Асимптотика условно периодического решения дифференциального уравнения с большими высокочастотными слагаемыми
Автор: Ишмеев Марат Рашидович
Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru
Статья в выпуске: 4 т.14, 2012 года.
Бесплатный доступ
Для систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений произвольного порядка, содержащих высокочастотные слагаемые, пропорциональные определенным положительным степеням частоты, построена с обоснованием полная асимптотика условно периодического решения.
Обыкновенные дифференциальные уравнения, большие высокочастотные слагаемые, метод усреднения, асимптотика
Короткий адрес: https://sciup.org/14318396
IDR: 14318396
Текст научной статьи Асимптотика условно периодического решения дифференциального уравнения с большими высокочастотными слагаемыми
В настоящее время имеется довольно много работ, посвященных асимптотическому анализу дифференциальных уравнений, содержащих высокочастотные слагаемые, пропорциональные положительным степеням частоты (см., например, [1–7]). Данная работа относится к тому же направлению, примыкает к работам [6, 7] и посвящена построению и обоснованию полной асимптотики некоторого условно периодического решения системы нелинейных дифференциальных уравнений вида
[( n +1) / 2]
• (n = £ ^ (2 j - 1)/2 f 2j - 1 (x,X ^..^n^j ,wt ) j = 1
[ n/ 2]
+ X w j f 2 j (x,x, ..., x ([n/2]-j) , wt )
j =0
с условно периодической по т = wt правой частью
n fj (zo,...,Zr ,т) = У^ [cjk1(zo, ...,Zr)cos(ak т) + Cjk2(zo ,...,Zr)sin(ak т)]. (2)
k =1
Здесь a k , k = 1,..., n , — произвольные вещественные числа. В данной работе изучаются также вопросы устойчивости и неустойчивости по Ляпунову указанного решения.
-
(с) 2012 Ишмеев М. Р.
1. Обоснование метода усреднения и исследование устойчивости
Пусть n, m — натуральные числа, ω — большой параметр, G — область в R m . Рассмотрим дифференциальное уравнение (1). Здесь вектор-функции cjki(zo,..., zr) со значениями в Rm заданы и непрерывны на множествах G х • ^ • х G. Предположим, что r+1
|а| = 1,..., max (2,n - [(n + 1)/2] + j, д' ,- dz“1 ... д'
|a| = 1,...,max (2,n — [n/2] + j, a = (ai,... ,aq), которые удовлетворяют равномерному условию Липшица по zi, i = 0, ...,r. Пусть, кроме того, fj, j = 0, обладают нулевым средним по т (т. е. Cjki = 0 для всех j = 0, если ak = 0).
Мы рассматриваем задачу об условно периодических решениях уравнения (1). Напомним [8], что условно периодической называется почти периодическая функция с конечным частотным базисом. Под частотным базисом понимается рационально независимый набор чисел, в виде целочисленной комбинации которых можно представить любой показатель Фурье почти периодической функции.
Наряду с возмущенным уравнением (1) рассмотрим уравнение
y (n) = Ф (y.y,...,y ([n/2])) ,
которое будем называть усредненным. Здесь
Ф (zo ,..
∂f n
. Z o , . . . ,Z [ n/ 2] ,T) + — (z o ,т ) ^ n (z o ,т)
, df n - 2 ( , d^ n ( , df i , X д [(п+1)/2] ^n
+ dzi (zo,zi,T) дт "'?) + ...+ дz[(n+1)/2]-1 ^o,...,z[(n+1)/2]-1 ,т) дт[(n+i)/2]-i при нечетном n;
Ф (zo ,..
д [n/2]^n \ dfn zo,...,z[n/2] + дт [n/2] (zo,T),T ) + д^ (zo,T) ^n (zo,T)
дf n-2 ^ „ ^д^ П^ , дf 2 д [n/2] 1 ^ n
+ дz1 (zo,zi,T) дт (zo,T) + ... + дz[n/2]-1 ^o,...,z[n/2]-1,T) дт[n/2]-i при четном n. Символом ^n(zo,т) обозначено условно периодическое по т с нулевым средним решение уравнения -дтП" (zo ,т) = fn(zo, т). Предположим, что существует стационарное решение усредненного уравнения yo G G такое, что д^дт/П/^(Уo,т) £ G для любого т £ R, и, кроме того, уравнение дФ хд Ф гп/21 дФ хпт7
=0
( yo , o ,..., o)
+ А— + • • • + A[n/2] ---AnE дzo дz1 дz[n/2]
не имеет чисто мнимых корней.
Теорема 1. Существуют такие положительные числа w q и г о , что при w > w q справедливы следующие утверждения:
-
1. Уравнение (1) имеет единственное в шаре ||х — у о к с к ( r ) 6 г о условно периодическое решение x ω , частотный базис которого содержится в частотном базисе f j , и при этом lim | х ш — y o k c k( R ) = 0 , где k = [(n — 1)/2] .
-
2. Если все решения уравнения (4) лежат в открытой левой комплексной полуплоскости, то решение x ω экспоненциально устойчиво.
-
3. Если хоть одно решение уравнения (4) лежит в открытой правой комплексной полуплоскости, то решение x ω неустойчиво.
-
<1 Докажем утверждение 1. Как и в предыдущей работе [7] серией замен Крылова — Боголюбова придем от уравнения (1) к системе без больших слагаемых
ω →∞
x = x i + w -(n+1)/2 ^ n - i (x i , wt) + w -n/2 ^ n (x i , wt);
x j = x j +i + w -(n+i)/2 ^ n - 2 j - i (x i ,... ,x j +i ,wt) + w -n/2 ^ n - 2 j (x i ,... ,x j +i ,wt)
+ w -(n+i)/2 ^ 2 j +i (x i ,..., x j +i , wt) + w -n/2 ^ 2 j (x i ,..., x j +i , wt), j = 1,...,k; ( n - k ) ( p - k ) (p — k)
x k +i = v(x i , • • • ,x k +i , wt) + в (x i , • •. ,x k +i , wt, w) + X o (x i , • • • ,x k +i , wt) (5)
+ B q (x i ,..., x k +i ,wt)x k +i + x(x i ,..., x k +i , x k +i ,wt, w)
n - k - i
+ ^ A i (x i ,... ,x k +i , wt, w)x ki +i + w -n/2 C(x i ,... ,x k +i , wt)x kn - i k) . i=2
Здесь ^ i (x i ,..., x i ) = ^ io (x i ,..., x i- i ) + ^ i i (x i ,..., x i- i )x i , + 0 = 0 , при нечетном n элементы x q , B q являются нулевыми, а x имеет вид
x(x i ,... ,x k +i ,z k +i , т, w) = x i (x i ,... ,x k +i ,T,w) + A i (x i ,..., x k +i ,T, w)z k +i .
Отметим, что X o (x i ,..., x k +i ,т) , x(x i ,... ,x k +i ,Z k +i ,T,w) , x i (x i ,... ,x k +i ,r, w) — век-тор-функции порядка m , а B q ( x i , ... ,x k +i ,T) , A i (x i ,... ,x k +i ,T, w) , C(x i ,... ,x k +i ,T) — квадратные матрицы-функции порядка m . Компоненты матриц A i , а также вектор-функций х о , X , X i , ^ i являются полиномами относительно компонент x s и x s , Z k +i , s > 2, соответственно, причем коэффициенты этих полиномов, как компоненты матриц B о , C и вектор-функций β , ϕ i , непрерывны, удовлетворяют равномерному условию Липшица по x i и почти периодичны по τ со вложенным в частотный базис f j частотным базисом. Кроме того, указанные коэффициенты или компоненты элементов в , X , X i , A i являются бесконечно малыми при ω → ∞ равномерно относительно своих переменных, а элементы £ i , ^ i , X q , B q , C имеют нулевые средние по т .
Разрешив последнее уравнение системы (5) относительно старшей производной, перепишем ее в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка dz dt
f (z, wt) + a(z, wt, w),
где z = (xi,... ,xn)T, f (z,T) = ^x2,... ,xn-i, [E —
w -n/2 C (x i ,..
+X o (x i ,... ,x k +i ,T) + B q ( x i , ..
. ,x k +i ,T) ] i ( ^(x i ,...,x p +i ,T) . . , x k +i , т ) x k +2 )^ ,
а выражение a(z, т, ш) после этого очевидно. Наряду с возмущенной системой (6) рассмотрим усредненную систему dw
-dt = F (w), (7)
где T w = (wi, ...,Wn)T, F (w) = (w2,...,Wn-1, ^(wi, ...,Wp+1)) .
Очевидно, система (7) имеет стационарное решение w 0 = (y g , 0,... , 0) , причем матрица dF (w 0 ) не содержит чисто мнимых собственных чисел, так как уравнение (4) не имеет чисто мнимых корней.
Лемма 1. Пусть ^ G (0,1) . Тогда существуют положительные числа r 1 , ш 1 такие, что при ш > Ш 1 справедливы следующие утверждения:
-
1. Система (8) в шаре ||z — w 0 ^c m ( r ) 6 П имеет единственное условно периодическое решение z ^ , частотный базис которого содержится в частотном базисе f + а, и при этом справедливо соотношение lim ||z ^ — w 0 |c m ( r ) = 0 .
-
2. Если спектр матрицы dF (w 0 ) лежит в открытой левой комплексной полуплоскости, то решение z ω экспоненциально устойчиво относительно ω и начальных условий.
-
3. Если спектр матрицы dF (w 0 ) содержит хотя бы одну точку открытой правой комплексной полуплоскости, то решение z ω неустойчиво.
ω →∞
Здесь C ^ ( R ) — обычное гёльдерово пространство заданных на оси t G R вектор-функ-ций со значениями в R mn .
C Заменой z = v + w0 уравнение (6) приведем к виду dt — Av = f (v + w0, шt) + a(v + w0, шt, ш) — Av = R(v, шt, ш),
где A = dF (w 0 ) . В силу отсутствия точек мнимой оси в спектре матрицы A система (8) эквивалентна интегральному уравнению (см., например, [8])
+ ^
v(t) =
G ( t — s)R(v,шs, w) ds = [T(v,ш)](t).
-∞
Здесь
G = J — Sdiag ^' J ' , ° ) 5 -1 , t< 0,
[S diag (0,etJ- )S-1, t> 0, где S — невырожденная матрица такая, что
A = S diag(J-, J+ )S-1, а J∓ — матрицы жордановой формы, характеристические числа которых лежат в левой и, соответственно, правой открытой комплексной полуплоскости. Введем в рассмотрение отображение M : C^(R) x (0, +ro] ^ C^(R) такое, что M(v, w) = T(v,w) при ш < +ro и
+ ^
M (v, + ro ) = j G ( t — s) [( f (v + w 0 , s) ^ — Av ] ds.
-∞
Отображение M(v,ш) и его производная Фреше (DvM)(v,ш) непрерывны в точке (0, +го), при этом M(0, +го) = 0 и (DvM)(0, +го) = 0 — нуль-операторы. Применяя теорему о неявных отображениях, получим справедливость утверждения леммы для ограниченного решения. Докажем его почти периодичность. Пусть т — е-почти период вектор-функции f + а. Имеем
+ ∞
| v(t + т ) — v(t) 1 = J G ( t + т
-∞
+ ∞
— s ) R ( v, ws, w ) ds — G ( t — s ) R ( v, ws, w ) ds
-∞
— R ( v(s), ws, w)] ds
= j G ( t — s) ^ R ( v(s + т ) ,w ( s + т ),w )
-∞
= j G ( t — s) ff (w 0 + v ( s + т ) ,w ( s + т ) ) — f (w 0 + v(s), ws) — Av ( s + т )
-∞
+Av(s) + a(w 0 + v(s + т ), w(s + т ), w ) — a(w 0 + v(s), ws, w ) ds 6 I 1 + I 2 + I 3 .
Так как т — е -почти период f + а ив силу свойств функции Грина G
I 1 =
j G ( t — s) ff (w 0 + v(s + т ), w(s + т ) ) — f (w 0 + v(s + т ), ws )
-∞
+ a(w 0 + v(s + т ), w(s + т ), w ) — a(w 0 + v(s + т ), ws, w)] ds
6 / || G(t — s) | dssup f ( w 0 + v(s + т ),w(s + т ) ) + a(w 0 + v(s + т ),w(s + т ),w ) s ∈ R
-∞
—f (w0 + v(s + т), ws) — a(w0 + v(s + т), ws, w) | 6 —, где c — константа, γ — минимальная по модулю вещественная часть точек спектра, найдется ω0 такое, что для любого ω > ω0 справедливы оценки
+ ∞
I 2 =
J G ( t — s) ff (w 0 + v(s + т ), ws ) — f (w 0 + v(s), ws ) — Av ( s + т ) + Av(s) j ds
-∞
+ ∞
6 У G ( t — s) ff (w 0 + v(s + т ) ,ws) — f (w 0 + v(s),ws )
-∞
+ ∞
— F(w 0 + v(s + т ) ) + F(w 0 + v(s) )] ds + J | G(t — s) | ds
-∞ x sup F(w0 + v(s + т)) — F(w0 + v(s)) — Av(s + т) + Av(s) s∈R
+ ∞ 1
6 j G ( t — s) j дд£(w0 + v(s) + 9(v ( s + т ) — v(s) ) ,ws )
-∞
— v(s) )) d9(v ( s + т )
— v ( s ) ds
— dF ( w 0 + v(s) + 9(v ( s + т ) dw
+ 2c sup γ s ∈ R
dF (w 0 + v(s) ) - A ( v(s + т ) dw
- v(s) ) + O ( (v(s + т ) - v(s)) 2 )
6 8 sup I v ( s + т ) - v ( s ) I + 8 sup I v ( s + т ) - v ( s ) I = 4 sup I v ( s + т ) - v ( s ) I ,
I 3 =
+∞ j G(t - s) [a(w0 + v(s + т), шs, ш) - a(w0 + v(s), шs, ш) ds
-∞
+∞ j 1№ - «)«
-∞
ds sup s ∈ R
a(w° + v(s + т ), шs, ш)
- a(w 0 + v(s), шs, ш)
2c
— sup
γ s ∈ R
da ( w 0 + v(s) ∂z
, шs, ш^ (v(s + т )
- v(s) ) + O ( (v(s + т ) - v(s)) 2 )
6 4 sup I v(s + т ) - v(s) I .
Учитывая формулы (9)–(12), получим sup Iv(t + т) - v(t)I 6 — + 8 sup Iv(t + т) - v(t)I, sup I v(t + т) - v(t)I 6 —.
t e R Y 2 t e R t e R Y
Значит т — 8c 5 -почти период v , а в силу произвольности с получаем почти периодичность v .
Пусть теперь { t m } — (f + а) -возвращающая последовательность, т. е.
sup f (v, ш(t + t m )) + a(v, ш(t + t m ), ш) - f (v, шt) - a(v, шt, ш) 6 C m ^ 0, m ^ TO , t ∈ R
Также как описано выше легко показать sup |v(t + т) - v(t)| 6 CCm ^ 0, m ^ to, t∈R γ
-
т. е. t m — v -возвращающая последовательность, поэтому, как известно [8], частотный базис v вложен в частотный базис f + a .
Таким образом, утверждение 1 леммы доказано. Утверждения 2, 3 доказаны в монографии В. Б. Левенштама [4, гл. 3, лемма 1.8]. B
Из леммы 1, с учетом вытекающего из первого уравнения (5) равенства
Х ш = z ^1 + ш ( n +1) / 2 ^ n - i (z ^ i ,шt)+ ш n/ 2 У n ( z ш1 ,шt ) ,
следует существование такого ш о > 0 , что при ш > ш о уравнение (1) имеет условно периодическое решение x ω с указанным в теореме базисом частот, для которого выполняется, указанное в теореме предельное соотношение. Его единственность доказывается как и в предыдущей работе [2], с учетом того, что используемая там лемма 2 верна и для уравнений с ограниченными коэффициентами.
Докажем теперь утверждения 2, 3 теоремы 1. Перепишем теперь (6) в виде системы уравнений, у которой в левой части стоит неизвестная x и ее производные, а в правой — Xj. Применяя теорему о неявных функциях к первым к + 1 уравнениям системы, получаем, что существуют такие положительные числа ρ0, ρ1 , ω0, что при ω > ω0 каждому решению ш уравнения (1), удовлетворяющему условию |x(t) | 6 ро отвечает единственное решение z(t) системы (6), удовлетворяющее условию |zt(t)| 6 pi. При этом существуют такие положительные величины С1(ш) и С2 (ш), что для любых решений х1 и х2 уравнения (1) и соответствующих им решений zi и Z2 системы (6) выполняются оценки n—1
c i ( w ) | z 2 ( t ) - z 1 ( t ) | 6 X j =0
f x 2 — x 1 1 dt j
6 C 2 (^) | z 2 (t) — Z 1 (t) | .
Таким образом, утверждения 2 и 3 теоремы являются следствиями утверждений 2, 3 леммы 1. B
Замечание. Утверждения 2 и 3 доказанной теоремы верны и для рассмотренного в работе [2] класса систем.
2. Асимптотика условно периодического решения
Продолжим рассмотрение системы (1). Дополнительно к условиям § 1 будем предполагать, что вектор-функции f j имеют непрерывные производные по z o , Z 1 ,..., Z [ n / 2] любого порядка. Асимптотику условно периодического решения x ω , о котором говорится в теореме 1, будем искать в виде
-
х . (t) = y o + X u . + X i + v . (wt)],
i=1 i=n где Ui E Rm, v.(t) — условно периодические функции со значениями в Rm, с нулевым средним. Для нахождения коэффициентов асимптотики подставим ряд (14) в (1), разложим вектор-функции fj, j > 0, в случае нечетного n, и fj, j > 0, в случае четного n в ряды Тейлора по переменным z. с центром wj = (yo, 0,..., 0). Разложим fo в случае четного n в ряд Тейлора по переменным zo, Z1,..., Z[n/2] с центром w°j = (yo, 0,..., 0, ddT/n/2]n)• После этого приравняем коэффициенты в обеих частях полученного равенства при одинаковых степенях ω . Более подробно процесс построения описан в предыдущей работе. Обозначим s s+n—1
x ^,s (t) = y o + X w —i/2 u . + X w - i/ 2 v . ( wt )
i =1 i = n
Теорема 2. Для любого s = 0,1,... найдутся такие положительные числа cs, ws, что при ω > ωs , справедлива оценка kxw — x^,skc k (R)
C s Ш - (s+1)/2
где k = [(n — 1)/2]. Построение приближения x^,s при известном векторе yo сводится к нахождению условно периодических с нулевым средним решений s уравнений вида dy dτn
= q(T), где q(T) — известная условно периодическая с нулевым средним вектор- функция вида (2) и к решению s систем линейных алгебраических уравнений с единой невырожденной основной матрицей d^ZO(yo, 0,... , 0) и известными свободными членами.
C Доказательство практически полностью повторяет, приведенное в [7], доказательство теоремы 2. Отличие в том, что теперь мы разыскиваем ограниченное решение системы ii = Bu + f (u, t, ш).
А для него при достаточно больших ω , как мы уже видели в § 1, справедливо представление u(t) = f + ^ G ( t — s)f (u(s), s,w)ds = [R(u, ^)](t). Здесь
(-S diag (etJ+, 0)S 1, t< 0, [ S diag (0, etJ-) S-1, t > 0, где S — невырожденная матрица такая, что G = Sdiag(J-, J+) S 1, a J^ — матрицы жордановой формы, характеристические числа которых лежат в левой и, соответственно, правой открытой комплексной полуплоскости. Оператор R(u, ш) обладает всеми необходимыми для продолжения доказательства свойствами. B
В заключении автор выражает благодарность своему научному руководителю Валерию Борисовичу Левенштаму за постановку задачи и внимание к работе.
Список литературы Асимптотика условно периодического решения дифференциального уравнения с большими высокочастотными слагаемыми
- Юдович В. И. Вибродинамика и виброгеометрия механических систем со связями. Части I-III//Успехи механики.-2006.-Т. 4, № 3.-С. 26-158.
- Басистая Д. А., Левенштам В. Б. Асимптотика решений обыкновенных дифференциальных уравнений с большими высокочастотными слагаемыми//Изв. вузов. Северо-Кавк. регион. Естеств. науки. Спецвыпуск. Математика и механика сплошной среды.-2004.-С. 46-48.
- Левенштам В. Б. Асимптотическое интегрирование дифференциальных уравнений с большими высокочастотными слагаемыми//Докл. АН.-2005.-Т. 405, № 2.-С. 169-172.
- Левенштам В. Б., Хатламаджиян Г. Л. Распространение теории метода усреднения на дифференциальные уравнения, содержащие быстроосцилирующие по времени слагаемые//Изв. вузов. Математика.-2006.-№ 6.-С. 35-47.
- Левенштам В. Б. Дифференциальные уравнения с большими высокочастотными слагаемыми.-Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2008.-368 с.
- Левенштам В. Б. Асимптотические разложения периодических решений обыкновенных дифференциальных уравнений с большими высокочастотными слагаемыми//Дифференц. уравнения.-2008.-Т. 44, № 1.-С. 52-68.
- Ишмеев М. Р. Асимптотика периодического решения дифференциального уравнения с большими высокочастотными слагаемыми//Владикавк. мат. журн.-2011.-Т. 13, вып. 3.-С. 21-34.
- Демидович Б. П. Лекции по математической теории устойчивости.-М.: Наука, 1967.-472 с.