3.3 Heugabel-Bifurkation

 

Um eine Vorstellung der Heugabel-Bifurkation zu erhalten, geht man genauso, wie bei den vorangegangenen Bifurkationen vor, zuerst betrachten wir ein dynamisches System:

 

                                             

 

die Differentialgleichung vom nichtlinearen Typ wird wieder eine Stufe komplizierter gewählt, das ist der Typ von Differentialgleichung (in Normalform), bei dem Heugabel-Bifurkationen auftreten:

 

                       .

 

Auch hier werden die stationären Lösungen der Differentialgleichung und Aussagen über deren Stabilitätsverhalten gesucht.

 

Die stationäre Lösung ist gegeben durch:

 

                                     

                                      Û    

                                      Û                

 

Dynamische Variable und Kontrollparameter sind reell, für m < 0 würde der Wurzelausdruck aber komplexe Werte annehmen, was zu einem Widerspruch führt. Demzufolge existieren für m < 0 die Fixpunkte  nicht!

Warum die Punkte zusammengefaßt betrachtet werden, ergibt sich im Verlauf der folgenden Rechnung.

 

Für die drei Fixpunkte ist die lineare Stabilitätsuntersuchung durchzuführen. Zuerst muß die Differentialgleichung für kleine Auslenkungen linearisiert werden.

 

Im allgemeinen Fall lautet die linearisierte Differentialgleichung:

 

Für den vorliegenden Fall ergibt sich also:

 

 

und somit für die Determinante der Jakobi-Matrix der Ausdruck , das Problem ist eindimensional.

 

Anschaulich lassen sich die Stabilitätsüberlegungen für die Fixpunkte wieder mit den anschwellenden und abklingenden Exponentialfunktionen durchführen:

 

Betrachten wir nun den 1. Fixpunkt und die zugehörige linearisierte Differentialgleichung:        

                                     

          .

 

Die allgemeine Lösung dieser linearisierten Differentialgleichung lautet:

                                  .

 

Für den 2. und 3. Fixpunkt und die zugehörige, linearisierte Differentialgleichung ergeben sich:      

 

                                         

        .

 

Für beide Fixpunkte gilt also dieselbe Gleichung.

 

Die allgemeine Lösung dieser linearisierten Differentialgleichung lautet:

 

                               stabil, da m > 0    .

 

Der Fixpunkt  ist also stabil für m > 0 (stabiler Knoten) und instabil für m < 0 (Sattelpunkt), die Fixpunkte  sind stabil, da m > 0 (stabiler Knoten), für m < 0 existieren die Fixpunkte  nicht.

 

Im Parameterraum ergibt sich damit folgendes Bild:

 

 

 

Ein Fixpunkt ändert seine Stabilität unter Entstehung zweier neuer Äste. Das Bild im Parameterraum inspiriert den Namen Heugabel- oder Stimmgabel-Bifurkation (engl. pitchfork bifurcation).

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