Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

Теория устойчивости. Простейшие типы точек покоя. Устойчивость по Ляпунову

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Решение задач по математике

Рассмотрим вопрос о зависимости решения задачи Коши от начальных данных. Пусть дана задача Коши Если функция f(tf х) непрерывна по совокупности аргументов и имеет ограниченную производную ^ в некоторой области £1 изменения t, х, содержащей точку (to, хо),то решение задачи Коши (1)-(2) существует и единственно. Если изменять значения to И10,то будет меняться и решение. Возникает важный в приложениях вопрос: как оно будет меняться?

Вопрос этот имеет и большое принципиальное значение. Действительно, если какая-либо физическая задача приводит к задаче Коши, то начальные значения находятся из опыта и за абсолютную точность измерения ручаться нельзя. И если сколь угодно малые изменения начальных данных способны сильно изменять решение, то математическая модель окажется малопригодной для описания реального процесса. Справедлива следующая теорема о непрерывной зависимости решения от начальных условий. Теорема 1.

Если правая часть дифференциального уравнения непрерывна по совокупности переменных и имеет ограниченную частную производную ^ в некоторой области G изменения t, х, то решение удовлетворяющее начальному условию непрерывно зависит от начальных данных. Иными словами, пусть через точку зо) проходит решение x(t) уравнения (1), определенное на отрезке а.

Тогда для любого найдется такое 6 > 0, что при | решение х(t) уравнения (1), проходящее через точку (£о> хо)> существует на отрезке [ и отличается там от x(t) меньше чем на Аналогичная теорема справедлива и для системы дифференциальных уравнений dX{ ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ Предварительные замечания Устойчивость по Ляпунову Основные понятия и определения Устойчивость автономных систем Простейшие типы точек покоя Простейшие типы точек покоя При выполнении условий теоремы (1) решение задачи.

Коши существует, единственно и непрерывно зависит от начальных данных. В этом случае говорят, что задача Коши поставлена корректно. Существенным является то обстоятельство, что отрезок [а, 6] изменения t конечен. Однако во многих задачах нас интересует зависимость решения от начальных данных в бесконечном промежутке Переход от конечного промежутка, в котором рассматривается непрерывная зависимость решения от начальных значений, к бесконечному существенно меняет характер задачи и методы исследования.

Эта проблема относится к теории устойчивости, созданной А. М.Ляпуновым. Остановимся вкратце на понятии о продолжаемости решения. Пусть имеем систему дифференциальных уравнений где t — независимая переменная (время); , — искомые функции; — функции, определенные для .. ,хп из некоторой области .

Если функции в их области определения непрерывны по совокупности аргументов и имеют ограниченные частные производные по то для системы (3) справедлива локальная теорема существования: для каждой системы значений существует единственное решение системы (3), определенное в некотором интервале изменения t и удовлетворяющее начальным условиям Введем следующее понятие. Пусть — решение задачи Коши (3)-(4), определенное на некотором интервале Это решение может быть продолжено, вообще говоря, на больший интервал времени.

Решение называется продолжением решения .. , если оно определено на большем интервале / и совпадает Решение называется неограниченно продолжаемым (неограниченно продолжаемым вправо или влево), если его можно продолжить на всю ось (на полуось соответственно). Для дальнейших рассмотрений важен вопрос о существовании решения (глобальная теорема существования). Этим свойством обладает линейная система где — непрерывные функции на Для нее каждое решение , существует на (неограниченно продолжаемо вправо) и единственно. Не все системы обладают таким свойством.

Например, для скалярного уравнения функция непрерывна и имеет производные всех порядков по х. Нетрудно проверить, что функция является решением задачи Однако это решение существует только в интервале , зависящем от начального условия, и не-продолжаемо на полуинтервал . Уравнение (5) есть уравнение сверхбыстрого размножения, когда прирост пропорционален числу всевозможных пар. Его решение показывает, что при таком законе прироста населения количество населения становится бесконечным за конечное время (в то время как обычный закон прироста — экспоненциальный). Задача.

Показать, что решения уравнения dx нельзя продолжить неограниченно ни вправо, ни влево. § 2. Устойчивость по Ляпунову. Основные понятия и определения Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка где функция f(t,x) определена и непрерывна для ) и ж.из некоторой области D и имеет ограниченную частную производную Пусть функция есть решение уравнения (1), удовлетворяющее начальному условию

Пусть, далее, функция есть решение того же уравнения, удовлетворяющее другому начальному условию Предполагается, что решения определены для всех . неограниченно продолжаемы вправо. Определение 1. Решение уравнения (1) называется устойчивым по Ляпунову при , если для любого существует такое, что для всякого решения х = x(t) этого уравнения из неравенства следует неравенство для всех (всегда можно считать, что Это значит, что решения, близкие по начальным значениям к решению , остаются близкими и при всех .

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Метод функций Ляпунова. Устойчивость по первому (линейному) приближению
Ряды Фурье. Тригонометрические ряды. Ортогональность тригонометрической системы
Большепролетные покрытия, при проектировании общественных и промышленных зданий
Площадь поверхности. Интеграл по площади поверхности

Геометрически это означает следующее. Решение уравнения (1) устойчиво, если, какой бы узкой ни была е-полоска, содержащая кривую % все достаточно близкие к ней в начальный момент t = to интегральные кривые х = x(t) уравнения целиком содержатся в указанной е-полоске при всех o (рис. 1). Если при сколь угодно малом хотя бы для одного решения х = x(t) уравнения (1) неравенство (3) не выполняется, то решение х = tp(t) этого уравнения называется неустойчивым. Неустойчивым следует считать и решение, не продолжаемое вправо при t —* оо. Рис. 1 Определение 2.

Решение уравнения (1) называется асимптотически устойчивым, если 1) решение ) устойчиво; 2) существует такое, что для любого решения х = уравнения (1), удовлетворяющего условию | »имеем Это означает, что все решения х = x(t), близкие по начальным условиям к асимптотически устойчивому решению х = 4>(t)y не только остаются близкими к нему при t ^ t0, но и неограниченно сближаются с ним при t —> +00. Вот простая физическая модель.

Пусть шарик лежит на дне полусферической лунки (находится в положении равновесия). Если малым возмущением вывести шарик из этого положения, то он будет колебаться около него. При отсутствии трения положение равновесия будет устойчивым, при наличии трения колебания шарика будут уменьшаться с возрастанием времени, т. е. положение равновесия будет асимптотически устойчивым.

Пример 1. Исследовать на устойчивость тривиальное решение уравнения Решение х = 0, очевидно, удовлетворяет начальному условию Решение уравнения . удовлетворяющее начальному условию имеет вид Рис Легко видеть (рис. 2). что, какова бы ни была £-полоска вокруг интегральной кривой х = 0. существует например, б = е, такое, что любая интегральная кривая х, для которой , целиком содержится в указанной с-полоске для всех .

Следовательно, решение 2 = 0 устойчиво. А

симптотической устойчивости нет, поскольку решение х = хо при не стремится к прямой Пример 2. Исследовать на устойчивость тривиальное решение х = 0 уравнения А Решение уравнения , удовлетворяющее начальному условию имеет вид Возьмем любое 0 и рассмотрим разность решений Поскольку из выражения ) следует, что существует например, б = е. такое, что при имеем -Согласно определению (1) это означает, что решение уравнения устойчиво. Кроме того, поэтому решение асимптотически устойчиво (Пример 3.

Показать, что решение уравнения ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ Предварительные замечания Устойчивость по Ляпунову Основные понятия и определения Устойчивость автономных систем Простейшие типы точек покоя Простейшие типы точек покоя неустойчиво. В самом деле, при сколь угодно малом jxol решение этого уравнения не удовлетворяет условию HO-Olslxole'^Ue при достаточно больших t > to- Более того, при любых xq Ф 0 имеем .

Рассмотрим теперь систему дифференциальных уравнений (4) где функции /, определены для ..., хп из некоторой области D изменения п и удовлетворяют условиям теоремы существования и единственности решения задачи Коши. Предположим, что все решения системы (4) неограниченно продолжаемы вправо при Определение 3. Решение системы (4) называется устойчивым по Ляпунову при , если для любого е существует 6 = 0( такое, что для всякого решения , той же системы, начальные значения которого удовлетворяют условию выполняются неравенства для всех .

Близкие по начальным значениям решения остаются близкими для всех Если при сколь угодно малом , хотя бы для одного решения , не все неравенства (5) выполняются, то решение называется неустойчивым. Определение 4. Решение системы (4) называется асимптотически устойчивым, если: решение это устойчиво; существует такое, что всякое решение , системы, для которого , удовлетворяет условию Пример 4. Исходя из определения устойчивости по Ляпунову, показать, что решение системы удовлетворяющее начальным условиям , устойчиво.

•4 Решение системы , удовлетворяющее начальным условиям есть Решение этой системы, удовлетворяющее условиям , имеет вид . Возьмем произвольное и покажем, что существует такое, что при и выполняются неравенства для всех t 0. Это и будет означать, согласно определению, что нулевое решение xу( системы устойчиво по Ляпунову. Очевидно, имеем: Если взять будут иметь место неравенства действительно нулевое решение системы устойчиво по Ляпунову, но эта устойчивость не асимптотическая.

Из устойчивости нетривиального решения дифференциального уравнения не следует ограниченности этого решения. Рассмотрим, например, уравнение Решением этого уравнения, удовлетворяющим условию является функция Отрешение, удовлетворяющее начальному условию хо, имеет вид Геометрически очевидно (рис.5), что для всякого е > 0 существует 6, напримерс такое, что любое решение уравнения, для которого верно неравенство | удовлетворяет условию 0.

Последнее означает, что решение t устойчиво по Ляпунову, однако это решение является неограниченным при t Из ограниченности решений дифференциального уравнения не следует устойчивости решений. Рассмотрим уравнение Оно имеет очевидные решения Интегрируя уравнение (6), находим Все решения (7) и (8) ограничены на . Однако решение неустойчиво при , так как при любом х) имеем Таким образом, ограниченность и устойчивость решений являются понятиями, независимыми друг от друга. Замечание.

Исследуемое на устойчивость решение

Исследуемое на устойчивость решение системы (4) всегда можно преобразовать в тривиальное решение другой системы заменой В самом деле, пусть имеем (для простоты) одно дифференциальное уравнение и пусть требуется исследовать на устойчивость какое-либо решение этого уравнения. Положим, что (величину называют возмущением).

Тогда и подстановка в приводит к равенству — решение уравнения , поэтому и из имеем Обозначив здесь правую часть через , получим Это уравнение имеет решение , так как при его левая и правая части тождественно по t равны нулю: Таким образом, вопрос об устойчивости решения ) уравнения () приводится к вопросу об устойчивости тривиального решения у = 0 уравнения , к которому сводится (). Поэтому в дальнейшем мы будем, как правило, считать, что на устойчивость исследуется тривиальное решение. §3.

Устойчивость автономных систем. Простейшие типы точек покоя Нормальная система дифференциальных уравнений называется автономной, если ее правые части /, не зависят явно от t, т. е. если она имеет вид Это значит, что закон изменения неизвестных функций, описываемый автономной системой, не меняется со временем, как это бывает с физическими законами.

Пусть имеем автономную систему и пусть — такая совокупность чисел, что Тогда система функций будет решением системы ( фазового пространства называют точкой покоя (положением равновесия) данной системы. Рассмотрим автономную систему (1) , для которой так что точка есть точка покоя этой системы. Обозначим через 5(Я) шар и будем считать, что для рассматриваемой системы в шаре S(R) выполнены условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши.

Определение. Будем говорить, что точка покоя системы (1) устойчива, если для любого существует такое , что любая траектория системы, начинающаяся в начальный момент t = to в точке , все время затем остается в шаре S(e). Точка покоя асимптотически устойчива, если: она устойчива; существует такое , что каждая траектория системы, начинающаяся вточке Мо области , стремится к началу координат, когда время t неограниченно растет (рис. 7). Поясним это определение примерами. Пример 1.

Рассмотрим систему ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ Предварительные замечания Устойчивость по Ляпунову Основные понятия и определения Устойчивость автономных систем Простейшие типы точек покоя Простейшие типы точек покоя Траектории здесь — концентрические окружности с центром в начале координат — единственной точкой покоя системы.

Если взять 6 = е, то любая траектория, начинающаяся в круге 5(0), остается все время внутри S(6), а следовательно, и внутри .9(c), так что имеет место устойчивость. Однако траектории не приближаются к началу координат при t и точка покоя не является асимптотически устойчивой. Пример 2. Пусть дана система Ее решения: Отсюда имеем поэтому траекториями являются лучи, входящие в начало координат (рис.8).

Можно снова выбрать 6 = е. Любая точка траектории, находившаяся в начальный момент внутри 5(d), остается все время в круге S(e) и, кроме того, неограниченно приближается к началу координат при t -* +оо. Следовательно, наблюдается асимптотическая устойчивость. Пример Э. Возьмем, наконец, систему Ее решение Здесь также и траекториями являются лучи, исходящие из начала координат, но в отличие от примера 2 движение по лучам происходит в направлении от центра.

Точка покоя неустойчива. Простейшие типы точек покоя Исследуем расположение траекторий в окрестности точки покоя системы двух линейных однородных уравнений с постоянными коэффициентами: Решение будем искать в виде . Для определения А получаем характеристическое уравнение Величины с точностью до постоянного множителя определяются из системы Возможны следующие случаи. А. Корни характеристического уравнения (3) — действительные и различные.

Общее решение системы (2) имеет вид Пусть Точка покоя (0,0) в этом случае асимптотически устойчива, так как из-за наличия множителей ееА** все точки каждой траектории, находившиеся в начальный момент t = t0 в произвольной 6-окрестности начала координат, при достаточно большом t переходят в точки, лежащие» сколь угодно малой.е-окрестности начала координат, а при оо стремятся к этому началу.

Такая точка покоя называется устойчивым узлом. откуда и траекториями являются два луча, входящие в начало координат с угловым коэффициентом Аналогично, при получаем еще два луча, входящие в начало координат с угловым коэффициентом Пусть теперь и (для определенности) . Тогда в силу (4) т. е. все траектории (исключая лучи у = ^х) в окрестности точки покоя 0(0,0) имеют направление луча Оно имеет решения -так что траекториями системы будут лучи давпадающие с координатными полуосями и,.семейство парабол, касающихся оси Ох в начале координат (рис. 3.

Пусть теперь; тогда точка покоя неустойчива. При получаем .решение С возрастанием $ точка этой траектории Движется по лучу в направлении от начала , неограниченно удаляясь от него. При Ci =0 имеем: Отсюда видно, что при возрастании t точка движется по лучу в направлении к началу координат . Если то как при , так и при траектория покидает окрестность точки покоя. Точка покоя рассматриваемого типа называется седлом (рис. 12). Пример.

Исследуем характер точки покоя ) системы 4 Характеристическое уравнение системы имеет корни . Перейдем к одному уравнению интегрируя которое получаем Уравнение (6) имеет также решения Таким образом, интегральные кривые этого уравнения (траектории системы (5)) — равнобочные гиперболы и лучи, совпадающие с координатными полуосями. Б. Корни А|, Аг характеристического уравнения — комплексные: . Общее решение системы (2) можно представить в виде где — произвольные постоянные, — некоторые линейные комбинации этих постоянных. Пусть в этом случае множитель е стремится к нулю при а вторые множители в ограниченные периодические функции.

Траектории — спирали, асимптотически приближающиеся к началу координат при . Точка покоя асимптотически устойчива. Она называется устойчивым фокусом (рис..13)., 2. Если , то этот случай переходит в предыдущий при замене t на -t. Траектории не отличаются от траекторий предыдущего случая, но движение по ним при возрастании t происходит в противоположном направлении.

Точка покоя неустойчива — неустойчивый фокус. 3. Если же то решения системы (2) — периодические функции. Траекториями являются замкнутые кривые, содержащие внутри себя точку покоя, называемую в этом случае центром (рис. 14). Центр является устойчивой точкой покоя, однако асимптотической устойчивости нет, так как решение не стремится к нулю при Пример.

Рассмотрим систему уравнений Характеристическое уравнение системы имеет комплексные корни Перейдем от системы к одному уравнению и введем полярные координаты . Тогда Следовательно, Используя уравнение (9), находим, что откуда Эти интегральные кривые являются логарифмическими спиралями, навивающимися на начало координат, которое достигается в пределе при .

Налицо точка покоя типа фокуса. В частном случае, когда в = 0, уравнение (9) принимает вид Интегральные кривые этого уравнения — окружности с центром в начале координат, которое при а = О является точкой покоя системы (8) типа центра. В. Корни А|, Лг характеристического уравнения кратные: А| = А2. Случай этот — скорее исключение, а не правило, так как сколь угодно малое изменение коэффициентов системы разрушает его.

Применяя метод исключения, находим, что общее решение системы уравнений (2) имеет вид (Cf, C2 — некоторые линейные комбинации 1. Если , то из-за наличия множителя , решения стремятся к нулю при Точка покоя х = 0, у = 0 асимптотически устойчива. Ее называют устойчивым вырожденным узлом (рис. 15). Он отличается от узла в случае А. 1 (там одна из траекторий имела касательную, отличную от всех остальных). Возможен также дикритинескийузел (см. рис. 8). 2.

При замена t на -t приводит к предыдущему случаю, но движение по траекториям происходит в противоположном направлении. Точка покоя в этом случае называется неустойчивым вырожденным узлом. Пример. Для системы уравнений характеристическое уравнение имеет кратные корни Деля второе уравнение системы на первое, найдем откуда.

В этом случае Поэтому все интегральные кривые проходят через начало координат, и все они имеют там ось Оу общей касательной. Мы перебрали и исчерпали все возможности, поскольку случай А| = 0 (или Аг = 0) исключен условием Пример. Исследовать уравнение малых колебаний маятника с учетом трения. 4 Уравнение малых колебаний маятника в этом случае имеет вид где х —тгоЛ малого Ъткломвния мазика от вертикали, к коэффициент трйния.

Заменим уравнение эквивалентной системой Характеристическое уравнение для системы ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ Предварительные замечания Устойчивость по Ляпунову Основные понятия и определения Устойчивость автономных систем Простейшие типы точек покоя Простейшие типы точек покоя имеет корни Если , то эти корни будут комплексными с отрицательной действительной частью, так Что нйж-нее положение равновесия маятника будет устойчивым фокусом.

Решением уравнения ) является функция г или — частота колебаний, « величины Л, а определяются из начальных условий. График решения и фазовая кривая при имеют вид, изображенный на рис. 16. При уменьшением коэффициента трения, фокус превращается в центр: маятник будет совершать незатухающие периодические колебания.

Сформулируем результаты, касающиеся устойчивости решений системы п линейных однородных дифференциальных уравнений первого порядка с постоянными коэффициентами Рассмотрим для системы (10) характеристическое уравнение Справедливы следующие предложения «пп - А 1) если все корни характеристического уравнения имеют отрицательную действительную часть, то все решения системы (10) асимптотически устойчивы.

Действительно, в этом случае все слагаемые общего решения содержат множители е стремящиеся к нулю при t-*оо; . . 2) если хотя бы один корень А* характеристического уравнения имеет положительную действительную часть, то все решения системы неустойчивы; если характеристическое уравнение имеет простые корни с пулевой действительной частью (т. е. чисто мнимые или равные нулю корни), л остальные корни, если они есть, имеют отрицательную действительную часть, та все решения устойчивы, но асимптотической устойчивости нет Эти результаты относятся и к одному линейному дифференциальному уравнению с постоянными коэффициентами.

Следует обратить внимание на то, что для линейной системы все решения либо устойчивы, либо неустойчивы одновременно. Теорема 2. Решения системы линейных дифференциальных уравнений либо все одновременно устойчивы, либо неустойчивы. Л Преобразуем произвольное частное решение системы (11) в тривиальное с помощью замены Система (11) преобразуется при этом в линейную однородную систему относительно.

Следовательно, все частные решения системы (11) в смысле устойчивости ведут себя одинаково, а именно как тривиальное решение однородной системы (12). В самом деле, пусть тривиальное решение системы (12) устойчиво. Это значит, что для любого существует такое, что для всякого другого решения системы , из условия М*о)| следует, что Замечая, что , получаем, что из условия следует для всякого решения , исходной системы (11). Согласно определению, это означает устойчивость решения , этой системы.

Это предложение не имеет места для нелинейных систем, некоторые решения которых могут быть устойчивыми, а другие — неустойчивыми. Пример. Рассмотрим нелинейное уравнение Оно имеет очевидные решения Решение неустойчиво, а решение является асимптотически устойчивым. В самом деле, при все решения стремятся . Это означает, согласно определению, что решение устойчиво. Замечание. Как и в случае п = 2, можно исследовать расположение траектория в окрестности точки покоя 0(0,0,0) системы (1. Для п = 3 возможны так называемые уэлофокусы (рис. 17), седлофокусы (рис. 18) и т. д.