TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 1, April 2015, pp. 140 ~ 1 4 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i1.746 1          140     Re cei v ed  Jan uary 4, 2015;  Re vised Ma rch 11, 2015; A c cepted Ma rch 25, 2015   Hopf Bifurcation in Numerical Approximation for the  Generalized Lienard Equation with Finite Delay      Guangy u  Zhao* 1 , Yanchu n Li 2   1 School of Scie nce, Cha ngc hu n Univ ersit y   of Scienc e an d T e chn o lo g y ,   Cha ngch un, 13 002 2, Chi n a   2 Mathematics  Group, T he Second Prim ar y   Schoo Attache d  to Northeast  Normal U n iv ersit y ,   Cha ngC hu n, 1300 12, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :zg y w s hz yz@ 126.com       A b st r a ct  T he nu merica l  appr oxi m ati o n  of the g e n e ral i z e Lie nar e quati on is  co n s ider ed usin g del ay  a s   para m eter. F i rst, the delay  difference e quati on o b ta in ed by usi ng  Euler  meth od  is w r itten as a   ma p.Accord ing  to the theories  of bi furcatio n for discrete dy n a mical syst e m s,the conditi on s to guara n tee  th e   existenc e of H opf bifurc atio n  for nu mer i cal  appr oxi m at i o n  are g i ven. T h e rel a tions  of  Hopf b i furcati o n   betw een th e c ontin uo us a nd  the discr ete ar e disc u sse d. T hen w h en th gen eral i z e d  Li enar d e quati o n  h a s   Hopf bifurc atio ns at 0 rr , the numerical a ppr oxi m ati on al s o  ha s Hopf bifurcat ions at  0 () h rr o h   is   proved. At las t, the text listed an ex am ple of num er ic al simulation, the resu lt show s that system (8)   discreti z e d  by  Euler ke eps th e dyna mic char acterist ic of former syste m  (1) ,  and the theor y is proved.     Ke y w ords : the  gener ali z e d  L i enar d eq uatio n ,  Euler method,   Hopf bifurcati o n, nu meric a l a pprox imatio n     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  In rece nt years, the gene ral i zed Li ena rd  equatio n:    ( ) (( ) ) ( ) (( ) ) 0 xt f x t x t g xt r                                                (1)    The be havior of its solutio n  attracte d at tenti on of ma ny schola r s.  Delay s  are th e key to  cau s e  differe nce s   betwee n  del ay differential e quatio n an ordi nary differential   equatio n, so  use   delays a s  pa rameter to stu d y Hopf bifurcation  i s  mea n ingful. Many  sch olars hav e done in -de p th  resea r ch ab o u t the Ho pf bi furcatio n of system (1 ) 13 . For exampl e, in  1998, referen c e [1] u s e s   delay  r as parameter studi ed  Ho pf  bifu rcatio n of sy stem (1), pr o v ed the exist ence of Ho pf  bifurcation a nd form ula t o  co unt Ho pf bi furcation  wa s given.  Referen c [2] use s   - D partitionin g  m e thod  of in de x polynomi a to disc u s s th e Hop  bifurca t ion of  syste m  (1 usi n g   k  as  a param eter.  Refere nce [3] discu sse s  H opf bifurcati on of system  (1) usi ng  b  as a para m ete r and give s the  Hopf bifurcat ion diag ram i n  the  rb  param eter plan e.  This text di scussed  the  Ho pf bifurcation   in  num eri c al  approximatio n of the  sy ste m  (1 ) by  cho o si ng r a s  the bifurcatio n paramete r , usin g t he Eul e r metho d . T he refe ren c 4 to 7 took th e   lead in study ing the Hopf  bifurcatio n in nume r ic al approximatio n of the  finite delay Logi stic  equatio n and  got satisfied  result s. Wha t  is call ed th e numeri c al  approximatio n is to examining  wheth e r it s n u meri cal  sol u tion ca n mai n tain the dy n a m ic cha r a c teristic  of  th e system while using  the nume r ical  method to achieve  the discretizatio n of system.      2. The Existe nce of  Hopf  Bifurc ation  for the Ge ner a lized Lienar d Equation    A s  t o  sy st e m  (1),   set  d e lay   0 r  as  co nstant,  2 ,, f gC  and  () gx  sat i sf y i n g   (0 ) 0 , ( ) 0 . gx g x   Set  (0 ) , ( 0 ) , f ag b   and  0, 0 . ab    System (1) i s  equivalent to  the followi n g  se con d -o rd er-finite-d e lay system.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Hopf Bifurcati on in Num e ri cal App r o x im ation for the  Gene rali zed  Liena rd…  (G uang yu Zh ao 141 () ( ) () ( ( ) ) () ( ( ) ) xt y t yt f x t y t g x t r                                                   (2)    Let  x y then d o  the time conve r si on  tr s and still n o te  () , ( ) x rs y r s  as  () , ( ) x ty t , therefore Eq uation (2 ) can  be tran sf orm ed into its eq uivalent syste m    () , () ( ( ) ) () () ( ( 1 ) ) , xt r y t yt r f x t yt yt r g x t                                             (3)    Its linear pa rt is:     () , () ( 1 ) ( ) , xt r y t y ta r x t b r y t                                                             (4)    The ch aracte ristic e quatio n of (4) Is:     22 0 ar b r e                                                                   (5)    Lemma 1:    Set r  a s  a   para m eter,  so when   0 rr , Equation  (3 exists  Ho pf  bifurcation a nd  0 r  sat i sf ie s f o llowin g  co nd it ions:     1 0 0 0 1 2 22 2 0 1 si n ( ) , 1 4, 2 a r b ab a                                                     (6)    a) Equatio n (5) ha s a p a i r  of co njugat e com p lex ro ots 1, 2 () () ri r    and the  , here a r e real  numbe rs, whi l 00 0 () 0 , () 0 rr   b) Th e roots of equ ation  (5) in  0 rr  all  have st rictly  negative  real  part s , exce pt  00 () , ( ) rr  c)  0 Re ( ) 0 rr dr dr     3. Hopf  Bifur cation in Nu merical Appr oxim ation fo r the Gen e ra lized Lienard  Equation   Usi ng the  [4 ] Eu l e r M et h o d 1 ,) hm Z m  , we get the num erical sol u tion  of Equation (3).     1 1 nn n nn n m n xx r h y y y br hx ar hy                                                               (7)    Introdu cing n e w vecto r 11 (, , , , , ) T nn n n n n m n m Xx y x y x y  we can exp r e s s (7 ) as:     1 (, ) nn X FX r                                                                            (8)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 1, April 2015 :  140 – 14 142 The  01 () ( , , , ) T m Fx F F F  is a vector-val ued fun c tion with  2( 1 ) m  dimensi o n s , i.e.    0 1 nn nn m n k n n xr h y k y b rhx a rh y F x km y      Expand the Equation (8) at 00 (,     1 (, ) ( , , ) n n nn nn n XA X B X X C X X X                                     (9)    Its linear pa rt is :    1 nn X AX                                                              (10)    In which,    00 00 0 00 0 00 0 AB I A I I              I  is a se con d  orde r unit ma trix,  10 0 , 01 0 rh AB ar h b r h        The ch aracte ristic e quatio n of A  is   22 2 2 2 (, , ) ( 1 ) ( 1 ) 0 mm m m d z rh z z a r h z z b rh z                               (11)    In order to f a cilitate th discu ssi on  a bout  the  bifu rcatio pro b l e m of th n u meri cal  solutio n  in Equation (3 ), we  introdu ce eq uation:     22 2 2 2 (, , ) ( ) ( ) 0 Dr h e g h a r e g h b r e                                (12)    In which  x e x g x 1 ) ( , pro v iding  1 ) 0 ( g   J u s t  lik e the lemma 4.1 in literature [8],  we can get lemma 2.  Lemma 2:   if cha r a c teri stic (5) satisfie s con d ition (6 ), then  (, , ) 0 Dr h  sat i sf ie s :   a)  (, , ) 0 Dr h  has a pair  of conju gate  compl e x root 1, 2 () () ri r     b) The r e exist s   0 () h rr o h  () 0 , ( ) 0 hh rr   c)  () 0 h rr dr dr   d) Th ere exist 0 (nothing  to d o  with  r, h) t o  ma ke for N m m h , 1 . There exist s 0 (, ) ( , 0 ) rh N r and  (, ) ( , ) (, , ) 0 Re rh i r h Dr h      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Hopf Bifurcati on in Num e ri cal App r o x im ation for the  Gene rali zed  Liena rd…  (G uang yu Zh ao 143 Proof (a - c )B eca u s e (, , 0 ) ( , ) Dr d r , s o 00 (, , 0 ) ( , ) Di r d i r .In  00 (, , 0 ) ir 00 0 00 (( ) , ) () (( ) , ) r dr r r dr r  , therefore 00 (, ) 0 di r . By the implicit function t heorem, in the  neigh borhoo d  of 0 (, 0 ) r , there  exists o n ly one functio n   (, ) , (, ) rh r h  making   1, 2 () () ri r   . Because 00 (, 0 ) 0 , (, 0 ) 0 rr , there exists  h rr  making  0 () 0 , ( ) , ( ) 0 hh h rr r o h r  . By the implicit fun c t i on theo rem  again, in  the  neigh borhoo d  of  0 (, 0 ) r , () 0 h rr dr dr . If  (, , ) 0 Dr h ,then  (, , ) 0 Dr h , s o  there exist s   a neig hbo rho od of  0 r , mak i ng  (, ) 0 dr  ha s only o ne root  1 () r , s a tis f ying to  0 r ,there   is  11 Re ( ( ) ) , I m ( ( ) ) 0 , rr   and  (, , ) 0 Dr h  also h a s simil a cha r act e r.   Set  ,, mm m rh  to mak e 0 (, , ) 0 , ( , ) ( , 0 ) , l i m 0 mm m m m m m Dr h r h N r h   , s o   m   is unifo rmly boun ded. So  there exi s ts  j m , to mak e   00 ,, 0 jj j mm m rr h  . By the   contin uity of 00 (, , 0 ) 0 Dr , there  exist s 00 0 , h ir r . So:     (, ) ( , ) (, , ) 0 Re rh i r h Dr h          Lemma 3:   W h e n 1 h m , the ne ce ssary  and   sufficie n t con d ition of   (, , ) 0 Dr h  has  the root   is (11) ha s the ro ot  m Z e Proof Subs titute  m e  for Z in (11).     22 2 2 2 () () 0 eg h a r e g h b r e        So the lemma 3 is prove d Lemma 4:    0 h rr dz dr   Proof m Z e 1 h m 2 zz z so there exist s   2 () (, ) 2 hh h h h dz dz dz d d d r h z z he e h e e he dr dr dr dr dr dr    ,     Bec a us (, ) 0 h rr dr h dr   s o   0 h rr dz dr Theorem 1:    If differential  Equation  (3 ) ha Hopf  bifurcation i n   0 rr ,   so wh en st e p   siz e   h  is sufficiently sm all, differential Equati on  (8 )will  p r o duce  Hopf  bifurcation  in  0 () h rr o h  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 1, April 2015 :  140 – 14 144 Proof We ca n learn by le mma 3 and  4 that to the  step si ze  1 h m 0 () mm , in  the   neigh borhoo d  of  0 r , if charact e risti c  equ ation (5) h a s ro ot, m Z e  is the root of (11). If (5) have  a pair  of sim p le conju gate  com p lex ro o t 0 i , while  oth e r roots  have    stri ctly real  parts.  So the differe ntial Equation  (8)  have a  p a ir of  conju g a te com p lex  roots  h i m e  in  0 () h rr o h  1 () h m , and  1 h i m e , while other roots’ m odule s  le ss th an 1, and  0 h rr dz dr     4. Numerical  Simulation  This sectio n gives an exa m ple of nume r ical  si mulat i o n  of  sy st em ( 1 ).  The re sult  sho w s   that system  (8) di screti zed  by Euler  ke eps th dy na mic c h a r a c t e r i st ic of  f o r m e r  sy st e m  (1 ),   and the theo ry is proved.   Set  1 (0 ) 0 . 8 , ( 0 ) 1 . fa g b   and the system turne d  into:    () () () 0 . 8 ( ) ( ) xt y t y ty t x t r                                              ( 1 3 )     System (13) exists only equilibrium point * (0 , 0 ) . E   Acco rdi ng to the theorem 4 . 1 of referen c e [3], it’s easy to get:      0 0. 378 316 029 857 13, r      So system (1 3) gen erates  Hopf bifurcati on at 0 rr .   Diag ram  1 t o  3 exp r e ss wavefo rm and traje c tory diagram of  sol u tion  system (1 3)  before di scre tized. Dia g ra m 4 to 6 expre ss  wave fo rms a nd traj ectory dia g ra m of system  (8)  discreti zed  b y  Euler. Th e  diag ram  sho w s that  whe n 0 rr , z e ro  s o lution of  sys tem is   asymptoticall y  stabled. The  diag ram  2 sho w s that when 0 rr , system experie n c e s  Ho pf  bifurcation at  origin, and  stable bifurcati ng  periodi c solution  was produ ced around equilibri um   point. The di agra m  3  sho w s th at wh en 0 rr , zero solutio n  of syste m  i s  un stabl e. T he dia g ra 4 to 6 sho w s that when 0 rr , zero  solution  o f  system (8 ) i s   asym ptotically stabled,  and sta b le   perio dic  sol u tion wa s p r o duced a r ou n d   0 rr . When 0 rr ,   zero solut i o n  of   sy st em (8 is  unsta ble, whi c h me an s sy stem (8) di scretize d  by  Euler  kee p s t he dynami c   cha r a c teri stic of  former sy ste m   (1).       Figure 1. Wa veform and p hase orbit of system () 13  whe n 0 0.2 rr   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Hopf Bifurcati on in Num e ri cal App r o x im ation for the  Gene rali zed  Liena rd…  (G uang yu Zh ao 145   Figure 2. Wa veform and p hase orbit of system () 13  whe n   0 rr         Figure 3. Wa veform and p hase orbit of system (13 )  whe n   0 0.5 5 rr         Figure 4. Wa veform and p hase orbi t of discrete  syste m  (8)  when  0 0.2 , 0.02 rr h        Figure 5. Wa veform and p hase orbi t of discrete  syste m  (8)  when  0 ,0 . 0 2 rr h       Figure 6. Wa veform and p hase orbi t of discrete  syste m  (8)  when  0 0.55 , 0 .02 rr h    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 1, April 2015 :  140 – 14 146 Referen ces   [1]  F engj un T ang,  Z hen xu n H u a ng, Jio ng  Ru a n . Hopf B i furc ation  of T he g ener aliz ed  Lie nard E q u a tio n   w i t h  delay  as parameter.  Ch in ese Ann a ls of  Mathe m atics . 1 998; 19A( 4 ): 4 69-4 76.   [2]  Suqi Ma, Qish ao Lu. H opf Bifurcatio n of a Li enar d Equ a tio n   w i t h  De la y.  Journ a l of Ch in a Agricu ltur a l   Univers i ty . 200 3; 8(4): 1-4.   [3]  Ming T ang. H opf Bifurcati o n  of  T he gen er alize d  L i en ard Equati on  w i t h  F i nite  De la y. Master  de gree   T hesis. Chang chun: North eas t Normal Univ e r sit y ; 20 02.   [4]  Lamb e rt JD. Numerica l Meth od for Ordinar y Diffe rentia l Eq uatio ns. Chich e ster: John W i l e y . 199 1.  [5]  Kazari no  N, Wan Y  H, V a n  d en  Driessc he   P. Hopf  B i furc ation  a nd St ab ilit y of  Peri od ic  Sol u tions  of   Differenti a l-D i fferenc e a nd In tegro-Differ enti a l Eq uati ons.  Journ a of the  Institute of  Mathe m atic a l   Appl iatio n s .19 78; 21: 46 1-46 7.     [6]  Hale j, Lun el S V . Introduction  to F unctiona l D i fferentia l Equ a t ions. Ne w  Yor k : Spring-Ver l a g . 1993.   [7]  Guckenh eimer  J, Ho lmes  J. No  Lin ear  Oscilla ti ons,  D y n a mical  S y stem s an d B i furcati on  of Vect o r   F i elds. Ne w  Y o rk: Spring-Ver l ag. 198 3.   [8] Neville  Ford,  Volker  W u lf. Numeric a l H o pf Bifurcation  for a  class of dela y  D i ffere ntial Eq uati ons JCAM . 2000; 1 15: 601- 61 6.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.