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
где и — аналитические функции переменных и , разложения которых начинаются членами не ниже второго порядка и обладают коэффициентами, являющимися периодическими функциями времени.
Допустим сначала, что функции и не зависят от . Тогда мы будем иметь критический случай для установившихся движений, когда определяющее уравнение системы первого приближения имеет пару чисто мнимых корней , и порядок системы равен двум. Эта задача подробно рассматривалась нами в — 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 членами, где , как было показано, всегда нечетно, так что можно положить . Это значит, что если мы вместо уравнений (67.1), которые по предположению не зависят от , рассмотрим уравнения
где и — совокупности членов -го порядка в разложениях функций и , то невозмущенное движение будет устойчивым или неустойчивым при любом выборе функций и , если последние являются аналитическими и их разложения начинаются членами не ниже -го порядка. При этом, как было показано в , существует функция Ляпунова вида
производная которой, составленная в силу уравнений (67.2), имеет вид
Здесь — формы -го порядка, не зависящие от и — постоянная и неналисанные члены имеют порядок, больший . Если , то невозмущенное движение неустойиво, а если , то оно устойчиво асимптотически. Это непосредственно вытекает из того обстоятельства, что есть функция определенно-положительная, а есть функция также знакоопределенная, знак которой совпадает со знаком , каковы бы ни были функции и , удовлетворяющие указанным для них условиям.
Из существования для уравнений (67.2) функции Ляпунова (67.3) можно сделать, однако, более общие выводы. Допустим, что функции и зависят также от , по отношению к которому они ограничены, но не обязательно периодичны.
При указанных предположениях выражение (67.4) остается попрежнему знакоопределенным; следовательно, 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 и , удовлетворяющих вышеуказанным условиям. Это непосредственно приводит нас к следующему заключению.
Допустим, что в уравнениях (67.1) все члены до некоторого порядка включительно имеют постоянные коэффициенты, так что время входит лишь в те члены, порядок которых превосходит . Отбросив в этих уравнениях все члены выше -го порядка, рассмотрим полученную таким образом систему уравнений с постоянными коэффициентами. Эта система представляет собой частный случай системы, рассмотренной в §§ . Допустим, наконец, что задача устойивости для этой системы с постоянными коэффициентами решается членами порядка не выше . 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 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 , 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 и в уравнениях (67.1), чтобы преобразованные уравнения сохранили такой же вид, но чтобы в них коэффициенты членов до сколь угодно высокого порядка были постоянными. Такое преобразование, как показал Ляпунов, может быть действительно выполнено, если только число иррационально, что мы и будем предполагать ). 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 . 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
где и — формы -го порядка переменных 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 и — . Переменные и будут в уравнениях (67.5) комплексно сопряженными, так что второе из этих уравнений получится из первого заменой на на и на .
Задавшись теперь числом , преобразуем уравнения (67.5) при помощи подстановки
где и — формы -го порядка с периодическими коэффициентами. При этом формы комплексно сопряжены с формами и могут быть, следовательно, получены из заменой на на и на . Отсюда следует, что переменные и являются также комплексно сопряженными.
Преобразование (67.6) мы постараемся подобрать таким образом, чтобы в преобразованных уравнениях члены до порядка имели постоянные коэффициенты. Эти уравнения должны, следовательно, иметь вид
1) Относительно этого предположения см. примечание в конце параграфа.
где и — формы -го порядка с постоянными коэффициентами, а функции и имеют порядок, больший , и зависят, вообще гсворя, от , по отношению к которому они периодичны. При этом функции и комплексно сопряжены с и .
Подставляя в первое уравнение (67.5) вместо и их выражения (67.6) и принимая во внимание (67.7), будем иметь:
Отсюда, приравнивая члены одинаковых порядков, получим для форм следующие уравнения:
Здесь — некоторые формы -го порядка переменных , зависящие от тех форм , для которых . В частности, . Уравнения (67.8) дают возможность последовательно определять как формы , так и формы . Покажем, как это делать.
Допустим с этой целью, что все и , для которых , уже вычислены и коэффициенты форм вышли при этом периодическими. Тогда будут известными формами -го порядка с периодическими коэффициентами. Пусть
где — известные периодические функции времени периода . Положим
где — неизвестные постоянные, а — неизвестные периодические функции времени. Тогда, приравнивая в уравнении для
коэффициенты при подобных членах, получим следующие обыкновенные дифференциальные уравнения:
Нам нужно найти периодическое решение этих уравнений. Здесь приходится различать два случая в зависимости от того, будет ли величина равна нулю или нет. Допустим сначала, что . Это, очевидно, возможно только при нечетном. Пусть . Тогда из следует: , . Уравнение для принимает вид
и для того чтобы оно имело периодическое решение, необходимо и достаточно, чтобы
При этом для получаем:
Входящую сюда постоянную интегрирования выберем по произволу.
Допустим теперь, что . Рассмотрим уравнение
где — постоянная, а — произвольная непрерывная периодическая функция , периода . Допустим, что , где -целое число. Тогда уравнение (67.11) имввт частное ,решение
Это решение является периодическим с периодом . В самом деле, из периодичности вытекает:
и, следовательно,
что и доказывает справедливость нашего утверждения. При этом из условия относительно вытекает, что общее решение однородной части уравнения (67.11) не может быть периодическим периода , и поэтому формула (67.12) дает единственное периодическое решение уравнения (67.11).
Так как по условию число иррационально и, следовательно, , то уравнение (67.9) при имеет одно и только одно периодическое решение, какова бы ни была постоянная . Мы будем полагать:
Выбрав таким образом постоянную , мы получим вполне определенное решение для . Это решение может быть вычислено по формуле (67.12). На практике, однако, функции чаще всего бывают конечными тригонометрическими суммами. В этом случае функции проще всего определять методом неопределенных коэффициентов, так как эти функции также получатся конечными тригонометрическими суммами.
Таким образом, мы можем последовательно определить все формы и . При этом из (67.13) вытекает, что все формы при четном будут тождественно равны нулю, а при нечетном в этих формах будут отличными от нуля лишь по одному коэффициенту вида (67.10). Следовательно, преобразованные уравнения будут иметь вид
где положено .
Отбрасывая в уравнениях (67.14) члены и , мы получим уравнения с постоянными коэффициентами:
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 -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 . И как было показано в этом параграфе, если первый из коэффициентов , вещественная часть которого отлична от нуля, то при невозмущенное движение неустойчиво, а при оно устоичиво асимптотически. Отсюда следует, что в преобразовании (67.6) можно положить .
Таким образом, мы приходим к следующему правилу для решения задачи устойчивости в интересующем нас случае.
Делаем в уравнениях (67.5) подстановку
и стараемся формы 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 получатся вполне определенными. Эти коэффициенты определяем до тех пор, пока не встретимся с таким, пусть это будет , — для которого . Тогда при невозмущенное движение неустоичиво, а при оно устоћчиво асимптотически.
Может случиться, что при любом значении , как бы велико оно ни было, . Этот исключительный случай мы здесь не рассматриваем.
Пример. Рассмотрим уравнение второго порядка
где — периодическая функция времени, периода , несоизмеримого с , обладающая отличным от нуля средним значением, а аналитическая функция от и , разложение которой не имеет членов ниже третьего порядка относительно и . Коэффициенты этого разложения являются периодическими функциями , периода . Полагая , получим следующую систему:
где — вещественная функция.
Делаем далее подстановку
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:
Приравнивая члены третьего порядка, получим:
где — совокупность членов третьего порядка в функции . Пусть
Тогда приравнивая в (67.18) коэффициенты при , получим:
где — коэффициент при в .
Для того чтобы это уравненке имело периодическое решение, необходимо и достаточно, чтобы величина опрелелялась формулой
Так как по условию вещественная часть отлична от нуля, то в дальнейших вычислениях нет надобности. Невозмущенное движение будет неустойиво, если величина
положительна, и асимптотически устойчиво, если эта величина отрицательна.
Примечание. Мы предположили, что есть число иррациональное. Допустим теперь противное: пусть
где и -целые числа. Сделаем в уравнениях (67.1) преобразование переменных
коэффициенты которого являются, очевидно, периодическими функциями периода . Преобразованные уравнения, как легко видеть, примут вид
где и -аналитические функции и , разложения которых начинаются членами не ниже второго порядка, причем коэффициенты разложений являются периодическими функциями периода .
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.