Главная > ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ (И.Г.МАМКИЕ)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
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

Мы переходим к рассмотрению случая, когда характеристическое уравнение первого приближения имеет два комплексных корня с модулями, равными единице. Как уже указывалось выше, мы ограничиваемся в этой главе системами второго порядка. Дифференциальные уравнения задачи установлены в § 65 и имеют вид
dxdt=λy+X(t,x,y),dydt=λx+Y(t,x,y),

где X(t,x,y) и Y(t,x,y)— аналитические функции переменных x и y, разложения которых начинаются членами не ниже второго порядка и обладают коэффициентами, являющимися периодическими функциями времени.

Допустим сначала, что функции X и Y не зависят от t. Тогда мы будем иметь критический случай для установившихся движений, когда определяющее уравнение системы первого приближения имеет пару чисто мнимых корней ±λl, и порядок системы равен двум. Эта задача подробно рассматривалась нами в §$36 — 38. В этих параграфах было показано, что кроме особо исключительных случаев, которые мы сейчас не будем рассматривать, задача устойчивости решается конечным числом членов в разложениях правых частей уравнений возмущенного движения. Допустим для определенности, что задача устойчивости решается первыми m членами, где m, как было показано, всегда нечетно, так что можно положить m=2N1. Это значит, что если мы вместо уравнений (67.1), которые по предположению не зависят от t, рассмотрим уравнения
dxdt=λy+X2(x,y)++X2N1(x,y)+φ,dydt=λx+Y2(x,y)++Y2N1(x,y)+ψ,}

где Xk и Yk — совокупности членов k-го порядка в разложениях функций X и Y, то невозмущенное движение будет устойчивым или неустойчивым при любом выборе функций φ и ψ, если последние являются аналитическими и их разложения начинаются членами не ниже 2N-го порядка. При этом, как было показано в $37, существует функция Ляпунова V(x,y) вида
V(x,y)=x2+y2+f3(x,y)++f2N(x,y),

производная которой, составленная в силу уравнений (67.2), имеет вид
dVdt=G(x2+y2)N+

Здесь fk — формы k-го порядка, не зависящие от φ и ψ,G — постоянная и неналисанные члены имеют порядок, больший 2N. Если G>0, то невозмущенное движение неустойиво, а если G<0, то оно устойчиво асимптотически. Это непосредственно вытекает из того обстоятельства, что V есть функция определенно-положительная, а dVdt есть функция также знакоопределенная, знак которой совпадает со знаком G, каковы бы ни были функции φ и ψ, удовлетворяющие указанным для них условиям.

Из существования для уравнений (67.2) функции Ляпунова (67.3) можно сделать, однако, более общие выводы. Допустим, что функции φ и ψ зависят также от t, по отношению к которому они ограничены, но не обязательно периодичны.

При указанных предположениях выражение (67.4) остается попрежнему знакоопределенным; следовательно, V по-прежнему является функцией Ляпунова, удовлетворяющей всем условиям теоремы II § 46 или теоремы III § 47. Поэтому невозмущенное движение для уравнений (67.2) будет по-прежнему асимптотическим устойчиво или неустойчиво вне зависимости от функций φ и ψ, удовлетворяющих вышеуказанным условиям. Это непосредственно приводит нас к следующему заключению.

Допустим, что в уравнениях (67.1) все члены до некоторого порядка m включительно имеют постоянные коэффициенты, так что время t входит лишь в те члены, порядок которых превосходит m. Отбросив в этих уравнениях все члены выше m-го порядка, рассмотрим полученную таким образом систему уравнений с постоянными коэффициентами. Эта система представляет собой частный случай системы, рассмотренной в §§ 3638. Допустим, наконец, что задача устойивости для этой системы с постоянными коэффициентами решается членами порядка не выше m. Тогда если для этой системы получится неустойчивость, то и для системы (67.1) получится неустойчивость, а если для этой системы получится устоичивость (асимптотическая), то и для системы (67.1) будет также иметь место устойчивость (асимптотическая).

Рассмотрим теперь уравнения (67.1) в общем случае. Из вышесказанного следует, что если нам удастся при помощи подходящего преобразования привести уравнения (67.1) к такому виду, в котором t содержалось бы только в членах достаточно высокого порядка, то задача сведется к исследованию системы с постоянными коэффициентами, которую получим, если эти члены высокого порядка, содержащие t, попросту отбросим. Что же касается последней задачи, то она может быть разрешена одним из тех трех приемов, которые были установлены в главе IV.

Таким образом, задача привсдится к разысканию такого преобразования переменных x и y в уравнениях (67.1), чтобы преобразованные уравнения сохранили такой же вид, но чтобы в них коэффициенты членов до сколь угодно высокого порядка m были постоянными. Такое преобразование, как показал Ляпунов, может быть действительно выполнено, если только число λωπ иррационально, что мы и будем предполагать 1 ). Вычисления Ляпунов располагает таким образом, что задача устойчивости д.я преобразованных уравнений решается одновременно с выполнением самого преобразования. При этом задача устойчивости решается методом § 36 . Однако все вычисления значительно упрощаются, если следовать иному методу, представляющему собой непосредственное развитие метода §42. К изложению этого метода мы сейчас и переходим.

Так же как и в § 42 , мы будем предполагать, что линейная часть уравнений возмущенного движения приведена к комплексному каноническому виду, так что эти уравнения имеют вид
dxdt=iλx+X(2)(t,x,y)+X(3)(t,x,y)+,dydt=iλy+Y(2)(t,x,y)+Y(3)(t,x,y)+}

где X(k) и Y(k) — формы k-го порядка переменных x и у с периодическими коэффициентами. Если уравнения были заданы в форме (67.1), то, чтобы перейти к виду (67.5), достаточно будет принять в качестве новых переменных величины x+iy и xiy. Переменные x и y будут в уравнениях (67.5) комплексно сопряженными, так что второе из этих уравнений получится из первого заменой i на i,x на y и y на x.

Задавшись теперь числом m, преобразуем уравнения (67.5) при помощи подстановки
x=u+u(2)(t,u,v)+u(3)(t,u,v)++u(m)(t,u,v),y=v+u¯(2)(t,v,u)+u¯(3)(t,v,u)++u¯m(t,v,u),}

где u(k)(t,u,v) и u¯(k)(t,v,u) — формы k-го порядка с периодическими коэффициентами. При этом формы u¯(k)(t,v,a) комплексно сопряжены с формами u(k)(t,a,v) и могут быть, следовательно, получены из u(k)(t,u,v) заменой i на i,u на v и v на a. Отсюда следует, что переменные и и v являются также комплексно сопряженными.

Преобразование (67.6) мы постараемся подобрать таким образом, чтобы в преобразованных уравнениях члены до порядка m имели постоянные коэффициенты. Эти уравнения должны, следовательно, иметь вид
dudt=iλu+U(2)(u,v)++U(m)(u,v)+U(t,u,v),dvdt=λλv+U¯(2)(v,u)++U¯(m)(v,u)+U¯(t,v,u),}(67.7)
1) Относительно этого предположения см. примечание в конце параграфа.

где U(k)(u,v) и U¯(k)(v,u) — формы k-го порядка с постоянными коэффициентами, а функции U(t,u,v) и U¯(t,v,u) имеют порядок, больший m, и зависят, вообще гсворя, от t, по отношению к которому они периодичны. При этом функции U¯(k)(v,u) и U¯(t,v,u) комплексно сопряжены с U(k)(u,v) и U(t,u,v).

Подставляя в первое уравнение (67.5) вместо x и y их выражения (67.6) и принимая во внимание (67.7), будем иметь:
(1+u(2)u++u(m)u)(iλu+U(2)+)+++(u(2)v++u(m)v)(iλv+U¯(2)+)++u(2)t++u(m)t==iλ(u+u(2)+)+X(2)(t,u+,v+)+

Отсюда, приравнивая члены одинаковых порядков, получим для форм u(k)(t,u,v) следующие уравнения:
u(k)t+iλ(u(k)uuu(k)vv)+U(k)(u,v)==iλu(k)+F(k)(t,u,v)(k=2,3,,m).

Здесь F(k) — некоторые формы k-го порядка переменных u,v, зависящие от тех форм u(i),U(i), для которых i<k. В частности, F(2)(t,u,v)=X(2)(t,u,v). Уравнения (67.8) дают возможность последовательно определять как формы u(k), так и формы U(k). Покажем, как это делать.

Допустим с этой целью, что все u(i) и U(i), для которых t<k, уже вычислены и коэффициенты форм u(i) вышли при этом периодическими. Тогда F(k) будут известными формами k-го порядка с периодическими коэффициентами. Пусть
F(k)=α+β=kfαβ(t)uαvβ,

где fαβ(t) — известные периодические функции времени периода ω. Положим
u(k)(t,u,v)=α+β=kuαβ(t)uαvβ,U(k)(u,v)=α+β=kAαβuαvβ,

где Aαβ — неизвестные постоянные, а uαβ(t) — неизвестные периодические функции времени. Тогда, приравнивая в уравнении для u(k)

коэффициенты при подобных членах, получим следующие обыкновенные дифференциальные уравнения:
duαβdt+(αβ1)iλuαβ=fαβAαβ.

Нам нужно найти периодическое решение этих уравнений. Здесь приходится различать два случая в зависимости от того, будет ли величина αβ1 равна нулю или нет. Допустим сначала, что αβ1=0. Это, очевидно, возможно только при k нечетном. Пусть k=2n+1. Тогда из αβ1=0 следует: α=n+1, β=n. Уравнение для uαβ(t) принимает вид
dun+1,ndt=fn+1,nAn+1,n,

и для того чтобы оно имело периодическое решение, необходимо и достаточно, чтобы
An+1,n=1ω0ωfn+1,n(t)dt.

При этом для un+1,n получаем:
un+1,n=fn+1,n(t)dtAn+1,nt.

Входящую сюда постоянную интегрирования выберем по произволу.
Допустим теперь, что αβ1eq0. Рассмотрим уравнение
dφdt=aφ+ψ(t)

где a — постоянная, а ψ(t) — произвольная непрерывная периодическая функция t, периода ω. Допустим, что aωeqpπi, где p-целое число. Тогда уравнение (67.11) имввт частное ,решение
φ=eat{eaω1eaω0ωeatψ(t)dt+0teatψ(t)dt}.

Это решение является периодическим с периодом ω. В самом деле, из периодичности ψ(t) вытекает:
ωt+ωeatψ(t)dt0tea(t+ω)ψ(t+ω)dteaω0teatψ(t)dt

и, следовательно,
φ(t+ω)=eaω1eaωea(t+ω)0ωeatψ(t)dt+ea(t+ω)0t+ωeatΨ(t)dt==eaω1eaωea(t+ω)0ωeatψ(t)dt++ea(t+ω)(ωt+ωeatψ(t)dt+0ωeatψ(t)dt)==11eaωea(t+ω)0ωeatψ(t)dt+eat0teatψ(t)dt=φ(t),

что и доказывает справедливость нашего утверждения. При этом из условия относительно a вытекает, что общее решение φ=eat однородной части уравнения (67.11) не может быть периодическим периода ω, и поэтому формула (67.12) дает единственное периодическое решение уравнения (67.11).

Так как по условию число λπω иррационально и, следовательно, iλ(α+β1)eqpπiω, то уравнение (67.9) при α+β1eq0 имеет одно и только одно периодическое решение, какова бы ни была постоянная Aαβ. Мы будем полагать:
Aαβ=0(αeqβ+1).

Выбрав таким образом постоянную Aαβ, мы получим вполне определенное решение для uαβ. Это решение может быть вычислено по формуле (67.12). На практике, однако, функции fαβ чаще всего бывают конечными тригонометрическими суммами. В этом случае функции uαβ проще всего определять методом неопределенных коэффициентов, так как эти функции также получатся конечными тригонометрическими суммами.

Таким образом, мы можем последовательно определить все формы u(k) и U(k). При этом из (67.13) вытекает, что все формы U(k) при k четном будут тождественно равны нулю, а при k нечетном в этих формах будут отличными от нуля лишь по одному коэффициенту вида (67.10). Следовательно, преобразованные уравнения будут иметь вид
dudt=λiu+A3u2v+A5u3v2++A2p+1up+1vp+U(t,u,v),dvdt=λiv+A¯3uv2+A¯5u2v3++A¯2p+1upvp+1+U¯(t,v,u)}

где положено An+1,n=A2n+1,m=2p+1.
Отбрасывая в уравнениях (67.14) члены U и U¯, мы получим уравнения с постоянными коэффициентами:
dudt=λiu+A3u2v++A2p+1up+1vp,dvdt=λiv+A3uv2++A2p+1upvp+1.}

Как было показано выше, задача устойчивости для исходной системы (67.5) решается уравнениями (67.15), если для этих последних задача устоичивости решается членами не выше (2p+1)-порядка. Задача устойчивости для уравнений (67.15) решается сразу без каких бы то ни было дополнительных вычислений. Действительно, уравнения (67.15) имеют как раз вид уравнений (42.3), рассмотренных в §42. И как было показано в этом параграфе, если Ak первый из коэффициентов A3,A5,, вещественная часть которого отлична от нуля, то при Re(Ak)>0 невозмущенное движение неустойчиво, а при Re(Ak)<0 оно устоичиво асимптотически. Отсюда следует, что в преобразовании (67.6) можно положить m=k.

Таким образом, мы приходим к следующему правилу для решения задачи устойчивости в интересующем нас случае.
Делаем в уравнениях (67.5) подстановку
x=u+u(2)(t,u,v)+u(3)(t,u,v)+y=v+u¯(2)(t,v,u)+u¯(3)(t,v,u)+

и стараемся формы u(k) подобрать таким образом, чтобы преобразованные уравнения приняли вид (67.15) и чтобы коэффициенты этих форм вышли периодическими. Такое преобразование всегда найдется, и при этом коэффициенты Aj получатся вполне определенными. Эти коэффициенты определяем до тех пор, пока не встретимся с таким, пусть это будет Ak, — для которого Re(Ak)eq0. Тогда при Re(Ak)>0 невозмущенное движение неустоичиво, а при Re(Ak)<0 оно устоћчиво асимптотически.

Может случиться, что при любом значении k, как бы велико оно ни было, Re(Ak)=0. Этот исключительный случай мы здесь не рассматриваем.

Пример. Рассмотрим уравнение второго порядка
d2xdt2+x=φ(t)(dxdt)3+F[t,x,(dxdt)2],

где φ(t) — периодическая функция времени, периода ω, несоизмеримого с π, обладающая отличным от нуля средним значением, а F аналитическая функция от x и (dxdt)2, разложение которой не имеет членов ниже третьего порядка относительно x и dxdt. Коэффициенты этого разложения являются периодическими функциями t, периода ω. Полагая ξ=xidxdt,η=x+idxdt, получим следующую систему:
dξdt=iξ18φ(t)(ξη)3+if(t,ξ,η),dηdt=iη+18φ(t)(ξη)3+if(t,ξ,η),}

где f — вещественная функция.
Делаем далее подстановку
ξ=u+u(3)(t,u,v)+η=v+u¯(3)(t,v,u)+}

Так как в уравнениях (67.16) нет членов второго порядка, то можно положить, что и в подстановке (67.17) эти члены отсутствуют. Эту подстановку стараемся подобрать таким образом, чтобы преобразованные уравнения имели вид (67.15). Из этого условия находим:
u(3)t++(1+u(3)u+)(iu+A3u2v+)++(u(3)v+)(iv+A¯3uv2+)=i(u+u(3)+)++18φ(t)(uv+)3+if(t,u+v+).

Приравнивая члены третьего порядка, получим:
u(3)t+i(uu(3)uvu(3)v)+A3u2v==iu(3)18φ(t)(uv)3+if(3)(t,u,v),

где f(3)(t,u,v) — совокупность членов третьего порядка в функции f(t,u,v). Пусть
u(3)=u30(t)u3+u21(t)u2v+u12(t)uv2+u03v3.

Тогда приравнивая в (67.18) коэффициенты при u2v, получим:
du21dt+A3=38φ(t)+iψ(t).

где ψ(t) — коэффициент при u2v в f(3)(t,u,v).
Для того чтобы это уравненке имело периодическое решение, необходимо и достаточно, чтобы величина A3 опрелелялась формулой
A3=38ω0ωφ(t)dt+t0ωψ(t)dt.

Так как по условию вещественная часть A3 отлична от нуля, то в дальнейших вычислениях нет надобности. Невозмущенное движение будет неустойиво, если величина
0ωφ(t)dt

положительна, и асимптотически устойчиво, если эта величина отрицательна.

Примечание. Мы предположили, что λωπ есть число иррациональное. Допустим теперь противное: пусть
λ=pπqω,

где p и q-целые числа. Сделаем в уравнениях (67.1) преобразование переменных
x=ξsinpπqωt+ηcospπqωt,y=ξcospπqωt+ηsinpπqωt,

коэффициенты которого являются, очевидно, периодическими функциями периода 2qω. Преобразованные уравнения, как легко видеть, примут вид
dξdt=Ξ(t,ξ,η)dηdt=Υ(t,ξ,η)}

где Ξ и Υ-аналитические функции ξ и η, разложения которых начинаются членами не ниже второго порядка, причем коэффициенты разложений являются периодическими функциями периода 2qω.

Определяющее уравнение линеиной части системы (67.19) имеет двойной корень, равный нулю. Таким образом, задача сводится к исследованию критического случая двойного нулевого корня. Этот случай как для установившихся дзижений, так и для периодических движений будет исследован нами в следующей главе.

1
Оглавление
email@scask.ru