Главная > Лекции по аналитической механике
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
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

§ 35. Асимптотическая устойчивость положения равновесия. Диссипативные системы

Введем теперь понятие об асимптотически устойчивом положении равновесия. Положение равновесия называется асимптотически устойчивым, если оно устойчиво и если, кроме того, при достаточно малых по абсолютной величине начальных отклонениях и начальных скоростях все отклонения и скорости при неограниченном возрастании времени стремятся к нулю, т. е. если существует такое число что

всякий раз, когда удовлетворяются неравенства

При геометрической интерпретации (рис. 44) это означает, что в пространстве состояний все траектории, начинающиеся в -окрестности начала координат О, асимптотически приближаются (при ) к точке О.

Рис. 44.

В рассмотренных на стр. 190—192 примерах 1, 2 и 3 только в примере 3 устойчивое положение равновесия является асимптотически устойчивым.

Мы будем рассматривать склерономные системы, находящиеся под воздействием потенциальных сил — и непотенциальных сил и будем предполагать, что

потенциальная энергия П и непотенциальные силы не зависят явно от времени:

В этом случае время не входит явно в уравнения Лагранжа, которые могут быть записаны в следующем виде (разрешенном относительно обобщенных ускорений) (см. § 7, стр. 56):

В рассматриваемом случае полная энергия Е склерономной системы не содержит явно времени:

Вычисляя ее полную производную по времени при движении системы, находим:

Таким образом, в каждой точке пространства состояний не только полная энергия, но и ее полная производная по времени имеют определенные значения.

Если силы являются диссипативными (см. § 8), то при движении системы т. е. функция в рассматриваемой области пространства состояний принимает лишь неположительные значения.

В случае определенно-диссипативной системы (см. § 8) обращается в нуль только в тех точках пространства состояний где все Будем предполагать, что положение равновесия системы является изолированным, т. е. в его окрестности нет других положений равновесия. Тогда имеет место

Теорема об асимптотической устойчивости. Если потенциальная энергия П склерономной определеннодиссипативной системы в некотором положении равновесия имеет строгий минимум и это положение равновесия является изолированным, то положение равновесия асимптотически устойчиво.

Доказательство. Пусть снова в положении равновесия

Как и при доказательстве теоремы Лагранжа, выберем в пространстве состояний -окрестность начала координат О, в которой энергия Е положительна,

во всех точках, отличных от О, и в которой нет состояний равновесия, отличных от О.

Рис. 45.

Так как согласно теореме Лагранжа положение равновесия устойчиво, для любого можно указать такое, что все движения протекают внутри -окрестности точки О, если начальная точка выбрана в -окрестности (рис. 45). В качестве -окрестно-сти возьмем окрестность, в которой выполняется условие (8) § Рассмотрим какое-либо из движений, начинающихся в -окрестности. Поскольку при движении энергия Е убывает, то

причем Допустим сначала, что и рассмотрим последовательность значений времени и последовательности значений фазовых координат

Так как вся траектория лежит в -окрестности, то при всех и выполняются неравенства

В силу леммы Больцано — Вейерштрасса из бесконечных ограниченных последовательностей и можно выбрать сходящиеся подпоследовательности Пусть

при этом

Но тогда, в силу непрерывности

По предположению точка не совпадает с началом координат, где

Примем точку за начальную точку движения при Так как эта точка не совпадает с точкой О, т. е. не является положением равновесия, то при движении системы хотя бы одна из обобщенных скоростей будет отлична от нуля и потому 0. Но тогда при некотором будет выполняться неравенство .

Рассмотрим, далее, движение системы, начинающееся при из точки . В силу (7) значения и при достаточно больших будут сколь угодно близки к значениям соответственно. Следовательно, при достаточно больших будут сколь угодно близки и значения фазовых координат при движений, начинающихся при из начальных точек (решения систем дифференциальных уравнений являются непрерывными функциями начальных данных). Поэтому для движения, начавшегося при из точки при будет выполняться неравенство , так как полная энергия Е представляет собой непрерывную функцию фазовых координат. Но в силу единственности решений уравнений Лагранжа, состояние в момент системы, вышедшей при из

начальной точки совпадает с состоянием в момент системы, вышедшей при из начальной точки поэтому интересующее нас значение энергии должно удовлетворять неравенству

а это невозможно, так как при любом

Итак, мы пришли к противоречию, допустив, что , следовательно,

Так как в силу неравенства (6) равенство имеет место только в точке О, то из равенства (8) вытекает, что при точка, изображающая систему в пространстве состояний, стремится к началу координат, т. е. имеют место соотношения (1). Теорема доказана.

В примере 3 на стр. 191

поскольку Система определенно-диссипативная, и положение равновесия является изолированным, что следует из уравнения движения при подстановке решения В силу теоремы положение равновесия асимптотически устойчиво.

Исследование движения склерономной определенно-диссипативной системы в окрестности ее асимптотически устойчивого положения равновесия будет дано в § 46.

Ляпунов доказал теорему, которая обобщает теорему Лагранжа. Он обратил внимание на то, что при доказательстве теоремы Лагранжа можно вместо энергии Е взять любую непрерывную (с непрерывными частными производными первого порядка) функцию имеющую

в состоянии равновесия строгий минимум и не возрастающую при любом движении системы.

Вычислим производную по времени от функции V, использовав при этом уравнения движения (3):

В частности, из этой формулы следует, что в начале координат О пространства состояний функция обращается в нуль, так как точка О соответствует состоянию равновесия, в котором все и все Если функция V не возрастает при любом движении, то

В этом случае функция V в состоянии равновесия О имеет максимум. Если же этот максимум строгий, то в окрестности точки О (за исключением самой точки О) и при движении системы в пределах этой окрестности функция V строго убывает.

Теперь можно почти дословно повторить доказательство теоремы Лагранжа, используя вместо Е функцию V. В случае асимптотической устойчивости (например, для диссипативной системы) доказательство будет даже более простым, если потребовать, чтобы производная имела в положении равновесия строгий экстремум противоположного типа по отношению к экстремуму функции V.

Заметим еще, что при формулировке критерия устойчивости можно поменять местами слова «минимум» и «максимум», так как замена функции V на функцию —V возвращает нас к прежней формулировке.

Таким образом, можно считать доказанной следующую теорему:

Теорема. Если дано положение равновесия склерономной системы, находящейся под действием сил, не зависящих явно от времени, и существует непрерывная

вместе с частными производными первого порядка функция имеющая в данном состоянии равновесия строгий экстремум, в то время как производная V от V по времени (вычисленная в силу уравнений, движения) имеет в этом же состоянии экстремум противоположного типа, то рассматриваемое положение равновесия устойчиво. Если при этом экстремум производной также является строгим, то положение равновесия асимптотически устойчиво.

Функцию , о которой идет речь в теореме, принято называть функцией Ляпунова.

1
Оглавление
email@scask.ru