,b)R=(-\varepsilon,\varepsilon)\times(-b,b)のすべての点(t,s)(t,s)についてp+sv∈Up+sv\in Uかつt∈I(p+sv)t\in I(p+sv)であり、

Ψ:R→U,Ψ(t,s)=φt(p+sv)\Psi:R\to U,\qquad \Psi(t,s)=\varphi_t(p+sv)

は単射である。さらに、0<ε′≤ε0<\varepsilon'\le\varepsilonと0<b′≤b0<b'\le bを満たすすべてのε′,b′\varepsilon',b'について、Ψ((−ε′,ε′)×(−b′,b′))\Psi((-\varepsilon',\varepsilon')\times(-b',b'))はppを含むR2\R^2の開集合である。

証明.N={(t,s)∈R2:(t,p+sv)∈D}N=\{(t,s)\in\R^2:(t,p+sv)\in D\}とおく。§E13.15 定理 2.1 (1)によりDDはR×R2\R\times\R^2の開集合であり、(t,s)↦(t,p+sv)(t,s)\mapsto(t,p+sv)は連続であるから、NNは(0,0)(0,0)を含む開集合である。NN上でΨ0(t,s)=φ(t,p+sv)\Psi_0(t,s)=\varphi(t,p+sv)とおくと、§E13.15 系 2.2 (1)によりΨ0\Psi_0はC1C^1級である。φ(⋅,p)\varphi(\cdot,p)はy′=F(y)y'=F(y)の解であるから∂tΨ0(0,0)=F(p)\partial_t\Psi_0(0,0)=F(p)であり、UU上でφ0\varphi_0は恒等写像であるから∂sΨ0(0,0)=v\partial_s\Psi_0(0,0)=vである。したがってDΨ0(0,0)D\Psi_0(0,0)は列F(p),vF(p),vをもつ行列であり、その行列式は−det⁡(v,F(p))≠0-\det(v,F(p))\ne0である。§E4.7 定理 2.1により、(0,0)(0,0)の開近傍N0⊆NN_0\subseteq Nとppの開近傍V0V_0が存在し、Ψ0∣N0:N0→V0\Psi_0|_{N_0}:N_0\to V_0は全単射で、その逆写像χ:V0→N0\chi:V_0\to N_0は連続である。R=(−ε,ε)×(−b,b)⊆N0R=(-\varepsilon,\varepsilon)\times(-b,b)\subseteq N_0を満たすε,b>0\varepsilon,b>0をとり、Ψ=Ψ0∣R\Psi=\Psi_0|_Rとおく。R⊆NR\subseteq Nであるから、(t,s)∈R(t,s)\in Rについて(t,p+sv)∈D⊆R×U(t,p+sv)\in D\subseteq\R\times Uであり、p+sv∈Up+sv\in U、t∈I(p+sv)t\in I(p+sv)である。Ψ\Psiは単射である。0<ε′≤ε0<\varepsilon'\le\varepsilon、0<b′≤b0<b'\le bについてR′=(−ε′,ε′)×(−b′,b′)R'=(-\varepsilon',\varepsilon')\times(-b',b')とおくと、Ψ(R′)=χ−1(R′)\Psi(R')=\chi^{-1}(R')は開集合V0V_0の開集合であるからR2\R^2の開集合であり、p=Ψ(0,0)p=\Psi(0,0)を含む。▨

補題 1.4.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ:D→U\varphi:D\to UをFFの流れ、Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}を横断線分とする。x∈Ux\in Uとt0∈I(x)t_0\in I(x)がφt0(x)∈Σ\varphi_{t_0}(x)\in\Sigmaを満たすとする。このとき、xxの開近傍V⊆UV\subseteq U、η>0\eta>0、C1C^1級関数τ:V→(t0−η,t0+η)\tau:V\to(t_0-\eta,t_0+\eta)が存在し、τ(x)=t0\tau(x)=t_0であり、次の二つが成り立つ。

  1. y∈Vy\in Vについて(t0−η,t0+η)⊆I(y)(t_0-\eta,t_0+\eta)\subseteq I(y)であり、t∈(t0−η,t0+η)t\in(t_0-\eta,t_0+\eta)についてdet⁡(v,φt(y)−p)=0\det(v,\varphi_t(y)-p)=0であることは、t=τ(y)t=\tau(y)であるための必要十分条件である。とくに{t∈(t0−η,t0+η):φt(y)∈Σ}⊆{τ(y)}\{t\in(t_0-\eta,t_0+\eta):\varphi_t(y)\in\Sigma\}\subseteq\{\tau(y)\}である。
  2. φt0(x)∈Σ∘\varphi_{t_0}(x)\in\Sigma^\circならば、すべてのy∈Vy\in Vについてφτ(y)(y)∈Σ∘\varphi_{\tau(y)}(y)\in\Sigma^\circである。

証明.D′={(y,t)∈U×R:(t,y)∈D}D'=\{(y,t)\in U\times\R:(t,y)\in D\}は§E13.15 定理 2.1 (1)により開集合である。H:D′→RH:D'\to\RをH(y,t)=det⁡(v,φ(t,y)−p)H(y,t)=\det(v,\varphi(t,y)-p)で定めると、§E13.15 系 2.2 (1)によりHHはC1C^1級である。φt0(x)=p+s0v\varphi_{t_0}(x)=p+s_0vとおくと、H(x,t0)=s0det⁡(v,v)=0H(x,t_0)=s_0\det(v,v)=0であり、∂tH(x,t0)=det⁡(v,F(φt0(x)))≠0\partial_tH(x,t_0)=\det(v,F(\varphi_{t_0}(x)))\ne0である。xxを中心とする開球A0A_0とt0t_0を含む開区間B0B_0をA0×B0⊆D′A_0\times B_0\subseteq D'を満たすようにとる。§E4.8 定理 2.1 (2)をA0×B0A_0\times B_0上のHHと点(x,t0)(x,t_0)に適用すると、xxの開近傍AA、t0t_0の開近傍BB、C1C^1級写像τ0:A→B\tau_0:A\to Bが存在し、A×B⊆A0×B0A\times B\subseteq A_0\times B_0であり、(y,t)∈A×B(y,t)\in A\times BについてH(y,t)=0H(y,t)=0であることは、t=τ0(y)t=\tau_0(y)であるための必要十分条件であり、τ0(x)=t0\tau_0(x)=t_0である。η>0\eta>0を(t0−η,t0+η)⊆B(t_0-\eta,t_0+\eta)\subseteq Bを満たすようにとり、V1=τ0−1((t0−η,t0+η))V_1=\tau_0^{-1}((t_0-\eta,t_0+\eta))とおく。V1V_1はxxを含む開集合である。y∈V1y\in V_1についてH(y,τ0(y))=0H(y,\tau_0(y))=0かつv≠0v\ne0であるからφτ0(y)(y)−p\varphi_{\tau_0(y)}(y)-pはvvの実数倍であり、φτ0(y)(y)=p+σ(y)v\varphi_{\tau_0(y)}(y)=p+\sigma(y)v、σ(y)=⟨φτ0(y)(y)−p,v⟩/∥v∥2\sigma(y)=\langle\varphi_{\tau_0(y)}(y)-p,v\rangle/\lVert v\rVert^2であり、σ\sigmaはV1V_1上で連続でσ(x)=s0\sigma(x)=s_0である。∣s0∣=a\lvert s_0\rvert=aならばV=V1V=V_1とおき、∣s0∣<a\lvert s_0\rvert<aならばV={y∈V1:∣σ(y)∣<a}V=\{y\in V_1:\lvert\sigma(y)\rvert<a\}とおく。いずれの場合もVVはxxの開近傍である。τ=τ0∣V\tau=\tau_0|_Vとおく。

主張 (1)を示す。y∈Vy\in V、t∈(t0−η,t0+η)t\in(t_0-\eta,t_0+\eta)ならば(y,t)∈A×B⊆D′(y,t)\in A\times B\subseteq D'であるからt∈I(y)t\in I(y)であり、H(y,t)=0H(y,t)=0であることは、t=τ(y)t=\tau(y)であるための必要十分条件である。φt(y)∈Σ\varphi_t(y)\in\Sigmaならばφt(y)−p\varphi_t(y)-pはvvの実数倍であるからH(y,t)=0H(y,t)=0であり、t=τ(y)t=\tau(y)である。

主張 (2)を示す。φt0(x)∈Σ∘\varphi_{t_0}(x)\in\Sigma^\circならば∣s0∣<a\lvert s_0\rvert<aであり、y∈Vy\in Vについてφτ(y)(y)=p+σ(y)v\varphi_{\tau(y)}(y)=p+\sigma(y)v、∣σ(y)∣<a\lvert\sigma(y)\rvert<aである。▨

補題 1.5.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れ、Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}を横断線分とし、y∈Uy\in U、q∈Σ∘q\in\Sigma^\circとする。このとき、次が成り立つ。

  1. [0,∞)⊆I(y)[0,\infty)\subseteq I(y)かつq∈ω(y)q\in\omega(y)ならば、um∈I(y)u_m\in I(y)、um→∞u_m\to\infty、φum(y)∈Σ\varphi_{u_m}(y)\in\Sigma、φum(y)→q\varphi_{u_m}(y)\to qを満たす数列(um)(u_m)が存在する。
  2. (−∞,0]⊆I(y)(-\infty,0]\subseteq I(y)かつq∈α(y)q\in\alpha(y)ならば、um∈I(y)u_m\in I(y)、um→−∞u_m\to-\infty、φum(y)∈Σ\varphi_{u_m}(y)\in\Sigma、φum(y)→q\varphi_{u_m}(y)\to qを満たす数列(um)(u_m)が存在する。

証明.主張 (1)を示す。補題 1.4をqq、t0=0t_0=0、Σ\Sigmaに適用し、qqの開近傍VV、η>0\eta>0、τ\tauを得る。補題 1.4 (1)によりy′∈Vy'\in Vについてτ(y′)∈I(y′)\tau(y')\in I(y')であり、q∈Σ∘q\in\Sigma^\circであるから、補題 1.4 (2)によりφτ(y′)(y′)∈Σ\varphi_{\tau(y')}(y')\in\Sigmaである。q∈ω(y)q\in\omega(y)であるから、tm∈I(y)t_m\in I(y)、tm→∞t_m\to\infty、φtm(y)→q\varphi_{t_m}(y)\to qを満たす数列(tm)(t_m)が存在する。十分大きいmmについてφtm(y)∈V\varphi_{t_m}(y)\in Vであり、そのようなmmについてum=tm+τ(φtm(y))u_m=t_m+\tau(\varphi_{t_m}(y))とおく。§E13.15 定理 1.3によりum∈I(y)u_m\in I(y)であり、φum(y)=φτ(φtm(y))(φtm(y))∈Σ\varphi_{u_m}(y)=\varphi_{\tau(\varphi_{t_m}(y))}(\varphi_{t_m}(y))\in\Sigmaである。∣um−tm∣<η\lvert u_m-t_m\rvert<\etaであるからum→∞u_m\to\inftyである。y′↦φ(τ(y′),y′)y'\mapsto\varphi(\tau(y'),y')はVV上で連続でqqでの値がqqであるから、φum(y)→q\varphi_{u_m}(y)\to qである。

主張 (2)を示す。−F-FはC1C^1級であり、すべてのq′∈Σq'\in\Sigmaでdet⁡(v,−F(q′))=−det⁡(v,F(q′))≠0\det(v,-F(q'))=-\det(v,F(q'))\ne0であるから、Σ\Sigmaは−F-Fの横断線分である。§E13.15 補題 5.2 (2)により[0,∞)⊆I−F(y)[0,\infty)\subseteq I_{-F}(y)であり、q∈αF(y)=ω−F(y)q\in\alpha_F(y)=\omega_{-F}(y)である。主張 (1)を−F-Fに適用すると、um′∈I−F(y)u'_m\in I_{-F}(y)、um′→∞u'_m\to\infty、φum′−F(y)∈Σ\varphi^{-F}_{u'_m}(y)\in\Sigma、φum′−F(y)→q\varphi^{-F}_{u'_m}(y)\to qを満たす数列(um′)(u'_m)が存在する。um=−um′u_m=-u'_mとおくと、§E13.15 補題 1.4によりum∈IF(y)u_m\in I_F(y)、φum(y)=φum′−F(y)\varphi_{u_m}(y)=\varphi^{-F}_{u'_m}(y)であり、um→−∞u_m\to-\inftyである。▨

2 横断線分上の交点の単調性

補題 2.1.a,b∈R2a,b\in\R^2を相異なる点とし、A1,A2⊆R2A_1,A_2\subseteq\R^2をいずれもaaとbbを結ぶ弧とし、A1∩A2={a,b}A_1\cap A_2=\{a,b\}とする。このとき、A1∪A2A_1\cup A_2は単純閉曲線である。

証明. 演習とする(問題 6.1)。▨

補題 2.2.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れ、Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}を横断線分とする。x∈Ux\in UとI(x)I(x)の点t1<t2<t3t_1<t_2<t_3について、φti(x)=p+siv∈Σ\varphi_{t_i}(x)=p+s_iv\in\Sigma(i=1,2,3i=1,2,3)であり、t∈(t1,t2)∪(t2,t3)t\in(t_1,t_2)\cup(t_2,t_3)ならばφt(x)∉Σ\varphi_t(x)\notin\Sigmaであるとする。このときs1=s2=s3s_1=s_2=s_3、s1<s2<s3s_1<s_2<s_3、s1>s2>s3s_1>s_2>s_3のいずれかが成り立つ。

証明.yi=φti(x)y_i=\varphi_{t_i}(x)(i=1,2,3i=1,2,3)とおき、t∈I(x)t\in I(x)についてc(t)=φt(x)c(t)=\varphi_t(x)とおく。F(y1)≠0F(y_1)\ne0であるから、§E13.15 命題 4.3 (1)と§E13.15 命題 4.3 (2)によりxxは平衡点でない。

s1=s2s_1=s_2とする。c(t1)=c(t2)c(t_1)=c(t_2)でありccは単射でないから、§E13.15 命題 4.3 (4)によりxxは周期点である。xxの最小周期をTTとすると、§E13.15 命題 4.3 (3)により、u,u′∈Ru,u'\in\Rについてc(u)=c(u′)c(u)=c(u')であることは、u−u′∈TZu-u'\in T\Zであるための必要十分条件である。t2−t1t_2-t_1はTTの正の整数倍であり、c(t1+T)=y1∈Σc(t_1+T)=y_1\in\Sigmaで(t1,t2)(t_1,t_2)はc(t)∈Σc(t)\in\Sigmaを満たすttを含まないから、t2−t1=Tt_2-t_1=Tである。c(t2+T)=y2∈Σc(t_2+T)=y_2\in\Sigmaであるからt3≤t2+Tt_3\le t_2+Tであり、c(t3−T)=c(t3)∈Σc(t_3-T)=c(t_3)\in\Sigma、t3−T∈(t1,t2]t_3-T\in(t_1,t_2]である。(t1,t2)(t_1,t_2)はc(t)∈Σc(t)\in\Sigmaを満たすttを含まないからt3−T=t2t_3-T=t_2であり、s3=s2s_3=s_2である。

s1≠s2s_1\ne s_2とする。vvを−v-vに取り替えると、Σ\Sigmaは同じ集合のまま横断線分であり、各点の座標は符号だけが変わる。この取り替えによりs1<s2s_1<s_2としてよい。

主張 2.2.1.u∈[t1,t2]u\in[t_1,t_2]、u′∈[t1,t3)u'\in[t_1,t_3)、u<u′u<u'ならばc(u)≠c(u′)c(u)\ne c(u')である。

証明.c(u)=c(u′)c(u)=c(u')と仮定する。§E13.15 命題 4.3 (4)によりxxは周期点であり、その最小周期をTTとすると、§E13.15 命題 4.3 (3)によりu′−u=kTu'-u=kTを満たす正の整数kkが存在する。c(t1+T)=y1∈Σc(t_1+T)=y_1\in\Sigmaであり、u≥t1u\ge t_1からt1<t1+T≤t1+u′−u≤u′<t3t_1<t_1+T\le t_1+u'-u\le u'<t_3である。(t1,t2)∪(t2,t3)(t_1,t_2)\cup(t_2,t_3)はc(t)∈Σc(t)\in\Sigmaを満たすttを含まないからt1+T=t2t_1+T=t_2であり、y2=c(t1+T)=y1y_2=c(t_1+T)=y_1である。これはs1≠s2s_1\ne s_2に反する。▨

A=c([t1,t2])A=c([t_1,t_2])、S={p+sv:s1≤s≤s2}S=\{p+sv:s_1\le s\le s_2\}、S∘={p+sv:s1<s<s2}S^\circ=\{p+sv:s_1<s<s_2\}とおく。主張 2.2.1によりc∣[t1,t2]c|_{[t_1,t_2]}は単射な連続写像であり、[t1,t2][t_1,t_2]はコンパクトでR2\R^2は Hausdorff であるから、§E2.19 定理 6.8によりAAはy1y_1とy2y_2を結ぶ弧である。SSもy1y_1とy2y_2を結ぶ弧である。c(t)∈Σc(t)\in\Sigmaを満たすt∈[t1,t2]t\in[t_1,t_2]はt1,t2t_1,t_2だけであり、S⊆ΣS\subseteq\Sigmaであるから、A∩S={y1,y2}A\cap S=\{y_1,y_2\}である。補題 2.1によりJ=A∪SJ=A\cup Sは単純閉曲線であり、§E2.49 定理 2.7によりR2∖J\R^2\setminus Jはちょうど二つの連結成分をもち、いずれの連結成分の境界もJJである。

主張 2.2.2.q∈Sq\in Sとし、q=p+sqvq=p+s_qvとする。Λq⊆R2\Lambda_q\subseteq\R^2を、s1<sq<s2s_1<s_q<s_2ならば{0}×R\{0\}\times\R、q=y1q=y_1ならば([0,∞)×{0})∪({0}×[0,∞))([0,\infty)\times\{0\})\cup(\{0\}\times[0,\infty))、q=y2q=y_2ならば((−∞,0]×{0})∪({0}×(−∞,0])((-\infty,0]\times\{0\})\cup(\{0\}\times(-\infty,0])とおく。このときεq,bq>0\varepsilon_q,b_q>0が存在して、Rq=(−εq,εq)×(−bq,bq)R_q=(-\varepsilon_q,\varepsilon_q)\times(-b_q,b_q)上でΨq(t,s)=φt(q+sv)\Psi_q(t,s)=\varphi_t(q+sv)が定義されて単射であり、Wq=Ψq(Rq)W_q=\Psi_q(R_q)はqqを含む開集合で、Wq∩J=Ψq(Rq∩Λq)W_q\cap J=\Psi_q(R_q\cap\Lambda_q)である。さらに、0<∣s∣<bq0<\lvert s\rvert<b_qかつq+sv∈Sq+sv\in Sならばq+sv∈S∘q+sv\in S^\circである。

証明.det⁡(v,F(q))≠0\det(v,F(q))\ne0であるから、補題 1.3をqqとvvに適用してε0,b0>0\varepsilon_0,b_0>0を得る。ε1=min⁡{ε0,(t2−t1)/2}\varepsilon_1=\min\{\varepsilon_0,(t_2-t_1)/2\}とおく。s1<sq<s2s_1<s_q<s_2ならばb1=min⁡{b0,sq−s1,s2−sq}b_1=\min\{b_0,s_q-s_1,s_2-s_q\}、Jq=A∪{p+sv∈S:∣s−sq∣≥b1}J_q=A\cup\{p+sv\in S:\lvert s-s_q\rvert\ge b_1\}とおく。q=y1q=y_1ならばb1=min⁡{b0,(s2−s1)/2}b_1=\min\{b_0,(s_2-s_1)/2\}、Jq=c([t1+ε1,t2])∪{p+sv:s1+b1≤s≤s2}J_q=c([t_1+\varepsilon_1,t_2])\cup\{p+sv:s_1+b_1\le s\le s_2\}とおく。q=y2q=y_2ならばb1=min⁡{b0,(s2−s1)/2}b_1=\min\{b_0,(s_2-s_1)/2\}、Jq=c([t1,t2−ε1])∪{p+sv:s1≤s≤s2−b1}J_q=c([t_1,t_2-\varepsilon_1])\cup\{p+sv:s_1\le s\le s_2-b_1\}とおく。いずれの場合もJqJ_qは閉区間の連続像の和であるからコンパクトである。q∉Jqq\notin J_qである。実際、s1<sq<s2s_1<s_q<s_2ならばq∉Aq\notin A(A∩Σ={y1,y2}A\cap\Sigma=\{y_1,y_2\})であり、q=y1q=y_1ならば主張 2.2.1によるc∣[t1,t2]c|_{[t_1,t_2]}の単射性からq∉c([t1+ε1,t2])q\notin c([t_1+\varepsilon_1,t_2])であり、q=y2q=y_2ならば同じ単射性からq∉c([t1,t2−ε1])q\notin c([t_1,t_2-\varepsilon_1])である。R1=(−ε1,ε1)×(−b1,b1)R_1=(-\varepsilon_1,\varepsilon_1)\times(-b_1,b_1)とおく。Ψq(t,0)=φt(q)\Psi_q(t,0)=\varphi_t(q)であり、q=yiq=y_iならばφt(yi)=c(ti+t)\varphi_t(y_i)=c(t_i+t)である。またΨq(0,s)=q+sv\Psi_q(0,s)=q+svである。これらから、s1<sq<s2s_1<s_q<s_2ならばJ∖Jq={q+sv:∣s∣<b1}=Ψq(R1∩Λq)J\setminus J_q=\{q+sv:\lvert s\rvert<b_1\}=\Psi_q(R_1\cap\Lambda_q)である。q=y1q=y_1ならばJ∖Jq=c([t1,t1+ε1))∪{y1+sv:0≤s<b1}=Ψq(R1∩Λq)J\setminus J_q=c([t_1,t_1+\varepsilon_1))\cup\{y_1+sv:0\le s<b_1\}=\Psi_q(R_1\cap\Lambda_q)であり、q=y2q=y_2の場合も同じ形の等式が成り立つ。いずれの場合も

J∖Jq⊆Ψq(R1∩Λq),Ψq(R1∩Λq)⊆JJ\setminus J_q\subseteq\Psi_q(R_1\cap\Lambda_q),\qquad \Psi_q(R_1\cap\Lambda_q)\subseteq J

である。d=dist⁡(q,Jq)>0d=\operatorname{dist}(q,J_q)>0とおく。Ψq\Psi_qは(0,0)(0,0)で連続であるから、0<εq≤ε10<\varepsilon_q\le\varepsilon_1、0<bq≤b10<b_q\le b_1をΨq(Rq)⊆B(q,d)\Psi_q(R_q)\subseteq B(q,d)を満たすようにとることができる。補題 1.3によりWq=Ψq(Rq)W_q=\Psi_q(R_q)はqqを含む開集合である。Wq∩Jq=∅W_q\cap J_q=\varnothingであるからWq∩J⊆Ψq(R1∩Λq)W_q\cap J\subseteq\Psi_q(R_1\cap\Lambda_q)であり、Ψq\Psi_qの単射性によりWq∩J⊆Ψq(Rq∩Λq)W_q\cap J\subseteq\Psi_q(R_q\cap\Lambda_q)である。逆の包含はΨq(R1∩Λq)⊆J\Psi_q(R_1\cap\Lambda_q)\subseteq Jによる。最後の主張は、s1<sq<s2s_1<s_q<s_2ならばbq≤min⁡{sq−s1,s2−sq}b_q\le\min\{s_q-s_1,s_2-s_q\}から、q=y1q=y_1ならばq+sv∈Sq+sv\in Sがs>0s>0を意味しbq<s2−s1b_q<s_2-s_1であることから、q=y2q=y_2ならば同様に従う。▨

q∈Sq\in SについてRq∖ΛqR_q\setminus\Lambda_qを二つの部分Rq1,Rq2R_q^1,R_q^2に分ける。s1<sq<s2s_1<s_q<s_2ならばRq1=(0,εq)×(−bq,bq)R_q^1=(0,\varepsilon_q)\times(-b_q,b_q)、Rq2=(−εq,0)×(−bq,bq)R_q^2=(-\varepsilon_q,0)\times(-b_q,b_q)とおく。q=y1q=y_1ならばRq1=(0,εq)×(0,bq)R_q^1=(0,\varepsilon_q)\times(0,b_q)、Rq2={(t,s)∈Rq:t<0 または s<0}R_q^2=\{(t,s)\in R_q:t<0\text{ または }s<0\}とおく。q=y2q=y_2ならばRq1={(t,s)∈Rq:t>0 または s>0}R_q^1=\{(t,s)\in R_q:t>0\text{ または }s>0\}、Rq2=(−εq,0)×(−bq,0)R_q^2=(-\varepsilon_q,0)\times(-b_q,0)とおく。Rq1,Rq2R_q^1,R_q^2はいずれも凸集合、または共通点をもつ二つの凸集合の和であるから、§E2.43 命題 4.2と§E2.43 命題 1.7により連結である。§E2.43 定理 1.4によりΨq(Rq1)\Psi_q(R_q^1)とΨq(Rq2)\Psi_q(R_q^2)は連結であり、主張 2.2.2によりWq∖J=Ψq(Rq1)∪Ψq(Rq2)W_q\setminus J=\Psi_q(R_q^1)\cup\Psi_q(R_q^2)である。したがってΨq(Rq1)\Psi_q(R_q^1)とΨq(Rq2)\Psi_q(R_q^2)はそれぞれR2∖J\R^2\setminus Jのただ一つの連結成分に含まれる。q∈Jq\in Jは二つの連結成分の境界点であり、WqW_qはqqの近傍であるから、WqW_qは二つの連結成分のいずれとも交わる。ゆえにΨq(Rq1)\Psi_q(R_q^1)とΨq(Rq2)\Psi_q(R_q^2)は相異なる連結成分に含まれる。

m∈S∘m\in S^\circに対して、Ψm(Rm1)\Psi_m(R_m^1)を含む連結成分をC(m)C(m)と書く。m′∈S∘∩Wmm'\in S^\circ\cap W_mとするとm′=Ψm(0,s′)m'=\Psi_m(0,s')、∣s′∣<bm\lvert s'\rvert<b_mであり、0<t<min⁡{εm,εm′}0<t<\min\{\varepsilon_m,\varepsilon_{m'}\}についてφt(m′)=Ψm(t,s′)∈Ψm(Rm1)\varphi_t(m')=\Psi_m(t,s')\in\Psi_m(R_m^1)かつφt(m′)=Ψm′(t,0)∈Ψm′(Rm′1)\varphi_t(m')=\Psi_{m'}(t,0)\in\Psi_{m'}(R_{m'}^1)であるから、C(m′)=C(m)C(m')=C(m)である。したがって、各連結成分C0C_0について{s∈(s1,s2):C(p+sv)=C0}\{s\in(s_1,s_2):C(p+sv)=C_0\}は開集合であり、(s1,s2)(s_1,s_2)は連結であるから、C(m)C(m)はm∈S∘m\in S^\circによらない。この連結成分をCC、他方の連結成分をC′C'とおく。m∈S∘m\in S^\circ、0<t<εm0<t<\varepsilon_mについてφt(m)=Ψm(t,0)∈C\varphi_t(m)=\Psi_m(t,0)\in C、φ−t(m)=Ψm(−t,0)∈C′\varphi_{-t}(m)=\Psi_m(-t,0)\in C'である。

q=y2q=y_2とし、−bq<s<0-b_q<s<0、m=y2+svm=y_2+svとおくと、主張 2.2.2によりm∈S∘m\in S^\circである。0<t<min⁡{εq,εm}0<t<\min\{\varepsilon_q,\varepsilon_m\}について(t,s)∈Rq1(t,s)\in R_q^1であり、Ψq(t,s)=φt(m)∈C\Psi_q(t,s)=\varphi_t(m)\in Cであるから、Ψy2(Ry21)⊆C\Psi_{y_2}(R_{y_2}^1)\subseteq Cである。とくに0<t<εy20<t<\varepsilon_{y_2}についてφt(y2)=Ψy2(t,0)∈C\varphi_t(y_2)=\Psi_{y_2}(t,0)\in Cである。q=y1q=y_1とし、0<s<bq0<s<b_q、m=y1+sv∈S∘m=y_1+sv\in S^\circとおくと、0<t<min⁡{εq,εm}0<t<\min\{\varepsilon_q,\varepsilon_m\}について(−t,s)∈Rq2(-t,s)\in R_q^2であり、Ψq(−t,s)=φ−t(m)∈C′\Psi_q(-t,s)=\varphi_{-t}(m)\in C'であるから、Ψy1(Ry12)⊆C′\Psi_{y_1}(R_{y_1}^2)\subseteq C'である。とくに−εy1<t<0-\varepsilon_{y_1}<t<0についてφt(y1)∈C′\varphi_t(y_1)\in C'であり、−by1<s<0-b_{y_1}<s<0かつy1+sv∈Σy_1+sv\in\Sigmaならばy1+sv∈C′y_1+sv\in C'である。

L=c((t2,t3))L=c((t_2,t_3))とおく。仮定によりL∩S⊆L∩Σ=∅L\cap S\subseteq L\cap\Sigma=\varnothingであり、主張 2.2.1によりL∩A=∅L\cap A=\varnothingであるから、L⊆R2∖JL\subseteq\R^2\setminus Jである。LLは連結であり、0<t<min⁡{εy2,t3−t2}0<t<\min\{\varepsilon_{y_2},t_3-t_2\}についてc(t2+t)=φt(y2)∈Cc(t_2+t)=\varphi_t(y_2)\in Cであるから、L⊆CL\subseteq Cである。

s3<s1s_3<s_1とする。Σ1={p+sv:−a≤s<s1}\Sigma_1=\{p+sv:-a\le s<s_1\}は連結であり、Σ1∩S=∅\Sigma_1\cap S=\varnothing、Σ1∩A⊆Σ∩A={y1,y2}\Sigma_1\cap A\subseteq\Sigma\cap A=\{y_1,y_2\}であるからΣ1⊆R2∖J\Sigma_1\subseteq\R^2\setminus Jである。Σ1\Sigma_1はC′C'の点y1+svy_1+sv(−by1<s<0-b_{y_1}<s<0、s1+s≥−as_1+s\ge-a)を含むからΣ1⊆C′\Sigma_1\subseteq C'である。y3∈Σ1⊆C′y_3\in\Sigma_1\subseteq C'でC′C'は開集合であるから、t3t_3に十分近いt<t3t<t_3についてc(t)∈C′c(t)\in C'である。一方c(t)∈L⊆Cc(t)\in L\subseteq Cであり、これはC∩C′=∅C\cap C'=\varnothingに反する。

s3=s1s_3=s_1とする。−min⁡{εy1,t3−t2}<t<0-\min\{\varepsilon_{y_1},t_3-t_2\}<t<0についてc(t3+t)=φt(y1)∈C′c(t_3+t)=\varphi_t(y_1)\in C'であり、同時にc(t3+t)∈L⊆Cc(t_3+t)\in L\subseteq Cである。これはC∩C′=∅C\cap C'=\varnothingに反する。

s1<s3<s2s_1<s_3<s_2とする。m=y3∈S∘m=y_3\in S^\circであり、0<t<min⁡{εm,t3−t2}0<t<\min\{\varepsilon_m,t_3-t_2\}についてc(t3−t)=φ−t(m)∈C′c(t_3-t)=\varphi_{-t}(m)\in C'であり、同時にc(t3−t)∈L⊆Cc(t_3-t)\in L\subseteq Cである。これはC∩C′=∅C\cap C'=\varnothingに反する。

s3=s2s_3=s_2とする。−min⁡{εy2,t3−t2}<t<0-\min\{\varepsilon_{y_2},t_3-t_2\}<t<0について、(t,0)∈Ry2∩Λy2(t,0)\in R_{y_2}\cap\Lambda_{y_2}であるからc(t3+t)=Ψy2(t,0)∈Jc(t_3+t)=\Psi_{y_2}(t,0)\in Jであり、同時にc(t3+t)∈L⊆R2∖Jc(t_3+t)\in L\subseteq\R^2\setminus Jである。これは矛盾である。

したがってs3>s2s_3>s_2であり、s1<s2<s3s_1<s_2<s_3である。vvを取り替える前の座標では、s1<s2<s3s_1<s_2<s_3またはs1>s2>s3s_1>s_2>s_3である。▨

補題 2.3.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れ、Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}を横断線分とする。x∈Ux\in Uに対してZ={t∈I(x):φt(x)∈Σ}Z=\{t\in I(x):\varphi_t(x)\in\Sigma\}とおき、t∈Zt\in Zについてφt(x)=p+s(t)v\varphi_t(x)=p+s(t)vと書く。このとき、次が成り立つ。

  1. I(x)I(x)に含まれる任意の有界閉区間[c,d][c,d]について、Z∩[c,d]Z\cap[c,d]は有限集合である。
  2. xxが周期点でないならば、ssはZZ上で狭義単調である。
  3. xxが周期点ならば、γ(x)∩Σ\gamma(x)\cap\Sigmaは高々一点である。

証明.主張 (1)を示す。Z∩[c,d]Z\cap[c,d]は閉集合Σ\Sigmaの連続写像t↦φt(x)t\mapsto\varphi_t(x)による逆像と[c,d][c,d]の共通部分であるから閉集合である。Z∩[c,d]Z\cap[c,d]が無限集合であると仮定すると、§D1.8 定理 2.2により相異なる点の列uk∈Z∩[c,d]u_k\in Z\cap[c,d]がt∗∈Z∩[c,d]t_*\in Z\cap[c,d]に収束する。補題 1.4 (1)をxxとt∗t_*に適用すると、η>0\eta>0が存在してZ∩(t∗−η,t∗+η)⊆{τ(x)}={t∗}Z\cap(t_*-\eta,t_*+\eta)\subseteq\{\tau(x)\}=\{t_*\}であり、相異なる点からなる列uku_kがt∗t_*に収束することに反する。

Z∩(t,∞)≠∅Z\cap(t,\infty)\ne\varnothingを満たすt∈Zt\in Zについて、d∈Z∩(t,∞)d\in Z\cap(t,\infty)をとるとZ∩(t,d]Z\cap(t,d]は空でない有限集合であるから、t+=min⁡(Z∩(t,∞))t^+=\min(Z\cap(t,\infty))が存在する。t<t′t<t'をZZの点とすると、Z∩[t,t′]Z\cap[t,t']は有限であり、その元を小さい順にt=u0<u1<⋯<uk=t′t=u_0<u_1<\cdots<u_k=t'と並べるとuj+1=uj+u_{j+1}=u_j^+である。t,t+,t++t,t^+,t^{++}が定まるとき、(t,t+)∪(t+,t++)(t,t^+)\cup(t^+,t^{++})はZZと交わらないから、補題 2.2がt<t+<t++t<t^+<t^{++}に適用される。

主張 (2)を示す。t∈Zt\in Zがt+t^+をもつとき、s(t+)≠s(t)s(t^+)\ne s(t)である。実際、s(t+)=s(t)s(t^+)=s(t)ならばφt(x)=φt+(x)\varphi_t(x)=\varphi_{t^+}(x)であり、xxは平衡点でないから(F(φt(x))≠0F(\varphi_t(x))\ne0と§E13.15 命題 4.3 (2)、§E13.15 命題 4.3 (1))、§E13.15 命題 4.3 (4)によりxxは周期点となって仮定に反する。t+t^+をもつt∈Zt\in Zについてe(t)e(t)をs(t+)−s(t)s(t^+)-s(t)の符号とすると、補題 2.2によりt++t^{++}が定まるときe(t+)=e(t)e(t^+)=e(t)である。ZZの任意の二点は上の有限列で結ばれるから、eeは一定の値e0e_0をとる。t<t′t<t'をZZの点とし、上の列u0<⋯<uku_0<\cdots<u_kをとると、s(t′)−s(t)=∑j=0k−1(s(uj+1)−s(uj))s(t')-s(t)=\sum_{j=0}^{k-1}(s(u_{j+1})-s(u_j))の各項の符号はe0e_0であるから、s(t′)−s(t)s(t')-s(t)の符号はe0e_0である。

主張 (3)を示す。xxを周期点、TTをその最小周期とし、γ(x)∩Σ\gamma(x)\cap\Sigmaが相異なる二点を含むと仮定する。§E13.15 命題 4.3 (3)によりI(x)=RI(x)=\Rであり、Z+T=ZZ+T=Zである。相異なる二点をφu(x),φu′(x)\varphi_u(x),\varphi_{u'}(x)(u<u′u<u'、u,u′∈Zu,u'\in Z)と書く。Z∩[u,u′]Z\cap[u,u']を小さい順に並べた列の隣り合う二点のうち、座標の異なるものt,t+t,t^+が存在する。φt+T(x)=φt(x)\varphi_{t+T}(x)=\varphi_t(x)であるからt+T∈Zt+T\in Z、s(t+T)=s(t)≠s(t+)s(t+T)=s(t)\ne s(t^+)であり、t<t+≤t+Tt<t^+\le t+Tからt+<t+Tt^+<t+Tである。Z∩[t,t+T]Z\cap[t,t+T]を小さい順にt=w0<w1<⋯<wl=t+Tt=w_0<w_1<\cdots<w_l=t+Tと並べると、w1=t+w_1=t^+、l≥2l\ge2、s(w0)≠s(w1)s(w_0)\ne s(w_1)である。1≤j≤l−11\le j\le l-1について、(wj−1,wj)∪(wj,wj+1)(w_{j-1},w_j)\cup(w_j,w_{j+1})はZZと交わらないから、補題 2.2がwj−1<wj<wj+1w_{j-1}<w_j<w_{j+1}に適用される。j=1j=1ではs(w0)≠s(w1)s(w_0)\ne s(w_1)であるからs(w0),s(w1),s(w2)s(w_0),s(w_1),s(w_2)は狭義単調である。j+1≤l−1j+1\le l-1とし、s(wj−1),s(wj),s(wj+1)s(w_{j-1}),s(w_j),s(w_{j+1})が狭義単調であるとすると、s(wj)≠s(wj+1)s(w_j)\ne s(w_{j+1})であるから、補題 2.2によりs(wj),s(wj+1),s(wj+2)s(w_j),s(w_{j+1}),s(w_{j+2})は狭義単調であり、その向きはs(wj)s(w_j)とs(wj+1)s(w_{j+1})の大小で定まるからs(wj−1),s(wj),s(wj+1)s(w_{j-1}),s(w_j),s(w_{j+1})の向きと一致する。したがってs(w0),s(w1),…,s(wl)s(w_0),s(w_1),\ldots,s(w_l)は狭義単調であり、s(wl)≠s(w0)s(w_l)\ne s(w_0)である。これはs(wl)=s(t+T)=s(t)=s(w0)s(w_l)=s(t+T)=s(t)=s(w_0)に反する。▨

系 2.4.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れ、Σ\Sigmaを横断線分とし、x∈Ux\in Uが[0,∞)⊆I(x)[0,\infty)\subseteq I(x)を満たすとする。このとき、ω(x)∩Σ\omega(x)\cap\Sigmaは高々一点である。

証明.Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}とし、ω(x)∩Σ\omega(x)\cap\Sigmaが相異なる二点q1,q2q_1,q_2を含むと仮定する。補題 1.2 (2)により、δ>0\delta>0でΣ~={p+sv:∣s∣≤a+δ}\tilde\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a+\delta\}が横断線分となるものが存在し、q1,q2∈Σ~∘q_1,q_2\in\tilde\Sigma^\circである。

xxが周期点である場合、TTを最小周期とする。ω(x)\omega(x)の点はγ(x)\gamma(x)の点列の極限であり、γ(x)\gamma(x)は§E13.15 命題 4.3 (3)によりコンパクトであるから、ω(x)⊆γ(x)\omega(x)\subseteq\gamma(x)である。したがってq1,q2∈γ(x)∩Σ~q_1,q_2\in\gamma(x)\cap\tilde\Sigmaであり、これは補題 2.3 (3)に反する。

xxが周期点でない場合、Z={t∈I(x):φt(x)∈Σ~}Z=\{t\in I(x):\varphi_t(x)\in\tilde\Sigma\}とおき、t∈Zt\in Zについてφt(x)=p+s(t)v\varphi_t(x)=p+s(t)vと書く。i=1,2i=1,2とし、qi=p+sivq_i=p+s_ivと書く。補題 1.5 (1)をxx、qi∈Σ~∘q_i\in\tilde\Sigma^\circ、Σ~\tilde\Sigmaに適用すると、um∈Zu_m\in Z、um→∞u_m\to\infty、φum(x)→qi\varphi_{u_m}(x)\to q_iを満たす数列(um)(u_m)が存在し、s(um)=⟨φum(x)−p,v⟩/∥v∥2→sis(u_m)=\langle\varphi_{u_m}(x)-p,v\rangle/\lVert v\rVert^2\to s_iである。補題 2.3 (2)によりssはZZ上で狭義単調であり、∣s∣≤a+δ\lvert s\rvert\le a+\deltaである。ssが狭義単調増加であるとし、L=sup⁡{s(t):t∈Z, t≥0}L=\sup\{s(t):t\in Z,\ t\ge0\}とおく。ε>0\varepsilon>0に対してs(tε)>L−εs(t_\varepsilon)>L-\varepsilonを満たすtε∈Zt_\varepsilon\in Zをとると、t∈Zt\in Z、t≥tεt\ge t_\varepsilonについてL−ε<s(t)≤LL-\varepsilon<s(t)\le Lである。um→∞u_m\to\inftyであるからs1=lim⁡s(um)=Ls_1=\lim s(u_m)=Lであり、同様にs2=Ls_2=Lである。狭義単調減少の場合も下限について同じ結論を得る。したがってs1=s2s_1=s_2、q1=q2q_1=q_2となり、q1≠q2q_1\ne q_2に反する。▨

3 Poincaré–Bendixson の定理

定義 3.1.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れとする。FFの周期軌道Γ\Gammaが極限閉軌道 (limit cycle) であるとは、x∈U∖Γx\in U\setminus\Gammaで、[0,∞)⊆I(x)[0,\infty)\subseteq I(x)かつω(x)=Γ\omega(x)=\Gammaを満たすもの、または(−∞,0]⊆I(x)(-\infty,0]\subseteq I(x)かつα(x)=Γ\alpha(x)=\Gammaを満たすものが存在することをいう。

注意 3.2. 周期軌道Γ\Gammaが、Γ\Gamma以外の周期軌道を含まない開近傍をもつとき、Γ\Gammaを孤立した周期軌道という。孤立した周期軌道を極限閉軌道と呼ぶ流儀もあるが、定義 3.1の条件から孤立性は従わない。

実際、U={x∈R2:1/2<∥x∥<3/2}U=\{x\in\R^2:1/2<\lVert x\rVert<3/2\}とし、1/2<r<3/21/2<r<3/2に対して

f(r)={e−1/(1−r)2r<1,0r≥1,F(x)=f(∥x∥)x∥x∥+(−x2,x1)f(r)=\begin{cases}e^{-1/(1-r)^2}&r<1,\\0&r\ge1\end{cases},\qquad F(x)=f(\lVert x\rVert)\frac{x}{\lVert x\rVert}+(-x_2,x_1)

とおく。r<1r<1ではf′(r)=−2(1−r)−3e−1/(1−r)2f'(r)=-2(1-r)^{-3}e^{-1/(1-r)^2}であり、r→1−r\to1-でf(r)f(r)、f(r)/(r−1)f(r)/(r-1)、f′(r)f'(r)はいずれも零へ収束する。したがってffはr=1r=1で微分可能でf′(1)=0f'(1)=0であり、FFはUU上でC1C^1級である。FFの流れをφ\varphiとすると、極座標での方程式はr′=f(r)r'=f(r)、θ′=1\theta'=1である。すべてのρ∈[1,3/2)\rho\in[1,3/2)についてt↦ρ(cos⁡t,sin⁡t)t\mapsto\rho(\cos t,\sin t)は全実軸上の解であり、半径ρ\rhoの円は周期軌道である。

1/2<r0<11/2<r_0<1、x0=(r0,0)x_0=(r_0,0)とし、r(t)=∥φt(x0)∥r(t)=\lVert\varphi_t(x_0)\rVertとおく。内側の解が有限時刻に半径11の円に達すると、§E13.15 補題 1.2により、その解は交点を通る円周上の全時間解と一致するため、r(0)=r0<1r(0)=r_0<1に反する。したがって、t∈I(x0)t\in I(x_0)、t≥0t\ge0ならばr(t)<1r(t)<1であり、r′=f(r)>0r'=f(r)>0によりr(t)≥r0r(t)\ge r_0である。前方軌道はUU内のコンパクト集合K={x:r0≤∥x∥≤1}K=\{x:r_0\le\lVert x\rVert\le1\}に留まるから、§E13.15 補題 3.1 (1)により[0,∞)⊆I(x0)[0,\infty)\subseteq I(x_0)である。単調性と有界性によりL=lim⁡t→∞r(t)∈[r0,1]L=\lim_{t\to\infty}r(t)\in[r_0,1]が存在する。L<1L<1ならば、ffの連続性とf(L)>0f(L)>0により、あるT>0T>0以降はr′(t)≥f(L)/2r'(t)\ge f(L)/2となり、r(t)≤1r(t)\le1に反する。ゆえにL=1L=1である。

φt(x0)=r(t)(cos⁡t,sin⁡t)\varphi_t(x_0)=r(t)(\cos t,\sin t)であるから、ω(x0)\omega(x_0)は単位円周S1S^1に含まれる。任意のϑ∈R\vartheta\in\Rに対して、tm=ϑ+2πmt_m=\vartheta+2\pi mとおくと、十分大きい整数mmについてtm≥0t_m\ge0であり、φtm(x0)→(cos⁡ϑ,sin⁡ϑ)\varphi_{t_m}(x_0)\to(\cos\vartheta,\sin\vartheta)である。したがってω(x0)=S1\omega(x_0)=S^1であり、S1S^1は極限閉軌道である。一方、ρ↓1\rho\downarrow1とする半径ρ>1\rho>1の周期円は、S1S^1の任意の開近傍に含まれる。実際、その開近傍の補集合とコンパクト集合S1S^1の距離は、補集合が空でなければ正である。したがってS1S^1は孤立した周期軌道ではない。

例 3.3.U=R2U=\R^2とし、r=∥x∥r=\lVert x\rVertと書き、F0(x1,x2)=((1−r2)x1−x2, (1−r2)x2+x1)F_0(x_1,x_2)=\bigl((1-r^2)x_1-x_2,\ (1-r^2)x_2+x_1\bigr)とおく。このとき、F0F_0は多項式であるからC1C^1級である。F0(x)=(1−r2)x+(−x2,x1)F_0(x)=(1-r^2)x+(-x_2,x_1)であり、二つの項は直交するから∥F0(x)∥2=((1−r2)2+1)r2\lVert F_0(x)\rVert^2=((1-r^2)^2+1)r^2である。したがってF0F_0の平衡点は00だけである。φ\varphiをF0F_0の流れとする。

0<r0≤10<r_0\le1、x=(r0,0)x=(r_0,0)とし、t∈Rt\in\Rに対して

ρ(t)=(1+(r0−2−1)e−2t)−1/2,y(t)=ρ(t)(cos⁡t,sin⁡t)\rho(t)=\bigl(1+(r_0^{-2}-1)e^{-2t}\bigr)^{-1/2},\qquad y(t)=\rho(t)(\cos t,\sin t)

とおく。ρ′=ρ(1−ρ2)\rho'=\rho(1-\rho^2)であるからy′=ρ′(cos⁡t,sin⁡t)+ρ(−sin⁡t,cos⁡t)=F0(y)y'=\rho'(\cos t,\sin t)+\rho(-\sin t,\cos t)=F_0(y)であり、§E13.15 補題 1.2によりI(x)=RI(x)=\R、φt(x)=y(t)\varphi_t(x)=y(t)である。r0=1r_0=1ならばρ≡1\rho\equiv1であり、φ2π(1,0)=(1,0)\varphi_{2\pi}(1,0)=(1,0)、F0(1,0)≠0F_0(1,0)\ne0であるから、(1,0)(1,0)は周期点であり、単位円周S1=γ((1,0))S^1=\gamma((1,0))は周期軌道である。0<r0<10<r_0<1ならば、すべてのt∈Rt\in\Rで0<ρ(t)<10<\rho(t)<1であるからx∉S1x\notin S^1であり、t→∞t\to\inftyのときρ(t)→1\rho(t)\to1である。したがってω(x)\omega(x)の点のノルムは11であり、ω(x)⊆S1\omega(x)\subseteq S^1である。(cos⁡ϑ,sin⁡ϑ)∈S1(\cos\vartheta,\sin\vartheta)\in S^1に対してtm=ϑ+2πmt_m=\vartheta+2\pi mとおくとy(tm)→(cos⁡ϑ,sin⁡ϑ)y(t_m)\to(\cos\vartheta,\sin\vartheta)であるから、ω(x)=S1\omega(x)=S^1である。ゆえにS1S^1はF0F_0の極限閉軌道である。

定理 3.4 (Poincaré–Bendixson の定理).U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れとする。x∈Ux\in UとUUのコンパクト集合KKについて、t∈I(x)t\in I(x)、t≥0t\ge0ならばφt(x)∈K\varphi_t(x)\in Kであり、ω(x)\omega(x)はFFの平衡点を含まないとする。このときω(x)\omega(x)は周期軌道である。さらにxxが周期点でなければ、ω(x)\omega(x)は極限閉軌道である。

証明.§E13.15 定理 5.3 (2)により、[0,∞)⊆I(x)[0,\infty)\subseteq I(x)であり、ω(x)\omega(x)は空でなく、コンパクトかつ連結でKKに含まれ、各y∈ω(x)y\in\omega(x)についてI(y)=RI(y)=\Rである。§E13.15 定理 5.3 (1)により、y∈ω(x)y\in\omega(x)ならばγ(y)⊆ω(x)\gamma(y)\subseteq\omega(x)である。

y∈ω(x)y\in\omega(x)をとる。t≥0t\ge0についてφt(y)∈ω(x)\varphi_t(y)\in\omega(x)であり、ω(x)\omega(x)はUUのコンパクト集合であるから、§E13.15 定理 5.3 (2)をyyとコンパクト集合ω(x)\omega(x)に適用すると、ω(y)\omega(y)は空でなくω(y)⊆ω(x)\omega(y)\subseteq\omega(x)である。z∈ω(y)z\in\omega(y)をとる。zzは平衡点でないから、補題 1.2 (1)により横断線分Σ={z+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{z+sv:\lvert s\rvert\le a\}が存在する。I(y)=RI(y)=\R、z∈ω(y)∩Σ∘z\in\omega(y)\cap\Sigma^\circであるから、補題 1.5 (1)により、um→∞u_m\to\infty、φum(y)∈Σ\varphi_{u_m}(y)\in\Sigmaを満たす数列(um)(u_m)が存在し、um≠um′u_m\ne u_{m'}を満たすm,m′m,m'をとることができる。φum(y)\varphi_{u_m}(y)、φum′(y)\varphi_{u_{m'}}(y)、zzはいずれもω(x)∩Σ\omega(x)\cap\Sigmaに属するから、系 2.4によりφum(y)=φum′(y)\varphi_{u_m}(y)=\varphi_{u_{m'}}(y)である。yyは平衡点でないから、§E13.15 命題 4.3 (4)によりyyは周期点であり、Γ=γ(y)\Gamma=\gamma(y)はω(x)\omega(x)に含まれる周期軌道である。

ω(x)∖Γ≠∅\omega(x)\setminus\Gamma\ne\varnothingと仮定する。§E13.15 命題 4.3 (3)によりΓ\Gammaはコンパクトであり、ω(x)\omega(x)の閉集合である。ω(x)\omega(x)は連結であり、Γ\Gammaとω(x)∖Γ\omega(x)\setminus\Gammaはいずれも空でないから、Γ\Gammaはω(x)\omega(x)の開集合でない。したがってw∈Γw\in\Gammaと、wwに収束するω(x)∖Γ\omega(x)\setminus\Gammaの点列(wm)(w_m)が存在する。wwは平衡点でないから、補題 1.2 (1)により横断線分Σ′={w+sv′:∣s∣≤a′}\Sigma'=\{w+sv':\lvert s\rvert\le a'\}が存在する。補題 1.4をww、t0=0t_0=0、Σ′\Sigma'に適用してwwの開近傍V′V'とτ′\tau'を得る。十分大きいmmでwm∈V′w_m\in V'であり、補題 1.4 (2)によりwm′=φτ′(wm)(wm)∈Σ′w_m'=\varphi_{\tau'(w_m)}(w_m)\in\Sigma'である。wm′∈γ(wm)⊆ω(x)w_m'\in\gamma(w_m)\subseteq\omega(x)であり、wm∉Γw_m\notin\Gammaであるから§E13.15 命題 4.3 (1)によりγ(wm)∩Γ=∅\gamma(w_m)\cap\Gamma=\varnothingで、wm′≠ww_m'\ne wである。wwとwm′w_m'はω(x)∩Σ′\omega(x)\cap\Sigma'の相異なる二点であり、これは系 2.4に反する。したがってω(x)=Γ\omega(x)=\Gammaである。

xxが周期点でないとする。x∈Γx\in\Gammaならば、§E13.15 命題 4.3 (3)によりΓ\Gammaの各点は周期点であるからxxは周期点となり、仮定に反する。したがってx∈U∖Γx\in U\setminus\Gammaであり、[0,∞)⊆I(x)[0,\infty)\subseteq I(x)、ω(x)=Γ\omega(x)=\Gammaであるから、Γ\Gammaは極限閉軌道である。▨

例 3.5.U=R2U=\R^2とし、F0F_0を例 3.3のとおりとし、ψ(x1,x2)=(x1−1)2+x22\psi(x_1,x_2)=(x_1-1)^2+x_2^2、F=ψF0F=\psi F_0とおく。このとき、FFは多項式であるからC1C^1級であり、F0F_0の平衡点は00だけであるから、FFの平衡点は00と(1,0)(1,0)である。

0<r0<10<r_0<1、x=(r0,0)x=(r_0,0)とし、ρ\rhoとyyを例 3.3のとおりとする。yyはR\R上でy′=F0(y)y'=F_0(y)を満たし、0<ρ(t)<10<\rho(t)<1である。y(t)≠(1,0)y(t)\ne(1,0)であり、∥y(t)∥<1\lVert y(t)\rVert<1から0<ψ(y(t))=∥y(t)∥2−2y1(t)+1≤40<\psi(y(t))=\lVert y(t)\rVert^2-2y_1(t)+1\le4である。S(t)=∫0tψ(y(u))−1 duS(t)=\int_0^t\psi(y(u))^{-1}\,duとおくと、SSはR\R上の狭義単調増加なC1C^1級関数で、t≥0t\ge0ならばS(t)≥t/4S(t)\ge t/4、t≤0t\le0ならばS(t)≤t/4S(t)\le t/4であるから、§E2.43 系 2.3によりR\RからR\Rへの全単射である。その逆関数をθ\thetaとするとθ′(u)=ψ(y(θ(u)))\theta'(u)=\psi(y(\theta(u)))であり、z(u)=y(θ(u))z(u)=y(\theta(u))はz′(u)=θ′(u)F0(z(u))=F(z(u))z'(u)=\theta'(u)F_0(z(u))=F(z(u))、z(0)=xz(0)=xを満たすR\R上の古典解である。§E13.15 補題 1.2によりI(x)=RI(x)=\Rであり、φu(x)=z(u)\varphi_u(x)=z(u)である。θ(u)→∞\theta(u)\to\inftyであることは、u→∞u\to\inftyであるための必要十分条件であるから、ω(x)\omega(x)はt→∞t\to\inftyのときのy(t)y(t)の極限点の集合に等しく、この集合はF0F_0の流れについてのxxのω\omega極限集合であるから、例 3.3により単位円周S1S^1である。t≥0t\ge0についてφt(x)\varphi_t(x)はコンパクト集合{r0≤∥w∥≤1}\{r_0\le\lVert w\rVert\le1\}に属する。ω(x)=S1\omega(x)=S^1は平衡点(1,0)(1,0)を含む。周期軌道の点は周期点であって平衡点でないから、ω(x)\omega(x)は周期軌道でない。定理 3.4の仮定「ω(x)\omega(x)は平衡点を含まない」を外すと、結論が成り立たない。

G(x1,x2)=(1,0)G(x_1,x_2)=(1,0)とすると、GGの流れはφt(x)=x+(t,0)\varphi_t(x)=x+(t,0)(t∈Rt\in\R)であり、∥φt(x)∥→∞\lVert\varphi_t(x)\rVert\to\inftyであるからω(x)=∅\omega(x)=\varnothingである。ω(x)\omega(x)は周期軌道でない。定理 3.4の仮定「前方軌道がコンパクト集合に含まれる」を外すと、平衡点を含まないω\omega極限集合でも結論が成り立たない。

注意 3.6.定理 3.4でR2\R^2をR4\R^4に替えた主張は成り立たない。実際、R4\R^4上のベクトル場F(x1,x2,x3,x4)=(−x2,x1,−2x4,2x3)F(x_1,x_2,x_3,x_4)=(-x_2,x_1,-\sqrt2x_4,\sqrt2x_3)の流れでは、x=(1,0,1,0)x=(1,0,1,0)の前方軌道はコンパクト集合K={x12+x22=1, x32+x42=1}K=\{x_1^2+x_2^2=1,\ x_3^2+x_4^2=1\}に含まれ、2\sqrt2が無理数であることからω(x)=K\omega(x)=Kである。KKは平衡点を含まず、単純閉曲線と同相でないから周期軌道でない。

4 周期軌道の Poincaré 写像

命題 4.1.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F=(F1,F2):U→R2F=(F_1,F_2):U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れとし、div⁡F=∂1F1+∂2F2\operatorname{div}F=\partial_1F_1+\partial_2F_2とおく。p∈Up\in Uを周期点、TTをその最小周期とし、Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}を横断線分とする。このとき、0<b≤a0<b\le aとC1C^1級関数θ:(−b,b)→(0,∞)\theta:(-b,b)\to(0,\infty)、σ:(−b,b)→(−a,a)\sigma:(-b,b)\to(-a,a)が存在して、θ(0)=T\theta(0)=T、σ(0)=0\sigma(0)=0であり、次が成り立つ。

  1. ∣s∣<b\lvert s\rvert<bならば、[0,θ(s)]⊆I(p+sv)[0,\theta(s)]\subseteq I(p+sv)、φθ(s)(p+sv)=p+σ(s)v\varphi_{\theta(s)}(p+sv)=p+\sigma(s)vであり、0<t<θ(s)0<t<\theta(s)ならばφt(p+sv)∉Σ\varphi_t(p+sv)\notin\Sigmaである。
  2. σ′(0)=exp⁡(∫0Tdiv⁡F(φt(p)) dt)\sigma'(0)=\exp\left(\int_0^T\operatorname{div}F(\varphi_t(p))\,dt\right)である。

証明.補題 1.4をpp、t0=Tt_0=T、Σ\Sigmaに適用すると、φT(p)=p∈Σ∘\varphi_T(p)=p\in\Sigma^\circであるから、ppの開近傍VV、η>0\eta>0、τ(p)=T\tau(p)=Tを満たすC1C^1級関数τ:V→(T−η,T+η)\tau:V\to(T-\eta,T+\eta)が得られる。0<η′<η0<\eta'<\etaについてVVをτ−1((T−η′,T+η′))\tau^{-1}((T-\eta',T+\eta'))に縮めると補題 1.4 (1)と補題 1.4 (2)はη′\eta'について成り立つから、η<T/3\eta<T/3としてよい。同じ補題をpp、t0=0t_0=0、Σ\Sigmaに適用し、同じ縮小を行って、ppの開近傍V0V_0、0<η0<T/30<\eta_0<T/3、C1C^1級関数τ0:V0→(−η0,η0)\tau_0:V_0\to(-\eta_0,\eta_0)を得る。y∈V0∩Σy\in V_0\cap\Sigmaならばφ0(y)=y∈Σ\varphi_0(y)=y\in\Sigmaであるから、補題 1.4 (1)によりτ0(y)=0\tau_0(y)=0であり、0<t<η00<t<\eta_0ならばφt(y)∉Σ\varphi_t(y)\notin\Sigmaである。

K0=[η0,T−η]K_0=[\eta_0,T-\eta]とおく。t∈K0t\in K_0ならばφt(p)∉Σ\varphi_t(p)\notin\Sigmaである。実際、φt(p)∈Σ\varphi_t(p)\in\Sigmaならばφt(p)\varphi_t(p)とppはともにγ(p)∩Σ\gamma(p)\cap\Sigmaに属するから、補題 2.3 (3)によりφt(p)=p\varphi_t(p)=pであり、§E13.15 命題 4.3 (3)によりt∈TZt\in T\Zとなって0<t<T0<t<Tに反する。N={(y,t)∈U×R:(t,y)∈D, φt(y)∉Σ}N=\{(y,t)\in U\times\R:(t,y)\in D,\ \varphi_t(y)\notin\Sigma\}は、§E13.15 定理 2.1 (1)とφ\varphiの連続性とΣ\Sigmaの閉性によりU×RU\times\Rの開集合であり、{p}×K0\{p\}\times K_0を含む。§E2.19 補題 5.1により、ppの開近傍V2V_2でV2×K0⊆NV_2\times K_0\subseteq Nを満たすものが存在する。

0<b≤a0<b\le aを、∣s∣<b\lvert s\rvert<bならばp+sv∈V∩V0∩V2p+sv\in V\cap V_0\cap V_2となるようにとる。∣s∣<b\lvert s\rvert<bについてθ(s)=τ(p+sv)\theta(s)=\tau(p+sv)、σ(s)=⟨φθ(s)(p+sv)−p,v⟩/∥v∥2\sigma(s)=\langle\varphi_{\theta(s)}(p+sv)-p,v\rangle/\lVert v\rVert^2とおく。§E13.15 系 2.2 (1)によりφ\varphiはDD上でC1C^1級であるから、§E4.3 定理 1.1によりθ\thetaとσ\sigmaはC1C^1級である。θ(0)=T\theta(0)=T、θ(s)>T−η>0\theta(s)>T-\eta>0であり、φT(p)=p\varphi_T(p)=pからσ(0)=0\sigma(0)=0である。

主張 (1)を示す。y=p+svy=p+sv、∣s∣<b\lvert s\rvert<bとする。補題 1.4 (1)により(T−η,T+η)⊆I(y)(T-\eta,T+\eta)\subseteq I(y)であり、I(y)I(y)は00を含む区間であるから[0,θ(s)]⊆I(y)[0,\theta(s)]\subseteq I(y)である。補題 1.4 (2)によりφθ(s)(y)∈Σ∘\varphi_{\theta(s)}(y)\in\Sigma^\circであるから、φθ(s)(y)=p+σ(s)v\varphi_{\theta(s)}(y)=p+\sigma(s)v、∣σ(s)∣<a\lvert\sigma(s)\rvert<aである。0<t<θ(s)0<t<\theta(s)とする。t<η0t<\eta_0ならば、y∈V0∩Σy\in V_0\cap\Sigmaであるからφt(y)∉Σ\varphi_t(y)\notin\Sigmaである。t∈K0t\in K_0ならば、(y,t)∈V2×K0⊆N(y,t)\in V_2\times K_0\subseteq Nであるからφt(y)∉Σ\varphi_t(y)\notin\Sigmaである。T−η<t<θ(s)T-\eta<t<\theta(s)ならば、φt(y)∈Σ\varphi_t(y)\in\Sigmaは補題 1.4 (1)によりt=τ(y)=θ(s)t=\tau(y)=\theta(s)を導くから、φt(y)∉Σ\varphi_t(y)\notin\Sigmaである。

主張 (2)を示す。M=Dxφ(T,p)M=D_x\varphi(T,p)とおく。t↦φt(p)t\mapsto\varphi_t(p)はy′=F(y)y'=F(y)の解であるから∂tφ(T,p)=F(φT(p))=F(p)\partial_t\varphi(T,p)=F(\varphi_T(p))=F(p)である。φ(θ(s),p+sv)=p+σ(s)v\varphi(\theta(s),p+sv)=p+\sigma(s)vをs=0s=0で微分すると、§E4.3 定理 1.1により

θ′(0)F(p)+Mv=σ′(0)v\theta'(0)F(p)+Mv=\sigma'(0)v

である。§E13.15 命題 4.5 (2)によりMF(p)=F(p)MF(p)=F(p)である。F(p)F(p)とvvを列とする行列をBBとすると、det⁡B=−det⁡(v,F(p))≠0\det B=-\det(v,F(p))\ne0であり、

MB=B(1−θ′(0)0σ′(0))MB=B\begin{pmatrix}1&-\theta'(0)\\0&\sigma'(0)\end{pmatrix}

であるから、det⁡M=σ′(0)\det M=\sigma'(0)である。A(t)=DF(φt(p))A(t)=DF(\varphi_t(p))とおくと、§E13.15 命題 4.5 (1)によりΦ0(t)=Dxφ(t,p)\Phi_0(t)=D_x\varphi(t,p)はΦ0(0)=I2\Phi_0(0)=I_2を満たすx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xのR\R上の基本行列であり、Φ0(T)=M\Phi_0(T)=Mである。tr⁡A(t)=div⁡F(φt(p))\operatorname{tr}A(t)=\operatorname{div}F(\varphi_t(p))であるから、§E13.9 定理 3.1をt0=0t_0=0で適用するとdet⁡M=exp⁡(∫0Tdiv⁡F(φt(p)) dt)\det M=\exp\left(\int_0^T\operatorname{div}F(\varphi_t(p))\,dt\right)である。▨

注意 4.2.命題 4.1の記号で、M=Dxφ(T,p)M=D_x\varphi(T,p)は§E13.15 命題 4.5のx′=DF(φt(p))x\boldsymbol x'=DF(\varphi_t(p))\boldsymbol xのモノドロミー行列である。証明の等式MB=B(1−θ′(0)0σ′(0))MB=B\begin{pmatrix}1&-\theta'(0)\\0&\sigma'(0)\end{pmatrix}により、この系の二つの Floquet 乗数は、代数的重複度を込めて、§E13.15 命題 4.5 (2)の乗数11とσ′(0)\sigma'(0)である。

定義 4.3.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れ、p∈Up\in Uを周期点、Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}を横断線分とし、b,θ,σb,\theta,\sigmaを命題 4.1のとおりとする。Σb={p+sv:∣s∣<b}\Sigma_b=\{p+sv:\lvert s\rvert<b\}上の写像P(p+sv)=p+σ(s)vP(p+sv)=p+\sigma(s)vを、周期軌道γ(p)\gamma(p)のΣ\Sigma上のPoincaré 写像 (Poincaré map) という。命題 4.1 (1)により、y∈Σby\in\Sigma_bについてP(y)P(y)はφt(y)∈Σ\varphi_t(y)\in\Sigmaを満たす最小のt>0t>0でのφt(y)\varphi_t(y)であり、bbの取り方によらない。

系 4.4.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れとする。p∈Up\in Uを周期点、TTをその最小周期、Γ=γ(p)\Gamma=\gamma(p)とし、∫0Tdiv⁡F(φt(p)) dt<0\int_0^T\operatorname{div}F(\varphi_t(p))\,dt<0とする。v∈R2v\in\R^2がdet⁡(v,F(p))≠0\det(v,F(p))\ne0を満たすとする。このとき、b′>0b'>0が存在して、∣s∣<b′\lvert s\rvert<b'ならば[0,∞)⊆I(p+sv)[0,\infty)\subseteq I(p+sv)かつω(p+sv)=Γ\omega(p+sv)=\Gammaである。とくにΓ\Gammaは極限閉軌道である。

証明.補題 1.2 (1)により、a>0a>0を十分小さくとるとΣ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}は横断線分である。命題 4.1によりb,θ,σb,\theta,\sigmaを得る。λ=σ′(0)\lambda=\sigma'(0)とおくと、命題 4.1 (2)により0<λ<10<\lambda<1である。κ=(1+λ)/2\kappa=(1+\lambda)/2とおく。σ′\sigma'とθ\thetaは連続であるから、0<b′≤b0<b'\le bを、∣s∣<b′\lvert s\rvert<b'ならば∣σ′(s)∣≤κ\lvert\sigma'(s)\rvert\le\kappaかつT/2≤θ(s)≤3T/2T/2\le\theta(s)\le3T/2となるようにとることができる。平均値の定理とσ(0)=0\sigma(0)=0により、∣s∣<b′\lvert s\rvert<b'ならば∣σ(s)∣≤κ∣s∣\lvert\sigma(s)\rvert\le\kappa\lvert s\rvertである。

∣s∣<b′\lvert s\rvert<b'、y=p+svy=p+svとし、s0=ss_0=s、sk+1=σ(sk)s_{k+1}=\sigma(s_k)とおくと、∣sk∣≤κk∣s∣<b′\lvert s_k\rvert\le\kappa^k\lvert s\rvert<b'である。yk=p+skvy_k=p+s_kv、t0=0t_0=0、tk+1=tk+θ(sk)t_{k+1}=t_k+\theta(s_k)とおく。tk∈I(y)t_k\in I(y)かつφtk(y)=yk\varphi_{t_k}(y)=y_kならば、命題 4.1 (1)によりθ(sk)∈I(yk)\theta(s_k)\in I(y_k)かつφθ(sk)(yk)=yk+1\varphi_{\theta(s_k)}(y_k)=y_{k+1}であるから、§E13.15 定理 1.3によりtk+1∈I(y)t_{k+1}\in I(y)かつφtk+1(y)=yk+1\varphi_{t_{k+1}}(y)=y_{k+1}である。したがってすべてのkkでtk∈I(y)t_k\in I(y)、φtk(y)=yk\varphi_{t_k}(y)=y_kである。tk≥kT/2→∞t_k\ge kT/2\to\inftyであるから[0,∞)⊆I(y)[0,\infty)\subseteq I(y)である。yk→py_k\to pであるからp∈ω(y)p\in\omega(y)であり、§E13.15 定理 5.3 (1)によりΓ=γ(p)⊆ω(y)\Gamma=\gamma(p)\subseteq\omega(y)である。

ω(y)⊆Γ\omega(y)\subseteq\Gammaである。実際、ε>0\varepsilon>0に対してWε={w∈R2:∥w−q∥<ε を満たす q∈Γ が存在する}W_\varepsilon=\{w\in\R^2:\lVert w-q\rVert<\varepsilon\text{ を満たす }q\in\Gamma\text{ が存在する}\}とおくと、WεW_\varepsilonは開集合であり、Nε={(z,t)∈U×R:(t,z)∈D, φt(z)∈Wε}N_\varepsilon=\{(z,t)\in U\times\R:(t,z)\in D,\ \varphi_t(z)\in W_\varepsilon\}は§E13.15 定理 2.1 (1)とφ\varphiの連続性によりU×RU\times\Rの開集合である。§E13.15 命題 4.3 (3)によりI(p)=RI(p)=\Rであるから、NεN_\varepsilonは{p}×[0,3T/2]\{p\}\times[0,3T/2]を含み、§E2.19 補題 5.1によりppの開近傍VεV_\varepsilonでVε×[0,3T/2]⊆NεV_\varepsilon\times[0,3T/2]\subseteq N_\varepsilonを満たすものが存在する。k≥k0k\ge k_0ならばyk∈Vεy_k\in V_\varepsilonとなるk0k_0をとる。t≥tk0t\ge t_{k_0}とすると、tk≤t<tk+1t_k\le t<t_{k+1}を満たすk≥k0k\ge k_0が存在し、0≤t−tk<θ(sk)≤3T/20\le t-t_k<\theta(s_k)\le3T/2であるから、§E13.15 定理 1.3によりφt(y)=φt−tk(yk)∈Wε\varphi_t(y)=\varphi_{t-t_k}(y_k)\in W_\varepsilonである。したがってw∈ω(y)w\in\omega(y)とΓ\Gammaの距離はε\varepsilon以下である。ε>0\varepsilon>0は任意であり、Γ\Gammaは§E13.15 命題 4.3 (3)によりコンパクトであるから閉集合であり、w∈Γw\in\Gammaである。

0<∣s∣<b′0<\lvert s\rvert<b'とすると、y=p+svy=p+svとppはΣ\Sigmaの相異なる点であり、補題 2.3 (3)によりγ(p)∩Σ={p}\gamma(p)\cap\Sigma=\{p\}であるから、y∉Γy\notin\Gammaである。[0,∞)⊆I(y)[0,\infty)\subseteq I(y)、ω(y)=Γ\omega(y)=\Gammaであるから、Γ\Gammaは極限閉軌道である。▨

例 4.5.F0F_0を例 3.3のとおりとし、r=∥x∥r=\lVert x\rVertと書く。このとき、div⁡((1−r2)x)=2(1−r2)−2r2\operatorname{div}\bigl((1-r^2)x\bigr)=2(1-r^2)-2r^2、div⁡(−x2,x1)=0\operatorname{div}(-x_2,x_1)=0であるから、div⁡F0=2−4r2\operatorname{div}F_0=2-4r^2である。p=(1,0)p=(1,0)の軌道はφt(p)=(cos⁡t,sin⁡t)\varphi_t(p)=(\cos t,\sin t)であり、最小周期は2π2\piであるから、

∫02πdiv⁡F0(φt(p)) dt=−4π<0\int_0^{2\pi}\operatorname{div}F_0(\varphi_t(p))\,dt=-4\pi<0

である。v=(1,0)v=(1,0)はdet⁡(v,F0(p))=1\det(v,F_0(p))=1を満たすから、系 4.4により、∣s∣\lvert s\rvertが十分小さければω((1+s,0))=S1\omega((1+s,0))=S^1である。補題 1.2 (1)によりa>0a>0を小さくとって得られる横断線分Σ={p+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{p+sv:\lvert s\rvert\le a\}上のS1S^1の Poincaré 写像P(p+sv)=p+σ(s)vP(p+sv)=p+\sigma(s)vについて、命題 4.1 (2)によりσ′(0)=e−4π\sigma'(0)=e^{-4\pi}である。

G(x1,x2)=(−x2,x1)G(x_1,x_2)=(-x_2,x_1)とする。このとき、t↦(x1cos⁡t−x2sin⁡t, x1sin⁡t+x2cos⁡t)t\mapsto(x_1\cos t-x_2\sin t,\ x_1\sin t+x_2\cos t)はy′=G(y)y'=G(y)のR\R上の解であるから、§E13.15 補題 1.2によりGGの流れφG\varphi^GについてφtG(x)=(x1cos⁡t−x2sin⁡t, x1sin⁡t+x2cos⁡t)\varphi^G_t(x)=(x_1\cos t-x_2\sin t,\ x_1\sin t+x_2\cos t)であり、∥φtG(x)∥=∥x∥\lVert\varphi^G_t(x)\rVert=\lVert x\rVertである。S1=γG((1,0))S^1=\gamma_G((1,0))は最小周期2π2\piの周期軌道であり、div⁡G=0\operatorname{div}G=0であるから∫02πdiv⁡G(φtG(1,0)) dt=0\int_0^{2\pi}\operatorname{div}G(\varphi^G_t(1,0))\,dt=0であり、命題 4.1 (2)によりS1S^1の Poincaré 写像についてσ′(0)=1\sigma'(0)=1である。x∉S1x\notin S^1ならば、γG(x)\gamma_G(x)は閉集合{w:∥w∥=∥x∥}\{w:\lVert w\rVert=\lVert x\rVert\}に含まれるから、ω(x)\omega(x)とα(x)\alpha(x)はこの集合に含まれ、S1S^1に等しくない。したがってS1S^1はGGの極限閉軌道でない。系 4.4の仮定∫0Tdiv⁡F(φt(p)) dt<0\int_0^T\operatorname{div}F(\varphi_t(p))\,dt<0を≤0\le0に弱めると、結論が成り立たない。

5 周期軌道の内側

定義 5.1.J⊆R2J\subseteq\R^2を単純閉曲線とする。§E2.49 定理 2.7によりR2∖J\R^2\setminus Jはちょうど二つの連結成分をもち、その一方は有界で他方は有界でない。有界な連結成分をJJの内側 (inside)、有界でない連結成分をJJの外側 (outside) という。

補題 5.2.J⊆R2J\subseteq\R^2を単純閉曲線とし、Ω\OmegaをJJの内側、OOをJJの外側とする。このとき、次が成り立つ。

  1. Ω∪J=Ω‾=R2∖O\Omega\cup J=\tpcl{\Omega}=\R^2\setminus Oであり、Ω∪J\Omega\cup Jはコンパクトで、その境界はJJである。
  2. J′⊆R2J'\subseteq\R^2を単純閉曲線、Ω′\Omega'をその内側とする。J′⊆Ω∪JJ'\subseteq\Omega\cup JならばΩ′∪J′⊆Ω∪J\Omega'\cup J'\subseteq\Omega\cup Jである。

証明.主張 (1)を示す。R2\R^2はΩ\Omega、OO、JJの互いに素な和であり、§E2.49 定理 2.7により∂Ω=∂O=J\partial\Omega=\partial O=Jである。§E2.11 命題 2.8 (4)によりΩ‾=Ω∪∂Ω=Ω∪J=R2∖O\tpcl{\Omega}=\Omega\cup\partial\Omega=\Omega\cup J=\R^2\setminus Oである。Ω\Omegaは有界であり、JJは§E2.49 補題 2.2 (1)によりコンパクトであるから有界である。Ω∪J\Omega\cup Jは有界閉集合であり、§E2.9 定理 4.3によりコンパクトである。§E2.49 補題 1.2 (1)によりΩ\Omegaは開集合であるから、Ω∪J\Omega\cup Jの内部に含まれる。JJの各点は∂O\partial Oに属し、その任意の近傍はO=R2∖(Ω∪J)O=\R^2\setminus(\Omega\cup J)と交わるから、Ω∪J\Omega\cup Jの内部に属さない。したがってΩ∪J\Omega\cup Jの内部はΩ\Omegaであり、その境界は(Ω∪J)∖Ω=J(\Omega\cup J)\setminus\Omega=Jである。

主張 (2)を示す。O′O'をJ′J'の外側とする。OOは連結で有界でなく、J′⊆R2∖OJ'\subseteq\R^2\setminus OであるからO∩J′=∅O\cap J'=\varnothingである。したがってOOはR2∖J′\R^2\setminus J'のただ一つの連結成分に含まれ、OOが有界でないからその連結成分はO′O'である。主張 (1)をJ′J'とJJに適用するとΩ′∪J′=R2∖O′⊆R2∖O=Ω∪J\Omega'\cup J'=\R^2\setminus O'\subseteq\R^2\setminus O=\Omega\cup Jである。▨

補題 5.3.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れ、Γ\GammaをFFの周期軌道とする。このとき、次が成り立つ。

  1. Γ\Gammaは単純閉曲線である。
  2. Ω\OmegaをΓ\Gammaの内側、OOをΓ\Gammaの外側とすると、Ω∩U\Omega\cap UとO∩UO\cap Uは不変集合である。

証明.主張 (1)を示す。Γ=γ(x0)\Gamma=\gamma(x_0)とすると、§E13.15 系 4.4によりΓ⊆R2\Gamma\subseteq\R^2は単位円周S1S^1と同相であるから、§E2.49 定義 2.1により単純閉曲線である。

主張 (2)を示す。y∈Ω∩Uy\in\Omega\cap Uとする。γ(y)\gamma(y)は区間I(y)I(y)の連続像であるから§E2.43 定理 1.4により連結であり、y∉Γy\notin\Gammaであるから§E13.15 命題 4.3 (1)によりγ(y)∩Γ=∅\gamma(y)\cap\Gamma=\varnothingである。したがってγ(y)\gamma(y)はR2∖Γ\R^2\setminus\Gammaのyyを含む連結成分Ω\Omegaに含まれ、γ(y)⊆Ω∩U\gamma(y)\subseteq\Omega\cap Uである。O∩UO\cap Uについても同じである。▨

補題 5.4.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、φ\varphiをFFの流れとする。x0∈Ux_0\in Uを周期点、TTをその最小周期、Γ=γ(x0)\Gamma=\gamma(x_0)、Ω\OmegaをΓ\Gammaの内側とし、γ0:[0,T]→R2\gamma_0:[0,T]\to\R^2、γ0(t)=φt(x0)\gamma_0(t)=\varphi_t(x_0)とその逆向きの曲線γ0−(t)=γ0(T−t)\gamma_0^-(t)=\gamma_0(T-t)を考える。J(u,w)=(−w,u)J(u,w)=(-w,u)とおく。このときD=Ω∪ΓD=\Omega\cup\Gammaは区分的に一階連続微分可能な正則領域であり、∂D=Γ\partial D=\Gammaである。さらに、γ0\gamma_0とγ0−\gamma_0^-の一方γ+\gamma_+について、各t∈[0,T]t\in[0,T]に対してρt>0\rho_t>0が存在して、0<ρ<ρt0<\rho<\rho_tならばγ+(t)+ρJγ+′(t)∈Ω\gamma_+(t)+\rho J\gamma_+'(t)\in\Omegaである。すなわちΓ\Gammaをγ+\gamma_+の向きに進むときΩ\Omegaは左側にあり、∂D\partial Dの正の向きはγ+\gamma_+で与えられる。

証明.補題 5.3 (1)によりΓ\Gammaは単純閉曲線であり、Ω\Omegaは空でない有界な連結開集合である(§E2.49 補題 1.2 (1))。OOをΓ\Gammaの外側とすると、補題 5.2 (1)によりD=Ω‾=R2∖OD=\tpcl{\Omega}=\R^2\setminus Oであり、∂D=Γ\partial D=\Gammaである。Γ\Gammaの点は周期点であり平衡点でないから、γ0\gamma_0は[0,T][0,T]上でC1C^1級でγ0′(t)=F(γ0(t))≠0\gamma_0'(t)=F(\gamma_0(t))\ne0である。γ0(0)=γ0(T)\gamma_0(0)=\gamma_0(T)であり、§E13.15 命題 4.3 (3)によりγ0∣[0,T)\gamma_0|_{[0,T)}は単射である。したがってγ0\gamma_0は分点0,T0,Tだけの分割について§E4.22 定義 1.1 条件 (a)、§E4.22 定義 1.1 条件 (b)、§E4.22 定義 1.1 条件 (c)を満たし、∂D=Γ\partial D=\Gammaは区分的に一階連続微分可能な正則単純閉曲線γ0\gamma_0の像である。R2∖D=O\R^2\setminus D=Oであり、∂O=Γ\partial O=\Gammaであるから、Γ\GammaはR2∖D\R^2\setminus Dの有界でない連結成分に接する。

p∈Γp\in\Gammaに対してe1(p)=F(p)/∥F(p)∥e_1(p)=F(p)/\lVert F(p)\rVert、e2(p)=Je1(p)e_2(p)=Je_1(p)とおく。(e1(p),e2(p))(e_1(p),e_2(p))は正規直交基底であり、q∈R2q\in\R^2をq=p+u e1(p)+w e2(p)q=p+u\,e_1(p)+w\,e_2(p)と書くとき(u,w)(u,w)をppでの座標という。

主張 5.4.1.p∈Γp\in\Gammaとする。このとき、正の数r1r_1とr≤r1r\le r_1を満たす正の数rr、およびh(0)=0h(0)=0、∣h′∣≤1/2\lvert h'\rvert\le1/2を満たすC1C^1級関数h:(−r1,r1)→Rh:(-r_1,r_1)\to\Rが存在して、B=B(p,r)B=B(p,r)とおくと、ppでの座標について次が成り立つ。

  1. Γ∩B={(u,h(u)):∣u∣<r1}∩B\Gamma\cap B=\{(u,h(u)):\lvert u\rvert<r_1\}\cap Bである。
  2. B+={(u,w)∈B:w>h(u)}B_+=\{(u,w)\in B:w>h(u)\}、B−={(u,w)∈B:w<h(u)}B_-=\{(u,w)\in B:w<h(u)\}はいずれも連結であり、B∖Γ=B+∪B−B\setminus\Gamma=B_+\cup B_-である。
  3. Γ∩B\Gamma\cap Bの点p′=(u′,h(u′))p'=(u',h(u'))について、十分小さいすべてのρ>0\rho>0でp′+ρ e2(p′)∈B+p'+\rho\,e_2(p')\in B_+、p′−ρ e2(p′)∈B−p'-\rho\,e_2(p')\in B_-である。

証明.μ(t)=⟨φt(p)−p,e1(p)⟩\mu(t)=\langle\varphi_t(p)-p,e_1(p)\rangleとおくと、μ\muはC1C^1級でμ′(t)=⟨F(φt(p)),e1(p)⟩\mu'(t)=\langle F(\varphi_t(p)),e_1(p)\rangle、μ′(0)=∥F(p)∥>0\mu'(0)=\lVert F(p)\rVert>0である。η∈(0,T/2)\eta\in(0,T/2)を[−η,η][-\eta,\eta]上でμ′>0\mu'>0となるようにとる。§E4.7 定理 2.1をμ∣(−η,η)\mu|_{(-\eta,\eta)}と00に適用すると、00を含む開区間I0I_0とC1C^1級関数κ:I0→(−η,η)\kappa:I_0\to(-\eta,\eta)でμ(κ(u))=u\mu(\kappa(u))=u、κ(0)=0\kappa(0)=0、κ′=1/μ′(κ)>0\kappa'=1/\mu'(\kappa)>0を満たすものが存在する。h(u)=⟨φκ(u)(p)−p,e2(p)⟩h(u)=\langle\varphi_{\kappa(u)}(p)-p,e_2(p)\rangleとおくと、hhはC1C^1級でh(0)=0h(0)=0、h′(u)=⟨F(φκ(u)(p)),e2(p)⟩κ′(u)h'(u)=\langle F(\varphi_{\kappa(u)}(p)),e_2(p)\rangle\kappa'(u)、h′(0)=0h'(0)=0である。r1>0r_1>0を[−r1,r1]⊆I0[-r_1,r_1]\subseteq I_0かつ[−r1,r1][-r_1,r_1]上で∣h′∣≤1/2\lvert h'\rvert\le1/2となるようにとる。平均値の定理により∣h(u)∣≤∣u∣/2\lvert h(u)\rvert\le\lvert u\rvert/2である。ppでの座標でφκ(u)(p)=(u,h(u))\varphi_{\kappa(u)}(p)=(u,h(u))である。

t±=κ(±r1)t_\pm=\kappa(\pm r_1)とおくと−η<t−<0<t+<η-\eta<t_-<0<t_+<\etaであり、Γ=c([t−,t+])∪c([t+,T+t−])\Gamma=c([t_-,t_+])\cup c([t_+,T+t_-])(c(t)=φt(p)c(t)=\varphi_t(p))である。[t+,T+t−]⊆(0,T)[t_+,T+t_-]\subseteq(0,T)であるから、§E13.15 命題 4.3 (3)によりp∉c([t+,T+t−])p\notin c([t_+,T+t_-])であり、このコンパクト集合とppの距離ddは正である。r=min⁡{r1,d}r=\min\{r_1,d\}とおく。c([t−,t+])={(u,h(u)):∣u∣≤r1}c([t_-,t_+])=\{(u,h(u)):\lvert u\rvert\le r_1\}であり、∣u∣=r1\lvert u\rvert=r_1の点はppからの距離がr1≥rr_1\ge r以上であるから、主張 5.4.1 (1)を得る。

主張 5.4.1 (2)を示す。BBの点は∣u∣<r≤r1\lvert u\rvert<r\le r_1を満たすから、BB上でg(u,w)=w−h(u)g(u,w)=w-h(u)が定まり連続である。主張 5.4.1 (1)によりB∩Γ={g=0}∩BB\cap\Gamma=\{g=0\}\cap Bであるから、B∖Γ=B+∪B−B\setminus\Gamma=B_+\cup B_-である。f(u)=u2+h(u)2f(u)=u^2+h(u)^2とおくとf′(u)=2u+2h(u)h′(u)f'(u)=2u+2h(u)h'(u)であり、∣h(u)h′(u)∣≤∣u∣/4\lvert h(u)h'(u)\rvert\le\lvert u\rvert/4であるから(0,r1)(0,r_1)上でf′>0f'>0、(−r1,0)(-r_1,0)上でf′<0f'<0である。f(0)=0f(0)=0、f(u)≥u2f(u)\ge u^2である。0<ρ<r0<\rho<rとすると、§E2.43 系 2.3とffの狭義単調性により、f(u±)=ρ2f(u_\pm)=\rho^2を満たすu+∈(0,r1)u_+\in(0,r_1)とu−∈(−r1,0)u_-\in(-r_1,0)がそれぞれただ一つ存在する。したがって円周Sρ={q:∥q−p∥=ρ}S_\rho=\{q:\lVert q-p\rVert=\rho\}とΓ\Gammaの共通部分は二点(u±,h(u±))(u_\pm,h(u_\pm))である。kρ(ϑ)=p+ρ(cos⁡ϑ e1(p)+sin⁡ϑ e2(p))k_\rho(\vartheta)=p+\rho(\cos\vartheta\,e_1(p)+\sin\vartheta\,e_2(p))とおき、(u+,h(u+))=kρ(ϑ+)(u_+,h(u_+))=k_\rho(\vartheta_+)、ϑ+∈(−π/2,π/2)\vartheta_+\in(-\pi/2,\pi/2)、(u−,h(u−))=kρ(ϑ−)(u_-,h(u_-))=k_\rho(\vartheta_-)、ϑ−∈(π/2,3π/2)\vartheta_-\in(\pi/2,3\pi/2)とする。弧a+(ρ)=kρ((ϑ+,ϑ−))a_+(\rho)=k_\rho((\vartheta_+,\vartheta_-))とa−(ρ)=kρ((ϑ−,ϑ++2π))a_-(\rho)=k_\rho((\vartheta_-,\vartheta_++2\pi))は連結で、Sρ∖Γ=a+(ρ)∪a−(ρ)S_\rho\setminus\Gamma=a_+(\rho)\cup a_-(\rho)であり、p+ρe2(p)=kρ(π/2)∈a+(ρ)p+\rho e_2(p)=k_\rho(\pi/2)\in a_+(\rho)、p−ρe2(p)=kρ(3π/2)∈a−(ρ)p-\rho e_2(p)=k_\rho(3\pi/2)\in a_-(\rho)である。g(p+ρe2(p))=ρ>0g(p+\rho e_2(p))=\rho>0であり、ggは連結集合a+(ρ)a_+(\rho)上で零にならないから、a+(ρ)a_+(\rho)上でg>0g>0である。同様にa−(ρ)a_-(\rho)上でg<0g<0である。B∖Γ=⋃0<ρ<r(Sρ∖Γ)B\setminus\Gamma=\bigcup_{0<\rho<r}(S_\rho\setminus\Gamma)であるから、B±=⋃0<ρ<ra±(ρ)B_\pm=\bigcup_{0<\rho<r}a_\pm(\rho)である。L±={p±ρe2(p):0<ρ<r}L_\pm=\{p\pm\rho e_2(p):0<\rho<r\}は連結でL±⊆B±L_\pm\subseteq B_\pmであり、各ρ\rhoについてa±(ρ)∪L±a_\pm(\rho)\cup L_\pmは共通点p±ρe2(p)p\pm\rho e_2(p)をもつ連結集合の和であるから§E2.43 命題 1.7により連結である。これらの集合はすべてL±L_\pmを含むから、§E2.43 命題 1.7によりB±=⋃0<ρ<r(a±(ρ)∪L±)B_\pm=\bigcup_{0<\rho<r}(a_\pm(\rho)\cup L_\pm)は連結である。

主張 5.4.1 (3)を示す。p′=φκ(u′)(p)p'=\varphi_{\kappa(u')}(p)であり、u↦φκ(u)(p)=p+u e1(p)+h(u) e2(p)u\mapsto\varphi_{\kappa(u)}(p)=p+u\,e_1(p)+h(u)\,e_2(p)の微分はF(p′)κ′(u′)=e1(p)+h′(u′)e2(p)F(p')\kappa'(u')=e_1(p)+h'(u')e_2(p)である。κ′(u′)>0\kappa'(u')>0であるから、N=1+h′(u′)2N=\sqrt{1+h'(u')^2}とおくとe1(p′)=(e1(p)+h′(u′)e2(p))/Ne_1(p')=(e_1(p)+h'(u')e_2(p))/N、e2(p′)=(−h′(u′)e1(p)+e2(p))/Ne_2(p')=(-h'(u')e_1(p)+e_2(p))/Nである。ρ>0\rho>0をp′±ρe2(p′)∈Bp'\pm\rho e_2(p')\in Bとなるように小さくとると、平均値の定理と∣h′∣≤1/2\lvert h'\rvert\le1/2により

±g(p′±ρe2(p′))=ρN∓(h(u′∓ρh′(u′)N)−h(u′))≥ρN−12⋅ρ2N>0\pm g\bigl(p'\pm\rho e_2(p')\bigr)=\frac{\rho}{N}\mp\Bigl(h\bigl(u'\mp\tfrac{\rho h'(u')}{N}\bigr)-h(u')\Bigr)\ge\frac{\rho}{N}-\frac12\cdot\frac{\rho}{2N}>0

である。▨

p∈Γp\in\Gammaとし、主張 5.4.1のB,B±B,B_\pmをとる。B+B_+とB−B_-はR2∖Γ\R^2\setminus\Gammaの連結部分集合であるから、それぞれΩ\OmegaとOOの一方に含まれる。p∈∂Ω∩∂Op\in\partial\Omega\cap\partial OであるからBBはΩ\OmegaともOOとも交わり、B∖Γ=B+∪B−B\setminus\Gamma=B_+\cup B_-であるから、B+B_+とB−B_-の一方はΩ\Omegaに、他方はO=R2∖DO=\R^2\setminus Dに含まれる。したがってB∖∂DB\setminus\partial Dはちょうど二つの連結成分B+,B−B_+,B_-をもち、一方はΩ\Omegaに、他方はR2∖D\R^2\setminus Dに含まれる。これは§E4.22 定義 1.2 条件 (c)である。

p∈Γp\in\Gammaについて、B+⊆ΩB_+\subseteq\Omegaならばϵ(p)=1\epsilon(p)=1、B+⊆OB_+\subseteq Oならばϵ(p)=−1\epsilon(p)=-1とおく。主張 5.4.1 (3)により、ϵ(p)=1\epsilon(p)=1であることは、十分小さいすべてのρ>0\rho>0でp+ρe2(p)∈Ωp+\rho e_2(p)\in\Omegaであるための必要十分条件である。p′∈Γ∩Bp'\in\Gamma\cap Bとすると、主張 5.4.1 (3)により十分小さいρ>0\rho>0でp′+ρe2(p′)∈B+p'+\rho e_2(p')\in B_+であり、この点をp′p'について同値条件に用いるとϵ(p′)=ϵ(p)\epsilon(p')=\epsilon(p)である。したがって{ϵ=1}\{\epsilon=1\}と{ϵ=−1}\{\epsilon=-1\}はΓ\Gammaの互いに素な開集合でΓ\Gammaを覆い、Γ\Gammaは連結であるから、ϵ\epsilonは一定である。ϵ≡1\epsilon\equiv1ならば、γ0′(t)=F(γ0(t))\gamma_0'(t)=F(\gamma_0(t))からJγ0′(t)=∥F(γ0(t))∥e2(γ0(t))J\gamma_0'(t)=\lVert F(\gamma_0(t))\rVert e_2(\gamma_0(t))であり、十分小さいρ>0\rho>0でγ0(t)+ρJγ0′(t)∈Ω\gamma_0(t)+\rho J\gamma_0'(t)\in\Omegaであるから、γ+=γ0\gamma_+=\gamma_0とおく。ϵ≡−1\epsilon\equiv-1ならばB−⊆ΩB_-\subseteq\Omegaであり、q=γ0(T−t)q=\gamma_0(T-t)とおくとJ(γ0−)′(t)=−∥F(q)∥e2(q)J(\gamma_0^-)'(t)=-\lVert F(q)\rVert e_2(q)であるから、主張 5.4.1 (3)により十分小さいρ>0\rho>0でγ0−(t)+ρJ(γ0−)′(t)∈B−⊆Ω\gamma_0^-(t)+\rho J(\gamma_0^-)'(t)\in B_-\subseteq\Omegaである。この場合γ+=γ0−\gamma_+=\gamma_0^-とおく。∂D=Γ\partial D=\Gammaは区分的に一階連続微分可能な正則単純閉曲線γ0\gamma_0の像であり、Γ\GammaはR2∖D\R^2\setminus Dの有界でない連結成分に接するから、§E4.22 定義 1.2 条件 (a)と§E4.22 定義 1.2 条件 (b)が成り立つ。§E4.22 定義 1.2 条件 (c)は示したとおりであり、γ+\gamma_+の向きにより§E4.22 定義 1.2 条件 (d)が成り立つ。したがってDDは§E4.22 定義 1.2の条件をすべて満たす。▨

定理 5.5 (Bendixson–Dulac の判定法).U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F=(F1,F2):U→R2F=(F_1,F_2):U\to\R^2をC1C^1級の写像、G⊆UG\subseteq Uを開集合、ρ:G→R\rho:G\to\RをC1C^1級関数とし、div⁡(ρF)=∂1(ρF1)+∂2(ρF2)\operatorname{div}(\rho F)=\partial_1(\rho F_1)+\partial_2(\rho F_2)とおき、次の二つの条件がともに成り立つとする。

  1. GGのすべての点でdiv⁡(ρF)≥0\operatorname{div}(\rho F)\ge0であるか、GGのすべての点でdiv⁡(ρF)≤0\operatorname{div}(\rho F)\le0である。
  2. div⁡(ρF)\operatorname{div}(\rho F)はGGのどの空でない開集合の上でも恒等的に零ではない。

このとき、FFの周期軌道Γ\Gammaで、Γ\Gammaの内側Ω\OmegaについてΩ∪Γ⊆G\Omega\cup\Gamma\subseteq Gを満たすものは存在しない。

証明.Γ=γ(x0)\Gamma=\gamma(x_0)を周期軌道、TTをx0x_0の最小周期とし、D=Ω∪Γ⊆GD=\Omega\cup\Gamma\subseteq Gと仮定する。条件 (a)により、ρ\rhoを必要なら−ρ-\rhoに取り替えて、GG上でf=div⁡(ρF)≥0f=\operatorname{div}(\rho F)\ge0としてよい。補題 5.4によりDDは区分的に一階連続微分可能な正則領域であり、∂D=Γ\partial D=\Gammaの正の向きはγ0(t)=φt(x0)\gamma_0(t)=\varphi_t(x_0)(0≤t≤T0\le t\le T)またはその逆向きの曲線で与えられる。P=−ρF2P=-\rho F_2、Q=ρF1Q=\rho F_1はDDを含む開集合GG上でC1C^1級であり、∂1Q−∂2P=f\partial_1Q-\partial_2P=fである。§E4.22 定理 4.1により

∫∂DP dx+Q dy=∬Df dx dy\int_{\partial D}P\,dx+Q\,dy=\iint_Df\,dx\,dy

である。§E4.18 定義 2.1により

∫γ0P dx+Q dy=∫0Tρ(γ0(t))(−F2(γ0(t))F1(γ0(t))+F1(γ0(t))F2(γ0(t))) dt=0\int_{\gamma_0}P\,dx+Q\,dy=\int_0^T\rho(\gamma_0(t))\bigl(-F_2(\gamma_0(t))F_1(\gamma_0(t))+F_1(\gamma_0(t))F_2(\gamma_0(t))\bigr)\,dt=0

であり、§E4.18 命題 2.3により逆向きの曲線に沿う線積分も00である。したがって∬Df dx dy=0\iint_Df\,dx\,dy=0である。

f(q)>0f(q)>0を満たすq∈Ωq\in\Omegaが存在すると仮定する。ffは連続でΩ\Omegaは開集合であるから、ℓ>0\ell>0とqqを中心とする一辺ℓ\ellの閉正方形Qq⊆ΩQ_q\subseteq\Omegaで、QqQ_q上でf≥f(q)/2f\ge f(q)/2となるものが存在する。DDは§E4.22 命題 1.4により Jordan 可測なコンパクト集合であり、§E4.11 補題 3.4によりffはDD上で Riemann 可積分である。DDを含む閉直方体RRをとり、f~\tilde fをf∣Df|_DのRR上の零拡張、ggをQqQ_q上でf(q)/2f(q)/2、R∖QqR\setminus Q_q上で00をとる関数とする。RR上でg≤f~g\le\tilde fであり、§E4.11 定義 3.1、§E4.11 命題 3.3、§E4.10 命題 4.1により∫Rg=ℓ2f(q)/2\int_Rg=\ell^2f(q)/2である。§E4.10 命題 4.1 (2)により∬Df dx dy=∫Rf~≥ℓ2f(q)/2>0\iint_Df\,dx\,dy=\int_R\tilde f\ge\ell^2f(q)/2>0であり、∬Df dx dy=0\iint_Df\,dx\,dy=0に反する。したがってΩ\Omega上でf=0f=0であり、Ω\OmegaはGGの空でない開集合であるから、条件 (b)に反する。▨

定理 5.6.U⊆R2U\subseteq\R^2を開集合、F:U→R2F:U\to\R^2をC1C^1級の写像、Γ\GammaをFFの周期軌道、Ω\OmegaをΓ\Gammaの内側とし、Ω∪Γ⊆U\Omega\cup\Gamma\subseteq Uとする。このとき、Ω\OmegaはFFの平衡点を含む。

証明.φ\varphiをFFの流れとし、Ω\Omegaが平衡点を含まないと仮定する。周期軌道Γ′\Gamma'に対して、その内側をΩΓ′\Omega_{\Gamma'}とし、K(Γ′)=ΩΓ′∪Γ′K(\Gamma')=\Omega_{\Gamma'}\cup\Gamma'とおく。P\mathcal PをK(Γ′)⊆K(Γ)K(\Gamma')\subseteq K(\Gamma)を満たすFFの周期軌道Γ′\Gamma'の全体とし、Γ1,Γ2∈P\Gamma_1,\Gamma_2\in\mathcal PについてK(Γ2)⊆K(Γ1)K(\Gamma_2)\subseteq K(\Gamma_1)のときΓ1⪯Γ2\Gamma_1\preceq\Gamma_2と定める。補題 5.2 (1)によりK(Γ′)K(\Gamma')の境界はΓ′\Gamma'であるから、K(Γ1)=K(Γ2)K(\Gamma_1)=K(\Gamma_2)ならばΓ1=Γ2\Gamma_1=\Gamma_2であり、⪯\preceqはP\mathcal P上の半順序である。Γ∈P\Gamma\in\mathcal PであるからP\mathcal Pは空でない。Γ′∈P\Gamma'\in\mathcal PについてK(Γ′)⊆K(Γ)⊆UK(\Gamma')\subseteq K(\Gamma)\subseteq Uであり、補題 5.3 (2)によりK(Γ′)K(\Gamma')は不変集合である。補題 5.2 (1)によりK(Γ′)K(\Gamma')はコンパクトである。K(Γ)K(\Gamma)は平衡点を含まない。

主張 5.6.1.Γ′∈P\Gamma'\in\mathcal P、y∈K(Γ′)y\in K(\Gamma')ならば、ω(y)\omega(y)とα(y)\alpha(y)はいずれもK(Γ′)K(\Gamma')に含まれる周期軌道であり、P\mathcal Pに属する。

証明.K(Γ′)K(\Gamma')は不変なコンパクト集合で平衡点を含まないから、定理 3.4をyyとK(Γ′)K(\Gamma')に適用すると、ω(y)\omega(y)は周期軌道であり、§E13.15 定理 5.3 (2)によりω(y)⊆K(Γ′)\omega(y)\subseteq K(\Gamma')である。−F-Fの流れについて、§E13.15 補題 1.4によりφt−F(y)=φ−t(y)∈K(Γ′)\varphi^{-F}_t(y)=\varphi_{-t}(y)\in K(\Gamma')(t≥0t\ge0)であり、−F-Fの平衡点はFFの平衡点と一致する。定理 3.4を−F-Fに適用し、§E13.15 補題 5.2 (2)によりα(y)=ω−F(y)\alpha(y)=\omega_{-F}(y)であるから、α(y)\alpha(y)は−F-Fの周期軌道でK(Γ′)K(\Gamma')に含まれる。§E13.15 補題 1.4によりz∈Uz\in Uについてγ−F(z)=γF(z)\gamma_{-F}(z)=\gamma_F(z)であり、φτ−F(z)=z\varphi^{-F}_\tau(z)=zであることは、φτ(z)=z\varphi_\tau(z)=zであるための必要十分条件であるから、α(y)\alpha(y)はFFの周期軌道である。Γ′′∈{ω(y),α(y)}\Gamma''\in\{\omega(y),\alpha(y)\}についてΓ′′⊆K(Γ′)\Gamma''\subseteq K(\Gamma')であるから、補題 5.2 (2)によりK(Γ′′)⊆K(Γ′)⊆K(Γ)K(\Gamma'')\subseteq K(\Gamma')\subseteq K(\Gamma)であり、Γ′′∈P\Gamma''\in\mathcal Pである。▨

C⊆P\mathcal C\subseteq\mathcal Pを空でない鎖とする。Γ0∈C\Gamma_0\in\mathcal Cを一つとり、{K(Γ′)∩K(Γ0):Γ′∈C}\{K(\Gamma')\cap K(\Gamma_0):\Gamma'\in\mathcal C\}を考える。C\mathcal Cは鎖であるから、この族の有限個の元の共通部分はそのうち最小の元に等しく、空でない。各元はコンパクト空間K(Γ0)K(\Gamma_0)の閉集合であるから、§E2.19 定理 3.2 (2)によりK∞=⋂Γ′∈CK(Γ′)K_\infty=\bigcap_{\Gamma'\in\mathcal C}K(\Gamma')は空でなく、K(Γ0)K(\Gamma_0)の閉集合としてコンパクトである。K∞K_\inftyは不変集合の共通部分であるから不変である。y∈K∞y\in K_\inftyをとると、主張 5.6.1によりΓy=ω(y)∈P\Gamma_y=\omega(y)\in\mathcal Pであり、§E13.15 定理 5.3 (2)をyyとK∞K_\inftyに適用するとΓy⊆K∞\Gamma_y\subseteq K_\inftyである。各Γ′∈C\Gamma'\in\mathcal CについてΓy⊆K(Γ′)\Gamma_y\subseteq K(\Gamma')であるから、補題 5.2 (2)によりK(Γy)⊆K(Γ′)K(\Gamma_y)\subseteq K(\Gamma')、すなわちΓ′⪯Γy\Gamma'\preceq\Gamma_yである。空な鎖はΓ\Gammaを上界にもつ。§E1.20 定理 2.1 (3)により、P\mathcal Pは⪯\preceqについて極大元Γm\Gamma_mをもつ。

Ωm=ΩΓm\Omega_m=\Omega_{\Gamma_m}は空でない。y∈Ωmy\in\Omega_mをとる。yyが周期点であるとすると、補題 5.3 (2)によりγ(y)⊆Ωm⊆K(Γm)\gamma(y)\subseteq\Omega_m\subseteq K(\Gamma_m)であり、補題 5.2 (2)によりK(γ(y))⊆K(Γm)K(\gamma(y))\subseteq K(\Gamma_m)である。したがってγ(y)∈P\gamma(y)\in\mathcal Pである。γ(y)≠Γm\gamma(y)\ne\Gamma_mであるからK(γ(y))≠K(Γm)K(\gamma(y))\ne K(\Gamma_m)であり、Γm⪯γ(y)\Gamma_m\preceq\gamma(y)、Γm≠γ(y)\Gamma_m\ne\gamma(y)となってΓm\Gamma_mの極大性に反する。したがってyyは周期点でも平衡点でもない。主張 5.6.1によりω(y)\omega(y)とα(y)\alpha(y)はK(Γm)K(\Gamma_m)に含まれるP\mathcal Pの元であり、補題 5.2 (2)によりΓm⪯ω(y)\Gamma_m\preceq\omega(y)、Γm⪯α(y)\Gamma_m\preceq\alpha(y)であるから、極大性によりω(y)=α(y)=Γm\omega(y)=\alpha(y)=\Gamma_mである。

w∈Γmw\in\Gamma_mをとる。wwは平衡点でないから、補題 1.2 (1)により横断線分Σ={w+sv:∣s∣≤a}\Sigma=\{w+sv:\lvert s\rvert\le a\}が存在する。K(Γm)K(\Gamma_m)はコンパクトな不変集合であるから、§E13.15 定理 5.3 (2)と§E13.15 定理 5.3 (3)によりI(y)=RI(y)=\Rである。Z={t∈R:φt(y)∈Σ}Z=\{t\in\R:\varphi_t(y)\in\Sigma\}とし、t∈Zt\in Zについてφt(y)=w+s(t)v\varphi_t(y)=w+s(t)vと書く。w∈Σ∘w\in\Sigma^\circ、w∈ω(y)w\in\omega(y)、w∈α(y)w\in\alpha(y)であるから、補題 1.5 (1)と補題 1.5 (2)により、um,um′∈Zu_m,u'_m\in Z、um→∞u_m\to\infty、um′→−∞u'_m\to-\infty、φum(y)→w\varphi_{u_m}(y)\to w、φum′(y)→w\varphi_{u'_m}(y)\to wを満たす数列(um)(u_m)、(um′)(u'_m)が存在する。s(um)=⟨φum(y)−w,v⟩/∥v∥2s(u_m)=\langle\varphi_{u_m}(y)-w,v\rangle/\lVert v\rVert^2であるからs(um)→0s(u_m)\to0であり、同様にs(um′)→0s(u'_m)\to0である。補題 2.3 (2)によりssはZZ上で狭義単調である。ssが狭義単調増加であるとし、ZZの二点t∗<t∗∗t_*<t_{**}をとる。十分大きいmmでum′<t∗u'_m<t_*かつum>t∗∗u_m>t_{**}であるからs(um′)<s(t∗)<s(t∗∗)<s(um)s(u'_m)<s(t_*)<s(t_{**})<s(u_m)であり、m→∞m\to\inftyとして0≤s(t∗)<s(t∗∗)≤00\le s(t_*)<s(t_{**})\le0を得る。これは矛盾である。ssが狭義単調減少である場合も、不等号の向きを逆にして同じ矛盾を得る。したがってΩ\Omegaは平衡点を含む。▨

例 5.7.U=R2∖{0}U=\R^2\setminus\{0\}、F(x1,x2)=(−x2,x1)F(x_1,x_2)=(-x_2,x_1)とする。このとき、FFはUU上で平衡点をもたない。φt(1,0)=(cos⁡t,sin⁡t)\varphi_t(1,0)=(\cos t,\sin t)であるから、単位円周S1S^1は周期軌道であり、その内側は開単位円板{∥x∥<1}\{\lVert x\rVert<1\}である。開単位円板はUUに含まれず、UUに含まれる部分は平衡点を含まない。定理 5.6の仮定Ω∪Γ⊆U\Omega\cup\Gamma\subseteq Uを外すと、結論が成り立たない。

F0F_0を例 3.3のとおりとし(r=∥x∥r=\lVert x\rVert)、G=R2∖{0}G=\R^2\setminus\{0\}、ρ(x)=r−2\rho(x)=r^{-2}とおく。このとき、ρF0=r−2x−x+r−2(−x2,x1)\rho F_0=r^{-2}x-x+r^{-2}(-x_2,x_1)であり、div⁡(r−2x)=2r−2−2r−2=0\operatorname{div}(r^{-2}x)=2r^{-2}-2r^{-2}=0、div⁡(−x)=−2\operatorname{div}(-x)=-2、div⁡(r−2(−x2,x1))=2x1x2r−4−2x1x2r−4=0\operatorname{div}(r^{-2}(-x_2,x_1))=2x_1x_2r^{-4}-2x_1x_2r^{-4}=0であるから、GG上でdiv⁡(ρF0)=−2\operatorname{div}(\rho F_0)=-2である。一方、例 3.3によりS1⊆GS^1\subseteq GはF0F_0の周期軌道である。S1S^1の内側は0∉G0\notin Gを含む。定理 5.5の仮定Ω∪Γ⊆G\Omega\cup\Gamma\subseteq GをΓ⊆G\Gamma\subseteq Gへ弱めると、結論が成り立たない。

6 演習

問題 6.1.補題 2.1の証明を完成させよ。

解答.

hi:[0,1]→Aih_i:[0,1]\to A_i(i=1,2i=1,2)をhi(0)=ah_i(0)=a、hi(1)=bh_i(1)=bを満たす同相写像とする。S1={(u,w)∈R2:u2+w2=1}S^1=\{(u,w)\in\R^2:u^2+w^2=1\}とし、S+={(u,w)∈S1:w≥0}S_+=\{(u,w)\in S^1:w\ge0\}、S−={(u,w)∈S1:w≤0}S_-=\{(u,w)\in S^1:w\le0\}とおく。S±S_\pmはS1S^1の閉集合であり、S1=S+∪S−S^1=S_+\cup S_-、S+∩S−={(1,0),(−1,0)}S_+\cap S_-=\{(1,0),(-1,0)\}である。f+:S+→A1∪A2f_+:S_+\to A_1\cup A_2とf−:S−→A1∪A2f_-:S_-\to A_1\cup A_2を

f+(u,w)=h1(1−u2),f−(u,w)=h2(1−u2)f_+(u,w)=h_1\bigl(\tfrac{1-u}{2}\bigr),\qquad f_-(u,w)=h_2\bigl(\tfrac{1-u}{2}\bigr)

で定める。f±(1,0)=af_\pm(1,0)=a、f±(−1,0)=bf_\pm(-1,0)=bであるから、f+f_+とf−f_-はS+∩S−S_+\cap S_-上で一致し、§E2.12 系 4.11 (2)により、S±S_\pmへの制限がf±f_\pmである連続写像f:S1→A1∪A2f:S^1\to A_1\cup A_2が存在する。S+S_+の点は第一座標u∈[−1,1]u\in[-1,1]によって一意に定まり(w=1−u2w=\sqrt{1-u^2})、u↦(1−u)/2u\mapsto(1-u)/2は[−1,1][-1,1]から[0,1][0,1]への全単射であるから、f+f_+はS+S_+からA1A_1への全単射である。同様にf−f_-はS−S_-からA2A_2への全単射である。したがってffは全射である。P∈S+P\in S_+、Q∈S−Q\in S_-がf(P)=f(Q)f(P)=f(Q)を満たすとすると、f(P)∈A1∩A2={a,b}f(P)\in A_1\cap A_2=\{a,b\}である。値がaaならば、h1−1(a)=h2−1(a)=0h_1^{-1}(a)=h_2^{-1}(a)=0によりPPとQQの第一座標はいずれも11であり、P=Q=(1,0)P=Q=(1,0)である。値がbbならば、同じ理由でP=Q=(−1,0)P=Q=(-1,0)である。したがってffは単射である。S1S^1は単純閉曲線であるから§E2.49 補題 2.2 (1)によりコンパクトであり、A1∪A2A_1\cup A_2は§E2.15 定理 3.2 (1)により Hausdorff である。§E2.19 定理 6.8によりffは同相写像であり、A1∪A2A_1\cup A_2は単純閉曲線である。▨

問題 6.2.a1,a2,c1,b2∈Ra_1,a_2,c_1,b_2\in\R、b1,c2>0b_1,c_2>0とし、F(x,y)=(x(a1−b1x−c1y), y(a2−b2x−c2y))F(x,y)=\bigl(x(a_1-b_1x-c_1y),\ y(a_2-b_2x-c_2y)\bigr)をR2\R^2上で考える。Q=(0,∞)2Q=(0,\infty)^2とする。FFの周期軌道でQQに含まれるものは存在しないことを示せ。

解答.

Γ⊆Q\Gamma\subseteq Qを周期軌道と仮定し、Ω\OmegaをΓ\Gammaの内側とする。R2∖Q={x≤0}∪{y≤0}\R^2\setminus Q=\{x\le0\}\cup\{y\le0\}は、共通点00をもつ二つの凸集合の和であるから連結であり、有界でなく、Γ\Gammaと交わらない。したがってR2∖Q\R^2\setminus QはΓ\Gammaの外側に含まれ、補題 5.2 (1)によりΩ∪Γ⊆Q\Omega\cup\Gamma\subseteq Qである。QQ上でρ(x,y)=1/(xy)\rho(x,y)=1/(xy)とおくと、ρF=((a1−b1x−c1y)/y, (a2−b2x−c2y)/x)\rho F=\bigl((a_1-b_1x-c_1y)/y,\ (a_2-b_2x-c_2y)/x\bigr)であり、

div⁡(ρF)=−b1y−c2x<0\operatorname{div}(\rho F)=-\frac{b_1}{y}-\frac{c_2}{x}<0

がQQ上で成り立つ。div⁡(ρF)\operatorname{div}(\rho F)はQQのどの空でない開集合の上でも恒等的に零ではないから、定理 5.5をG=QG=Qに適用すると、Ω∪Γ⊆Q\Omega\cup\Gamma\subseteq Qを満たす周期軌道は存在しない。これはΓ\Gammaの存在に反する。▨

問題 6.3.F(x,y)=(x−y−x(x2+2y2), x+y−y(x2+2y2))F(x,y)=\bigl(x-y-x(x^2+2y^2),\ x+y-y(x^2+2y^2)\bigr)をR2\R^2上で考え、K={(x,y)∈R2:14≤x2+y2≤4}K=\{(x,y)\in\R^2:\tfrac14\le x^2+y^2\le4\}とする。FFの周期軌道でKKに含まれるものが存在することを示せ。さらに、KKに含まれるFFの周期軌道の内側は原点を含むことを示せ。

解答.

φ\varphiをFFの流れとし、F=(F1,F2)F=(F_1,F_2)、q(x,y)=x2+2y2q(x,y)=x^2+2y^2とおく。xF1(x,y)+yF2(x,y)=(x2+y2)(1−q(x,y))xF_1(x,y)+yF_2(x,y)=(x^2+y^2)(1-q(x,y))、xF2(x,y)−yF1(x,y)=x2+y2xF_2(x,y)-yF_1(x,y)=x^2+y^2である。F(x,y)=0F(x,y)=0ならば後者からx2+y2=0x^2+y^2=0であるから、FFの平衡点は原点だけであり、KKは平衡点を含まない。

z∈Kz\in Kとし、t∈I(z)t\in I(z)についてφt(z)=(x(t),y(t))\varphi_t(z)=(x(t),y(t))、R(t)=x(t)2+y(t)2R(t)=x(t)^2+y(t)^2とおく。R′(t)=2x(t)x′(t)+2y(t)y′(t)=2R(t)(1−q(φt(z)))R'(t)=2x(t)x'(t)+2y(t)y'(t)=2R(t)\bigl(1-q(\varphi_t(z))\bigr)であり、R(t)≤q(φt(z))≤2R(t)R(t)\le q(\varphi_t(z))\le2R(t)である。

t∈I(z)t\in I(z)、t≥0t\ge0ならばR(t)≤4R(t)\le4である。実際、R(t1)>4R(t_1)>4を満たすt1∈I(z)t_1\in I(z)、t1>0t_1>0があるとし、t0=sup⁡{t∈[0,t1]:R(t)≤4}t_0=\sup\{t\in[0,t_1]:R(t)\le4\}とおく。R(0)≤4R(0)\le4とRRの連続性によりR(t0)=4R(t_0)=4、t0<t1t_0<t_1であり、(t0,t1](t_0,t_1]上でR>4R>4であるからR′(t0)≥0R'(t_0)\ge0である。一方q(φt0(z))≥R(t0)=4q(\varphi_{t_0}(z))\ge R(t_0)=4であるからR′(t0)≤8(1−4)<0R'(t_0)\le8(1-4)<0であり、これはR′(t0)≥0R'(t_0)\ge0に反する。

t∈I(z)t\in I(z)、t≥0t\ge0ならばR(t)≥14R(t)\ge\tfrac14である。実際、R(t1)<14R(t_1)<\tfrac14を満たすt1∈I(z)t_1\in I(z)、t1>0t_1>0があるとし、t0=sup⁡{t∈[0,t1]:R(t)≥14}t_0=\sup\{t\in[0,t_1]:R(t)\ge\tfrac14\}とおく。R(0)≥14R(0)\ge\tfrac14とRRの連続性によりR(t0)=14R(t_0)=\tfrac14、t0<t1t_0<t_1であり、(t0,t1](t_0,t_1]上でR<14R<\tfrac14であるからR′(t0)≤0R'(t_0)\le0である。一方q(φt0(z))≤2R(t0)=12q(\varphi_{t_0}(z))\le2R(t_0)=\tfrac12であるからR′(t0)≥12(1−12)>0R'(t_0)\ge\tfrac12\bigl(1-\tfrac12\bigr)>0であり、これはR′(t0)≤0R'(t_0)\le0に反する。

したがって、t∈I(z)t\in I(z)、t≥0t\ge0ならばφt(z)∈K\varphi_t(z)\in Kである。KKは有界閉集合であるから§E2.9 定理 4.3によりコンパクトである。§E13.15 定理 5.3 (2)によりω(z)⊆K\omega(z)\subseteq Kであり、KKは平衡点を含まないからω(z)\omega(z)は平衡点を含まない。定理 3.4によりω(z)\omega(z)は周期軌道であり、ω(z)⊆K\omega(z)\subseteq Kである。

Γ⊆K\Gamma\subseteq KをFFの周期軌道、Ω\OmegaをΓ\Gammaの内側とする。FFはR2\R^2上で定義されているからΩ∪Γ⊆R2\Omega\cup\Gamma\subseteq\R^2であり、定理 5.6によりΩ\OmegaはFFの平衡点を含む。FFの平衡点は原点だけであるから、0∈Ω0\in\Omegaである。▨

参考文献

  1. Lawrence Perko, Differential Equations and Dynamical Systems, 3rd ed., Texts in Applied Mathematics 7, Springer, New York, 2001.横断線分上の交点の単調性、Poincaré–Bendixson の定理、Bendixson–Dulac の判定法を参考にした。
  2. Gerald Teschl, Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems, American Mathematical Society, Providence, Rhode Island, 2012.流れ箱と帰還時間、ω 極限集合と横断線分の交わり、周期軌道の内側の平衡点を参考にした。
  3. Philip Hartman, Ordinary Differential Equations, 2nd ed., Classics in Applied Mathematics, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2002.平面の自律系の極限集合と周期軌道の扱いを参考にした。

前提記事

23 本の記事・単元を表示