Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ODU_4.pdf
Скачиваний:
84
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
726 Кб
Скачать
☆

Устойчивость решения по Ляпунову и асимптотическая устойчивость. Лемма Ляпунова об устойчивости.

Рассмотрим систему:

 

 

 

 

 

 

y′ = f (x, y) (1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Будем предполагать, что

 

 

 

 

 

 

 

1)

! решение y =ϕ

(x) системы (1) на участке [x0 ,+∞[, при условии y(x0 )= y0 ;

2)

~

R

n

,

 

~

 

 

 

<α , ! решение

~

 

 

 

 

α > 0 y0

 

 

y0 − y0

 

y(x)=ϕ(x) на участке [x0 ,+∞[, удовлетво-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

~

 

 

 

 

 

ряющее начальному условию y

(x0 )= y0 .

 

 

 

 

 

def: Решение

y =ϕ(x)

системы (1)

называется устойчивым по Ляпунову, если ε > 0

 

~

 

n

,

 

~

 

 

− y0

 

<δ ,

x

[x0 ,+∞[:

 

 

~

 

< ε . Другими словами, устой-

 

 

 

 

 

 

 

 

δ > 0 , y0 R

 

 

y0

 

 

 

y(x)−ϕ(x)

 

чивость по Ляпунову – это непрерывная зависимость решения от изначально данного y0 , равномерная на луче [x0 ,+∞[.

def: Решение y =ϕ(x) системы (1) называется асимптотически устойчивым, если: 1) Оно устойчиво по Ляпунову;

~

n

,

 

~

− y0

 

<δ :

 

~

(x)−ϕ(x)

 

→ 0

при x → ∞ .

 

 

 

 

2) δ > 0 y0

R

 

y0

 

 

y

 

Пример 1:

x + a2 x = 0 – маятник без трения. Нулевое решение устойчиво, но не асимптотически ус-

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

= x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тойчиво: x

2

 

 

 

2

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 2x + 2x = 0 – маятник с трением.

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

= x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

+ 2λ + 2 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

= −2x

2

−2x

 

 

λ = −1 ±i

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это затухающие колебания, нулевое решение асимптотически устойчиво.

 

 

Замечание:

 

 

Исследовать устойчивость (асимптотическую) решения

y =ϕ(x)

системы

y′ = f (x, y)

 

 

можно свести к исследованию устойчивости (асимптотической) нулевого

решения некоторой другой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Положим: z = y −ϕ(x),

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда z

′

= y

′

−

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

(x)= f (x, y)− f (x,ϕ(x))= f (x,ϕ(x)+ z)− f (x,ϕ(x))≡ g(x, z). В дальнейшем

будем исследовать устойчивость (асимптотическую) только нулевого решения.

 

 

 

 

Лемма Ляпунова об устойчивости.

 

 

 

Пусть

 

 

функция

 

 

 

 

f :{(x, y)| x ≥ x ;

 

y

 

≤ γ

}→ Rn – непрерывна по

x

и

локально

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

y, f (x,0)= 0 (y Rn ,

 

 

 

≤ γ ).

 

 

удовлетворяет

условию Липшица по

 

y

 

Далее пусть

 

 

v : {y Rn

 

 

y

 

≤ γ}→ R удовлетворяет следующим условиям:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) v C1 ({y Rn

 

 

 

y

 

≤ γ});

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) v(y)≥ 0; v(y)=

 

0 y = 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

∂∂vy(y) fi (x, y)≤ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

3) ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда нулевое решение системы y′ = f (x, y) (1) устойчиво по Ляпунову.

 

 

24

v

v(y)= const поверхность уровня

 

(v, f )≤ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( v, f )≥ π

f – касательный вектор к y(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

◄ Фиксируем ε > 0, (ε ≤ γ )

тогда min v(y)= vε > 0

ε ≤

 

y

 

≤ γ

в силу 2). Поскольку v(y)

 

 

непрерывна в точке 0 и v(0)= 0 , то δ > 0 y Rn

 

 

y

 

 

 

<

 

δ : v(y)< vδ .Покажем, что это

 

 

 

 

δ искомое, то есть y0 Rn

 

y0

 

<δ :

 

y(x)

 

< ε , где

 

 

y

(x) – решение системы (1) с на-

 

 

 

 

 

 

чальным условием y(x0 )= y0 .

 

Допустим, что это не так, то есть x1 > x0 :

 

y(x1 )

 

≥ ε . По-

 

 

 

ложим ψ(x)= v(y(x)), тогда

dψ(x)

n

∂v(y(x))

dy (x)

 

 

n

∂v(y(x))

fi (x, y(x))≤ 0 в си-

dx

= ∑

 

 

 

 

,

 

dxi

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

∂y

i

лу 3). То есть ψ(x) не

 

 

 

 

 

i =1

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

 

 

 

 

 

возрастает

 

(по

теореме

 

 

 

 

Лагранжа). С другой стороны

ψ(x0 )= v(y(x0 ))= v(y0 )< vε ≤ ≤ v(y(x1 ))=ψ(x1 )

ψ (x0 )<ψ (x1 ) – противоречие ►

Замечание: Функция v(y) называется функцией Ляпунова для системы (1)

Лемма Ляпунова об асимптотической устойчивости и ее усиленный вариант.

Пусть выполнены условия леммы Ляпунова об устойчивости. Далее пусть w w : {y Rn | y ≤ γ}→ R удовлетворяет следующим условиям:

1)w(y) C({y Rn | y ≤ γ});

2)w(y)≥ 0; w(y)= 0 y = 0 ;

3)∑n ∂v(y) fi (x, y)≤ −w(y).

i=1 ∂yi

Тогда нулевое решение асимптотически устойчиво. Доказательство:

◄ Сначала докажем усиленный вариант леммы Ляпунова об асимптотической устойчивости.

Усиленный вариант.

Пусть выполняется условие леммы Ляпунова об устойчивости. Далее пусть существует семейство непрерывных функций Φξ : [x0 ,+∞[→ R, 0 <ξ ≤γ удовлетворяет

следующим условиям:

+∞

1) ∫Φξ (x)dx = +∞;

x0

2) ∑n ∂vy(y) fi (x, y)≤ −Φξ (x), 0 <ξ ≤ y ≤ γ .

i =1 ∂ i

Тогда нулевое решение системы (1) асимптотически устойчиво. 25

Доказательство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y Rn ,

 

y

 

 

v(y)< vε = min v(y)

◄ Фиксируем ε > 0 , ε ≤ γ ,

тогда

δ > 0

 

 

 

<δ :

 

 

ε ≤

 

y

 

≤ γ

(как и в доказательстве предыдущей леммы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

y0 Rn и

 

 

y0

 

<δ . Покажем, что

 

 

y(x)

 

→ 0 , при x → ∞ ,

где y(x) –

решение

 

 

 

 

системы (1) с начальным условием y(x0 )= y0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как было показано в доказательстве предыдущей леммы функция ψ(x)= v(y(x)) не

возрастает,

 

заметим,

 

 

что

 

ψ(x)≥ 0 , так как

 

v(y)≥ 0 .

 

 

По теореме из

анализа

lim ψ(x)=α ≥ 0 . Покажем, что α = 0 . Допустим α > 0 тогда в силу непрерывно-

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сти функции v(y) и условия v(0)= 0

β > 0

 

y Rn

 

y

 

< β : v(y)<α . В этом слу-

 

 

 

чае

x ≥ x0 :

 

 

y(x)

 

≥ β

 

 

(если

бы

 

 

 

 

y(x)

 

< β

 

 

для

некоторого

x ≥ x0 ,то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v(y(x))=ψ (x)<α

,

 

 

 

 

 

а

 

 

у

нас

ψ (x

 

)↓α

 

,

 

то

 

 

 

есть

ψ (x)≥α ).

 

αψdx(x)= ∑∂v(∂yy(x)) fi (x, y(x))≤ −Φβ (x) (условие 2) для семейства Φξ ).

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dψ (t)dt ≤ − x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как β ≤

 

y(x)

 

≤ γx

 

x

Φβ (t)dt

 

Формула Ньютона-Лейбница.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

dt

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ(x)−ψ (x )

≤ − x

Φ

 

 

(t)dt

 

→

−∞ (условие 1))

 

ψ (x)→ −∞, при x → +∞, а у нас

 

 

 

 

 

 

0

 

∫

 

 

 

β

 

 

 

 

 

ïðè x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ (x)↓α

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ (x)= v(y(x))→ 0 ,

 

и

 

ψ(x)≥ 0

 

 

противоречие

α = 0 .

То

есть

при

x → +∞. Покажем, что

 

y(x)

 

→ 0 , при

 

 

x → +∞.

Допустим, что это не так, тогда

 

 

 

 

ξ > 0 ,

xk → +∞:

 

 

y(

xk )

 

≥ξ

в

этом случае

 

v(y(xk ))≥ vξ = min v(y)> 0

 

 

 

 

 

v(y(xk ))→/ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ ≤ y ≤γ

 

 

 

v(y(x))→/ 0 .

А

у

нас

 

 

доказано,

что

ψ(x)= v(y(x))→α = 0

при

x → +∞. Усиленный вариант доказан. ►

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перейдем к доказательству леммы Ляпунова об асимптотической устойчивости (в каче-

стве следствия).

 

 

 

 

 

 

 

Достаточно положить Φξ (x)= min w(y)= const > 0 . Очевидно, что:

+∞

ξ ≤

y

≤γ

 

 

 

 

 

 

 

1) ∫

Φξ (x)dx = +∞;

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

2) Если ∑∂v(y) fi

(x, y)≤ −w(y), то −w(y)≤ − min w(y)= −Φξ (x).

 

i =1 ∂yi

 

 

 

 

 

 

ξ≤ y ≤γ

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

∑∂∂vy(y) fi (x, y)≤ −Φξ (x) 0 <ξ ≤

 

y

 

≤ γ , а тогда можно применить усиленный вариант. ►

 

 

i =1

i

 

 

 

 

 

 

 

Лемма по приведению матрицы к жордановой форме с ε вместо 1 под диагональю.

Пусть B – матрица, имеющая жорданову форму, то есть:

26

 

 

 

 

 

λ1

… … 0

 

 

 

… 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

…

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λs

… …

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…

 

 

 

0

…

1

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

~

 

λs

 

 

 

 

 

 

 

~

 

= 0)такая, что

 

 

 

Тогда ε > 0 существует матрица T

(detT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ1

… … 0

 

 

 

… 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

… ε

λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

~−1

~

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

=T

BT =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λs

… …

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…

 

 

 

0

… ε

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

λs

Докажем это для одной клетки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство:

 

 

 

 

 

~~

 

 

 

 

 

 

◄ Известно, что замена переменной

 

переводит

систему z′ = Bz в систему

z =T z

~

~−1

~~

~~

 

~

для одной клетки:

 

 

 

 

 

z ′

=T

BT z

= Bz . Построим T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ1

 

… …

0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= s1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

… 1

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Положим

 

 

 

 

 

 

 

zs

~

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= zs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

~

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zs −1 = εzs −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1 = ε

s1 −1~

 

 

 

Подставим это в систему z′ = Bz :

 

 

 

 

z1,

 

 

 

 

 

 

−1~

 

 

~

 

 

~

z1′

= ε

s1 −1~

 

 

 

s1

 

 

 

 

z1′= λ1z1 = λ1ε

 

z1

z1′= λ1z1

z2′ = ε

 

z2′ = z1 + λ1z2

 

= ε

z1 + λ1ε

 

z2

 

 

s1 −2~

 

 

 

 

 

s1

−1~

 

 

s1 −2~

~′

аналогично

~′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

~

 

 

 

~

 

 

~

 

 

 

z3

= ε z2

+ λ1z3

… zs

1

= ε zs −1 + λ1zs

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Лемма доказана. ►

~′ = ε ~ + λ ~

z2 z1 1z2

27

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]