微扰法求解非线性谐振子

问题简述

非线性谐振子的方程为：
$$\ddot{x} +\omega_0^2x + A x^2 + B x^3 +\cdots = 0$$
我们假设加入非线性项之后，$x(t)$依然是一个周期函数，但振动的周期和函数形式不再是简单的简谐振动$\sin(\omega_0t),\cos(\omega_0t)$。但由于它还是周期函数（假设这个原频率为$\omega$），我们可以对它进行傅里叶级数展开:

$$x(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty} f_n e^{in\omega t}$$

其中$f_n$是各项的振幅。

$x^n$的计算

$$\begin{align*} x(t)&=\sum_{n=-\infty}^{\infty} f_n e^{in\omega t}\\ x^2(t)&=\sum_{n=-\infty}^{\infty}\sum_{m-\infty}^{\infty} f_n f_m e^{i(n+m)\omega t}\\ &=\sum_{u=-\infty}^\infty\left(\sum_{n=-\infty}^{\infty} f_n f_{u-n}\right) e^{iu\omega t}\\ &= \sum_{u=-\infty}^\infty g_u e^{iu\omega t} \end{align*}$$
其中$g_u = (f*f)_u=\sum_{n=-\infty}^{\infty} f_n f_{u-n}$是序列$f_n$和自己的离散卷积
同理，$x^k(t)$的计算就是$k$个序列$f_n$作离散卷积，结果与$f_n$一样，也构成一个无穷序列。下面我们展示一个离散卷积的计算示例。

离散卷积

计算

当方程没有非线性项时：
$$\ddot{x} +\omega_0^2x=0$$
它的通解为：
$$x(t)=a\sin(\omega_0 t)+b\cos(\omega_0 t)$$
或者写成复数形式：
$$x(t)=f_{1}e^{i\omega_0 t}+f_{-1} e^{-i\omega_0 t}$$
由于$x$是实数，所以$f_{1}=f_{-1}^*$

2.非线性情形的计算思路

当存在非线性项，且非线性项的能量远小于谐振子项时,我们假设它对$f_n$和$\omega$的影响也是很小的，所以可以写成：

$$f_n = f_n^{(0)}+f_n^{(1)}+f_n^{(2)}+\cdots\\ \omega = \omega_0 +\omega_1 +\omega_2 +\cdots$$

把它们和非线性项代入方程：
$$\ddot{x} +\omega_0^2x + A x^2 + B x^3 +\cdots = 0$$
$0=\frac{\mathrm d^2}{dt^2}\sum_{n=-\infty}^{\infty} (f_n^{(0)}+f_n^{(1)}+f_n^{(2)}+\cdots)e^{in(\omega_0 +\omega_1 +\omega_2 +\cdots)t}+\omega_0^2\sum_{n=-\infty}^{\infty} (f_n^{(0)}+f_n^{(1)}+f_n^{(2)}+\cdots)e^{in(\omega_0 +\omega_1 +\omega_2 +\cdots)t}+A\sum_{n=-\infty}^{\infty} (f^{(0)}+f^{(1)}+f^{(2)}+\cdots)*(f^{(0)}+f^{(1)}+f^{(2)}+\cdots)_n e^{in(\omega_0 +\omega_1 +\omega_2 +\cdots)t}+B\sum_{n=-\infty}^{\infty}(f*f*f)_ne^{in(\omega_0 +\omega_1 +\omega_2 +\cdots)t}$

以上式子可以简写成：
$$\sum_{n=-\infty}^\infty (-n^2\omega^2 f_n+\omega_0^2f_n +A(f*f)_n+B(f*f*f)_n+\cdots)e^{in\omega t}=0$$
左侧为傅里叶展开式，右边是零，由$e^{in\omega t}$的完备性知，左侧各项系数为0：
$$-n^2\omega^2 f_n+\omega_0^2f_n +A(f*f)_n+B(f*f*f)_n+\cdots=0\qquad \forall n$$

$-n^2(\omega_0 +\omega_1 +\omega_2 +\cdots)^2 (f_n^{(0)}+f_n^{(1)}+f_n^{(2)}+\cdots)+\omega_0^2 ( f_n^{(0)}+f_n^{(1)}+f_n^{(2)}+\cdots)+A\sum_{n=-\infty}^{\infty} (f^{(0)}+f^{(1)}+f^{(2)}+\cdots)*(f^{(0)}+f^{(1)}+f^{(2)}+\cdots)_n+\cdots=0$
将上式按大小阶数展开，相同阶数和为零，得到方程：
$\text{第零阶:}\quad(-n^2+1)\omega_0^2 f_n^{(0)}=0,\forall n$

$\text{第一阶:}\quad A(f^{(0)}*f^{(0)})_n +\omega_0^2f_n^{(1)}-2n^2 \omega_0 \omega_1 f_n^{(0)}-n^2 \omega_0 f_n^{(1)}=0,\forall n$

第零阶

从第零阶中可以解出
$$\begin{cases} f_n^{(0)}= 0,n\ne \pm 1\\ f_n^{(0)}\ne 0, n=\pm 1 \end{cases}$$
由于$x(t)$为实数，$f_n=f_n^*$，不妨设$f_{ 1}^{(0)}=a,f_{ -1}^{(0)}=\overline{a}$
这对应线性项：
$$x(t)=2\mathrm{Re}(a) \cos \omega_0 t-2\mathrm{Im}(a) \sin \omega_0 t$$

第一阶

$$\quad A(f^{(0)}*f^{(0)})_n +\omega_0^2f_n^{(1)}-2n^2 \omega_0 \omega_1 f_n^{(0)}-n^2 \omega_0 f_n^{(1)}=0,\forall n$$

第一阶中含有$f_n^{(1)},\omega_1$两个未知量。
当$n\pm 1$时，方程中$f_n^{(1)}$前系数为零，方程中只剩下$\omega_1$,可以解出：
$$A(f^{(0)}*f^{(0)})_{\pm 1} -2\omega_0 \omega_1 f_{\pm 1}^{(0)}=0\\ \omega_1 = \frac{A(f^{(0)}*f^{(0)})_{\pm 1}}{2\omega_0 f_{\pm 1}^{0}}$$
经过计算知道$\omega_1=0$
当$n\ne \pm 1$时，代入$\omega_1=0$可以计算各个$f_n^{(1)}$的值：
$$f_n^{(1)}=\frac{A(f^{(0)}*f^{(0)})_n}{(n^2-1)\omega_0^2}\qquad (n\ne \pm 1)$$
看起来我们无法计算$f_{\pm 1}^{(1)}$的值，但因为第零阶中的$a$是人为规定的，故可以包含高阶下$n=\pm 1$的微扰（相当于假设振动基频的振幅就是$a,\overline{a}$）
因此我们不妨设$f_{\pm 1}^{(1)}=0$

更高阶的一般性分析

第$k$阶的方程可以写作：
$(-n^2+1)\omega_0^2 f_n^{(k)}-2f_n^{(0)}n^2\omega_0 \omega_k +\lambda_n(\omega_0^2,A_1,\cdots,A_{k},\omega_1,\cdots,\omega_{k-1},f_n^{(0)},f_n^{(1)},\cdots,f_n^{(k-1)})=0$
在求第$k$阶之前，我们已经求得了$\omega_1,\cdots,\omega_{k-1},f_n^{(0)},\cdots,f_n^{(k-1)}$的值，因此函数$\lambda_n$是已知项

• $n= \pm 1$ 可以求出$\omega_k$
• $n\ne \pm 1$可以求出$f_n^{(k)}(n\ne \pm 1)$
  因此可以不断地计算下去。

计算自动化

可以看到，更高阶的计算十分繁琐，涉及的计算不仅项数极多，而且计算式中存在对无穷序列的多次离散卷积，很难处理。为了减少计算量，我们转向自动化符号计算工具(sympy)，开发了一个计算各阶项参数的程序

一些重要的结果:

(下面设定$f_1^{(0)}=a,f_{-1}^{(0)}=\overline{a}$)

$\omega_1=0$
$f_0^{(1)}=- \frac{2 A_{1} a \overline{a}}{\omega_{0}^{2}}$
$f_{2}^{(1)}=\frac{A_{1} a^{2}}{3 \omega_{0}^{2}},\qquad f_{-2}^{(1)}=\frac{A_{1} \overline{a}^{2}}{3 \omega_{0}^{2}}$

$\omega_2=\frac{a \left(- 10 A_{1}^{2} + 9 A_{2} \omega_{0}^{2}\right) \overline{a}}{6 \omega_{0}^{3}}$
$f_{3}^{(2)}=\frac{A_{1}^{2} a^{3}}{12 \omega_{0}^{4}} + \frac{A_{2} a^{3}}{8 \omega_{0}^{2}},\qquad f_{-3}^{(2)}=\frac{A_{1}^{2} \overline{a}^{3}}{12 \omega_{0}^{4}} + \frac{A_{2} \overline{a}^{3}}{8 \omega_{0}^{2}}$

$\omega_3=0$
$f_0^{(3)}=- \frac{38 A_{1}^{3} a^{2} \overline{a}^{2}}{9 \omega_{0}^{6}} + \frac{10 A_{1} A_{2} a^{2} \overline{a}^{2}}{\omega_{0}^{4}} - \frac{6 A_{3} a^{2} \overline{a}^{2}}{\omega_{0}^{2}}$
$f_{2}^{(3)}=\frac{59 A_{1}^{3} a^{3} \overline{a}}{54 \omega_{0}^{6}} - \frac{31 A_{1} A_{2} a^{3} \overline{a}}{12 \omega_{0}^{4}} + \frac{4 A_{3} a^{3} \overline{a}}{3 \omega_{0}^{2}},\qquad f_{-2}^{(3)}=\frac{59 A_{1}^{3} a \overline{a}^{3}}{54 \omega_{0}^{6}} - \frac{31 A_{1} A_{2} a \overline{a}^{3}}{12 \omega_{0}^{4}} + \frac{4 A_{3} a \overline{a}^{3}}{3 \omega_{0}^{2}}$
$f_{4}^{(3)}=\frac{A_{1}^{3} a^{4}}{54 \omega_{0}^{6}} + \frac{A_{1} A_{2} a^{4}}{12 \omega_{0}^{4}} + \frac{A_{3} a^{4}}{15 \omega_{0}^{2}},\qquad f_{-4}^{(3)}=\frac{A_{1}^{3} \overline{a}^{4}}{54 \omega_{0}^{6}} + \frac{A_{1} A_{2} \overline{a}^{4}}{12 \omega_{0}^{4}} + \frac{A_{3} \overline{a}^{4}}{15 \omega_{0}^{2}}$

规律

(查看输出结果)

• $\omega_{2k}\ne 0,\omega_{2k+1}=0$
• 圆频率修正的大小和振幅相关，而线性振子的圆频率和振幅无关。这是非线性振子的特性
• 阶数$k$与频谱修正项关系：
  • 共轭：$f_n^{(k)}=\overline{f_{-n}^{(k)}}$
  • k阶的频谱修正$f_n^{(k)}$只对有限个$n$不为0，且k越大不为零的数量越多
    • $k=1: n=0,\pm 2$
    • $k=2: n=\pm 3$
    • $k=3: n=0,\pm 2,\pm 4$
  • 奇偶性：k为奇数时，存在对$f_0$（也就是平衡位置）的修正。这是因为谐振子该阶项对应的受力始终沿着一个方向；k为偶数时对$f_0$的修正为0
• 非线性项$A_i$对频谱修正的关系：
  • $A_k$对频谱的影响从第$k$阶开始出现，会出现无限多包含$A_k$的项

分别代入各$A_i$的情况

一些性质：

• 不同$A_i$产生的频谱不能叠加（因为存在$A_1A_2$这样的项）
• $A_1$对各阶修正频率的影响：
  • $A_{2k}$只影响$\omega_{2k},\omega_{2k+2},\cdots$
  • $A_{2k+1}$只影响$\omega_{2k+1},\omega_{2k+3},\cdots$
• $A_1$对各阶修正频谱的影响：
  • $A_{2k}$对所有阶数$\ge 2k$的$f_n^{k}$有影响
  • $A_{2k+1}$只影响奇数阶项:$f^{2k+1},f^{2k+3},\cdots$