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

книги из ГПНТБ / Митропольский Ю.А. Интегральные многообразия в нелинейной механике

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
22.84 Mб
Скачать

80 г л . II.

М Н О Г О О Б Р А З И Я У Р А В Н Е Н И Й В С Т А Н Д А Р Т Н О Й ФОРМЕ

4.

Теорема о существовании и

свойствах

интегрального

многообразия уравнения в стандартной

форме. На основа­

нии приведенных результатов нетрудно установить спра­

ведливость следующей

основной теоремы для

исходного

уравнения (1 .1 ).

Пусть относительно уравнения в

Т е о р е м а 2.1.

стандартной форме (1

.1 ) выполняются следующие условия.

1°. Вектор-функция X (і, х) определена в области R X X D X ЕЕо и допускает существование среднего по t

 

 

т

 

Х 0 (х) = lim ~

I

X (t, х) dt

 

Т-ТОО

0

 

равномерно относительно х £ D.

 

2 °.

Усредненное уравнение

 

 

 

т - е В

Д

 

имеет

2л-периодическое решение

х = х° (ф). В р0-окрест-

ности этого решения X (t, х) £ С*.

3°. X (t, х) почти-периодическая функция t равномер­ но относительно х £ DPo.

4°. Вещественные части всех п — 1 характеристических показателей для уравнений в вариациях

"ЗГ = £Л (ф) У (А (ф) = Х'ох (х° (ф)))

отличны от нуля.

Тогда всегда можно указать такие положительные чис­ ла е, р, pt (р •< рі ■< Ро), что для любого положительного

в< е будут справедливы следующие утверждения.

1.Уравнение (1.1) имеет единственное интегральное мно­ гообразие St, лежащее для всех вещественных t в области DPl.

2.NI югообразие S t допускает параметрическое представ­ ление вида

х = Ф (1,Ѳ,е),

(2.13)

где Ф (/, Ѳ, е) определена для всех вещественных t, Ѳ, явля­ ется 2п-периодической по 0 и почти-периодической по t равномерно относительно Ѳс частотным базисом функции

X

(t, X); Ф (t, Ѳ, е) £ С1Ѳ.

ß (г) -> 0,

г] (в) 0 при

 

Можно найти такие функции

8

-> 0 , что будут выполняться неравенства

 

 

 

|Ф(<, Ѳ, e ) - x » ( 0 )|< ß (e ),

 

 

 

] Ф (t, Ѳ', е) - Ф (t, Ѳ\ 8 ) | <

ri (8 ) I 0' -

Ѳ" |.

(2.14)

§ 2. С У ЩЕ С Т В О В А Н И Е О Д Н О М Е Р Н О Г О М Н О Г О О Б Р А З И Я

81

3. На многообразии S t уравнение (1.1) эквивалентно урав­

нению

 

 

- § - = *F(t, Ѳ,е),

(2.15)

в котором F (t, Ѳ, е) определена для всех

вещественных

t,

Ѳ, является 2п-периодической по Ѳ и почти-периодической

по t равномерно относительно 0

с частотным базисом функ­

ции X (t, х)\ F (t, Ѳ,

е) £ СІ.

Кроме того,

имеют

место

неравенства

 

 

 

 

 

(2.16)

IF (/, Ѳ, е) I < б (е),

 

 

IF (t, 0', е) -

F (t, Ѳ", е) | < ф )

| Ѳ' -

Ѳ" |,

(2.17)

в которых 6 (в) -> 0 , т) (е)

0

при е

0 .

 

 

Любое решение уравнения (1.1), лежащее на многообра­

зии S t, представимо в виде

 

 

 

 

 

* = Ф(*,Ѳ(0 ,е),

 

 

(2.18)

где 0 = 0 (t) некоторое решение уравнения (2.15),

и на­

оборот, выражение (2.18), в котором Ѳ =

0 (t) есть решение

уравнения (2.15), всегда

является решением уравнения

(1.1),

лежащим на многообразии S.

 

 

 

рассматривае­

4. Если вещественные части всех п — 1

мых характеристических показателей отрицательны, мно­ гообразие S обладает свойством притяжения всех близких к нему решений, т. е. если х — х (t) любое решение урав­

нения (1 .1 ),

проходящее при некотором t = і0 через какую-

либо точку

области D- : х (/0) £ D- (х £ D- при h £ U^), то

для него при t > t0

будут выполняться неравенства

 

I x{t) - Ф

(*, Ѳ(0, е) I < C1

(e)e-8V|t- <J,

(2.19)

j

dQ(t)

eF(t,Q(t)) < C 2

(e) е~гуі*~І0К

( 2. 20)

I

dt

5.Если все n — 1 вещественные части положительны, то

можно найти такое ^ > t0, что

( 2. 21)

6. Если s рассматриваемых вещественных частей отри­ цательные, а остальные п — 1 — s положительны, то в области D- существует s-мерное точечное многообразие УЛ/,

82 г л . II. М Н О Г О О Б Р А З И Я У Р А В Н Е Н И Й

В С Т А Н Д А Р Т Н О Й ФОРМЕ

такое, что из соотношения

 

* ( * » ) №

(2 .2 2 )

вытекает экспоненциальное стремление к нулю выражения

(2.19) при t ->■ со, а из соотноіиений

 

*(g<EDp,

х (д ё э п ,.

(2.23)

вытекает справедливость соотношения (2 .2 1 ) при некотором ti t0.

Таким образом, если хотя бы одна из вещественных час­ тей рассматриваемых характеристических показателей по­ ложительна, многообразие St неустойчиво. Любое, не при­ надлежащее к нему решение х (t), для которого х (t0) лежит в области D- и не находится на особом течечном многообра­

зии TRiit низшей размерности, с течением времени покинет

область Dp (р >

р).

Принимая во внимание фор­

Д о к а з а т е л ь с т в о .

мулы перехода

-> g, h)

 

X =

х° (ф) + ~

(<2(ф) b + Q(ф) Ь),

ф = g + ем (t, g, h, е),

b = h + ev (t, g, h, e),

параметрическое представление многообразия St уравне­ ний (1 .1 ) можем записать в виде

X = Ф (t, Ѳ, е) = х° (0 +

ги (t, Ѳ, f (t, Ѳ, г)))

+

+

±-{Q(ß + ZU{t,$,f ( t, 0 , 8 ) ) ) ( /

(t, Ѳ, 8 )

+

EO(t, Ѳ , f (t, Ѳ, 8 ) ) ) +

+

Q (Ѳ + eu (t, Ѳ, f(t,

Ѳ, e))) (f(t,

Ѳ, e) +

(t, Ѳ, f(t, 0, e)))}.

 

 

 

 

 

 

(2.24)

 

Существование

и

единственность

вектор-функции

/ (/, Ѳ, е) установлены

в леммах 2.1, 2.2, 2.3; х° (ф) — из­

вестное решение, функции и (t, Ѳ, h,

е), v (t, Ѳ, h, e) опре­

деляются через известные функции, стоящие в правых ча­ стях уравнений (1.20). Существование и единственность мат­ рицы О (ф) следует из представления Флоке (1.9).

Таким образом, функция Ф (t, Ѳ,

е) существует и един­

ственная, причем

(/, Ѳ, е) I <

pi

при

|/ (t, Ѳ, е) | <

б0.

В силу

того,

что

х° (ф),

Q (ф) — 2я-периодические,

функции

h = /

(t,

0 ,

е) и

и (t,

0 ,

/ (t, 0 , е),

е),

§ 2. С У Щ Е С Т В О В А Н И Е О Д Н О М Е Р Н О Г О М Н О Г О О Б Р А З И Я 83

V (/, Ѳ, / (t, Ѳ, е),

е) (в силу их определения, см.

[17]) —

2 я-периодические по 0 , функция

 

 

 

х = Ф (/, Ѳ, е)

 

также будет периодической по 0 с тем же периодом 2 я.

Кроме

того,

очевидно, можно найти такую

функцию

ß (е) -> 0

при е

0 , что будет выполняться неравенство

 

 

|Ф(/, Ѳ, e )-* o (0 )|< ß (e ).

(2.25)

Утверждение 3 теоремы непосредственно вытекает из

следствия 2 .1 , при этом вместо уравнения

 

 

 

JjL = fi>+ F(t,g,B)

(2.26)

рассматриваем уравнение

 

 

 

- ^ - = eF(t,Q)

(2.27)

относительно переменной Ѳ.

Покажем теперь, что многообразие S t обладает свойст­ вом притяжения всех близких решений в случае, если ве­ щественные части всех п 1 характеристических показа­ телей отрицательны, то есть установим справедливость не­ равенства

к ( 0 - Ф ( ^ Ѳ ( /) ) |< С 1 (£ )Г £?"Ч ) ,

(2.28)

в котором X (і) — любое решение уравнения (1 .1 ), прохо­ дящее при t — t0 через некоторую точку области D-.

Согласно формулам перехода от х к g, h, имеем, учитывая при этом соотношение (2.9),

|х ( 0 - Ф К , 0(0, е)| =

 

= х°(Ѳ + ей (t, 0, ht)) + ~Y {Q (0 + zu (t, 0, ht))

X

X(ht -J- ev (/, 0, ht)) -f- Q(0 -|- eu (t, 0,

ht)) (ht -f- ev (t, 0, ht))} —-

-

X» (Ѳ -f eu (t, 0 , 0 ) ---- ^-{Q( 0 +

ш (t, 0 , /)) (/ (/, 0

, e) +

+

еУ (О Ѳ, f)) Q(Ѳ + eu it, 0, /)) (fit, 0, e) + ev (t, 0

, /))} <

 

< Me, P) I ht — f (t, 0 (0, e) I < Я (ep) | ht. —

 

 

 

- / ( / o,0 (/o),e )|ß- ^ - 4 p < P ,

(2.29)

где Я (s, p) — некоторая константа Липшица.

 

 

84 г л . II. М Н О Г О О Б Р А З И Я У Р А В Н Е Н И Й В С Т А Н Д А Р Т Н О Й ФОРМВ

Принимая во внимание, что

hto и f (t0, Ѳ(£0), е)

принад­

лежат области

(/3 , окончательно получаем

 

IX (0

- Ф (t, Ѳ (t), е) I <

С, (е, р) e~w ~h),

(2.30)

где Сг (в, р) = Х(е, р)С

(|д :|< р при | / і | < 6 ).

Неравенство (2.20) непосредственно следует из установ­

ленного в следствии 2.4

неравенства (2.12), в котором вме­

сто переменной g взята Ѳ.

Утверждения 5 и 6 теоремы 2.1 непосредственно следу­ ют из леммы 2.3 и следствия 2.4.

Таким образом, теорема полностью доказана.

Г л а в а III

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МНОГООБРАЗИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ, БЛИЗКИХ К ТОЧНО-ИНТЕГРИРУЮЩИМСЯ, В ОКРЕСТНОСТИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

В настоящей главе изложены результаты авторов [91 ]—[98], [102]— [106], [131], [134], [148], [149], относящиеся к исследованию однопа­ раметрических интегральных многообразий, а также двупараметриче­ ских локальных интегральных многообразий нелинейных дифференци­ альных уравнений, близких к точно-интегрирующимся. Рассмотрены, в частности, уравнения с переменными коэффициентами, с медленно ме­ няющимися параметрами; уравнения, описывающие «быстрые» и «мед­ ленные» движения. Приведены некоторые примеры.

§ 1. Приведение нелинейных дифференциальных уравнений, близких к точно-интегрирующимся, к специальному виду

1. Частные случаи. Рассмотрим систему нелинейных диф­ ференциальных уравнений

>*♦♦, п),

(1 .1 )

описывающую свободные колебания некоторой механиче­ ской системы. Предположим, что система (1.1) имеет одно­ параметрическое семейство периодических решений

Ч = 4 И + ф) (4 (Ф + 2л) = 4 (Ф)),

(1.2 )

зависящее от параметра ср. Пусть это семейство решений

устойчиво,

т. е. п

1

характеристических показателей

..., Я„_і

уравнений

 

в вариациях, составленных для

семейства решений (1 .2 ), имеют отрицательные веществен­ ные части. Предположим, что, начиная с момента времени t = 0 , на колебательную систему, находящуюся в состоя­ нии стационарного режима (1 .2 ), воздействует внешнее слабое периодическое возмущение с некоторой частотой возмущения а, которую можно положить равной 1. В резуль­ тате получаем следующую систему уравнений:

 

'V • • • >ч ,е)

(k = 1 , . . . . п).

(1.3)

8G ГЛ. III.

М Н О Г О О Б Р А З И Я В Б Л И З И П Е Р И О Д И Ч Е С К И Х

Р Е Ш Е Н И Й

Заметим,

что, так как в момент t = 0, согласно

условиям

задачи, справедливы еще формулы (1 .2 ), то для возмущен­ ных колебаний имеем следующие начальные условия:

Хк(0) — х°к(Cp) ( k = l , . . . , t l ) ,

(1.4)

где ер — полная фаза в момент начала воздействия возму­ щения. Рассмотрим вначале случай, когда функции в пра­ вой части уравнений (1.3) являются аналитическими в об­

ласти DPl) X Ее„, где

DРо— р0-окрестность решений (1.2),

Е8о— е0-окрестность

точки

е = 0.

Предположим также,

что

характеристические

показатели

^ ,..., А„_і

удовлет­

воряют соотношениям

 

 

 

 

t T l i f a x “Ь •••-{- И І Ц — 1^(1—1

h q

i f l ~

1> • ■• > M

1)>)

Щ + • • • + m n- 1 > 2 ,

 

 

 

j

где

mn-\ — целые

неотрицательные числа.

 

 

Тогда, на основании теоремы Пуанкаре о приводимости

нелинейной автономной

системы в

окрестности

периоди­

ческого решения к линейной системе [176], общее решение уравнений (1 .1 ) в окрестности семейства решений (1 .2 ) мож­

но записать

в

виде

 

 

 

 

 

 

xk =

fk(at +

Ф.

.. . ,

С „ _ xe ’n~{t)

( 6 = 1 ,

. . . ,

n),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.6)

где ф, Ci,...,

C,i_i — постоянные

интегрирования,

при

этом

тождественно

 

 

 

 

 

 

fk (xp, hi, ...

, A„_i) = /й(ф + 2 л, hi,

... , A„_i),

(1.7)

 

 

 

/й(ф, 0, . . .

, 0) =

лг°(Ф),

 

 

(1.8)

и функции /й (ф, hi, ..., А„_і) — аналитические

относитель­

но hu ..., hn-\.

 

выражение

(1.6)

в

уравнения

Заметим,

что, подставив

(1 .1 ), имеем тождественно

 

 

 

 

 

 

 

п—1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

=

 

и

(* =

i ..........п).

Т

? = 1

 

4

 

 

 

 

 

(1.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введем теперь в уравнениях (1.3) вместо х (.Хі, ..., хп) новые переменные ф, h (hi ..., hn~і) посредством замены

= ЫФ. hi, ... , A„_i). {k = 1, ... , я), (1.10)

§ 1. П Р И В Е Д Е Н И Е К С П Е Ц И А Л Ь Н О М У ВИД У

87

при этом, согласно (1.4), начальными условиями для новых

переменных

будут

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і|з(0

) =

ср,

М 0

) =

0

(6

=

1 ,

 

 

(1 .1 1 )

Подставляя

выражения (1.10) в уравнения (1.3), получаем

 

dty .

Н— 1

д/fe

 

_

у

/ г

 

г

\

I

 

dfk

у

dhq

 

 

(Зф

Л

4- 2J

«ЭЯ

 

 

л й(/і-

• • • > In)+

 

 

 

 

9=1

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+eY (t, /і........... в)

Ф = 1

. •

 

п).

( 1. 12)

Из уравнений (1.12)

и (1.9)

имеем

 

 

 

 

 

■ df k

dty

 

 

, V

dfk

1dhg

, ,

) __

 

(1.14)

<3i|>

(-?—>)+S-äM

 

 

 

■K-iK-u

1 dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= *Yk(t,flt ... ,

/я,е)

(£ =

1,

... , H)

(1.13)

Разрешая эту систему уравнений относительно неизвестных

dip

 

dhx

 

K1h1,

 

 

 

dhn- 1

 

dt

-со,

dt

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dtp

 

 

 

k=\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

( 0

+

e

Yk У’

fi’ • ■• >fm e) Nko,

 

 

 

2

 

(1.15)

 

dhg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=\

 

 

 

 

 

 

 

dt

hqllq

+ 8

 

Y k

(f’ f l ’

■ • ■ ’ fn> e) N kq

 

 

 

 

2

 

 

где

 

 

 

(q= i,

 

 

 

П—1),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dfr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mkq

 

 

 

 

NkQ

(

 

1)

k+q

dh.

1.16)

 

 

 

 

 

 

 

dfr

 

 

( 7 = 1 ..........tl\

 

 

 

 

 

dh.

 

 

 

 

 

S = 1............ П—1)

 

(Mkq

миноры

определителя

А,

соответствующие k-й.

строке и q-му столбцу).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введем обозначения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.2 Y k (ft fl> • ••

f nt

e)

 

 

 

 

®q—’f f ’

f^l’ •••t fln—lt

s)

k=\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 9

=

 

0 ,1 ..........n -

1),

(1.17)

8 8 ГЛ. Ш .

М Н О Г О О Б Р А З И Я І В Б Л И З И П Е Р И О Д И Ч Е С К И Х Р Е Ш Е Н И Й

где Ф? (t,

ф, hi, ..., hn~l,

e) — 2 я-периодические функции

t, ф, аналитические относительно hit

..., hn~\, e. В резуль-

тате получим следующую систему уравнений:

 

=

(о +

еФ0 ( i ,

rp, hlt . . . ,

hn_ u е),

 

 

 

 

(1-18)

 

- ß - =

Ah

+ еФ(і, ф, hlt . . .

, hn-u e),

где h — hu ...,

 

Ф =

®i, .... Фл-і; A — диагональная

матрица с элементами А,ь

Xn_j.

 

Система уравнений (1.18) является системой специаль­ ного вида, удобной для дальнейшего исследования.

Рассмотрим случай, когда невозмущенная система урав­

нений (1 .1 ) или, что все равно, уравнение

 

-ЗГ = В Д ,.

(1-19)

где X, X — /г-векторы, имеет двупараметрическое семейст­ во периодических решений

X — х° (<at -f- ф,

а)

(х° (ф +

2я, а ) = х° (ф, а ) ) ,

( 1.20)

зависящее от параметров ср, а,

причем в общем случае о

является функцией

а:

о) =

to (а). Относительно функций

X (х), Y (t, X, е) полагаем,

что они являются

аналити­

ческими функциями

X ,

е в

области £>Ро X Е8о,

где £)Ро —

р0-окрестность решения

(1.20), ЕЁ 0 — е0-окрестность точки

8 = 0.

а £ 31 (31 =

(а0, а4)) (п — 2)

характе­

Пусть для любых

ристических показателя уравнений в вариациях, составлен­

ных для решения (1 .2

0 ),

 

- ^ -

= Хх(хЦгр,а))8х,

(1.21)

имеют отрицательные вещественные части и удовлетворяют соотношениям типа (1.5) (два характеристических показа­

теля всегда равны нулю, так как

уравнение (1 .2 1 ) имеет

два решения вида *)

 

 

Уі№> а)

дхѵ(чр, а)

Уг (Ф, а)

а)

dip

да

дх° (ір, а)

( 1.22)

да

 

*) Знак ~ обозначает, что производная берется по а, не входяще­ му в со.

§ 1. П Р И В Е Д Е Н И Е К С П Е Ц И А Л Ь Н О М У В И Д У

89

где > д*° (фц,£)---- 2 я-периодические функции ф.

На основании упомянутой выше теоремы Пуанкаре об­

щее решение уравнения (1.19) запишется в виде

 

 

* =

/ (<ü* + Ф , а,

CgeM...................С„еѵ )

(х = х,............ хп),

 

 

 

 

 

 

.(1.23)

где

ер,

а, С3, ...,

Сп — постоянные

интегрирования,

при

этом / (со^ + Ф, а, h3...... hn) — аналитическая функция

а,

h3, ...,

hn при достаточно малых их значениях,

удовлетво­

ряющая соотношениям

 

 

 

,/(со/ +

ф, a , h 3, . . . ,

hn) = f((i>t + ф +

2 я, a,h3,

. . . , hn), )

f (со/ +

ф, а, О..........0

) = х° (со/ -f ф, а).

 

)

•Совершая в возмущенном уравнении

 

 

 

 

 

 

-%- = X(x) + eY(t,x),

(1.24)

где X, X, Y — п-векторы, е — малый положительный пара­ метр, замену переменных согласно формулам

X = /Чф, a, h3, .. . , hn),

(1.25)

по аналогии с предыдущим случаем придем к уравнениям следующего вида:

 

со (а) + eFx(/, ф, a, ft, е),

 

 

 

1

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d a

eF2 (/, ф, a, ft, е),

 

 

 

 

 

(1.26)

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

Aft + eF0(/, ф, a, ft, e)

(ft =

ft3,

... ,

hn),

 

тде A — диагональная

матрица

с

элементами

Я3, ...,

Кп,

скалярные

функции

(/, ф, a,

ft, е),

F2

(/, ф, a, ft, е)

и

{п — 2)-мерная вектор-функция

F0 (/, ф, a, h, е) являются

аналитическими функциями a,

ft, 8

в

области

21 X £/е„ X

X Ее„, 2я-периодическими по /, ф.

 

 

 

 

 

Рассмотрим уравнение с медленно меняющимися пара­

метрами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= X (т,

X) +

BY ( т , Ѳ, X ,

е),

(1.27)

где X, X,

Y п-векторы,

т =

е/,

 

=

ѵ (т).

 

 

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ