Антидемидович 5 - ДУ (1113366), страница 61
Текст из файла (страница 61)
М 586. Доказать, что если какое-нибувь одно решение линейной системы дифференциальных уравнений устойчиво по Ляпунову, то устойчивы все решения этой системы. М Пусть решение у(1) = ()т))(1), у)т(1), ..., у)„(1)) системы )(х — = А(т)х+ «(1), где А(1) = (а)1(1)) — и х п-матрица, а х(с) и «(т) — вектор-функции со значениями в Н", устойчиво по ляпунову. тогда, положив х(1) = (е(т) + е(1), из данной системы получаем Ае «бр — = Ае ~ — ла А(з+ «) . (1) 61 '1 й Так как решение у)(1) устойчиво, то нулевое решение системы (1) также устойчиво.
Далее, пусть тз(1) — любое решение данной системы. Тогда аналогично проделанному выше относительно малого возмущения 6(1) (отклонения от решения )6(т)) получаем систему дб — = Аб, 61 нулевое решение которой устойчиво. Следовательно, все решения данной системы устойчивы по Ляпунову, м 587. доказать, по если кюкдое решение линейной однородной системы остается ограни- ченным при 1 -л +со, то нулевое решение устойчиво по Ляпунову. и Пуси У вЂ” интегральная матрица системы Ах — = Ах (ь) Ф т.е. 6У вЂ” = АХ; Г((е) = Е. тй 280 Гл. б. устойчивость и фгаааые траагпгрии Тогда все решения системы (*) предсташшются в виде Х = 1'С (С вЂ” произвольный постоянный вектор). В силу ограниченности каждого решения системы (*) справедливо неравенспю ()г !1 < М (М вЂ” постоянная, М ~ 0).
Следовательно, !!Х!! < !!г !!)!СО < М!~СО. Пусть е > 0 задано. Тогда, взяв б = ~м, из неравенства 1)х(15)(1 = )(С() < б получаем неравенство )(х(1))) <МЦ~С!! <Мб=а 5У( В >Ео М 588. Исследовать на устойчивость нулевое решение системы х, = а«(1)х, + агг(1)лг, хг = = аг,(1)х! + агг(Е)хг при условии, что а«(!) + агг(1) — Ь > 0 при 1 — +со. м Воспользовавшись формулой Остроградскою, имеем: г!П=ю(45 ~г(г! ! ! ° »! !«) (1) 4! (считаем, что аб — непрерывные на (Ге, +ос) функции).
Из (1) в силу условия а«(т) +оп(т)— Ь > 0 при т — +со следует, что 1И'(1)/ — сс при ! — +со. А тогда одно из решений х«(1), хгг(1), хп(1), хгг(1), образующих фундаментальную систему, как вытекает из соотношения Иг(!) = = х«(!)хп(1) — хп(!)хп(1), при( — +со не ограничено. Следовательно, решения данной системы хг(О = х«С! + хиС2, хг(1) = хггСг+ хиС2 при С,' + Сг Ф 0 и 1 — 4 +ос будут также неограниченными, что указывает на неустойчивость нулевою решения рассматриваемой системы. М В задачах 589-593 с помощью теоремы Ляпунова об устойчивости по первому приближению исследовать на устойчивость нулевое решение.
589. й! — — 2хгхг — х! + хм хг = 2х, — Зхг+ 5хг+ хг. 4 5 44 Поскольку для нелинейных членов дг(1, х„хг) = 2х,хг, д,(1, х«хг) = 5х, + х, справед- 4 5 ливы оценки! !дг~ = 2(хгхг( < а! + хг — — аг(хг, хгМХ(1, (дг( = (5х1+ хг( ~< аг(хг, хг)((Х!!, где 5х4! + !хг(~ аг(х!1 хг) = 5(а!+хи ггг(хг, хг) = ,ггх~+ х' У' !)Х)! = )/Гхг+хгг) а, — О, а, -+ 0 при ))Х!(-4 О, то согласно указанной теореме будем исследовать на устойчивость нулевое решение линейной системы: х, = -х, + х„хг = 2х, — Зхг. Составив и решив характеристическое уравнение 2 -3 — Л ~ Л +4Л+11 Л! 2+тг видим, что КеЛ, < О, Ке Лг < О.
Следовательно, нулевое решение данной системы асимптотически устойчиво. М ! 5з)0. х! = Ьг(ах!+ е и'), йг = 2х, — 1+(1 — бх!)г, М Для выделения линейных членов разложим правые части данных уравнений, пользуясь формулой Маклорена: )п(4хг+ е ') = 1п (4хг + 1 — Зх! + — х! + о(х!)) = -Зх! + 4хг — 8хг+ 12хгхг + с(х! + хг); 2 2хг — 1+ (1 — бх )т = 2х, — 1+ (1 — 2х, — 4х,)+ о(х, + хг) = 2хг — 2х! 4х! + о(х! + хг). ! 2! 2 2 2 2 2 й 1. Уепйчиаоеть Посколысу (р! ! = (-8хг + 12х хг + о(х! + хт)~ < 16 (х, + хт + о(х, + хт)~ = а!(х„хт)((Х(!) Ы = ! — 4хт+о(хт+х)( < 4(х, +хг+е( г+ хт)( =от(х„хт)((ХВ где а,(хт,хг)=!бух(+хт+е(ухт+хг!) аг(х„х,)=4ух,+х,+о(ух,+хт/, а,— )О, ат- 0 при ((Х((- О, то можно применять первую теорему Ляпунова, т.е.
исследовать на устойчивость нулевое решение линейной системы х, = -Зх! + 4хт, хг = -2х! + 2хт. Так как КеЛ! 2 < О, где Л,, — корни характеристического уравнения Л'+ Л+ 2 = О, то налицо асимптотическая устойчивость. и 591. х, =18(хг — х,), йт = 2 ' — 2соз( — — х(). (,3 м Пользуясь формулой Маклорена, выделяем линейную часть в каждой из правых частей данных уравнений: 28(х2 х!) = Х2 х! + 0(х! + хг) г г 2"-2 ()-*,) = ~, ~2 .'- '2. ( Ь- ( )()- — (*')) ' )( ~ (4))) = 2 зт 2 = -ъ'Зх(+ хт!п2+ — (х(+ хт1п 2) +о(х, +хг).
г т ! т г 2 ! Поэтому соответствующая линейная система запишется в виде: х! — — Хг — хт, хт = хт !и 2 — з(ЗХ!. Характеристическое уравнение полученной системы Л'+ Л(1 — 1п 2) + АЗ вЂ” 1и 2 = 0 имеет корни Льг, где КеЛьг < О, т.о., нулевое решение асимптотнчески устойчиво. и 592. х, = е" — е и) ) хг = 4хз — 3 пи(х, + хг), йз = !п(1+ хз — Зх!). < Как и в предыдущих примерах, пользуясь формулой Маклорена, представляем правые части в виде: й( -Зт) 1 2 2 т 2 т е — е =хт+Зхз+ — х! — — из+о(х, + хт+хз), 2 2 4хз — 3зтп(х! +Хт) = 4хз — 3(х! + х2) + 0(х! + хг + хз), ! г т т !п(1+ хз — Зх!) = хз — Зх! — — (Хз — Зх!) + о(х! + Хг + хз). 2 Далее, исследуем на устойчивосп нулевое решение системы: х! — — х, + Зхз, хг — — — Зх, — Зхт+4хз, хз = -Зх, + из.
Корни Л характеристического уравнения ! 1 — Л 0 3 -3 -3 — Л 4 = 0 суть Л! — — — 3, Лг,з = 1ХЗт. -3 0 1 — Л Поскольку Ке(Лт,з) > О, то по первой теореме Ляпунова нулевое решение данной сисшмы не- устойчиво. м 593. х! = х! — Хг — хз, хт — — хт+ хт — Зхз, х, = х! — 5хг — Зхз. < Поскольку один из корней характеристического уравнения 1 — Л -1 — 1 Р(Л)= 1 1 — Л -3 =О 1 -5 -3 — Л удовлепюряет неравенспим 3 < Л < 4 (у(З) > О, е'(4) < 0), то нулевое решение неустойчиво Гл. 6. Устойчивость и фазавые траектории 282 594.
При каких действительных значениях а точка покоя х, = О, хз = О, хз — — О системы х1 = ах! — хз, йз = ахз — хз, хз = ахз — х1 зстойчиваз м Из характеристического уравнения -1 0 а — Л вЂ” ! =(а — Л) — ! =О 3 0 а — Л а — Л 0 — 1 3 Л ч'3, з/3 1 ~ ехр ( — — 1/1, соз — 1, з!и — й 2,)' 2 ' 2 Таким образом, мы имеем неасимптотическую устойчивость (вообще говоря, в некоторой окрест- ности точки покоя будет наблюдаться колсбательный процесс).
~ В задачах 595 — 597 исследовать, при каких значениях параметров а и Ь асимптотнчески устойчиво нулевое решенно. 595 х~ = ах| — 2хз + хн хз = х1 + хз + х!хп 3 м Поскольку х)з ~< х!+ х; = а!(хп хз)~)Х)~, !хх~ < !(х', + х) = аз(хп хз)!!Х!1, а(х„х) = = 2а,(х„х,) = Л(гх + х', = !)Х(~ 0 при х!+х, О, то пользуемся первой теоремой Ляпунова (см. п.!.2). Для асимптотической уск>йчивостн, согласно указанной теореме, нужно потребовать, чтобы Ке Л < О, где Л удовлепоряет характеристическому уравнению соответствующей линейной системы: Л ~ = Л вЂ” Л(а+ !) + а + 2 = О.
Из выражения для корней видим, что Ке Л < О тогда и только тогда, когда выполняетсл условие: а+1 а+! + 1)з — < 0 л В < 0 ч В > 0 л з/В+ < О, где Р = — а — 2. 2 2 4 Отсюда следует, что -2 < а < -1. М 596. х! — — х!+ ахз+ хз, х, = Ьх! зхз хп 2 2 м Легко видеть, что исследование на асимптотическую устойчивость нулевого решения данной системы сводится к вьшвлению условий, при которых Ке Л < О, где Л вЂ” корни характеристического уравнения Л ~ = Л + 2Л вЂ” 3 — аЬ = 0 ~ Ль з = — ! х ъг4 + аЬ. 1' " — -'. = ' Ясно, что при аЬ+4 < О либо при аЬ+4 > 0 и ~/аЬ+4 < 1 будет Кел1 < 0 и КеЛ, < О.
Решив последние неравенства, окончательно имеем: аЬ < -3. М 597. х, = 1п(е+ ах,) — е", х, = ах, + гйхз. м Предварительно разложив правые части уравнен!рй в ряд Маклорена и отбросив нелинейные члены, будем исследовать на асимптотическую устойчивость линейную систему: а х~ = — х~ хз~ йз =Ьх, +хз, е Корни характеристического уравнения этой системы суть полугаем Л, = а — 1, Л = а+2-(-2-, Л, = а+2+(-2-, Изусловия а — 1 < 0 л а+2 < 0 находим ° чз ! ° чгз те значения а, прп которых нулевое решение асимптотически устойчиво: а < -2. Далее, если 1 а > — 2, то Ке Лаз > О. Следовательно, нулевое решение неусгойчиво. Наконец, если а = — 2, ! 1 зо Л, = — 2, Лз з — — х(-2-, и обпзее решение данной системы будет линейно выражаться через 3 3 фупкпнн Гл.
6. Устайчввасть я фазавые траектарви бр 1., - 3 - гэ+ ч + *„ь - р~ ! - 31. м Рецяя систему уравнений 3 гз+*'+* =О рм р О, находим точки равновесия; (-2, 1); (2, 1). Сделав замену х, = 2(-1) + ег, хт — — 1+с,, й = 1, 2, приходим к системе уравнений с малыми возмущениями ег, ез. е! —— 3 — 9+аз+4. ( — 1)ьег+еэг, ег = )л(1+4( — !) е, +ег(. р 21 Выдегия с помощью формулы Тейлора линейные члены в правых частях этих уравнений, получаем соответствующую линейную систему: ррг 1 ° р е, = — (-1) е! — -ем еэ =4(-1) ег, 3 6 характерисгическое уравнение которой 2 гм 2 Л вЂ” — ( — 1) + — (-1) = 0 3 3 11Ры имеет коРни Льэ — — — 9 — х 9+ 3(-1)Ргг. Отсюпа следУет, что КеЛгд < 0 пРи й = 2; а при В = 1 олин из корней ноложитеаен. Позшму точка равновесия (2, 1) устойчива, а точка ( — 2, 1) — нет. ~ 1 б02.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
