- •35. Общие понятия теории обыкновенных ду 1-го порядка. Теорема о разрешимости задачи Коши. Основные классы ду 1-го порядка, решаемых в квадратурах.
- •Ду, допускающие понижение порядка
- •Общее решение линейного однородного ду
- •Линейным неоднородным д.У. Порядка n называется д.У.
- •Способ Эйлера построения общего решения л.О.Д.У. С постоянными коэффициентами
- •37. Структура общего решения линейного неоднородного ду n-го порядка. Метод Лагранжа. Построение частного решения неоднородного ду с постоянными коэффициентами при специальной правой части.
- •Метод Лагранжа
- •Краевые задачи. Решение краевой задачи для линейного ду 2-го порядка методом функции Грина.
- •39. Ду в частных производных (дучп) 1-го порядка. Линейные и квазилинейные дучп. Метод первых интегралов при решении линейного однородного дучп
- •Устойчивость по Ляпунову. Функции Ляпунова. Устойчивость по первому приближению.
Устойчивость по Ляпунову. Функции Ляпунова. Устойчивость по первому приближению.
Определение функции Ляпунова
Определение.
Решение
,
системы (1,1) определённое на
и удовлетворяющее начальным условиям
,
,
называется устойчивым
по Ляпунову,
если для
любого
существует
такое, что любое решение
,
,
системы (1), начальные данные
которого удовлетворяют условиям
,
(3.1) определено на
и выполняются неравенства
,
(3.2)
для всех
.
Если кроме выполнения неравенств (3.2)
при условии (3.1) выполняется также условие
,
,
(3.3), то решение
,
называется асимптотически
устойчивым.
Если при сколь
угодно малом
хотя бы для одного решения
неравенства (3.2) не выполняются, то
решение
,
называется неустойчивым.
Отметим, что из
выполнения условий (3.3) не следует
устойчивость по Ляпунову.Решение
,
системы (1.1), отвечающее начальным
условиям
,
,
называют невозмущённым,
а решения
,
этой же системы при любых других начальных
условиях
,
называют возмущёнными.
Геометрически
устойчивость по Ляпунову решения
,
уравнения
,
удовлетворяющего начальному условию
,
означает, что сколь угодно узкая
-трубка
решения
,
содержит все решения
,
уравнения, которые при
отличаются от
не более чем на
(рис. 3.1). Асимптотическая устойчивость
решения
,
уравнения означает не только близость
к нему всех решений
,
уравнения, вытекающая из близости их к
при
,
но и неограниченное сближение их с
при
.
На рис. 3.2 показана асимптотическая
устойчивость решения
дифференциального уравнения. Исследование
устойчивости решения
,
системы (1.1) может быть сведено к
исследованию устойчивости нулевого
решения. В системе (1.1) введём новые
неизвестные функции
,
.
Очевидно, функции
,
удовлетворяют системе уравнений
,
(3.4),
где
,
,
.
Устойчивость по Ляпунову (или
асимптотическая устойчивость) решения
,
системы (1.1) равносильна устойчивости
по Ляпунову (или асимптотической
устойчивости) решения
,
системы уравнений (3.4)
Пример.
Исследуем устойчивость решение задачи
Коши
,
(
- постоянная),
.
Общее решение
дифференциального уравнения
имеет вид
(
- произвольная постоянная) и определено
для всех
.
Решение данной задачи Коши есть
.
(3.5). При
решение (3.5) устойчиво по Ляпунову. При
всех
для любого
и
если
,
то
.
При
,
т.е. решение (3.5) устойчиво асимптотически.
При
если
,
т.е. решение (3.5) устойчиво по Ляпунову,
но не асимптотически устойчиво. При
и
и, следовательно, решение (3.5) неустойчиво.
Исследование на устойчивость по первому приближению
Определение.
Решение
системы (1.1) вида
,
,
где
постоянные, называется положением
равновесия
(или точкой
покоя) системы.
Очевидно, что
,
- положение равновесия системы (1.1) тогда
и только тогда, когда
,
.
Теорема (теорема
Ляпунова). Пусть
,
- положение равновесия системы
дифференциальных уравнений
,
,
(5.1) функции правой части которой
удовлетворяют условиям теоремы
существования и единственности а функции
при
удовлетворяют условиям
,
,
, (5.2)
где
при
,
.
Тогда если решение
,
системы
(5.3)
устойчиво асимптотически или не устойчиво, то решение , системы (5.1) также устойчиво асимптотически или не устойчиво.
Определение. Линейная однородная система дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами (5.3) называется системой первого приближения для системы (5.1).
Систему (5.3) так же называют линеаризацией системы (5.1).
Замечание. Случаи,
когда матрица
системы (5.1) не имеет собственных значений
с положительной действительной частью,
но имеет по крайней мере одно собственное
значение с нулевой действительной
частью называются критическими.
В критических случаях устойчивость или
неустойчивость системы (5.1) зависит от
вида нелинейных членов системы.
Пусть
,
- положение равновесия нормальной
системы дифференциальных уравнений
(1.1), функции
,
и их частные производные
непрерывны в некоторой окрестности
положения равновесия и эти производные
являются постоянными при
,
,
т.е.
,
,
.
Для исследования
устойчивости этого положения равновесия
сделаем в (1.1) преобразование
,
.
Тогда получим систему
,
(5.4) с положением равновесия
,
(
,
).
В некоторой окрестности положения
равновесия
,
можем записать для
,
формулу Тейлора
,
(5.5)
где функции
,
,
удовлетворяют условию (5.2). С учётом
(5.5) и равенств
,
,
систему
(5.4) можно записать в виде
,
.
(5.6)
Пример.
Исследуем устойчивость положений
равновесия системы
,
.
Из уравнений
,
находим одно положение равновесия
,
данной системы. Исследуем его устойчивость.
Поскольку
,
и
при
,
,
то можно воспользоваться теоремой
Ляпунова. Система первого приближения
соответствующая положению равновесия
имеет вид
,
.
Собственные значения матрицы
этой системы равны
.
Имеем критический случай (действительные
части собственных значений матрицы
системы равны нулю), в этом случае,
нелинейные члены системы могут влиять
на устойчивость положения равновесия.
