As trajetórias periódicas são casos especiais de
trajetórias quase-periódicas.
Uma trajetória que não é quase-periódica será chamada de não
periódica. Se P(t) é não periódica, P(t1+τ)
pode estar arbitrariamente próxima do P(t1) para algum
tempo t1 e algum intervalo τ de tempo
arbitrariamente largo, mas, se isso é assim, P(t+τ) não pode
permanecer arbitrariamente próximo ao P(t) à medida que t → ∞.
Trajetórias não periódicas são certamente representações do fluxo não
periódico determinístico, e são o principal assunto deste artigo.
Trajetórias periódicas são obviamente centrais. Trajetórias
centrais quase-periódicas incluem trajetórias periódicas múltiplas com
períodos incomensuráveis, enquanto trajetórias não centrais quase-periódicas
incluem as que se aproximam de trajetórias periódicas assintoticamente.
Trajetórias não periódicas podem ser centrais ou não centrais.
Agora podemos estabelecer o teorema de que uma trajetória com uma
trajetória limite estável é quase-periódica. Pois se P0(t) é
uma trajetória limite de P(t), dois pontos diferentes P(t1)
e P(t1+τ), com τ arbitrariamente largo, podem ser
encontrados arbitrariamente perto de qualquer ponto P0(t0).
Como P0(t) é estável, P(t) e P(t+τ) devem
permanecer arbitrariamente perto de P0(t+t0-t1),
e portanto um do outro, à medida que t → ∞, e P(t) é
quase-periódico.
Segue imediatamente que uma trajetória central estável é
quase-periódica, ou, equivalentemente, que uma trajetória central não
periódica é instável.
O resultado tem conseqüências de longo alcance quando o sistema em
consideração é um sistema não periódico observável cujo estado futuro nós
podemos decidir predizer. Isto implica que dois estados que diferem por
quantidades imperceptíveis podem eventualmente evoluir em dois estados
consideravelmente diferentes. Se, então, há um erro qualquer ao observar o
estado presente – e em qualquer sistema real esses erros parecem inevitáveis –
uma previsão aceitável de um estado instantâneo no futuro distante bem pode
ser impossível.
Quanto às trajetórias não centrais, segue que uma trajetória não
central uniformemente estável é quase-periódica, ou, equivalentemente, uma
trajetória não central não periódica não é uniformemente estável. A
possibilidade de uma trajetória não central não periódica que seja estável mas
não uniformemente estável ainda existe. Para o autor, pelo menos, essas
trajetórias, embora possíveis no papel, não parecem características dos
fenômenos hidrodinâmicos reais. Qualquer argumento de que o fluxo atmosférico,
por exemplo, é representado por uma trajetória deste tipo levaria à improvável
conclusão de que devemos dominar o prognóstico de longo alcance o mais rápido
possível, porque, quanto mais esperamos mais difícil se tornará nossa tarefa.
Resumindo, mostramos que, sujeito às condições de singularidade,
continuidade e limitação prescritas no começo desta seção, uma trajetória
central, que em certo sentido está livre de propriedades transitórias, é
instável se ela é não periódica. Uma trajetória não central, que é
caracterizada por propriedades transitórias, não é uniformemente estável se
ela for não periódica, e, |
se ela é completamente estável, sua verdadeira estabilidade é uma de suas
propriedades transitórias, o que tende a desaparecer conforme o tempo avança.
Em vista da impossibilidade de medir as condições iniciais precisamente, e
através disso distinguir entre uma trajetória central e uma trajetória não
central vizinha, todas as trajetórias não periódicas são efetivamente
instáveis do ponto de vista da previsão prática.
4.
Integração numérica de sistemas não conservativos
Os teoremas da última seção podem ser importantes somente se as soluções não
periódicas das equações do tipo considerado realmente existirem. Como as
funções do tempo estatisticamente estacionárias não periódicas não são
facilmente descritas analiticamente, soluções não periódicas específicas
provavelmente seriam encontradas mais rapidamente por procedimentos numéricos.
Nesta seção examinaremos um procedimento de integração numérica que é
especialmente aplicável aos sistemas de equações da forma (4). Numa seção
posterior usaremos este procedimento para determinar uma solução não periódica
de um conjunto simples de equações.
Para resolver (1) numericamente podemos escolher um tempo inicial
t0 e um incremento de tempo Δt, e deixar
Então nós introduzimos as aproximações auxiliares
onde Pn e P(n+1) são
os pontos cujas coordenadas são
(X1,n ,..., XM,n) e (X1(n+1),...,XM(n+1))
O procedimento numérico mais simples para obter soluções aproximadas de (1) é
o procedimento da diferença de avanço,
Em muitos casos melhores aproximações às soluções de (1)
podem ser obtidas por um procedimento de
diferença-centralizada.
Este procedimento é inadequado, porém, quando a natureza
determinística de (1) é matéria de preocupação, já que os valores de X1,n
,…, XM,n não determinam unicamente os valores de X1,n+1,
..., XM,.n+1.
Um procedimento que amplamente supera as desvantagens dos
procedimentos de diferença de avanço e de diferença centralizada é o
procedimento da dupla aproximação, definido pela relação
Aqui o coeficiente de Δt, é uma aproximação ao tempo derivado de
Xi no tempo t0+(n+1/2)Δt. De (9) e (10), segue que
(13) pode ser re-escrito
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