21442

Исследование на устойчивость по первому приближению

Лекция

Математика и математический анализ

Напомним что исследование на устойчивость точки покоя системы 1 эквивалентно исследованию на устойчивость некоторого решения системы дифференциальных уравнений 2 т. при правые части системы 1 обращаются в нуль:. Будем исследовать на устойчивость точку покоя линейной системы 5 называемой системой уравнений первого приближения для системы 4. система 1 стационарна в первом приближении то исследование на...

Русский

2013-08-02

209.5 KB

23 чел.

Лекция 15.

Исследование на устойчивость по первому приближению.

Рассмотрим нелинейную нормальную систему дифференциальных уравнений

                                       (1)

где  – дифференцируемые в окрестности начала координат  функции.

Напомним, что исследование на устойчивость точки покоя  системы (1) эквивалентно исследованию на устойчивость некоторого решения  системы дифференциальных уравнений

           (2)

т.к. система (1) следует из (2) после замены

 

в результате, которой из (2) имеем

                          (3)

Обозначив правую часть в (3) через  получим систему (1). Из (3) и (2) видно, что в точке покоя, т.е. при  правые части системы (1) обращаются в нуль:.

Теперь, с учетом этого обстоятельства и пользуясь дифференциру-емостью функций , представим систему (1) в окрестности начала координат  в следующем виде

                            (4)

где  имеют порядок выше первого относительно .

Будем исследовать на устойчивость точку покоя  линейной системы

                                                 (5)

называемой системой уравнений первого приближения для системы (4).

Если все коэффициенты , т.е. система (1) стационарна в первом приближении, то исследование на устойчивость линейной системы (5) не представляет принципиальных затруднений (см. лекцию 14). В отношении системы (4) имеют место следующие теоремы.

 Теорема 1. Если система уравнений (4) стационарна в первом приближении, все члены  в достаточно малой окрестности начала координат (при ) удовлетворяют неравенствам , где N и - постоянные, причем  и все корни характеристического уравнения

                                                                                    (6)

имеют отрицательную действительную часть, то тривиальное решение  системы (4) и системы уравнений (5) асимптотически устойчивы, следовательно, в этом случае возможно исследование на устойчивость по первому приближению.

 Теорема 2. Если система уравнений (4) стационарна в I приближении, все функции  удовлетворяют условиям предыдущей теоремы, и хотя бы один корень характеристического уравнения (6) имеет положительную действительную часть, то точки покоя  системы (4) и системы (5) неустойчивы, следовательно, и в этом случае возможно исследование на устойчивость по I приближению.

В так называемом критическом случае, когда все действительные части корней характеристического уравнения неположительны, причем действительная часть хотя бы одного корня равна нулю, на устойчивость тривиального решения системы (4) начинают влиять нелинейные члены , и исследование на устойчивость по первому приближению, вообще говоря, невозможно.

Докажем теорему 1 в предположении, что все корни  характери-стического уравнения (6) действительны и различны

  при .

В векторных обозначениях системы (4) и (5) примут соответственно следующий вид

                                                                    (4а)

                    ,                                                                         (5а)

где

С помощью невырожденного линейного преобразования с постоянными коэффициентами X=BY, где

 

преобразуем систему (5а) к виду   или в котором матрица  диагональна

 

т.е. система (5) примет вид

 

а система (4) при том же преобразовании переходит в

                                                   (7)

где ,  - постоянная величина,  (т.к. ).

Для системы (7) функцией Ляпунова, удовлетворяющей условиям теоремы об асимптотической устойчивости, является

Действительно,

1)

2)

при достаточно малых , т.к. все , а величина  при достаточно малых  может быть сделана по модулю меньше суммы .

(В самом деле, пусть , тогда , а т.к. , то

, т.е. . Если     достаточно малы, то , тогда ).

Наконец, вне некоторой окрестности начала координат . Таким образом, тривиальные решения системы (7), а, следовательно, и (4), как и системы (5), асимптотически устойчивы. Ч.т.д.

Пример 1.

Исследовать на устойчивость точку покоя x=0, y=0 системы

                                                  (8)

    Здесь , т.е. . Удовлетворяются условию теорем 1 и 2. Поэтому исследуем на устойчивость точку покоя x=0, y=0 системы первого приближения.

                                                                        (9)

Характеристическое уравнение  имеет корни , следовательно, в силу теоремы 2 точка покоя систем (8) и (9) неустойчива (т.к. ).

Пример 2.

Исследовать на устойчивость точку покоя x=0, y=0 системы

                                                   (10)

Имеем:

                                             (10a)

т.е.   удовлетворяют условиям теорем 1 и 2. Характеристическое уравнение для системы первого приближения

                                                                  (11)

т.е.                   

имеет корни  с отрицательными действительными частями. Поэтому точки покоя систем (10) и(11) асимптотически устойчивы.

Пример 3.

Исследовать на устойчивость точку покоя x=0, y=0 системы

                                                                (12)

Характеристическое уравнение  имеет чисто мнимые корни  - критический случай. Исследование по I приближению невозможно. В данном случае легко подбирается функция Ляпунова

 

1)

2)

причем вне некоторой окрестности начала координат , следовательно, точка покоя x=0, y=0 по теореме Ляпунова асимптотически устойчива.

Система уравнений первого приближения

                                                          (13)

имела в точке покоя центр. Наличие нелинейных членов в системе (12) превратило этот центр в устойчивый фокус.

Рассмотрим ситуацию последнего примера в общем виде. Пусть система I приближения для системы

                                                 (14)

имеет точку типа центра в начале координат. Предположим, что нелинейные члены  имеют порядок выше первого относительно . Эти нелинейные члены в достаточно малой окрестности начала координат малы по сравнению с линейными членами, но всё же они несколько искажают поле направлений, определяемое линейной системой первого приближения, поэтому выходящая из некоторой точки  траектория после обхода начала координат, вообще говоря, не попадет в точку  - траектория не замыкается.

Если после такого обхода начала координат все траектории приближаются к нему, то в начале координат возникает устойчивый фокус, если же траектории удаляются от начала координат, то возникает неустойчивый фокус.

В виде исключения возможен также случай, когда все траектории нелинейной системы, расположенные в окрестности начала координат, остаются замкнутыми, однако наиболее типична ситуация, при которой лишь некоторые (может быть и ни одной) замкнутые кривые останутся замкну-тыми, а остальные превращаются в спирали. Такие замкнутые траектории, в окрестности которых все траектории являются спиралями, называются предельными циклами.

Если близкие к предельному циклу траектории являются спиралями, приближающиеся при  к предельному циклу, то предельный цикл называется устойчивым (аттрактором); если близкие к предельному циклу траектории являются спиралями, удаляющимися от предельного цикла при , то предельный цикл называется неустойчивым (репеллером); если же с одной стороны предельного цикла при  спирали приближаются к предельному циклу, а с другой стороны удаляются от него (рис. 2), то предельный цикл называется полу устойчивым.

Итак, переход от системы I приближения (5) к системе (14) приводит, вообще говоря, к превращению центра в фокус, окруженный p (может быть и p=0) предельными циклами.

В приложениях устойчивым предельным циклам обычно соответству-ют автоколебательные процессы, т.е. периодические процессы, в которых малые возмущения практически не изменяют амплитуды и частоты колебаний.

Следовательно, решение  асимптотически устойчиво.

Пример 2.

Исследовать на устойчивость точку покоя системы.

     

Функция  удовлетворяет условиям теоремы Четаева:

1) V>0 при ; 2) при , причем при V, . Следовательно, точка покоя  неустойчива.

и иметь решение , либо .

Из-за наличия множителя  при произведения  стремятся к нулю при , причем при достаточно большом t все точки любой – окрестности начала координат попадают в заданную – окрестность начала

координат и, следовательно, точка покоя, асимптотически устойчива. Точка покоя рассматриваемого типа так же, как и в случае а)1) называется вырожденным устойчивым узлом. Этот узел занимает промежуточное положение между узлом а)1) и фокусом б)1), т.к. при сколь угодно малом изменении действительных коэффициентов  он может превратиться как в устойчивый фокус, так и в устойчивый узел типа а)1), ибо при сколь угодно малом изменении коэффициентов кратный корень может перейти как в пару комплексно сопряженных корней, так и в пару действительных различных корней. Если , то тоже получается устойчивый узел - дикритический узел.

2) Если , то замена t на –t приводит к предыдущему cлучаю, т.е. вид траекторий тот же, но движение происходит в противоположном направлении. В этом случае точка покоя, так же,  как и в случае а)2) – неустойчивый узел.

         Таким образом, исчерпаны все возможности, возникающие в случае , т.к. при этом характеристическое уравнение

                            

не имеет корней =0.


EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67050. Гра – подорож для учнів 3 класу 98 KB
  Мета: формувати у дітей усвідомлення цінності власного життя та здоров’я; розширити і збагатити знання учнів про овочі, їхні лікувальні властивості; спонукати до творчої активності, викликати свідоме бажання дізнатись щось нове і самостійно знаходити відповіді на поставлені запитання...
67051. Кримські гори 79 KB
  Назви заповідники Карпат Карпатський Горгани Ви добре засвоїли особливості місцевості Карпатських гір а сьогодні ми ознайомимося з природною зоною півдня України виконавши завдання природничого диктанту. Риба яка поширена в річках Карпатських гір форель. Хижий птах карпатських гір орел.
67052. ПРАВИЛА ГОСТИННОСТІ 33 KB
  Гостинність – уміння так прийняти гостей, щоб їм було добре, приємно, цікаво. Якщо ви запросили свого товариша до себе в гості, повинні подбати про те, щоб гість гарно провів час. До зустрічі слід підготуватися заздалегідь: Прибрати; Самому гарно одягнутися; Бути доброзичливим, до гостя ставитися з повагою...
67053. День цивільної оборони 73.5 KB
  Накласти стерильну повік від вогню то накинути на потерпілого якусь ковдру або покласти його на землю чи пісок. При втраті свідомості треба звільнити потерпілого від тісного одягу дати понюхати нашатир. Рот в рот: Стати на коліно біля голови потерпілого. Той хто надає допомогу робить глибокий вдих...
67054. Мистецтво навколо нас 66 KB
  Запитання для команд по 15 запитань для кожної команди Види образотворчого мистецтва це: Жанри образотворчого мистецтва це: Що ми називаємо лінією горизонту Які фарби використовували первісні люди для виконання наскальних зображень...
67055. Гра «Останній герой» 59.5 KB
  Командам задається запитання роздумувати над яким вони можуть протягом однієї хвилини. Команда яка швидше відповість на запитання перемагає. Готовність до відповіді на запитання характеризується піднятою рукою одного з учнів. Якщо ні одна з команд не відповідає на запитання то вони обидві позбуваються по одному гравцю.
67056. Я – СОЦІАЛЬНИЙ ПРАЦІВНИК 80 KB
  Мета проведення: навчальна: перевірити рівень знань студентів випускних груп зі спец предметів; розвиваюча: розвивати пізнавальні інтереси до предметів професійної спрямованості, логічне мислення, моторику, пам’ять, увагу, повагу до майбутньої професії...
67057. «Квіткова година» (Інтелектуальна гра для дітей 6-7 років) 156.5 KB
  Мета. Активізувати та систематизувати знання учнів, розвивати комунікативні уміння, виховувати вміння працювати в команді, відстоювати свою думку, коректне ставлення до опонентів, розвивати кмітливість, логічне мислення.
67058. А МИ ЦЕ ВИВЧАЛИ! 161 KB
  Обладнання: заготовки питань мовознавчого характеру на три команди по 10 на кожну; ребуси чайнворд речення для редагування і з допущеними орфографічними та пунктуаційними помилками; можна використати комп’ютер і проектор щоб демонструвати деякі завдання на екран.