Главная > ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ УСТОЙЧИОСТИ И БИФУРКАЦИЙ (Ж.Йосс, Д. Джозеф)
<< 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

Рассмотрим эволюционное уравнение вида
\[
\frac{d \mathbf{u}}{d t}=\tilde{\mathscr{F}}(\mu, \mathbf{u}, \delta) \text { для } \mathbf{u} \text { в } H,
\]

где $H$ есть $\mathbb{R}^{n}$ или некоторое другое функциональное пространство, определенное для бесконечномерных задач, таких как задачи с дифференциальными уравнениями в частных производных, удовлетворяющими условиям, принятым в §§ VI.6-8. Далее будем считать, что $\mathbf{u}=0$ есть решение уравнения
\[
\tilde{\mathscr{F}}(\mu, \mathbf{u}, 0)=0,
\]

которое строго теряет устойчивость, когда $\mu$, возрастая, проходит через нуль. Отсюда следует, что (VI.64) имеет двойную точку бифуркации $(\mu, \mathbf{u})=(0,0)$. Спектральная задача, связанная с анализом устойчивости решения $\mathbf{u}=0$, описывается уравнением
\[
\sigma(\mu) \zeta(\mu)=\tilde{\mathscr{F}}_{a}(\mu, 0,0 \mid \zeta(\mu)) .
\]

Для критического значения $\sigma(0)=0$ есть изолированное простое собственное значение оператора $\mathscr{F}_{u}(\cdot)$ и сопряженного оператора $\mathscr{F}_{u}^{*}(\cdot)$, т. е.
\[
\mathscr{F}_{u}(\zeta) \stackrel{\text { def }}{=} \tilde{\mathscr{F}}_{u}(0,0,0 \mid \zeta)=0, \quad \zeta=\zeta(0),
\]

и
\[
\mathscr{F}^{*}\left(\zeta^{*}\right)=0 .
\]

Все другие собственные значения оператора $\mathscr{F}_{a}(\cdot)$ имеют отрицательные вещественные части. Оператор $\mathscr{F}_{u}(\cdot)$, такой, что уравнение
\[
\mathscr{F}_{a}(v)=\mathbf{f}
\]

имеет единственное решение с точностью до аддитивного члена, пропорционального вектору $\zeta$, который удовлетворяет уравнению (VI.65), если
\[
\left\langle\mathbf{f}, \zeta^{*}\right\rangle=0,
\]

где $\zeta^{*}$ удовлетворяет уравнению (VI.66), и
\[
\mathbf{v}=\boldsymbol{\zeta}+\mathbf{w},\left\langle\mathbf{w}, \zeta^{*}\right\rangle=0 ;
\]
$\mathbf{w}=\mathscr{F}_{u}^{-1}(f)$, а $\mathscr{F}_{u}^{-1}(\cdot)$ представляет собой корректно определенный оператор, обладающий свойством $\left\langle\mathcal{F}_{u}^{-1}(\mathbf{f}), \zeta^{*}\right\rangle=0$ для любого $\mathbf{f}$, удовлетворяющего условию (VI.68). Строгая потеря устойчивости решения $\mathbf{u}=0$ уравнения (Vl.64), когда $\mu$, возрастая, проходит через нуль, приводит к неравенству
\[
\sigma_{\mu}(0)=\left\langle\mathscr{F}_{\mu z}(\zeta), \zeta^{*}\right\rangle>0,
\]

где
\[
\mathscr{F}_{\mu u}(\cdot) \stackrel{\text { def }}{=} \tilde{\mathscr{F}}_{\mu u}(0,0,0 \mid \cdot) .
\]

Обращаясь теперь к (V1.63), будем считать, что $\delta$ мало, и будем разыскивать изолированные стационарные решения, разрушающие бифуркацию в $(0,0)$, при условии, что
\[
\left\langle\mathscr{F}_{\delta}, \zeta^{*}\right\rangle
eq 0 .
\]

Напомним, что $\mathscr{F}_{\delta} \stackrel{\text { del }}{=} \tilde{\mathscr{F}}_{\delta}(0,0,0)$. Удобно ввести амплитуду
\[
\varepsilon \xlongequal{\text { def }}\left\langle\mathbf{u}, \zeta^{*}\right\rangle .
\]

Условие (VI.71) и теорема о неявной функции гарантируют существование решения $\mathbf{u}(\mu, \varepsilon)$ и $\delta=\Delta(\mu, \varepsilon)$ уравнений
\[
\tilde{\mathscr{F}}(\mu, \mathbf{u}(\mu, \varepsilon), \Delta(\mu, \varepsilon))=0, \quad \varepsilon=\left\langle\mathbf{u}(\mu, \varepsilon), \quad \zeta^{*}\right\rangle .
\]

Полагая в (VI.73) $\varepsilon=0$, находим, что
\[
\mathbf{u}(\mu, 0)=0 \quad \text { и } \quad \Delta(\mu, 0)=0 .
\]

Дифференцирование (VI.73) по $\varepsilon$ при $\varepsilon=0$ приводит к соотношениям
\[
\mathscr{F}_{u}\left(\mathbf{u}_{\varepsilon}\right)+\mathscr{F}_{\delta} \Delta_{\varepsilon}=0, \quad 1=\left\langle\mathbf{u}_{\varepsilon}, \zeta^{*}\right\rangle .
\]

Из условия разрешимости (VI.68) получаем $\Delta_{\varepsilon}=0$ и
\[
\mathbf{u}_{\varepsilon}=\zeta \text {. }
\]

Вторые производные от (VI.73) имеют вид
\[
\begin{array}{c}
\mathscr{F}_{u}\left(\mathbf{u}_{\varepsilon \varepsilon}\right)+\mathscr{F}_{u a}(\zeta \mid \zeta)+\mathscr{F}_{\delta} \Delta_{\varepsilon \varepsilon}=0, \\
\mathscr{F}_{u}\left(\mathbf{u}_{\mu \varepsilon}\right)+\mathscr{F}_{\mu u}(\zeta)+\mathscr{F}_{\delta} \Delta_{\mu \varepsilon}=0,
\end{array}
\]

где $\mathbf{u}_{\text {ее }}$ и $\mathbf{u}_{\mu \varepsilon}$ ортогональны $\zeta^{*}$. Условие разрешимости (VI.68) приводит к равенствам
\[
\begin{array}{c}
\Delta_{\varepsilon \varepsilon}=-\frac{\left\langle\mathscr{F}_{n u}(\zeta \mid \mathscr{\zeta}), \zeta^{*}\right\rangle}{\left\langle\mathscr{F}_{\delta}, \zeta^{*}\right\rangle}, \\
\Delta_{\mu \varepsilon}=-\frac{\left\langle\mathscr{F}_{\mu u}(\zeta), \zeta^{*}\right\rangle}{\left\langle\mathscr{F}_{\delta}, \zeta^{*}\right\rangle}=-\frac{\sigma_{\mu}(0)}{\left\langle\mathscr{F}_{\delta}, \zeta^{*}\right\rangle}
eq 0 .
\end{array}
\]

Если $\Delta_{\varepsilon \varepsilon}$ и $\Delta_{\mu \varepsilon}$ удовлетворяют (V1.79) и (VI.80), то (VI.77) и (VI.78) можно единственным образом разрешить. Обращаясь теперь к третьим производным, находим
\[
\begin{array}{l}
\mathscr{F}_{n}\left(\mathbf{u}_{\varepsilon \varepsilon \mathcal{E}}\right)+\Delta_{\varepsilon \varepsilon \varepsilon} \mathscr{F}_{\delta}+3 \Delta_{\varepsilon \varepsilon} \mathscr{F}_{u \delta}(\zeta)+3 \mathscr{F}_{u u}\left(\zeta \mid \mathbf{u}_{\varepsilon \mathcal{E}}\right)+\mathscr{F}_{u u n}(\zeta|\zeta| \zeta)=0, \\
\mathscr{F}_{u}\left(\mathbf{u}_{\mu \varepsilon \varepsilon}\right)+\Delta_{\mu \varepsilon \varepsilon} \mathscr{F}_{\delta}+\mathscr{F}_{\delta \mu} \Delta_{\varepsilon \varepsilon}+\mathscr{F}_{\mu u}\left(u_{\varepsilon \varepsilon}\right)+2 \mathscr{F}_{u \delta}(\zeta) \Delta_{\mu \varepsilon}+ \\
+2 \mathscr{F}_{a u}\left(\zeta \mid \mathbf{u}_{\mu \varepsilon}\right)+\mathscr{F}_{\mu u t}(\zeta, \zeta)=0 \text {, } \\
\mathscr{F}_{u}\left(\mathbf{u}_{\mu \mu \varepsilon}\right)+\Delta_{\mu \mu \varepsilon} \mathscr{F}_{,}+\mathscr{F}_{\mu \mu u}(\zeta)+2 \mathscr{F}_{\mu u}\left(\mathbf{u}_{\mu \varepsilon}\right)+2 \mathscr{F}_{\mu \delta} \Delta_{\mu \varepsilon}=0 . \\
\end{array}
\]

Среди векторов, ортогональных $\zeta^{*}$, эти уравнения имеют единственворяется условие (VI.68).
Продолжая этот процесс далее, получим ряд Тейлора
\[
\begin{aligned}
\Delta(\mu, \varepsilon)=\frac{1}{2}\left[\Delta_{\varepsilon \varepsilon} \varepsilon^{2}+2 \Delta_{\varepsilon \mu} \varepsilon \mu\right] & +\frac{1}{3 !}\left[\Delta_{\varepsilon \varepsilon \varepsilon} \varepsilon^{3}+3 \Delta_{\mu \varepsilon \varepsilon} \mu \varepsilon^{2}+\right. \\
& \left.+3 \Delta_{\mu \mu \varepsilon} \mu^{2} \varepsilon\right]+O\left[\varepsilon(|\mu|+|\varepsilon|)^{3}\right] .
\end{aligned}
\]

Уравнение (VI.84) имеет вид (III.26). Теперь мы переходим к отысканию функции $\mu(\varepsilon, \delta$ ) методом последовательных приближений в $\mathbb{R}^{\mathbf{1}}$. Итак, задача отыскания изолированных решений, разрушающих бифуркацию в двойной точке, приведена к одномерной задаче. Мы оставляем читателю в качестве упражнения доказательство того, что задача устойчивости изолированных решений может быть сведена к одномерной задаче, как в (III.32).

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru