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 Перенесем теперь определение устойчивости равновесного решения на любые другие решения системы дифференциальных уравне- ний $\dot{x}_{k}=f_{k}(x)(k=1, \ldots, m)$. Пусть $m$ функций $f_{k}(x)$ удовлетворяют условиям Липшица в области $\mathfrak{R} m$-мерного действительного $x$-пространства и пусть $x=x(t)$ – некоторое решение нашей системы, которое для всех действительных моментов времени остается в $\mathfrak{R}$. Под окрестностью этого решения будем понимать открытое подмножество $\mathfrak{U}$ множества $\mathfrak{R}$, которое содержит внутри себя всю рассматриваемую траекторию $x=x(t)$. Может случиться, что траектория проходит произвольно близко к каждой точке $\mathfrak{R}$, так что само $\mathfrak{R}$ будет единственной такой окрестностью. Чтобы устранить эту и другие подобные ей трудности, определим устойчивость только для периодических решений $x(t)$. Назовем такое периодическое решение устойчивым, если для каждой окрестности $\mathfrak{U}$ его траектории можно найти такую другую окрестность $\mathfrak{B}$, что траектория, начинающаяся в произвольной точке $\mathfrak{B}$, лежит полностью в $\mathfrak{U} ;$ при этом очевидно, что $\mathfrak{B} \subset \mathfrak{U}$. Соответственно можно обобщить данные в $\S 23$ определения неустойчивости и смешанного случая. В частности, если периодическое решение является равновесным решением, то новые определения совпадают со старыми. можно дать более слабое определение устойчивости периодического решения $x=x(t), y=y(t)$. Пусть для этого исходного решения $E=\gamma$ и пусть $\mathfrak{R}$ и $\mathfrak{U}$ определены так же, как и выше. Под окрестностями мы теперь понимаем $(2 n-1)$-мерные сечения $\mathfrak{U}_{\gamma}$ множества $\mathfrak{U}$ поверхностью $E=\gamma$. В соответствии с этим можно говорить об изоэнергетической устойчивости, если для каждой окрестности $\mathfrak{U}_{\gamma}$ заданной замкнутой траектории существует такая окрестность $\mathfrak{B}_{\gamma}$, что траектория, начинающаяся в любой точке $\mathfrak{B}_{\gamma}$, остается в $\mathfrak{U}_{\gamma}$. Совершенно ясно, что из устойчивости следует изоэнергетическая устойчивость. Соответственно можно определить изоэнергетическую неустойчивость и смешанный случай. Будем далее рассматривать систему Гамильтона (1) только для $n=2$ и предположим, что $E$ будет аналититической на $\mathfrak{R}$. Как и в $\S 20$, для периодического решения системы можно определить сохраняющее объем аналитическое отображение $S$, имеющее начало координат своей неподвижной точкой. Вопрос о наличии изоэнергетической устойчивости, неустойчивости или смешанного случая для исходного решения, очевидно, сводится к вопросу о том, будет ли отображение $S$ в начале координат устойчивым, неустойчивым или смешанным. Напишем аналитическое отображение $S$, сохраняющее объем, в виде где степенные ряды для $g(x, y)$ и $h(x, y)$ сходятся в некоторой окрестности начала координат и имеют действительные коэффициенты. Для собственных значений $\lambda$ и $\mu$ матрицы линейной части отображения (2) будем иметь $\lambda \mu=1$, поскольку $a d-b c=1$. В гиперболическом случае $\lambda$ и $\mu$ будут действительными и различными. Для этого случая неустойчивость $S$ была уже доказана в §21. Обобщение этого результата на случай числа измерений, большего двух, было сделано Леви-Чивита [1] и представляет собой аналог первой части теоремы Ляпунова. В параболическом случае $\lambda=\mu= \pm 1$. Случай $\lambda=\mu=-1$ можно свести к случаю $\lambda=\mu=1$, если рассматривать вместо $S$ преобразование $S^{2}$. Леви-Чивита также исследовал этот случай и установил условие для коэффициентов квадратичных членов преобразования $S$, которое является необходимым для устойчивости. В эллиптическом случае $|\lambda|=1, \lambda^{2} Можно даже доказать, что для случая $q=3$ имеет место неустойчивость $S$, если не выполнено некоторое простое условие для коэффициентов квадратичных членов. Запишем отображение $S$ в комплексной форме где степенной ряд относительно $z$ и $\bar{z}$ сходится при достаточно малых значениях $r^{2}=x^{2}+y^{2}=z \bar{z}$, и докажем, что при $c и, заменяя $z, z_{1}$ на $\rho z, \rho z_{1}$, где $\rho \bar{\rho}^{-2}=9 \lambda^{2} c$, будем иметь где $|\eta| r<\frac{1}{2}$ для достаточно малых $r<r_{0}$. Положим еще и пусть для $z=z_{0}$ при всех $n$ будет $\left|z_{n}\right|<r_{0}$. Тогда, согласно (4), получим что означает монотонность последовательности $X_{n}$. Так как эта последовательность в силу неравенства $\left|X_{n}\right| \leqslant\left|Z_{n}\right|<r_{0}^{3}$ ограничена, то, в частности, разность $X_{n+1}-X_{n}$ стремится к нулю, как для $n \rightarrow \infty$, так и для $n \rightarrow-\infty$, следовательно, в силу (5) $R_{n} \rightarrow 0$, а поэтому $X_{n} \rightarrow 0$, следовательно, $X_{n}=0$ для всех $n$ и вместе с тем $R_{n}=0$ для всех $n$. Поэтому обязательно $z=0$, что и доказывает неустойчивость. Впрочем, легко видеть, что для сохраняющего объем отображения $S$, вообще говоря, $c Подобным же образом для произвольного $q>0$ можно рассмотреть пример неустойчивого отображения, сохраняющего объем [2], при котором $\lambda$ будет примитивным корнем $q$-й степени из единицы. Как было показано в § 21, двумерное отображение, сохраняющее объем, можно представить с помощью производящей функции $w=w(x, \eta)$ в виде если $w_{x \eta} Пусть при этом $f(u, v)$ будет многочленом от $u$ и $v$, начинающимся с членов третьей степени и удовлетворяющим условию $f(v, u)=$ $=-\bar{f}(u, v)$. Тогда $w$ будет многочленом от $x$ и $\eta$ с действительными коэффициентами и $w_{x \eta}=1+\ldots$; следовательно, $w_{x \eta} и, далее, $2 i \eta=u-v, 2 x=\mu u+\lambda v$. Полагая $z=x+i y, \zeta=\xi+i \eta$, напишем преобразование в комплексной форме Поэтому $\lambda$ и $\mu$ будут собственными значениями рассматриваемого отображения. Рассмотрим частный случай который и дает функцию с нужными свойствами. Если обозначить через $A_{l}$ и $B_{l}$ сходящиеся степенные ряды относительно $z$ и $\bar{z}$, которые начинаются с членов степени $l$, то, обращая формулы (8), получим Так как $\lambda^{q}=1$, то и соотношение (9) дает тогда в явном виде преобразование Нужно доказать, что $S$ неустойчиво в точке $z=0$. Из формулы (10) следует откуда, используя сокращенные обозначения при достаточно малом $\delta>0$ получим оценку если $R_{n}<\delta$. Отсюда можно заключить, как и из неравенства (5), что преобразование (10) неустойчиво. При замене (7) существенно, чтобы было $q Остается рассмотреть случай, когда $|\lambda|=1$, но $\lambda$ не является корнем из единицы. Как показано в $\$ 21$, в этом случае отображение (2) с помощью сохраняющей объем подстановки $C$, выраженной формальными степенными рядами, можно привести к нормальной форме При этом $u=\lambda+\ldots, v=\mu+\ldots$ будут формальными степенными рядами по $\omega=\xi \eta$; далее, $u v=1$, и условие вещественности $v=\bar{u}$ выполнено. В случае сходимости ряда для $C$ действительным значениям первоначальных переменных $x, y$ соответствуют комплексно сопряженные значения $\xi, \eta=\bar{\xi}$, и тогда формулы (12) показывают, что $\left|\xi_{1}\right|=|\xi|$. Следовательно, при этом отображении сохраняются все концентрические окружности в плоскости $\xi$ с центром в точке $\xi=0$. Отсюда видно, что в случае сходимости ряда для преобразования к нормальной форме $U$, отображение $S$ будет обязательно устойчиво в точке $x=0, y=0$. Но относительно сходимости ряда для подстановки $C$ имеет место положение, аналогичное рассмотренному в § 28 в связи с вопросом о существовании нормальной формы системы Гамильтона. Именно, можно дать примеры сохраняющих объем эллиптических отображений, для которых $C$ расходится, и можно даже установить необходимое условие для сходимости $C$ в виде бесконечного числа независимых аналитических уравнений для коэффициентов разложений (2) функций $g(x, y)$ и $h(x, y)$. Это показывает, что, как правило, встречается случай расходимости, а случай сходимости является исключением. При изучении теоретико-функциональной проблемы центра было показано, что из устойчивости вытекает сходимость ряда Шрёдера, следовательно, сходимость ряда для преобразования конформного отображения к нормальной форме. Но метод доказательства § 23 нельзя перенести на рассматриваемый случай, так как для сохраняющих объем отображений нет теоремы, аналогичной теореме Римана в теории конформных отображений. Дифференциальное уравнение $\varphi_{x} \psi_{y}-\varphi_{y} \psi_{x}=1$ не имеет столь хорошо развитой теории, как система $\varphi_{x}=\psi_{y}, \varphi_{y}=-\psi_{x}$. Нужно еще заметить, что неизвестен пример эллиптического преобразования $S$ с $\lambda^{n} Предположим теперь, что формальный степенной ряд, участвующий в нормальной форме (12), не сводится к постоянной, т.е. что не тождественно $u=\lambda$. Тогда теорема Биркгофа о неподвижной точке, доказанная в $\S 22$, гласит, что в каждой окрестности $\mathfrak{U}$ начала координат и для каждого достаточно большого натурального $n>n^{0}(\mathfrak{U})$ можно найти отличные от начала координат неподвижные точки преобразования $S^{n}$, все образы которых при $S^{k}(k=1,2, \ldots, n)$ также лежат в $\mathfrak{U}$. Но отсюда, в частности, следует, что $S$ не является неустойчивым. Следовательно, вообще не будет неустойчивости, если степенной ряд $u$ не равен тождественно постоянной. Остается открытым вопрос о том, имеет ли в этом случае место устойчивость или смешанный случай. Как уже было замечено, не известно примера для смешанного случая, и не известно, будет ли при $u=\lambda$ действительно неустойчивость. Если бы это удалось доказать, то был бы получен пример со сходящимся рядом $u$ и расходящейся подстановкой $C$; не известно также, возможно ли такое сочетание. Если мы выразим произведение переменных $\omega=\xi \eta$, входящих в нормальную форму (12), через старые переменные $x$ и $y$, то получим формальный степенной ряд $\omega=\varphi(x, y)$, который в силу тождества $\xi_{1} \eta_{1}=\xi \eta$ остается инвариантным при данном отображении $S$. Следовательно, $\varphi(x, y)$ является аналогом интеграла дифференциальных уравнений. Аналогично теореме Дирихле можно легко показать, что $S$ всегда будет устойчивым в окрестности начала координат, когда существует сходящийся степенной ряд по $x$ и $y$, инвариантный при $S$, который имеет в начале координат экстремум в строгом смысле. Конечно, опять-таки существуют примеры эллиптических отображений, сохраняющих объем с $\lambda^{n} Таким образом, для случая $|\lambda|=1, \lambda^{n} Согласно подходу Ферми [3], можно рассуждать следующим образом. В случае устойчивости в каждой окрестности начала координат $\mathfrak{U}$ лежит односвязная инвариантная относительно $S$ окрестность $\mathfrak{B}$. Примем теперь, что $\mathfrak{B}$ имеет границу, которую можно представить уравнением $F(x, y)=0$. Если написать такое уравнение для семейства окрестностей $\mathfrak{U}=\mathfrak{U}_{\gamma}$, зависящих от параметра $\gamma$, то получится семейство уравнений $F(x, y, \gamma)=0$. Если эти уравнения удастся разрешить относительно $\gamma$ и если уравнение $\varphi(x, y)=\gamma$, кроме того, будет аналитическим по $x$ и $y$, то этим будет доказано существование сходящегося инвариантного степенного ряда, так как при отображении $S$ каждая граница $\varphi(x, y)=\gamma$ переходит в себя. Наконец, следовало бы установить аналитическими методами, что в общем случае сохраняющее объем преобразование $S$ не имеет сходящегося инварианта. Этим самым было бы доказано утверждение, что в общем случае устойчивости не будет. Попытки провести строгое доказательство этого утверждения представляются нам довольно безнадежными. Пока даже не доказано, что границей $\mathfrak{B}$ является кривая, Биркгоф, используя приемы доказательства своей теоремы о неподвижной точке, пытался показать, что $\mathfrak{B}$ будет при достаточно малой окрестности $\mathfrak{U}$ звездообразной, если формальный степенной ряд $u$, входящий в нормальную форму (12), не сводится только к свободному члену, и что тогда граница $\mathfrak{C}$ области $\mathfrak{B}$ может быть представлена в полярных координатах $r, \vartheta$ с помощью сходящегося ряда Фурье Если использовать инвариантность $\mathfrak{C}$ при отображении $S$, то для коэффициентов Фурье $c_{n}$ получится система из бесконечного числа аналитических уравнений с бесконечным числом неизвестных, и притом эта система должна иметь бесконечно много решений, так как можно выбирать произвольно малую окрестность $\mathfrak{U}$. Однако удовлетворительной трактовки этой системы уравнений не найдено. Дадим набросок еще одной неудачной попытки. Пусть все произведения степеней $x^{k} y^{l}(k+l>0)$ расположены в каком-либо фиксированном порядке по возрастающим степеням и объединены в вектор-столбец $\mathfrak{z}$ с бесконечно многими составляющими. Пусть соответственно $\mathfrak{z}_{1}$ будет столбцом из произведений $x_{1}^{k} y_{1}^{l}$, которые получаются из $x^{k} y^{l}$ преобразованием $S$. Тогда $\mathfrak{z}_{1}=\mathfrak{M}_{\mathfrak{z}}$, где $\mathfrak{M}-$ некоторая бесконечная матрица с постоянными элементами. В случае устойчивости существует бесконечная последовательность содержащихся друг в друге инвариантных областей интегрирования $\mathfrak{B}_{\gamma},(\gamma=1,2, \ldots)$, которые стягиваются к началу координат. Если положить TO поскольку $S$ сохраняет объем и $\mathfrak{B}_{\gamma}$ инвариантно. Таким образом, задача приводится к исследованию собственных векторов матрицы $\mathfrak{M}$, а здесь и появляются нерешенные вопросы. Наконец, следует привести еще два простых примера сохраняющих объем эллиптических отображений, более тщательное изучение которых, быть может, приведет к новым точкам зрения на проблему устойчивости. Составим $S=T R$ из двух отображений $T$ и $R$, сохраняющих объем. Пусть $R$ будет вращением, которое запишем в комплексной форме $\zeta=\lambda z \mathrm{c}|\lambda|=1$; пусть, далее, $T$ имеет в действительных координатах вид $\xi=x+f(y), \eta=y$, где $f(y)$ обозначает сходящийся степенной ряд по $y$ с действительными коэффициентами, начинающийся с членов второго порядка. Очевидно, что $S$ имеет собственные значения $\lambda$ и $\mu=$ $=\bar{\lambda}$ и будет сохранять объем, поскольку $T$ и $R$ также его сохраняют. Если выбрать, в частности, $f(y)=-4 y^{2}$, то $T$ можно записать в комплексной форме $\zeta=z+(z-\bar{z})^{2}$. При этом для $S$ получается формула а для $S^{-1}-$ формула таким образом, речь идет об обратимом целом рациональном, сохраняющем объем отображении $S$, и все степени $S^{n}(n= \pm 1, \pm 2, \ldots)$ являются многочленами по обеим переменным $x$ и $y$. При $\lambda=1$ будем иметь $S=T$, тогда, очевидно, получается смешанный случай. При $\lambda=-1$ отображение $S^{2}$ тождественно, и стало быть, $S$ устойчиво. При $\lambda^{3}=1$, $\lambda если дополнительно предположить, что $2 \lambda^{2}+\lambda+2 здесь отображение рационально и сохраняет площадь, но не является бирациональным.
|
1 |
Оглавление
|