关于奇数次非线性常微分方程$x''+x^k+x^n=0$所有解周期性的证明求助
关于奇数次非线性常微分方程$x''+xk+xn=0$所有解周期性的证明求助
我现在正在尝试证明这个命题:
如果$n,k$都是奇数,证明微分方程
$$x''+xk+xn=0 \tag{$\star$}$$
的所有解都是周期解。
首先我做了这些推导步骤:
- 令$y=x'$,把原二阶方程转化为一阶方程组的形式:
$$
\begin{pmatrix}
x'\
y'
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}y\
-f(x)
\end{pmatrix} \tag{$\blacksquare$}
$$
这里我定义了$f(x)=xk+xn$。 - 我已经确认这个方程组唯一的平衡点是$(0,0)$。
- 另外我构造了一个可微函数:
$$H(x,y):=\frac{x{k+1}}{k+1}+\frac{x{n+1}}{n+1}+\frac{y^2}{2}$$
并且证明了它是方程组$(\blacksquare)$的首次积分——因为验证了$H_x y - f(x) H_y = 0$,也就是这个函数的值会沿着解曲线保持恒定。
我能意识到这个首次积分$H$的水平曲线应该是周期的,但到这里我就卡住了,不知道该怎么往下推进,完成“所有解都是周期解”的证明。有没有可能在这里应用庞加莱-本迪克松定理来突破这个卡点呢?
非常感谢任何形式的帮助!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者hackerman
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