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multiple time scale dynamics with two fast variables and one slow ...

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TABLE OF CONTENTS<br />

Biographical Sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii<br />

Dedication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv<br />

Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v<br />

Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii<br />

List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x<br />

List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi<br />

1 Introduction 1<br />

1.1 Fast-Slow systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />

1.1.1 Basic Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1<br />

1.1.2 Fenichel Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />

1.1.3 Canards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />

1.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />

1.2.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />

1.2.2 Main Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />

2 Tracking Invariant Manifolds 15<br />

2.1 Simple Jumps <strong>and</strong> Transversality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />

2.2 The FitzHugh-Nagumo Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />

2.3 The Exchange Lemma I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />

2.4 The Exchange Lemma II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />

2.5 A Proof in R 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />

2.6 Fast Waves in FitzHugh-Nagumo Equation . . . . . . . . . . . . . 53<br />

3 Paper I: “Homoclinic orbits of the FitzHugh-Nagumo equation: The<br />

singular limit” 60<br />

3.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60<br />

3.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />

3.2.1 Fast-Slow Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />

3.2.2 The FitzHugh-Nagumo Equation . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />

3.3 The Singular Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />

3.3.1 The Slow Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />

3.3.2 The Fast Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69<br />

3.3.3 Two Slow Variables, One Fast Variable . . . . . . . . . . . . 74<br />

3.4 The Full System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80<br />

3.4.1 Hopf Bifurcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80<br />

3.4.2 Homoclinic Orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />

3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />

3.6 Additions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />

viii

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