84434 (Построение приближенного решения нелинейного уравнения методом Ван-дер-Поля), страница 2
Описание файла
Документ из архива "Построение приближенного решения нелинейного уравнения методом Ван-дер-Поля", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "математика" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "математика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "84434"
Текст 2 страницы из документа "84434"
Уравнения (8) будем называть укороченными уравнениями или уравнениями Ван-дер-Поля. Они значительно проще исходной системы (7), поскольку первое уравнения может быть проинтегрировано независимо от второго. В системе (8) медленные и быстрые движения для разделены.
Интегрируя первое из уравнений этой системы, мы находим закон изменения амплитуды. Очень часто в прикладных задачах бывает достаточно найти только зависимость амплитуды от времени. В рассматриваемой теории для этого достаточно найти решение уравнения первого порядка (в общем случае нелинейного).
Определение фазы сводится к квадратурам. Наибольший интерес обычно представляет не сама фаза, а скорость ее изменения в зависимости от амплитуды. Ответ на этот вопрос дает непосредственно второе уравнение системы (8).
Итак, метод Ван-дер-Поля решения уравнения (1) состоит в переходе от переменной х и y к переменным а и (которые мы будем называть переменными Ван-дер-Поля) и к замене точных уравнений (7) укороченной системой (8).
Система (8) позволяет найти возможные стационарные (автоколебательные) режимы, т.е. режимы, при которых амплитуда остается неизменной. Полагая , находим, что стационарная амплитуда должна быть корнем трансцендентного уравнения
Заметим, что уравнение (10) совпадает с одним из тех уравнений, которое мы получили бы, если бы рассматривали уравнение (1) как квазилинейное и разыскивали периодические решения методом Пуанкаре.
Трансцендентное уравнение (10) может совсем не иметь действительных решений. Это будет означать, что в системе стационарные колебания невозможны. Уравнение (10) может иметь одно или несколько решений, в случаях консервативных систем оно удовлетворяется тождественно. В самом деле, в этом случае функция f зависит только от переменной x, поэтому уравнение (10) примет вид:
Так как , то под знаком интеграла стоит полный дифференциал:
Обозначим через F — неопределенный интеграл .
то есть уравнение (10а) удовлетворяется тождественно по .
Обоснование метода Ван-дер-Поля
Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси.
Рассмотрим систему стандартного вида
Уравнение Ван-дер-Поля также можно привести к системе стандартного вида:
Сделаем замену
Среднее значение функции за период 2 :
При этом усреднении интегрирование ведется по третьей переменной t в предположении, что и от t не зависят.
Наряду с точной системой рассматривается приближенная
Обе системы, приближенная и точная, решаются при начальных условиях
Для задач Коши (1) и (4), (3) и (4) справедлива следующая теорема:
Теорема. Пусть при всех t и в некоторой области переменных функции непрерывны и ограничены. Функции также непрерывны и ограничены в области Г. — 2 -периодические по t. Функции и — удовлетворяют условию Липшица по переменным и (при этих условиях существует и единственно решение). Тогда для и L>0:
Доказательство:
Решение задач Коши (1) и (4), (3) и (4) существует и единственно. Поэтому решение (1) и (4) будем искать методом приближений.
Обозначим
Функция — 2 -периодическая по .
Пусть
удовлетворяет условиям Липшица по переменным и . Проинтегрируем функцию :
В промежутке находятся те значения t, для которых будет существовать решение (1) - (4) и оно не выйдет за пределы области G. Это характеризуется так
Из теоремы Пикара следует, что при всех таких t приближенное выражение сходится к решению задачи Коши:
— целую часть от деления обозначим N. Тогда — дробная часть
С учетом возможности такого разбиения
Если рассмотреть , то последнее выражение перепишется в виде:
где с учетом (4)
и от не зависят. Из равенств (7а) следует, что последнее выражение равно нулю .
Вычислим
То есть
Мы можем сказать, что в (8), все, что стоит под знаком суммы
Так как
то последнее неравенство равносильно следующему:
— удовлетворяет условию Липшица, поэтому мы можем воспользоваться этим, переходя к оценкам
Оценим
Фактически нужно оценить величину .
Используем условие Липшица для , тогда последнее неравенство
(последняя оценка получена с помощью неравенства (11)).
Можно увидеть следующую закономерность
По методу математической индукции, для оценки верны. Покажем их справедливость и для
Используя формулу (13), далее получим:
Теперь в этом неравенстве перейдем к пределу при
Обозначим через
Так как мы пользовались условиями Липшица, нужно убедиться, что приближения не выходят из области G.
— по теореме Пикара это не выходит за пределы области G, то есть
В силу плотности числовой прямой
Проверим, вышло ли первое приближение за пределы области G. Пользуясь оценками (19) и (20), имеем:
Возьмем
тогда
Аналогично проверяем второе приближение
Возьмем
И если
если
Если мы перейдем к перейдем к пределу при , то получим:
Если мы будем выбирать из условия (21), то использование условия Липшица законно.
необходимо согласовывать с с помощью (21) и
Решение уравнения
Рассмотрим уравнение
Данное уравнение второго порядка описывает колебательное движение. Здесь ω – некоторая действительная постоянная, а ε – малый параметр.
Делаем в уравнении (1) замену: тогда получим систему
Переходим в уравнении (1) к новым переменным a и , полагая здесь и далее , согласно формулам
Далее, дифференцируем (3) по t, считая и φ .
Подставим (4) в (2), учитывая (3).
Разрешим эту систему относительно
тогда имеем:
Система (6) полностью эквивалентна уравнению (1). Соответствующая системе (6) усредненная система имеет вид
то есть
Таким образом имеем
Чтобы найти в явном виде закон изменения амплитуды в зависимости от времени, необходимо решить первое уравнение системы (8):
Умножим обе части равенства на :
Сделаем замену
умножаем обе части равенства на :
Отсюда находим
Колебания представятся следующим образом (находим выражение для приближенного значения x в явном виде)
Динамический режим обладает сильной устойчивостью, заключающейся в том, что каково бы ни было значение , малое или большое, все равно при .
Как видно из выражения (9), если начальное значение амплитуды =0, амплитуда останется равной нулю для любого t, и, следовательно, получим х=0, то есть тривиальное решение уравнения (1). Это тривиальное решение, очевидно, соответствует статическому режиму, то есть отсутствию колебаний в системе.
Однако, исходя из формулы (9), нетрудно заключить, что этот статический режим неустойчив. Действительно, как бы ни было мало начальное значение амплитуды, оно все равно будет монотонно приближаться к значениям, равным . Таким образом, поскольку случайные малые толчки практически неизбежны, в рассматриваемой колебательной системе, находящейся в состоянии покоя, автоматически возбуждаются колебания с амплитудой, то есть система самовозбуждается.
Из выражения (9) следует, что если , то , и для любых очень быстро приближается к значению независимо от . Это решение соответствует стационарному (установившемуся) динамическому режиму:
Иначе говоря, любое колебание при увеличении t приближается к стационарному колебанию, то есть колебания будут устойчивы.
Режимы с постоянной амплитудой, для , приводят к уравнению
Таким образом, соответствует неустойчивому состоянию равновесия, а соответствует устойчивому предельному циклу.
Для любого заданного положительного сколь угодно малого значения параметра всегда можно найти такое достаточно малое значение параметра , для которого уравнение (1) или, что то же самое, система (2), имела бы предельный цикл, лежащий в окрестности окружности , причем этот предельный цикл устойчив, если , и неустойчив, если . Все эти рассуждения следуют из теоремы Мандельштама и Папалекси.
Наряду с точной системой рассматривается приближенная
Теорема. Пусть при всех t и в некоторой области переменных функции непрерывны и ограничены. Функции также непрерывны и ограничены в области Г. — 2 -периодические по t. Функции и — удовлетворяют условию Липшица по переменным и (при этих условиях существует и единственно решение). Тогда для и L>0 : , 0 ,
Проверим выполнение условий теоремы для нашего уравнения. Из системы (6) находим и :
, из этих неравенств видно, что и ограничены для любого конечного . Функции и для системы (2) имеют вид:
Из последней системы видно, что и непрерывны и ограничены для любого конечного . и — периодические по t с любым периодом, в том числе и . Функции и , и непрерывно дифференцируемы по t, а следовательно удовлетворяют условию Липшица.
Пусть и — решения точной системы (6). Тогда для и : , .
( В нашем случае , определяется уравнением (9а)).
Выводы
В рамках теории Ван-дер-Поля нельзя уточнить полученные решения.
0>