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非線形振動と安定性

1. 振り子は大きく振ると「遅くなる」

単振り子の小角近似は \(T = 2\pi\sqrt{L/g}\)——振幅に依らない等時性だ。しかし大振幅では?

非線形振り子の相空間

0πθω● 安定 (0,0)○ 不安定 (±π,0)-- 分離曲線
θ = 45.0°ω = 0.000E = 1.172
θ̈ = −ω₀² sinθ。分離曲線内:振動(往復)。外側:回転(完全な円)。分離曲線:不安定固定点をつなぐ異クリニック軌道。

シミュレーターで振り子の振幅を大きくしてみよう。相空間の軌道が「円」から「歪んだ形」に変わる。振幅が大きいほど周期が長くなる——線形近似では見えなかった効果だ。そして振幅が 180° を超えると何が起きるか?

問い:非線形系の「安定な振動」と「不安定な分岐」を系統的に解析するにはどうすればよいか?

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21:09

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