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 ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
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
|