- •Лекция 1
- •Лекция 2 дифференциальные уравнения первого порядка Уравнения первого порядка, разрешенные относительно производной
- •Уравнения с разделяющимися переменными
- •Уравнения, приводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными.
- •Лекция 3 Теорема существования и единственности
- •Особые точки. Особые решения.
- •Лекция 4 Линейные уравнения первого порядка
- •Уравнения в полных дифференциалах
- •Лекция 5 Уравнения первого порядка, не разрешенные относительно производной
- •Лекция 6 Теорема существования и единственности для дифференциальных уравнений, не разрешенных относительно производной. Особые решения.
- •Лекция 7 обыкновенные дифференциальные уравнения
- •Типы дифференциальных уравнений -го порядка, разрешаемые в квадратурах.
- •Лекция 8 Промежуточные интегралы. Уравнения, допускающие понижение порядка.
- •Лекция 9 Общая теория линейных дифференциальных уравнений
- •Линейное однородное уравнение.
- •Лекция 10 Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами
- •Однородное дифференциальное уравнение Эйлера.
- •Лекция 11 Линейные неоднородные дифференциальные уравнения -го порядка
- •Лекция 12 Линейные неоднородные уравнения с постоянными коэффициентами
- •Понятие об операторном методе решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.
- •Лекция 13 Краевые задачи. Функция Грина.
- •Лекция 14 системы обыкновенных дифференциальных уравнений
- •Системы линейных дифференциальных уравнений. Линейные однородные системы.
- •Лекция 15 Неоднородные системы линейных уравнений
- •Линейные системы с постоянными коэффициентами.
- •Первые интегралы системы обыкновенных дифференциальных уравнений.
- •Лекция 16 теория устойчивости
- •Простейшие типы точек покоя.
- •Второй метод Ляпунова
- •Исследование на устойчивость по первому приближению
Второй метод Ляпунова
Выдающийся русский математик Ляпунов в конце XIX века разработал весьма общий метод исследования на устойчивость решения системы дифференциальных уравнений
, (14)
получивший название второго метода Ляпунова.
Теорема
1 (теорема
Ляпунова об устойчивости). Если существует
дифференцируемая функция
,
называемая функцией Ляпунова,
удовлетворяющая в окрестности начала
координат следующим условиям:
1)
,
причем
лишь при
,
т.е. функция
имеет строгий минимум в начале координат;
2)
при
,
то точка покоя устойчива.
Производная
в условии 2) взята вдоль интегральной
кривой. Это означает, что она вычислена
в предположении, что аргументы
функции
заменены решением
системы дифференциальных уравнений
(14). Действительно, в этом предположении
,
и заменяя
правыми частями системы (14), окончательно
получим
.
Теорема 2 (теорема Ляпунова об асимптотической устойчивости). Если существует дифференцируемая функция Ляпунова , удовлетворяющая условиям:
1)
имеет строгий минимум в начале координат:
;
2) производная
функции
,
вычисленная вдоль интегральных кривых
системы (14)
,
причем вне сколь угодно малой окрестности
начала координат, т.е. при
,
производная
,
где
— постоянная, то точка покоя
системы (14) асимптотически устойчива.
Теорема
3 (теорема
Четаева о неустойчивости). Если существует
дифференцируемая функция
,
удовлетворяющая в некоторой замкнутой
-окрестности
начала координат условиям:
1) в сколь угодно
малой окрестности
начала координат существует область
,
в которой
,
причем
на лежащей в
части границы области
;
2) в области
производная
,
причем в области
,
в которой
,
производная
,
то точка покоя
системы (14) неустойчива.
Пример
1. Исследовать
на устойчивость тривиальное решение
системы
.
Берем функцию
.
Она удовлетворяет условиям теоремы
Ляпунова об асимптотической устойчивости:
1)
;
2)
.
Вне окрестности начала координат
.Следовательно,
решение
асимптотически устойчиво.
Пример
2. Исследовать
на устойчивость тривиальное решение
системы
.
Функция
удовлетворяет условиям теоремы Ляпунова
об устойчивости:
1)
;
2)
.
Следовательно, тривиальное решение устойчиво.
Пример
3. Исследовать
на устойчивость точку покоя
системы уравнений
.
Функция
удовлетворяет условиям теоремы Четаева
о неустойчивости:
1)
при
;
2)
при
,
причем при
.
Следовательно, точка покоя
неустойчива.
Пример
4. Исследовать
на устойчивость тривиальное решение
системы уравнений
,
если дано, что функция
имеет строгий максимум в начале координат.
В качестве функции
Ляпунова возьмем разность
,
которая, очевидно, обращается в нуль
при
,
имеет строгий минимум в начале координат
и, следовательно, удовлетворяет условию
1) теоремы Ляпунова об устойчивости.
Производная вдоль интегральных кривых
.
Итак, условия теоремы Ляпунова об
устойчивости выполнены, следовательно,
тривиальное решение устойчиво.
Пример
5. Исследовать
на устойчивость тривиальное решение
системы уравнений
,
где
при
и все
.
Тривиальное
решение устойчиво, так как функция
удовлетворяет условиям теоремы Ляпунова
об устойчивости:
1)
и
;
2)
.
