Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Дифуры.docx
Скачиваний:
20
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

1.2 Фазовая плоскость линейной однородной системы с постоянными коэффициентами

Здесь мы построим фaзовые траектории на фазовой плоскости системы с постоянными действительными коэффициентами:

(1.9)

Заметим, что начало координат (0,0) всегда является положением равновесия системы (1.9). Это положение равновесия тогда и только тогда является единственным, когда детерминант матрицы   отличен от нуля, или что то же, оба собственных значения этой матрицы отличны от нуля.

Рассмотрим скалярные величины x1, x2 как координатный столбец   вектора   в двумерном линейном пространстве  , в котором фиксирована некоторая ортогональная координатная система  ; матрица   задает линейный оператор  такой, что

(1.10)

Перепишем систему (1.9) в матричной форме:

(1.11)

а также в инвариантной форме:

(1.12)

I. Случай действительных и различных собственных значений

Допустим, что собственные значения матрицы A действительны, различны и отличны от нуля. Тогда, произвольное действительное решение   системы (1.12) в собственном базисе   оператора A имеет вид:

(1.13)

Здесь 1,2 - собственные значения оператора   - соответствующие собственные векторы, т.е.   - действительные константы.

Координаты 1,2 на фазовой плоскости P системы (1.9), вообще говоря, не являются прямоугольными, поэтому отобразим аффинно фазовую плоскость P на вспомогательную плоскость P* так, чтобы линейно-независимые собственные векторы   перешли во взаимно ортогональные единичные векторы плоскости P*, направленные соответственно по оси абcцисс и оси ординат (рис 1.5).

Тoчка   плоскости P перейдет при этом отображении в точку с теми же координатами 1,2, но относительно новой прямоугольной системы координат в плоскости P*. Таким образом, траектория, заданная параметрическими уравнениями (1.13) в плоскости P перейдет в траекторию, заданную теми же уравнениями в прямоугольных координатах плоскости P*. Мы начертим сперва траектории, заданные уравнениями (1.13) в плоскости P*, а затем отобразим их обратно в плоскость P.

Наряду с фазовой траекторией (1.13) в плоскости P* имеется траектория, задаваемая уравнениями

(1.14)

а также траектория, задаваемая уравнениями

(1.15)

Траектория (1.14) получается из траектории (1.13) зеркальным отображением относительно оси абcцисс, и траектория (1.15) - относительно оси ординат. Таким образом, указанные два зеркальных отображения оставляют картину траекторий на плоскости P*инвариантной. Из этого следует, что если вычертить траектории в первом квадранте, то уже легко представить себе фазовую картину в плоскости P*.

Значениям c1 = c2 = 0 соответствует положение равновесия (0,0). При c1 > 0,  c2 = 0 фазовая траектория находится на положительной полуоси абcцисс. При c1 = 0,  c2 > 0 фазовая траектория находится на положительной оси ординат.

Если 1 < 0, то движение, описывающее положительную полуось абcцисс, протекает в направлении к началу координат, если же 1 > 0, то движение это имеет противоположное направление - от начала координат. В первом случае точка движется неограничено приближаясь к началу координат, во втором - неограничено удаляясь в бесконечность. То же справедливо и относительно движения, описывающего положительную полуось ординат. Если константы c1 и c2 положительны, то фазовая траектория находится в первой четверти, не выходя на ее границу.

Для более детального описания фазового портрета следует рассмотреть несколько случаев.

А) Допустим, что собственные значения 1,2 имеют один знак и пусть для определенности

 1 <  2.

(1.16)

Рассмотрим случай, когда

1 < 0, 2 < 0.

При этих предположениях движение по положительной полуоси абcцисс направлено к началу координат, точно так же, как движение по положительной полуоси ординат. Далее, движение по произвольной фазовой траектории внутри первого квадранта состоит в асимптотическом приближении точки к началу координат, причем траектория при этом касается оси абcцисс в начале координат. Действительно, из параметрических уравнений траекторий (1.13) следует равенство

(1.17)

из которого ясен качественный характер поведения фазовой траектории. При t, стремящемся к , точка движется по фазовой кривой, удаляясь от положения равновесия (0,0). Эта фазовая картина называется устойчивым узлом. (рис. 1.6а)

Рассмотрим теперь случай, когда наряду с неравенством (1.16) выполнены неравенства:

1 > 0, 2 > 0.

При этом траектории остаются прежними, но движение по ним направлено (по сравнению с предыдущим случаем) в противоположном направлении. В этом случае мы имеем неустойчивый узел (рис. 1.6б)

В) Допустим, что собственные числа 1 и 2 имеют противоположные знаки. Пусть для определенности

1 < 0 < 2.

В этом случае движение по положительной полуоси абcцисс идет к началу координат, а движение по положительной полуоси ординат - от начала координат. Из параметрических уравнений (1.13) получаем:

Таким образом, фазовые траектории, лежащие внутри первого квадранта, напоминают по своему виду гиперболы, а движение по ним происходит в направлении к началу координат вдоль оси абcцисс, и в направлении от начала вдоль оси ординат. Эта фазовая картина называется седлом. (рис 1.7)

II. Кратные собственные значения

Предположим, что матрица A системы (1.9) имеет лишь одно собственное значение  (кратности два). Тогда возможны два существенно различных случая.

Случай 1. Существует в плоскости   базис  , состоящий из двух собственных векторов оператора A: P  P:

(1.18)

Случай 2. Существует в плоскости   базис  , состоящий из серии, соответствующей собственному значению :

(1.19)

Докажем существование базиса в плоскости одного из видов (1.18) или (1.19). Пусть   - собственный вектор оператора A и   - произвольный вектор, не коллинеарный вектору  . Тогда мы имеем:

Отсюда видно, что оператор A имеет в базисе   матрицу:

так, что его собственными значениями являются  и  и поэтому  = . Если  = 0, то для базиса   выполнены соотношения (1.18). Если же   0, то заменив вектор   пропорциональным ему вектором  , мы получим базис, удовлетворяющий условиям (1.19).

В первом случае общее решение уравнения (1.12) записывается в виде:

(1.20)

При   0 каждое решение (1.20) ( при различных начальных значениях  ) описывает полупрямую, выходящую из начала координат. При  < 0 движение происходит в направлении к началу координат (рис. 1.8а), при  > 0 - от начала координат (рис. 1.8б)

В случае 2 произвольное решение уравнения (1.12) имеет вид:

(1.21)

Отсюда следует, что координаты решения   в базисе   выражается по формулам

(1.22)

Аффинное преобразование фазовой плоскости P, переводящее векторы   и   в единичные ортогональные векторы, направленные по осям координат плоскости P*, переводит траектории плоскости P в траектории плоскости P*, в которой уравнения (1.22) дают траектории уже в прямоугольных координатах.

Разберем случай   0. Пусть сначала  < 0. Рассмотрим траектории, заполняющие плоскость P*, в этом случае. Из формул (1.22)видно, что наряду с траекториями (1.22), траекториями будут кривые с уравнениями:

Другими словами, фазовая картина в плоскости P* симметрична относительно начала координат. Таким образом, достаточно рассмотреть все траектории в верхней полуплоскости. При c1  0,  c2 = 0 получаем две траектории: одну при c1 > 0, другую - при c1 < 0. Первая совпадает с положительной полуосью абсцисс, вторая - с отрицательной полуосью абсцисс; движение по обоим направлено к началу координат.

Рассмотрим далее траекторию соответствующую c1 = 0,  c2 > 0. Мы имеем:

(1.23)

При t = 0 получаем точку (0,c2) на оси ординат. При t, возрастающем от нуля, точка движется по траектории

(1.24)

(получается из (1.23) после исключения t) сначала направо, затем налево, все время опускаясь вниз к началу координат, к которому она подходит по траектории, касающейся положительного направления оси абсцисс. При t, убывающем от нуля до , точка движется налево, одновременно поднимаясь вверх, однако налево быстрее, чем вверх, так что общая тенденция ее движения - в отрицательном направлении вдоль оси абсцисс. Если в уравнениях (1.23) придавать константе c2 все положительные значения, то описанные таким образом фазовые траектории заполнят всю верхнюю полуплоскость. Мы имеем здесь устойчивый вырожденный узел (рис. 1.9).

Если  > 0, то вместо уравнения (1.24) мы получаем уравнение траектории в виде:

(1.25)

то есть данные траектории получаются из описанных выше путем зеркального отображения плоскости относительно оси ординат (рис. 1.10).

Движение по этим траекториям идет в противоположном направлении, т.е. от начала координат. Это - неустойчивый вырожденный узел.

III. Случай комплексных корней

Рассмотрим теперь случай, когда собственные числа матрицы A комплексны. Тогда они комплексно сопряжены и могут быть обозначены через  = + i,   =  i, причем   0.

Числа  и   являются собственными значениями оператора  , соответствующего матрице A.

Предложение 1.2.1 Оператор A представляет собой овеществление оператора   умножения на комплексное число . Точнее, плоскость   можно снабдить структурой комплексной прямой  , так что   и  .

Доказательство. Пусть   - комплексный собственный вектор оператора   с собственным значением  = + i. Векторы  и   образуют базис в  . Имеем с одной стороны:

и с другой -

откуда

Таким образом, оператор   в базисе   имеет матрицу:

(1.26)

В то же время оператор   умножения на  = + i в базисе 1,i имеет ту же матрицу (1.26). Итак, искомая комплексная структура на   получится, если принять   за 1 и   за i. Предложение доказано.

Таким образом, следует рассмотреть уравнение:

(1.27)

Мы знаем его решения:

(1.28)

где C - комплексная константа.

Перепишем уравнение (1.28) в полярных координатах, положив

Таким образом, получаем:

(1.29)

это есть уравнение движения точки в фазовой плоскости, снабженной комплексной структурой.

При   0 каждая траектория оказывается логарифмической спиралью. Соответствующая картина на плокости P называется фокусом.Если  < 0, то точка при возрастании t асимптотически приближается к началу координат, описывая логарифмическую спираль. Это -устойчивый фокус (рис. 1.11). Если  > 0, то точка уходит от начала координат в бесконечность, и мы имеем неустойчивый фокус (рис. 1.12). Если число  равно нулю, то каждая фазовая траектория, кроме положения равновесия (0,0), замкнута, и мы имеем так называемый центр (рис. 1.13).