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° ( £ ) , 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 — ^т 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 ,О ) ] 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\ < ( C£ 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.