Равномерное приближение решения сингулярно-возмущенной задачи в особо критическом случае

Автор: Каримов С., Анарбаева Г.М., Акматов А.А.

Журнал: Бюллетень науки и практики @bulletennauki

Рубрика: Физико-математические науки

Статья в выпуске: 2 т.10, 2024 года.

Бесплатный доступ

В работе нули собственных значений матрицы лежат в действительной оси. В комплексной плоскости определим область, в которой проводится исследование. В случае смены устойчивости, в точке линии уровня вырождаются и область разделяется на четыре части. Из частей которые соответствуют неустойчивому отрезку, выбираем пути интегрирования. Методы путей интегрирования, которые ранее использовались здесь непригодны. Поэтому разрабатываем новый метод. В итоге получим оценку решения сингулярно возмущенной задачи.

Сингулярное возмущение, начальная точка, линии уровня, затягивания потери устойчивости, путь интегрирования, асимптотика, малый параметр

Короткий адрес: https://sciup.org/14129654

IDR: 14129654   |   DOI: 10.33619/2414-2948/99/02

Текст научной статьи Равномерное приближение решения сингулярно-возмущенной задачи в особо критическом случае

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 517.928                                        

Случаи когда нули собственных значений лежат в комплексной плоскости рассматривались в работах [1, 2]. Если нули собственных значений принадлежат на числовой оси, тогда с помощью ранее используемыми методами [1, 2], мы не сможем исследовать решение сингулярно возмущенной задачи. Поэтому придется заново построить новый метод.

Рассмотрим конкретный пример и на основе этого примера построим метод. Цель исследования: доказать асимптотическую близость решений сингулярно возмущенных дифференциальных уравнений и соответствующих невозмущенных уравнений, в случае смены устойчивости на основе конкретного примера.

Материалы и методы исследования

Рассмотрим задачу

£ x '( t , £ ) = a ( t ) x ( t , £ ) + £ f ( t , x )                                               (1)

X(1 0 , £ ) = ( £ ) , x 0 ( £ )| = O( £ ) ,                                         (2)

где a ( t ) = t - 1 , 0 £ — малый параметр, f ( t , x ( t , £ )) — аналитическая функция от двух переменных, t е T — конечный или бесконечный отрезок, 0 x 5 , 5 — const . Например, f ( t , x ( t, £ )) могут оказаться многочленами относительно переменной x с аналитическими коэффициентами на отрезке T .

Невозмущенное уравнение a(t)x ( t ,0) = 0 имеет нулевое решение ~( t ) = 0 .

Собственное значение a ( t ) = t 1 устойчиво при — w <  t <  1 , неустойчиво при 1 t < +® .

Для решения задачи (1), (2) x ( t , £ ) справедливо равенство

lim x ( t , £ ) = ~ ( t ) , £ ^0

при t е ( — w ,1 ) .

В данной работе доказывается , что равенство (3) имеет место для значений t е ( — w ,2 ] , то есть решение задачи (1), (2) задерживается на конечный промежуток времени t е [ 1,2 ] . Решение задачи (1), (2) не сразу уходит к бесконечности.

Теперь дифференциальную задачу (1), (2) заменим равносильной интегральной задачей

t

t

Г

t

x ( t , £ ) = x 0

( £ )exp 1 J a ( s ) ds + j f ( t , x ( t , £ ))exp 1 j a ( s ) ds d r . I £ 0          J 1 0                       V £ r          J

V

t 0

)

t 0

Уравнение (4) решим методом последовательных приближений x 0 ( t , £ ) = 0 ,

t

A

t

t

x j( t , £ ) = x 0( £ )exp — j a ( s ) ds + J f ( r ,0)exp — j a ( s ) ds d r , V £.        J 0             V £ T       J

V

J

)

t

t

t

A

x 2 ( t , £ ) =

x 0( £ )exp — j a ( s ) ds + j f ( t , x{ ( t , £ ))exp — j a ( s ) ds d r , V £ 1 0          J    10                       V £r         J

V

t 0

J

t 0

... ... ...,

t

\

t

\- xn(t,£) = x (£)exp -ja(s)ds + jf(

V

t 0             J

if

if

о

t

T , xn 1

( r , £ ))exp 1 j a ( s ) ds d r , V £ T        J

( n = 0,1,2,... ) .

Рассмотрим ряд

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 10. №2. 2024 то

Е [ x n ( t , £ ) - x n -1 ( t £ ) ] , n =1

Пусть  ~ ( t ) = 0 . Тогда не нарушая общности можно предположить, что

I x (0, £ )| = x 0 ( £ )| = O( £ ) .

Далее будем считать, что t = tx + it2; т = т + i^ , где tl, t2, т , т2 - действительные переменные. Тогда получим

j a (s) ds = j a (s)ds = -- t = 4(f - 1) - 1]=~[(t 1 - 1) - t 2 -1]+ it 2 (t 1 - 0, t о                   0

u ( t j, t 2) = Re j a ( s ) ds = — [ t - 1)2 - 12' — 1 ] .

0       2-

Справедлива оценка:

/

x 0 ( £ ) exp 1 j a ( s ) ds   = O ( £ ) только при

I £ о        )

t

u ( t j, t 2) 0

Поэтому будем рассматривать

замкнутую область (рисунок 1) Ho = {( t j; t 2): u ( t1 , t2 ) 0 } .

Рисунок 1. Область H .

Если ( t j, t 2 ) e H o, то x0

( £ )exp 1 j a ( s ) d s l = O ) ) .

t

\

X

Для того, чтобы последовательные приближения были ограниченными величинами необходимо выполнение условие u ( tY , t 2) u ( т , T ) 0 то есть пути интегрирования должны быть убывающими от начальной точки до последней точки. Таким образом, пути интегрирования будем выбирать так, чтобы имело место неравенство

u(11,12) < u(т^Г2), от начальной точки до конечной точки (tl, t2). Это есть главное требование на выбор путей интегрирования для последовательных приближений. Для всех последовательных приближений пути интегрирования будут неизменными.

Пусть u ( 1 1 , 1 2 ) = / ( [ ( t 1 - 1 ) 2 - 1 1

- 1 = 2 / 1 ) , где / — действительное число.

Если / >  0 , то гипербола будет расположена правее от особой критической линии

u ( t j, t 2) = 0. Если - 1 / 0 , то гипербола будет расположена левее от особой критической линии u ( tl , t 2) = 0 . Если / = - 1 то гипербола вырождается на прямые t2 = ± (tr - 1 ) . Если Y <- 1 , то гиперболы будет расположены вверх (вниз) между двух прямыми t2 (tr - 1 ) (Рисунок 2). Для любой гиперболы u ( t1 , t 2) = у прямой t2 = ^ - 1 или t2 = - t j + 1 является асимптотой.

Рисунок 2. Линии уровня в области

H

Для нас особый интерес представляют поведения решения на отрезке 1 t x 2.

H — замкнутая бесконечная область, ограничена с левой стороны полупрямыми 1 2 = ± ( t 1 - 1 + S ) ) ( 1 1 1 < +^ ) , с правой стороны полупрямыми 1 2 = ± ( t 1 - 2 ) ( 2 < ^ < +w ) . (Рисунок 3).

Рисунок 3. Области H и H .

H = H о H2 , где H = {(tx, t2 ) :(tx, t2 )e H и t2 > 0} , H2 = {t, t2 ) :(д, t2 )e H и t2 < 0} , H n H2 = [1 — Vs ,2]; H , H2 — симметрично относительно действительной оси Otx и обе является бесконечными областями.

T = { t i , t 2 ) :1 — S& t i <  1, 0 t^ t^ — 1 + V s } , T = { ( t j, t 2) :1 — V s tx <  1,0 t 2 tx 1 + 4 s], H 10 = H 1 \ T = {( t 1 , 1 2 ) : ( t 1 , 1 2 ) g H 1 , и 1 1 1 ] .

Решение задачи будем оценивать в замкнутой области H . Если пути интегрирования симметричны то сразу получим оценку решения задачи на H . Таким образом, будем оценивать решение задачи в области H . Сначала определим убывающей путь интегрирование для замкнутой области H .

Через Г обозначим множество точек гиперболы u(tx, t2) = 0 на плоскости, а через Гх обозначим правую половину гиперболы u(tx, t2) = 0 : Г = Г n H . Две линии гиперболы u (tx, t2) = 0 и прямой tx +12 = 2 пересекаются в единственной точке (2,0):

f u ( 1 1 , 1 2 ) = 0         f t 1 ) 2 1 22 = 1

или Г 1   7    2

t 1 + t 2    2            tx + 12 = 2

Запишем в виде

или Г

tx +12 — 2

t j + t 2

= 2

Отсюда получим единственную точку пересечения двух линий (2,0). По вертикальной прямой точки гиперболы u(tx, t2) = 0 лежат выше (не ниже) чем соответствующие точки прямой tx +12 = 2 . Поэтому для точек гиперболы имеет место неравенство (tx —1) +12 > 1. Таким образом, для точек гиперболы Гх справедливо неравенство: из (^ — 1)2 — 12 = 1

1             1    , t — 1) —12 < 1. Отсюда tx — 2 < t2.

получим (tj — 1) —12 = -,----г---- < - = 1 или

( t ! 1 )+ t 2     1

По вертикальной прямой точки гиперболы Г лежат выше ( не ниже), чем соответствующие точки прямой tx 12 = 2 ( ( t j 1 ) 12 = 1); по горизонтальной прямой точки гиперболы Г лежат левее чем соответствующие точки прямой.

Таким образом, рассмотрим прямую t2 = tx — 2 , по которой спускается + да (плюс бесконечность) до точки (д ,Т ), Т = t2, т = t2 + 2 , (д, t2) - конечная точка на области Их . По прямой т = т — 2 от начальной точки (2,0) до ( тх = +ю , т2 = т — 2 = +^ ) путь возрастающий. Нам нужен обратный путь. Следовательно, нужный нам путь будет убывающим. Далее от точки (т ,т ) = (ti + 2, t2) по горизонтальной прямой до точки (tx, t2). Это есть последний отрезок пути. l3 = {(т ,д ) т2 = t2; t2 + 2 > т > tx}. Таким образом, пути интегрирования для всех последовательных приближений будут неизменными: l = l0 о lx о l2 о l3 и I = /0 о ~ о ~ где

1 0 ={ ( т 1 , т 2 ) :0 т 1 1 2 = 0 } ,

11 = {(д, т2): т2 = д — 1 + Vs, 1 — Vs < д < +w],

3 = { ( t i, t 2 ) T 2 = T 1 1 2 = {( t 1 , T 2 ) T 2 = T 1

i+V£, 1—^£ — t —12+1—£}}, 2, 2 +12 — t < +^},

  • 1 3 = {( t 1 , T 2 ) : T 2 = t 2 , t 2 + 2 ^ T 1 ^ t 1} ,

3 = T, t ) • t = t2, t2 +1—£ — t — tt}.

Во всех выше указанных путях интегрирования условие (6) выполняется.

Теперь оценим последовательные приближения на замкнутом множестве H .

к

X j ( t , £ ) = x 0( £ )exp — J a ( s ) ds + J f ( T ,0)exp —J a ( s ) ds d r .

I£о       J о            к£т       J

t

t

/

t

Здесь Re J a ( s ) ds = — [ ( t j — 1 ) 2 2L'-

Поэтому

1 2 1 ] = u ( 1 1 , 1 2) 0 при ( t j , t 2) e H = H о H2 .

|A( t,£ ) =

x 0( £ )exp 1 J a ( s ) ds  = O( £ ) при ( t t, t 2) e H . Остается оценить величины

t

A

t

к

/

о

J

t

\

t.

I ( t , £ ) = J f ( T ,0)exp -J a ( s ) ds d T .

к

T

J

Предположим, что | f ( т ,0)| = O (1) при t , t 2 ) e H .

Если t , t 2) e T то l = l 0 о l ~ о l 3. Тогда

1 1 ( t , £ )| = O (1) J exp |— ( u ( 1 1 , 1 2 ) u ( tpt 2 ) ) j d T , где l = l0 o lY o l3 :

l 0 = { ( t 1, t 2 ) :0 T 1 1

~ 1 ={ ( t 1, t 2 ) T 2 = T 1 1 + V i ,1 1 3 = { ( t 1 , T 2 ) T 2 = t 2 , t 2 + 1 — "^

£,T 2 = 0},

[ — £— — T — t2 + 1 — £} }, £ — T — t{ } .

1). Будем оценивать величины

l 0

Пусть l0 = { ( t , T ) :0 T 1 Тогда

'2 = 0 } .

u ( t 1 , t 2 ) u ( t 1 , t 2 ) = 2[( t 1 1 ) 2 ( t 1 1 ) 2 ]= 2[( t 1 T 1 ^ t 1 + T 1 2 )]—2[ (2 t 1 2) ( t 1 T 1)] — — — Utit— t ) = V £ ( t t i ) . Таким образом

к 1                            ^         t 1

J exp I   (u(tj, t2) — u(t ,T )||dT — J exp

10     к £                       J       0

к .£

( t 1 t 1 ) d T1 = £ exp

к £

J

к        ■' ]

к £ J

t 1

к

t 1

£ JJ

= о (k £ ).

Получена окончательная оценка f exp | —(u (tj, t2) - u (t ,T ))|’ W = O ().

к £                  )

l 0

  • 2) . Рассмотрим интеграл

    exp I — ( u ( t j, t 2) - u ( t



    Здесь ~ = { ( т , T ) : т


    ~ к s

    l 1


    < t^ + 1 2 s } .


    - u ( т 1 , т 2 ) = -2[ ( т 1 1 ) 2 T 22 1 ]= ^iX l - 1 ) ^ + £ + 1 ] .

[exp| —(u(tj,t2) — u(т,T))bIdT = a/2"exp| u(t1,t2) ~ к £                     )               к £ t^ +1—л/"£

j   exp

1— 4s

2 4s( Tx - 1 )+ £ + 1

2 £

■ dr

)

Таким образом, получим оценку exp ( u(11,12) - u(r^rJ j d I = о(^£).

~1     к          £)

  • 3) . Остается вычислить интеграл

exp(u(,,tt2)-u(r„r,)Y,

~s)

Здесь

  • l 3 = {( т 1 , T 2 ) T 2 = t 2 , t 2 + 1 - 4s T 1 t 1 } ,

j exp ( u ( - 1 , t 2)— u T 1 T j d | = O (1) J exp - 1—— ■ j d ^ |.

~3     к          £          )             t'     к      £)

T -1 _

Пусть — = s , тогда

V 2s t-, vst т = 1 + 42ss , dr = 2 2sds, r1 = 12 +1 — 2 s , Sj = 2 .—  < 0, T1 = 11 s2 =  .— < 0 и

2s sj < s2, — s = n, s = —n, ds = — dn, П = — si. n2 = — s2. Тогда

1 1 (t, 1 t, t s ) = O (1) j exp ( - ( r '   1 ) | dr, = SOO (1)f exp ( - s ’■ ) ds =

:    к     2s)

= - S^ O (1)Jexp ( - s2 ) ds SO O (1)Texp ( - n2 d n .

n 1

Учтено интеграл Пуассона и получена оценка j exp ( u(11, t2) uT,rJ ^ ■ d| = O (^).

~3     к          s)

Если ( t j, t 2) e H 10 то l = l 0 u lr u l2 u l 3. Тогда

1 1 ( * , £ )| = O (1) J exp J — ( u ( * j, * 2) u ( t , T ) ) j| d T , где l = lo u 4 u h u I 3. ~    к £                      7

  • 1) . Выше, оценка по пути интегрирования l получена.

  • 2) . Рассмотрим интеграл

    £

    l1

    Здесь 4 = { t , T ) :1 £ - T < +да , т = T



    u ( t 1 , T 2 ) = 1 [ —( T 1 ) 2 + T 2 2 + 1 1 = 1 [ 2 ( T

    Пусть b cons* , 1 £ b < +да . Тогда

    J exp I — ( u ( * [, * 2) u ( t T ) ) ]• | d r | =

    / к £                       7



    1 + V J } . )V £ + £ + 1 ] .


    b

    2 J exp


    u ( tx , t2 ) u ( t , T )


    £


    d T =


    b

    2 J exp


    2 £ ( T 1) + £ + 1


    к


    2 £



    d T .


    Здесь оценка от величины b не зависит.


    Таким образом, получим оценку


    J exp


    u ( t 1 , t 2 ) u ( t 1, T 2 )


    £


    || d T = о (£).


    3). Теперь вычислим интеграл J exp

    l 2


    u ( * 1 , * 2 ) u ( T 1 , T 2 ) 7


    £



    d T где


    I 2 = {( * i , * 2 ) : + x T 2 + *2 , t = T 2 } ,


    u ( t 1 , T 2 ) = 1 [ ( T 1 ) 2



    T 2 2 1 ]= 2[( t 1 1 ) 2 ( t 1 2 ) 2


    1 ]= T 1 2.


    Пусть да >  b 0, b const . Рассмотрим интеграл


    1 2 + 2

    J exp

    b


    u ( * 1 , * 2 ) u ( t 1, T 2 )


    £


    d T . Здесь


    T 2 = T



    2, d ^ = d T , d T = 2d1d T , u ( t , T ) = T 2 .


    Поэтому


    1 2 + 2

    J exp

    b


    u ( t j, t 2) u ( t , T )


    £


    u ( * !, * 2) 7 * 2+ 2      f 2 T

    1      I I exp I       1 I d T .

    £   7 ь     к 2 £ 7


    Таким образом, получена оценка


    J exP 1 2

    Остается вычислить интеграл


    u ( * 1 , * 2 ) u ( T 1 , T 2 ) 7


    £



    d T = O ( £ ) .


    J exp


    u ( * 1 , * 2 ) u ( t 1 T 2 )


    £


    \dv\ .


    Здесь

    1 3 = {( t 1, T 2 T 2 = * 2 , * 2 + 2 ^ T ^ * 1 )} ,

    u ( * 1 , * 2 ) u ( T 1 , T 2 ) = 2 [ ( * 1 1 ) 2 — ( T 1 1 ) 2 ] - —( * 1 1 ) T 1 * 1 ) .


    Получен следующий интеграл

    f exp I — ( u ( t j, t 2) u ( т , т ) ]• \dt\ exp | ■

    k £                  7           V

    1 3          4                                               l                 1 3          4

    Рассмотрим два случая:

    • 1) . Пусть £ t j — 1 . Тогда при t 1 -7



    ^ -^ ]• d T .

    £ 7


    £ , ПОЛуЧИМ


    I exP


    u ( t 1 , t 2 ) u ( t 1 T 2 ) 1


    £



    • 1,1    tГ I (tl — 1)(т

    \di\ J exp I — 1---— t 2+2      k            £



    t 1 )


    £

    t 1 1


    _ I    ( t 1 1)( t 2 t 1 + 2)

    exp I

    k           £


    O ( ■£ ) .


    Или при t j — 1 >


    £ :


    I exp

    l 3


    u ( t j, t 2) u ( t , T )


    £


    t г       f

    • | d T j exp I —

    t + 2      k


    ' ( т 1     t 1

    £


    £

    t 1 1


ex, f   ( t 1 1)( t 2 t 1 + 2)

O ( £ ) .

£

  • 2) . Случай 1 t\ 1 + £ . Тогда будем иметь

    I exp

    l 3


    u ( t j, t 2) u ( t , t )


    £


    t 1

    I d r\ O (1) j exp

    7                     t 2 + 2


    О т 1 )2 1



    I     £



    • | d T i|


    t 2 + 2

    O (1) j exp

    t 1




    12 A


    I      £   7


    d T .


Учтено, интеграл Пуассона и получено оценка

I exp l3

u ( t j, t 2) u ( t , t )

£

• \dt\ — o (£).

Теперь при любом (tt, t2 )е H , где H — H ou T, пути интегрирования будут такими как величина u (t{, t2) будет убывающими от точки t

( t i , 1 2 ) e H i , то

|x1 ( t , £ )| — O (£ ) , причем эта оценка не улучшаемая.

£ ,0 ) до точки ( t j, t 2) e H . Если

Для первого приближения x{ ( t , £ ) справедлива оценка | x 1 ( t , £ )| O (£) при ( t 1 , t 2 )e H 1 . Таким образом, имеет место оценка, если (^, t 2) е H , то

где 0 < c — const.

Таким образом, оценка (8) имеет место для всех точек замкнутой области H . Аналогично для области H имеет место оценка (8).

Теперь рассмотрим сходимости последовательных приближений . Если ( t j, t 2 ) е H , то справедлива оценка

|x ( t , £ )| <  C £ , 0 c const .                                      (8)

В дальнейшем, положительные постоянные величины, которые в рассуждениях существенной роли не играют, и поэтому обозначим одной той же буквой C .

X 2 ( t , £ ) X 1 ( t , £ ) = J f ( T , X j

l

г

t

'1( t , £ )) - f ( т ) ] ехр - J a ( s ) ds d r . V £ T        J

Пусть

| f (t, x) - f (t, ~)| < вx — ~, где 0 < в — const.

Тогда |x2 (t, £) - x (t, £ )| < в J |x (t, £ )| exp | u (t— t2)—u (t-,t2) |. d^ < i             V         £J

  • < вС£ J exp ( u ( t - , t 2 ) - u ( T 1 , T 2 ) 1 \dv\ ( 2 ) 2 ;

i    V         £J

|X 2( t , £ ) - X 1 ( t , £ )| < ( c £ ) .

В далее, имеет места оценка | x n( t , £ ) - х ич( t , £ )| ( с £ ) , ( n = 1,2,... ) .

Имеет места следующая теорема.

Теорема. На замкнутой области H задача (1),(2) имеет единственное решение x(t, £) , от представимое в виде x(t, £) = У[хя (t, £) - хяч(t, £)] и на H справедлива оценка n=1

| xn ( t , £ ) - x n - 1 ( t , £ ) ( с £: ) n , ( n

= 1,2,... ) где 0 c - const .

Результаты и обсуждения

Если нули собственных значений матрицы лежат в действительной оси, тогда случае смены устойчивости в точке линии уровня вырождаются, и область разделяется на четыре части. В трех из них не содержится неустойчивый отрезок t е [ 1,2 ] . Последняя часть области содержит этот отрезок. Трудность заключается в том, что переходить ту части область на конечном отрезке по убывающему пути интегрирования невозможно. Точнее, не существуют линии уровня соединяющую начальную и последнюю точку. Поэтому мы вынуждены разрабатывать новый метод для выбора пути интегрирования.

Вывод

Случаи, когда нули собственных значений лежат в действительной оси раньше не рассматривались. В работе доказано, что в этом случае тоже выполняется явление затягивания потери устойчивости.

Список литературы Равномерное приближение решения сингулярно-возмущенной задачи в особо критическом случае

  • Алыбаев К. С. Метод линии уровня исследования сингулярно-возмущенных уравнений при нарушении условия устойчивости: дисс. … д-ра физ.-мат. наук. Джалал-Абад, 2001. С. 1-376.
  • Каримов С. Равномерное приближение решения сингулярно возмущенной задачи в особо критическом случае. Ош, 2019. С. 1-192.
Статья научная