Главная > АСИМПТОТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ (Н. Н.МОИСЕЕВ)
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

Подобно тому как изучение методов осреднения мы начали с рассмотрения простейших примеров и метода Ван-дер-Поля, изложение асимптотических методов большого параметра мы начнем также с рассмотрения простейших асимптотических решений и проведем рассуждения, опираясь на ингуитивные соображения.
Рассмотрим уравнение (\%)
\[
\ddot{y}+\lambda^{2} \omega^{2}(t) y=0 .
\]

Здесь $\lambda>0-$ большой параметр $\lambda \gg 1$ и $\omega^{2}(t) \geqslant \alpha>0$. Если бы функция $\omega(t)$ была постоянной величиной, то решения уравнения (1.1) имели бы вид
\[
y_{\mathrm{t}, 2}=\exp \left( \pm i \lambda_{\omega} t\right) .
\]

Кажется, что при достаточно большом $\lambda$ поведение решений при $\omega=\omega(t)$ должно хорошо описываться функцией
\[
\exp \left( \pm i \lambda \int_{0}^{t} \omega(t) d t\right) .
\]

В самом деле, если $\lambda$ достаточно велико, то решения уравнения (1.1) будут быстро осциллирующими функциями и за один период осцилляции функция $\omega(t)$ быстро измениться не сможет. Значит, в каждый момент времени линейно независимые решения можно аппроксимировать функциями
\[
y_{1,2} \approx \exp ( \pm i \lambda \bar{\omega} t),
\]

где $\bar{\omega}-$ среднее значение функции $\omega(t)$, причем $\bar{\omega} t$ мало отличается от $\int \omega(t) d t$.

Используя эти наводящие соображения, будем искать решения уравнения (1.1) в виде
\[
y_{1,2}=\exp \left[ \pm i \lambda \int_{0}^{t} \omega(t) d t\right] z(t, \lambda) .
\]

Экспоненциальный множитель в выражении (1.2) описывает быструю осцилляцию. Поэтому можно ожидать, что функция $z(t, \lambda)$ меняется медленно,

Дифференцируя дважды (1.2), подставляя в (1.1) и сокращая экспоненциальный множитель, мы получим уравнение относительно $z(t, \lambda)$
\[
\ddot{z} \pm 2 i \lambda \omega \dot{z} \pm i \lambda \dot{\omega} z=0
\]

или
\[
\frac{1}{\lambda} \ddot{z} \pm 2 i \omega \dot{z} \pm i \dot{\omega} z=0 .
\]

Первая производная функции $z(t, \lambda)$ мала, вторая производная, по-видимому, должна быть еще более малой величиной; к тому же она умножается на величину $1 / \lambda$, которая мала по условию. Следовательно, мы не сделаем большой ошибки, если отбросим в (1.3) слагаемое ( $1 / \lambda) \ddot{z}$. Уравнение (1.3) после этой процедуры превращается в уравнение первого порядка. Переменные в нем разделяются, и мы получаем
\[
z(t)=\frac{C}{\sqrt{\omega(t)}},
\]

где $C$ – произвольная постоянная.
Таким образом, мы получили следующие приближенные выражения для обоих линейно независимых интегралов уравнения (1.3):
\[
y_{1,2}^{*}=\frac{C_{1,2}}{\sqrt{\omega(t)}} \exp \left[ \pm i \lambda \int_{0}^{t} \omega(t) d t\right]
\]

или в тригонометрической форме
\[
\left.\begin{array}{l}
y_{1}^{*}=\frac{A}{\sqrt{\omega}} \cos \left(\lambda \int_{0}^{t} \omega(t) d t\right), \\
y_{2}^{*}=\frac{B}{\sqrt{\omega}} \sin \left(\lambda \int_{0}^{t} \omega(t) d t\right),
\end{array}\right\}
\]

где $A$ и $B$ – произвольные постоянные.
Функции (1.4) и (1.5) обычно называются WBKJ-решениями. Мы предполагали, что $\omega^{2}(t) \geqslant a>0$. Но все рассуждения сохраняют свою силу и в том случае, когда $\omega^{2}(t) \leqslant \alpha<0$, т. е. когда вместо уравнения (1.3) рассматривается уравнение
\[
\ddot{y}-\lambda^{2} \omega_{1}^{2}(t) y=0
\]

при $\omega_{1}^{2}(t) \geqslant \alpha>0$.
Для этого уравнения WBKJ-решения будут иметь вид
\[
y_{1,2}=\frac{C_{1,2}}{\sqrt{\omega(t)}} \exp \left( \pm \lambda \int_{0}^{t} \omega(t) d t\right) .
\]

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru