Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Понтрягин, Л. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения учебник

.pdf
Скачиваний:
28
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
11.65 Mб
Скачать

100

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

[Гл. 2

Пусть

Ь* = 1Ч + Ь*,

v*= E* +

h|*,

(21)

 

 

где

р.А,

£*, т* — действительные

величины.

Тогда пару сопряжен­

ных между собой уравнений (20) можно заменить парой действитель­

ных уравнений

 

 

£'• = (!,*£*— vfcr(*

rlk= чк1к - f \>.knk-

(22)

Производя такую замену для каждой пары комплексно-сопряженных собственных значений, мы сможем заменить систему действительных переменных (13) новой системой действительных переменных, причем уравнения для них частично имеют вид (19) (для действительных

значений Ху),

а частично — вид (22) (для пар комплексно-сопряженных

собственных

значений).

 

Е)

в пространстве R векторов

Для

доказательства предложения

х = (х1,

...,

х п) поставим

матрице

А

в соответствие линейное пре­

образование

А (см. § 34)

и обозначим

через hk собственный вектор

преобразования А с собственным значением ХА. Примем теперь за ба­

зис в R

векторы

 

 

Л,.. (23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и соответствующие

этому

базису

координаты

вектора

дг обозначим

через у х,

у п■ Мы получим таким образом

линейное

преобразова­

ние (15). В новой системе координат преобразованию А

соответствует

матрица

В, имеющая, как

легко

видеть,

диагональный

вид, причем

на диагонали стоят

числа

Х1(

...,

Х„. Таким образом, система (16) по­

лучает вид (19).

 

 

действительна,

то

каждому

действитель­

Если

теперь матрица А

ному собственному значению Ху поставим в соответствие действитель­ ный вектор hj, а паре комплексно сопряженных собственных значе­ ний \ к и Х, = ХА— пару комплексно сопряженных собственных век­

торов hk и hi — hf,. Произвольный вектор Jt в новых координатах записывается в виде:

X = j ] y Jhj,

(24)

>=»

 

и если он действителен, то коэффициенты при действительных век­ торах должны быть действительны, а коэффициенты при комплексно сопряженных векторах должны быть комплексно сопряжены (см. § 7, Г)). Таким образом, каждому действительному собственному значению Ху соответствует действительное переменное у 1,_а паре комплексно со­

пряженных собственных значений Xft и Хг = ХА соответствуют комп­

лексно сопряженные величины у к и у 1

§ Ml

НОРМАЛЬНАЯ ЛИНЕЙНАЯ ОДНОРОДНАЯ СИСТЕМА

101

Для

перехода от пары комплексно-сопряженных

уравнений

(20)

к паре действительных уравнений (22) запишем уравнение (20),

под­

ставив в него значения Xft и у к из (21);

мы

получим

тогда

 

ik +

k=■((** + 1ч) (** + h k) =

-

Ч-Чк + 1(v*&* + №*)•

 

Приравнивая отдельно действительные и мнимые части этого соотно­ шения, получаем систему уравнений (22).

Итак, предложение Е) доказано.

Система уравнений (19) имеет очевидное решение

ук — скеК>'‘>k — \, ..., п,

но для того, чтобы получить решение исходной системы (3), нужно произвести переход от неизвестных (14) к неизвестным (13), а для этого нужно знать собственные векторы (23) матрицы А (см. (24)). Таким образом, предложение Е) равносильно теореме 10.

Для решения системы (1) в общем случае можно использовать приведение матрицы А к жордановой форме; получаемое здесь пред­ ложение Ж) равносильно теореме 11.

Ж) Пусть матрица А системы (1) произвольная. Выберем преоб­ разование (15) таким образом, чтобы матрица В имела жорданову

форму (см. § 36). Пусть

X— одно из собственных значений матрицы

А

и k — размер

одной

из

жордановых клеток матрицы В

с

собствен­

ным значением

X. Будем

считать, что

эта клетка занимает

первые

k

строк. Соответствующая

этой

клетке

система уравнений

имеет вид:

у = х / +

у , /

=

Х / +

/ , ...,

/ * ‘ = Х /- ‘ + / , у к = 1ук.

 

Каждой другой жордановой клетке матрицы В соответствует ана­

логичная система уравнений, которую легко

решить.

 

П р и м е р ы

 

1. Применение метода,

изложенного в этом параграфе, к реше­

нию системы (1) требует

отыскания

базиса

 

 

hij . .

. , hn

 

векторного пространства,

составленного из

серий (см. теорему 11).

Это отыскание само по себе представляет некоторую алгебраическую задачу. Покажем, как, пользуясь результатами этого параграфа, мож­ но решить систему (1) м е т о д о м н е о п р е д е л е н н ы х к о э ф ф и ц и ­ ентов , не отыскивая базиса, составленного из серий. Пусть X— неко­ торое собственное значение матрицы (ар. Этому собственному значению

вообще говоря,

соответствует

несколько

серий, входящих

в базис

, ft„;

пусть k будет

наибольшая

из длин серий,

соответ-

102

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

[Гл. 2

ствуютих

собственному

значению

X. В силу теоремы 11

каждое из

решений, соответствующих собственному значению X, может быть за-

писано

в виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х ‘=

/ ‘(1)еи ,

1 = 1 ,

п,

 

 

 

(25)

где /'(О

есть

многочлен

степени

sg;к — 1.

Таким

образом,

подстав­

ляя в систему (1) решение в виде (25) и считая,

что

коэффициенты

многочленов

f ‘ (t), 1 = 1 ,

..., п,

суть неизвестные

константы,

мы,

пользуясь методом неопределенных коэффициентов, найдем все реше­ ния системы (1), соответствующие собственному значению X. При таком способе решения системы (1) не нужно знать серий, соответ­ ствующих собственному значению X, а нужно знать лишь д л и н ы этих серий. Отыскание длин представляет собой более простую алгеб­ раическую задачу, чем приведение к жордаиовой форме; задача эта решается теорией, элементарных делителей матриц, относящейся к линейной алгебре. Теория элементарных делителей нигде в этой книге не используется.

2. Покажем теперь, как решить систему (1) методом исключения, изложенным в § 11. Для применения метода исключения запишем систему (1) в виде:

% L l (p)xi = 0, /=|

где

Lij (p) = a‘/ — pbir

Детерминант D (р) матрицы (Llj{p)) в данном случае представляет со­ бой характеристический многочлен матрицы (а\). Пусть X— некото­ рый корень многочлена D(p), или, что то же, собственное значение матрицы (а Кратность корня X обозначим здесь через /. В силу

предложения В) § 11 всякое решение системы (1), соответствующее корню X, следует искать в виде:

х ‘ = g‘(t)

1= 1 > • • • > п>

где степень многочлена ^ ( t) не превосходит числа / — 1. Если срав­ нить метод, излагаемый в этом примере, с методом, данным в при­ мере 1, то мы видим, что вся разница заключается в определении максимальной степени многочленов. Метод примера 1 дает более точное определение степени многочленов, так как число к, вообще говоря, меньше числа I. В самом деле, сумма всех длин серий, соответствующих собственному значению X, равна /. Таким образом, равенство к = 1 может иметь место лишь в случае, когда есть только одна серия, соответствующая собственному значению X.

§ 15]

АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ

103

§15. Автономные системы дифференциальных уравнений

иих фазовые пространства

Здесь будет дана геометрическая интерпретация автономной системы уравнений в виде фазового пространства этой системы. Эта интерпретация существенно отличается от геометрической интер­ претации системы уравнений, указанной в §§ 1, 3 и правильнее дол­ жна называться не геометрической, а кинематической, так как в этой кнгерпретации каждому решению системы уравнений ставится в соот­ ветствие не кривая в пространстве, а движение точки по кривой. Кинематическая интерпретация (фазовое пространство) в некоторых отношениях более выразительна, чем геометрическая (система интег­ ральных кривых).

А в т о н о м н ы е с и с т е м ы

Система обыкновенных дифференциальных уравнений называется

автономной, если

в

нее явно

не

входит

независимое

переменное

(или, как мы будем говорить, время ) t. Это значит,

что

закон

из­

менения

неизвестных

функций,

описываемый

системой

уравнений

не меняется с течением времени,

как

это обычно

 

и

бывает

с

физи-’

ческими

законами. Очень легко

доказывается,

что

если

 

 

 

 

 

 

 

 

х 1= cpf (t),

 

/ =

1,...,

/г,

 

 

 

 

 

 

 

 

есть решение некоторой автономной системы уравнений, то

 

 

 

 

 

 

■*i =

'pU*) =

'P'(* +

0>

 

i=zX....... п>

 

 

 

 

где с — константа, также есть решение

той

же

автономной

системы

уравнений. Проведем доказательство этого

факта

на

примере

н о р ­

м а л ь н о й

автономной

системы

уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А)

Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х != ф ‘(х '.......х п),

 

/ = 1 , . . . , л ,

 

 

 

 

 

(1)

— автономная нормальная система

уравнений

порядка

п и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = f ( x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— векторная ее запись. Автономность системы

(1) заключается в том,

что функции / ' (лг1, ... ,

лг”),

 

 

 

 

являются

функциями

пере­

менных

лг1, ... , х п и не

з а в и с я т

от времени t.

 

Относительно

функ­

ций f

(х1....... х п) мы

будем

предполагать, что

они

определены

на

некотором

открытом

множестве

Д пространства размерности п, где

координатами точки

являются переменные

х 1, . . . , х п.

Мы будем

пред­

полагать,

что функции / ‘ (лг1, ..., х п)

и

их

частные

производные

пер­

вого

порядка непрерывны на множестве Д . Оказывается,

что если

 

 

 

 

 

лг' = ?'(*)>

 

г = 1 ,

... ,

я

 

 

 

 

 

 

 

(2)

104

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

[Гл. 2

— решение

уравнения

(1), то

 

 

 

 

 

 

 

х '1 =

ср'* ( 0

=(t -j- <ср‘),

/ =

1 ,

 

я ,

также есть

решение системы (1).

 

 

 

 

 

 

Из правила дифференцирования сложной функции вытекает соот­

ношение

 

=

+

1 =

\ ........я.

 

(4)

 

 

 

 

Действительно,

 

 

 

 

 

 

 

¥*

 

^ = Ш ¥ <*+

с )= JTT+7) ¥

{t +

с) ’ ^

=

 

Докажем теперь, что (3) есть решение системы (1). Так как (2) есть решение, то мы имеем тождества

♦ | ( 0 = / ,'(? , (0 •••> т ” (0)>

/ = 1........

Я.

Заменяя в этих тождествах t через t -}- с, мы получаем:

ф1( / -f-с ) = / ‘(tp* (/-|-с),

... , <р"(t -f-с)),

i =

\ , ..., я.

Из этого в силу (4) и (3)

вытекает

 

 

(<) =

(t

c)— f ‘ (<р' (t-f- с)........ «р"(< + 0 ) =

/ '( <р1(0...........?;(<))•

Перейдем теперь к кинематической интерпретации решений системы

(1). Формально

речь будет идти об интерпретации

в «-мерном про­

странстве, но для наглядности разумно представлять себе случай плоскости (п = 2).

Б) Каждому решению

 

 

 

 

 

^

= ?'(0.

/ = ! , . . . , «

 

(5)

автономной системы (1)

поставим

в

соответствие движение

точки в

«-мерном пространстве,

задаваемое уравнениями (5),

где х 1........х" —

координаты точки в пространстве,

a t

— время. В

процессе

своего

движения точка описывает некоторую

кривую — траекторию дви­

жения. Если сопоставить решению (5) не процесс движения, а траек­

торию движения точки, то мы получим менее

полное

представление

о решении, поэтому желательно на

траектории

указать хотя бы

на­

правление движения. Оказывается,

что если наряду с

решением

(5)

имеется другое решение

 

 

 

 

хг = ф‘(0,

/ = 1 ........».

 

(6)

то траектории, соответствующие этим решениям, либо не пересека­ ются в пространстве, либо совпадают. Именно, если траектории име­ ют хотя бы одну общую точку, т. е.

(h) — (*»)>

l — li •••) п.

(? )

§ 151

АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ

105

ТО

ф'- (0 = ср*‘ (t - f с),

где

c = ti — ti.

(8)

 

Последние

равенства показывают,

что

траектории,

описываемые пер­

вым и вторым решениями, совпадают между собой, но первое ре­ шение описывает ту же самую траекторию, что и второе, с «запоз­ данием» на время с. Если точка, соответствующая первому решению,

достигла

некоторого положения на траектории в момент времени

t-\-c, то

точка, соответствующая второму решению, уже побывала в

этом положении в момент времени t.

Для того чтобы вывести из равенства (7) тождество (8), рассмот­

рим наряду

с решением (5)

решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тКО =

? '(' +

0

 

 

 

 

 

 

(9)

(см. А)). Из

равенства

(7) при

c =

tx12 следует

равенство

 

 

<Рг* (h) — ?' (h +

с) =

ср; (tx) = f

(tt),

1 = 1 , ... , п.

 

 

Таким образом, решения (6)

и (9)

системы (1)

имеют

общие

началь­

ные условия (а именно, значения в момент времени

f4) и потому в

силу теоремы единственности совпадают, так что мы имеем:

 

 

 

 

ф'(0= ч>ио = ?'(* + О.

i = h

•••>«•

 

 

П о л о ж е н и я р а в н о в е с и я и з а м к н у т ы е т р а е к т о р и и

Поставим

вопрос о том, может

ли

траектория,

изображающая

решение системы, пересекать себя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В) Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лт1’= <р* (*),

/ = 1, .... я

 

 

 

 

(10)

— некоторое

решение

системы

(1). Допустим,

что

имеет место

ра­

венство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

?'(<!) = ?'(<*).

/ =

1,

 

 

 

 

 

 

 

(И)

где числа tx и tb конечно, принадлежат

интервалу

ri< ^ (< V 4 опре­

деления решения (10). Оказывается,

что

при

этом

условии

решение

(10) может быть продолжено на весь

бесконечный

интервал

— оо<^

< ^i< ^ -|-oo .

Поэтому мы сразу будем считать,

что само решение (10)

определено на этом интервале — со

t

-|- оо. Оказывается далее,

что возможны два следующих взаимно исключающих случая.

 

 

1) Для

всех значений t

имеет место равенство

 

 

 

 

 

 

ср' (t) =

а\

 

i = \ , . . . , n ,

 

 

 

 

 

где (а1,..., а") есть точка множества

Д,

не

зависящая от t. Таким

образом, в

 

этом случае точка (ср1(t),....

cp"(f))

в

действительности

не движется

 

при изменении

t, а стоит

на

месте.

Само

решение

(10)

106

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

[Гл. 2

и точка

(а1, ... , а") в этом случае называются положением равнове­

сия

системы (1).

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Существует такое положительное число Г, что при произвольном

t имеют место равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

<р''(* +

Т) =

^((),

1 =

1....... п,

 

 

но при

| -с, ч \ < Т

хотя бы

для

одного

1 = 1 , ..., п имеет

место

неравенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

?' Ы Ф Ф Ы -

 

 

 

В этом

случае решение

(10)

называется

периодическим

с

перио­

дом

Т,

а траектория,

описываемая решением (10), называется

замкну­

той траекторией, или циклом.

Докажем предложение В). Как было отмечено в предложении Б),

из равенства (11) следуют тождества

 

 

ф (t + с) = (0,

t = 1........ п,

c = U — t*

(12)

При этом функции cp'(i-f-c)........ср” (^ -}—с)

также представляют реше­

ние системы (1) (см. А)). Это решение и первоначальное решение (10) совпадают там, где они оба определены (теорема 2). Если объеди­ нить эти два решения, мы получим новое решение с ббльшим интер­

валом

существования, чем исходное, а именно, с интервалом

— с<^

t

rs при

с^>0 и Г\

t гз — с при

с < 0 .

Так

как tl и fs

равноправны,

то знак величины с можно изменить,

так

что

решение

можно

продолжить на

интервал гх — | с I

<СГ*

I с I-

Так как>

кроме того, для продолженного решения равенство (11) по-прежнему выполнено, то к нему опять можно применить указанный способ

расширения интервала существования, и потому

мы

можем

продол­

жить

решение

(10)

на всю бесконечную прямую

с

сохранением для

него

тождества

(12).

 

 

 

Каждое число с,

для которого выполнено тождество (12),

будем

называть

периодом

решения (10); множество всех периодов реше­

ния (10)

обозначим

через F. Множество F есть некоторое множество

чисел. Установим некоторые его свойства. Заменяя и соотношении (12)

t через t — с, получаем

y l (t) =

y'(t — с).

Таким

образом, если с

есть период, то —с также есть период. Допустим,

что ct

и с2 — пе­

риоды, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

ср* (^-|-с1) = ср<(<),

<р1(t

са) =

<р* (0,

i =

l,

... ,

п.

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

Ф ((t -f- Cj) -(- ct) =

ср1(t —|- сг) =

ф (t),

1 =

1,

...,

п.

Таким образом, если с, и суть периоды, то с, -f- с9 также есть период. Допустим, что сх, сг, ... , ст, ... есть последовательность

5 15]

 

 

 

 

АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ

 

 

 

 

107

периодов,

сходящаяся

к

некоторому

числу с0; тогда мы имеем

 

 

 

<р' (t

с т ) ~

?*' ( 0 >

1 = \ ,

П, т =

1 ,

2 , . . .

 

Так как

функции <p‘(f)

непрерывны,

то при /я-^-оо

мы

получаем:

 

 

 

 

 

ср‘(t -|-с0)= <р‘(t),

 

 

 

 

 

т. е. мы

видим,

что

с0

также

есть

период, так

что

множество

F

з а м к н у т о .

 

 

 

 

 

от

нуля (f, ф (,г),

то

Так как число с в равенстве (12) отлично

множество F содержит

числа, отличные от пуля. Из установленных

свойств

множества

F

легко

выводится, что для

него

есть только

две возможности: 1) множество F совпадает с множеством всех дей­

ствительных чисел; 2) в

множестве F имеется

минимальное

положи­

тельное число

Т, и тогда F состоит

из всех целочисленных кратных

числа

Т.

Докажем, что действительно

имеются только эти две возмож­

ности.

Так как

множество F вместе

с каждым числом с

содержит

число — с и так как в F имеются числа, отличные от нуля, то в f имеются положительные числа.

Допустим, что в множестве F нет наименьшего положительного числа, т. е. что для произвольного положительного числа г имеется положительный период c<^s. Из доказанных свойств множества F следует (так как с есть период), что все числа тс, где т — целое, также являются периодами. Так как с<^е, то для произвольного

действительного

числа

с0

можно

подобрать

такое целое

т,

что

|с0

т е |

е . Таким образом, произвольное

число с0

является

пре­

дельным

для

множества F,

и потому, ввиду замкнутости множества F,

это

множество

совпадает

с

множеством

всех

действительных

чисел.

Допустим

теперь, что

F не есть множество всех

действительных

чисел. В силу доказанного,

в F имеется

тогда

наименьшее

положи­

тельное

число Т. Пусть

 

с — произвольный период. Можно тогда выб­

рать такое целое число т, что | с тТ\<^Т. Допустим,

что

с Ф m Т;

тогда | с тТ\

есть отличный от

нуля

период,

а

это

невозможно,

так

как

/пТ\<^Т,

 

что противоречит

минимальности

числа

Т.

Итак, доказано, что каждое число с из F может быть записано в виде

с =

тТ,

где

m — целое

число.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь уже легко проверить, что если F есть множество всех

действительных

чисел, то

имеет место случай 1), а

если F

не

есть

множество действительных

чисел, то имеет место случай 2). Таким

образом, предложение В) доказано.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кратко предложение

 

В)

можно

сформулировать,

сказав,

что

име­

ется три сорта траекторий: 1) положение равновесия; 2) периодичес­ кие траектории (циклы); 3) траектории без самопересечений. Естест­ венно считать, что последний случай является «наиболее общим».

Из теоремы 2 следует, что через каждую точку области Д зада­ ния системы (1) проходит траектория, изображающая решение системы.

108

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

[Гл. 2

Таким

образом, вся область Л заполнена траекториями, причем,

сог­

ласно Б), траектории эти попарно не пересекаются. Среди всех траек­ торий особо выделяются самопересекающиеся, которые являются либо положениями равновесия, либо циклами. Эти два сорта траекто­ рий имеют весьма важное значение.

Такова кинематическая интерпретация решений автономной си­ стемы уравнений. Сама система уравнений также допускает геомет­ рическую интерпретацию.

Ф а з о в ы е п р о с т р а н с т в а

Г) Поскольку автономная система уравнений (1) определена на открытом множестве Д, каждой точке (xj, ..., х£) множества Д по­ ставлена в соответствие последовательность из я чисел, именно по­ следовательность:

Р (К....... О ......... / п (xj, ..., х?).

Эти числа можно рассматривать как компоненты вектора/(x j, ..., xj), проведенного в я-мерном пространстве и выходящего из точки (xj, ..., х"). Таким образом, автономной системе ставится в соот­

ветствие

геометрический

образ — в е к т о р н о е поле,

заданное

на

открытом

множестве Д.

В каждой точке (xj, ..., х£)

множества

Д

определен вектор f{x\, ..., xj), выходящий из этой точки. Связь между геометрической интерпретацией решений и геометрической

интерпретацией

самой системы уравнений

заключается

в следующем:

Пусть (х', ...,

xj) — произвольная

точка

множества

Д. В силу

гео­

метрической интерпретации

системы

уравнений этой точке поставлен

в соответствие

выходящий

из нее

вектор /(x j,

... ,

х"). Далее, в

силу теоремы 2 существует решение х ' =

системы (1),

удов­

летворяющее начальным

условиям

 

 

 

 

 

 

?'(*•) =

х ',

1 = 1 ........ п.

 

 

 

В силу кинематической

интерпретации решению

х 1=

<р‘ (t) соответст­

вует в пространстве движение точки, описывающее траекторию,

причем в

момент времени

t = ta движущаяся

точка

проходит через

положение (х ‘, ... ,

х£) в

пространстве.

Оказывается,

что

вектор­

ная скорость точки, описывающей решение х ' =

(t), в момент ее

прохождения

через

положение

(xj,

...,

х ”)

совпадает

с

вектором

/(x j, ...,

xj).

Именно

это совпадение и выражается

системой уравне­

ний (1) при

х ‘=

xj,

i ~

\ ,

...,

я; t = t0.

 

 

 

 

 

 

 

 

Пространство размерности я, в котором интерпретируются реше­ ния автономной системы (1) в виде траекторий и сама автономная система (1) в виде векторного поля, называется фазовым прост­

§ 15] АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ 1 0 9

ранством системы (1). Траектории называются фазовыми траек­ ториями, векторы f ( x '0, ..., xf) называются фазовыми скоростями.

Связь между обеими интерпретациями заключается в том, что ско­ рость движения точки по траектории в каждый момент времени со­ впадает с фазовой скоростью, заданной в том месте пространства, где в этот момент находится движущаяся точка.

Рассмотрим теперь положения равновесия с точки зрения фазовых скоростей.

Д) Для того чтобы точка (а1, ... , ап) множества Д была положе­

нием равновесия системы (1), т.

е. чтобы имелось решение

=

(/)

системы, для которого

 

 

 

 

 

 

< рЧ 0= в'.

/ = 1,

 

 

 

(13)

необходимо и

достаточно, чтобы фазовая

скорость

/ ( а 1,

... ,

ап) в

точке (а1, ...,

ап) была равна

нулю. Таким

образом,

для

отыскания

всех положений равновесия системы (1) нужно решить систему урав­ нений

f ‘(a\ ..., о") = 0, / = 1 , ... , и.

Эта система представляет собой не систему дифференциальных урав­

нений, а, как говорят,

систему к о н е ч н ы х уравнений

 

(производные

в нее не

входят).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для доказательства утверждения Д) допустим,

что (а1,

... ,

«")

есть положение равновесия, т. е. что

имеется

решение лг'=

<р‘ (/),

для которого выполнены соотношения (13), и подставим

в систему (1)

это

решение. Так

как

производная

постоянной

равна

нулю,

то

 

под­

становка

дает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

V

,

а") = ±

? ’ ( ( ) = - ^ а 1 = 0.

 

 

 

 

 

Таким образом,

вектор /(а1,

... , ап) фазовой скорости

действительно

обращается

в пуль

в точке а1, ... ,

а".

Допустим,

что,

обратно,

 

век­

тор / ( а 1,

...,

а")

фазовой

скорости

обращается

в

нуль

в

точке

(а1,

..., а"),

т.

е.

что

/ '( а 1........ ап) =

0, / =

1, ..., и,

и покажем,

что

в этом

случае

равенства

(13)

определяют

решение

системы

(1).

Подстановка дает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* ' ( 0 = / V ,

•••> «")-

/ = 1 ,

....

я;

 

 

 

 

 

равенства эти выполнены, так как слева стоит производная константы,

а справа — нуль.

 

 

 

 

 

Е) Геометрическая интерпретация решения (2)

системы

уравнений

(1), указанная в § 3, ставит в

соответствие этому

решению кривую К

в (п -{- 1)-мерном пространстве переменных t,

х *,

...,

х п,

определя­

емую системой уравнений (2).

Здесь t является

одной

из

координат

в пространстве R. Переход

к интерпретации

в

л-мерном" фазовом

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ