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
Метод последовательното подбора частот системы, который был изложен в примере предыдущего параграфа, применим к любой системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которая может быть записана в нормальной форме и удовлетворяет некоторым условиям регулярности, по крайней мере локально. Однако желательно, чтобы такая регулярность распространялась на некоторую область. В этом случае мы можем считать, что система имеет вид или в векторной форме — При помощи перехода в котангенциальное пространство Дирака система (2.4.1) может быть цриведена к каноническому виду, если определить вектор канонически сопряженных обобщенных импульсов $\boldsymbol{y}\left(y_{i} ; i=1, \ldots, n\right)$ и тамильтониан Уравнения движения имеют вид и предположим, что система уравнений интегрируема в некоторой области $D 2 n$-мерного фавового пространства $(\xi, \eta)$ при $0 \leqslant t \leqslant T$. Предноложим, что функции $f(x, t, \varepsilon)$ принадлежат по крайней мере классу $C^{2}$ в $D$, непрерывны по $t$ прп $t \in[0, T]$ п аналитичны по $\varepsilon$ при $0 \leqslant \varepsilon \leqslant 1$. Этими же свойствами, следовательно, обладает функция $H$. Таким образом, ограничение, заключающееся в предположении о гамильтоновости исходной системы уравнений, весьма несущественно и, следовательно, особую важность приобретают методы теории возмущений для гамильтоновых систем ${ }^{1}$ ). С точки зрения предыдущих рассмотрений логичным является вопрос о получении оценки лучшей, чем оденка (2.2.15). Гамильтониан рассматриваемой системы (2.2.13) имеет вид и соответствующая каноническая система уравнений записывается так: Предположим, что при $\varepsilon=0$ система интегрируема. Действительно, первая группа уравнений (2.4.5) интегрируема по введенному ранее предшоложению и имеет решение $x_{i}=x_{i 0}(t)$. Подстановка этих выражений во вторую часть уравнений приводит к системе линейных уравнений которая, очевидно, интегрируема при $t$ из интервала определения решения $x_{i 0}(t)$. Запишем решение системы (2.4.5) в виде где при $i=1, \ldots, n$ Из теоремы Якоби следует, что решение системы (2.4.4) может быть записано в виде еслп $\alpha, \beta$ — функции времени, удовлетворяющие уравнениям где $i=1, \ldots, n$. Но система (2.4.6) является системой изученного ранее типа (уравнение (2.2.6)), и к ней примени́м метод последовательных приближений, дающий такой критерий сходимости который при $M^{\prime} \approx M$ является лучшей оценкой, чем оценка (2.2.15) для системы (2.2.13). Теперь вернемся к главной цели настоящего параграфа и опишем основные идеи и основные этапы осуществления метода Линдстедта, изложенного Пуанкаре на языке канонических систем. Рассмотрим автономную динамическую систему с гамильтонианом где $y, x-2 n$-мерные векторы, определенные в фазовом пространстве размерности $2 n, \varepsilon$ — безразмерный постоянный параметр, а функция $H$ — вещественная и аналитическая в некоторой области $D$ фазового пространства и $\varepsilon$ из $[0,1]$. Мы еще раз подчеркнем тот факт, что любая аналитическая система уравнений $\dot{z}=f(z, \varepsilon)$ может быть сведена к тамильтоновой форме введением котангенциального фазового пространства. Главная функция Гамильтона $W(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{X}, \varepsilon)$ определяется решением уравнения в частных производных где $\boldsymbol{K}(\boldsymbol{X}, \varepsilon)$ — гамильтониан системы, записанной через новые переменные $\boldsymbol{Y}, \boldsymbol{X}$, которые определяются уравнениями При выполнешии вышеперечислених условий относительно функции $H$ функция $W$, удовлетворяющая уравнению (2.4.8), безусловно существует (в смысле Якоби), так как система дифференциальных уравнений, соответствующая функции Гамильтона (2.4.7), имеет единственное решение в $D$. Решение очевидно будет аналитической функцией $\varepsilon$ и $n$ постоянных интегрирования $X_{1}, \ldots, X_{n}$ из $D$. Мы предположим, что система дифференциальных уравнений, соответствующих функции $H(y, x, 0)=H_{0}(y, x)$, интегрируема в смысле Лиувилля, т. е. в $D$ существует $n$ независимых первых общих интегралов движения. Если $x_{1}^{\prime}, \ldots, x_{n}^{\prime}$ такие интегралы, т. е. $x_{k}^{\prime}(y, x)=\alpha_{k}$ вдоль решений системы с гамильтонианом (2.4.7) при $\varepsilon=0$ и в области $D$, то, вообще говоря, угловые переменные $\boldsymbol{y}_{k}^{\prime}$, канонически сопряженные переменным действие $x_{k}^{\prime}$, имеют частоты (по времени), которые являются линейно независимыми на множестве целых чисел, и, следовательно, движение будет условно-периодическим (почти-периодическое движение будет в случае, соответствующем системе с бесконечным набором базисных частот). Через эти переменные, называемые переменными действие — угол, гамильтонтан (2.4.7) можно записать в виде $H^{\prime}\left(y^{\prime}, x^{\prime}, \varepsilon\right)$ с очевидным условием $H^{\prime}\left(\boldsymbol{y}^{\prime}, \boldsymbol{x}^{\prime}, 0\right)=H_{0}^{\prime}\left(\boldsymbol{x}^{\prime}\right) . \quad$ Следовательно, при предшоложенип об интегрируемости (в упомянутом специальном смысле) спстемы с гамильтонианом $H_{0}(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{x})$, не теряя общности, можно считать, что гамильтониан зависит только от импульсов $\boldsymbol{x}$. Также логично ожидать, что почти во всей области $D$ частоты $\omega_{k}^{0}=\partial H_{0} / \partial x_{k}$ являются линейно независимыми на множестве целых чисел. В частности, из этого следует, что в $D$ ни одна из частот не равна нулю или, более точно, все импульсы присутствуют в гамильтониане. Теперь задача сводится $\kappa$ такой, при которой функция $\boldsymbol{H}(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}, 0)$ не зависит от $\boldsymbol{y}$ и, следовательно, главная функция Гамильтова $W(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{X}, 0)$ является производящей функцией тождественного преобразования, т. е. Мы будем предполагать, что функция $W$ является аналитической по $\varepsilon$ при $\varepsilon=0$, и, следовательно, при достаточно малых $\varepsilon$ можно считать где Отсюда следует, что (2.4.9) можно записать в виде при $k=1, \ldots, n$ и достаточно малом $\varepsilon$. Отображения типа (2.4.12) широко изучались главным образом в работах Мозера [75, 77, 78, 83]. При сделанных предположениях можно показать, что существуют формальные ряды (2.4.11), являющиеся решением уравнения (2.4.8) до любого порядка (степени) по $\varepsilon$. Введем понятие среднего значения $\langle f\rangle$ условно-периодической функции $f\left(y_{1}, \ldots, y_{n}\right)$ переменных $y_{k}=\omega_{k} t+y_{k}^{0} \quad\left(\omega_{k}-\right.$ постоянные величины, линейно независимые на множестве целых чисел) с помощью выражения В обобщенном смысле условно-периодическая функция $f$ при $\langle f\rangle=0$ будет называться чисто условно-периодической. Очевидно, что если $f$ представить в виде ряда Фурье по $n$ угловым переменных $y_{1}, \ldots, y_{n}$, то $\langle f\rangle$ будет равно постоянному члену в ряде Фурье. С другой стороны, в общем случае, если $\langle f\rangle=0$, то что является очевидным следствием определения (2.4.13) для условпо-периодической функции $f$, принадлежащей классу $L_{2}$ п $t \in R$. Функция $F(t)$, удовлетворяющая условию называется функцией, свободной от секулярных членов. Любая условно-периодическая функция из класса $L_{2}$ удовлетворяет этому условию. Из предположения об интегрируемости системы с функцией Гамильтона $\boldsymbol{H}_{0}$ следует, что записанный через переменные действие — угол $\boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}$, гамильтониан $\boldsymbol{H}(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}, \varepsilon)$ является условнопериодической функцией, если, например, он имеет сходящиеся многомерные ряды Фурье относительно $y_{1}, \ldots, y_{n}$ при $\varepsilon \in[0,1]$ п $\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \in D$. Формальные ряды для $S$ и $K$ теперь получаются прямой подстановкой (2.4.10) и (2.4.11) в (2.4.8), т. е. Разложение первого из этих выражений в ряд Тейлора (который по предположению сходится) даєт в символической записи где запись $\partial H_{k} / \partial X_{l}$ означает $\partial H_{k} /\left.\partial x_{l}\right|_{x=X}$. В этих уравнениях, например, Восбще, $\Phi_{p}(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{X})$ является функцией от $S_{1}, \ldots, S_{p-1}, K_{1}, \ldots$ $\ldots, K_{p-1}$, так что решения уравнений (2.4.17) можно получать только последовательно. Один из способов получения $K_{p}(\boldsymbol{X})$ заключается в использовании процедуры усреднения где предиолагается, что все $y_{k}$ представляются линейными функциями времени $y_{k}=\omega_{k}^{0} t+y_{k}^{0}$, а все $\omega_{k}^{0}$ линейно независимы на множестве целых чисел (т. е. рационально независимы). Получающаяся функция $K_{p}(\boldsymbol{X})$, разумеется, от времени $t$ не зависит. Отсюда следует, что функция является чисто условно-периодической при учете предположений относительно функции $\boldsymbol{H}(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}, \varepsilon)$. Приближение $p$-го порядка для производящей функции $S_{p}$ получается из линейного уравнения где $\omega_{k}^{0}=\partial H_{0} / \partial X_{k}$. Теперь сталовится очевидным, что если все $\omega_{k}^{0} где функция $G_{p}(\boldsymbol{X})$ произвольна. Разумеется, если одна из частот $\omega_{k}^{0}$ равна нулю, то эту процедуру использовать нельзя, по крайней мере до тех пор, пока для функции $F_{p}(\boldsymbol{y}, \boldsymbol{X})$ не будет выполнено условие для этого $y_{k}$. Легко показать, что для $y_{k}=\omega_{k}^{0} t+y_{k}^{0}$. Все эти соотношения справедливы для любого порядка $p$ и, следовательно, можно определить формальные ряды такие, что функция $\varepsilon S_{1}+\varepsilon^{2} S_{2}+\ldots$ будет условно-периодической и свободной от секулярных члевов. Случаи, когда некоторая частота $\omega_{k}^{0}$ равна нулю или мала в некотором смысле, будут изучены в главе $\mathrm{V}$ в связи с общей проблемой резонанса. Форзально система решается в любом желаемом приближении, и «решение» в новых переменных $(\boldsymbol{Y}, \boldsymbol{X})$ имеет вид где Здесь $O\left(\varepsilon^{p+1}\right)$ — члены такого наинизшего порядка, которыми пренебрегают после получения последних приближений $S_{p}$ п $K_{p}$. Их также можно интерпретировать как опибку или как оценку ошибки в репении. Разумеется это можно сделать только в случае сходимости метода. С этой проблемой мы будем иметь дело в следующих двух главах настоящей книги. Грубая оценка, проведенная в работе Кинера [64], показывает, что верхняя ошибка эквивалентна ошибке, полученной Боголюбовым и Митропольским [8] для канонического метода усреднения Крылова — Боголюбова Митропольского и в действительности, как было показано в работе Бурштейна и Соловьева [9.1], эквивалентна ошибке метода Пуанкаре. Эта ошибка пропорциональна $\varepsilon$ при $t \sim 1 / \varepsilon^{p}$ (го крайней мере). Сходимость рассматриваемого здесь метода в некоторых частных случаях будет изучена в главе III. где $N_{k}, W_{k}$ — условно-периодические и свободные от секулярных членов функции переменных $Y_{1}, \ldots, Y_{n}$. Ясно, что в большинстве случаев основная ошибка будет заключаться в частоте $\omega_{k}$, так как любая такая ошибка линейно умножается на время. При практическом применении лучшим способом избежать потери точности является численное получение эначений $\omega_{k}$ при усреднении $\left\langle y_{k}\right\rangle$ по времени $t$. Такое усреднение, если выполнены соотношения $(2.4 .25)$, очевидно, даст значения $\omega_{k}$. Подобное использование «наблюдаемости» уничтожит методические ошибки, вызванные неточностью вычисления частот $\omega_{k}$.
|
1 |
Оглавление
|