Устойчивость по Ляпунову

Устойчивость решений дифференциальных систем и функции Ляпунова

Устойчивость по Ляпунову

Метод функций Ляпунова. Теоремы Ляпунова

Методы построения функций Ляпунова

Понятие продолжимости решения. Признак Винтера-Еругина

Применение функций Ляпунова к исследованию продолжимости решений дифференциальных систем

Развитие метода функций Ляпунова

Функции Ляпунова и продолжимость решений дифференциальных уравнений

Продолжимость всех решений некоторых уравнений третьего порядка

Заключение

Список использованных источников

Введение

Понятие функций Ляпунова появилось в связи с развитием теории устойчивости, начало которой положили труды великого русского математика А.М. Ляпунова. Рождение теории устойчивости как самостоятельной научной дисциплины можно отнести ко времени появления докторской диссертации А.М. Ляпунова "Общая задача об устойчивости движения", впервые опубликованной в Харькове в 1892 году. За последние годы наблюдается бурный рост этой теории, вызванный потребностями развивающейся техники, в частности, теории автоматического регулирования и управления.

Развитие теории устойчивости движения осуществляется двумя путями: во-первых, расширением круга задач и, во-вторых, созданием новых и усилением уже известных методов исследования. Метод функций Ляпунова (известный также как второй или прямой метод Ляпунова) является одним из наиболее эффективных методов исследования устойчивости, чем вызвано и его широкое применение в теории управления. Значение его далеко не исчерпывается возможностью установления факта устойчивости или неустойчивости исследуемой системы. Удачно построенная функция Ляпунова для конкретной системы позволяет решать целый комплекс задач, которые имеют важное прикладное значение, например, получение оценки изменения регулируемой величины, оценки времени регулирования, оценки качества регулирования, оценки области притяжения (множества всех начальных возмущений, исчезающих во времени), оценки влияния постоянно действующих возмущений и другие.

Функции Ляпунова позволяют решать вопросы устойчивости в "большом", т.е. оценивать область начальных возмущений, не выходящих с течением времени за пределы заданной области. С помощью функций Ляпунова решается проблема существования или отсутствия периодических решений, устанавливается ограниченность и продолжимость всех решений заданной нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

В связи с широким применением функций Ляпунова возник вопрос универсальности этого метода. Решением этой задачи занимались Я.П. Персидский, Н.Н. Красовский, Е.А. Барбашин, Я. Курцвейль, Ж.Л. Массера и другие математики. Было установлено, что в теории устойчивости этот метод универсален для широкого круга задач. В этой связи возникла задача о методах построения функций Ляпунова. Следует заметить, что известные методы построения функций Ляпунова, разработанные для получения достаточных условий устойчивости, не являются достаточно эффективными, поскольку каждый из них приспособлен для исследования конкретных систем. Поэтому проблему построения функций Ляпунова для нелинейных систем в настоящее время нельзя считать решенной.

Данная работа содержит исследования вопроса о применении функций Ляпунова к исследованию продолжимости решений дифференциальных уравнений.

Устойчивость решений дифференциальных систем и функции Ляпунова

В данной работе мы будем рассматривать системы дифференциальных уравнений в нормальной форме. Напомним, что система обыкновенных

(??)

дифференциальных уравнений называется  нормальной. В этой системе  --- независимая переменная,  --- неизвестные функции этой переменной, а  --- функции от  переменной, заданные на множестве  пространства размерности , в котором координатами точки являются числа . В дальнейшем будем предполагать, что функции

(??)

непрерывны на открытом множестве ; также будем предполагать, что их частные производные

(??)

существуют и непрерывны на множестве . Следует заметить, что частные производные (??), непрерывность которых предполагается, берутся только по переменным , а не по независимой переменной .

Решением системы уравнений (??) называется система непрерывных функций

(??)

определенных на некотором интервале  и удовлетворяющих системе (??). Интервал  называется  интервалом определения решения (??) (случаи ,  не исключаются). Считается, что система функций (??) удовлетворяет системе уравнений (??), если при подстановке в соотношение (??) вместо  функций (??) соотношения (??) превращаются в тождества по  на всем интервале  и чтобы правые части уравнений (??) были определены для всех подставляемых в них значений аргументов. Таким образом, точка с координатами  должна принадлежать множеству  для всех значений  на интервале .

Устойчивость по Ляпунову

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений

(??)

Выделим некоторое решение  системы (??) и назовем его невозмущенным решением.

Решение  назовем  устойчивым в смысле Ляпунова, если для любого  можно указать  такое, что из неравенства  следует неравенство  при . Здесь через  обозначено любое другое решение системы (??), определяемое начальным условием . Решение  называется  асимптотически устойчивым в смысле Ляпунова, если оно устойчиво в смысле Ляпунова и если существует такое , что при  будем иметь

(??)

Пример  Решение  уравнения  не является устойчивым ни справа, ни слева, т.к. каждое решение , где  (), перестает существовать при  (рис. 1).

Пример. Решение  уравнения  неустойчиво справа, т.к. все решения , , , приближаются к  при . Каждое решение  так же, как и решение , является асимптотически устойчивым справа (рис. 2).

Проведем в системе (??) замену переменных . Новая система будет иметь вид

вводя обозначение

получим систему

(??)

где  при . Решение  перешло при рассматриваемой замене переменных в положение равновесия  новой системы. Задача устойчивости решения  переходит, таким образом, в задачу устойчивости нулевого (тривиального) решения  системы (??).

Приведем определение устойчивости нулевого решения системы (??).

Решение  системы (??) называется  устойчивым в смысле Ляпунова, если для любого  можно указать  такое, что из неравенства  следует неравенство  при . Если же, кроме того, всякое решение , начальные данные которого определяются условием , обладает свойством , то нулевое решение называется  асимптотически устойчивым в смысле Ляпунова.

Метод функций Ляпунова. Теоремы Ляпунова

Проиллюстрируем идею метода на простейшем примере:

(??)

Рассмотрим функцию . Эта функция положительна всюду, кроме точки , где она обращается в нуль. В пространстве переменных  уравнение  определяет параболоид с вершиной в начале координат. Линии уровня этой поверхности на плоскости  представляют собой эллипсы. Зададим произвольно малое . Построим на плоскости  круг  радиуса . Возьмем одну из линий уровня --- эллипс, целиком лежащий внутри круга . Построим другой круг  целиком лежащий внутри эллипса (рис. 3).

Пусть начальная точка  лежит внутри .

Рассмотрим функцию двух переменных . Легко видеть, что если вместо  подставить решение системы (??), то полученная таким образом, функция от  будет представлять собой полную производную функции  вдоль траектории решения системы (??). Если эта производная вдоль любой траектории, начинающейся в , неположительна, то это будет означать, что траектория не сможет покинуть , так как иначе между  и значением , при котором она попадет на границу , найдется значение , для которого , поскольку . То, что ни одна траектория, начинающаяся в , не покидает ни при одном  круг , означает устойчивость тривиального решения.

Итак, мы должны проверить знак  вдоль траектории. Для этого надо знать саму траекторию. Хотя в данном примере это можно сделать, но метод должен быть рассчитан на систему общего вида, для которого  нельзя выписать явно и тем самым нельзя проверить нужное неравенство. Поэтому мы будем требовать, чтобы функция  была неположительной как функция двух независимых переменных  по крайней мере в некоторой окрестности . Это условие можно проверить непосредственно по правым частям системы не зная решения. В нашем примере именно так и будет, поскольку  всюду на плоскости , а тем самым вдоль любой траектории, и устойчивость тривиального решения гарантирована. Функция  и есть функция Ляпунова для рассмотренного примера. Она имеет вид квадратичной формы, хотя в принципе можно было взять любую другую функцию, лишь бы она была положительной всюду, кроме точки , где она обращается в нуль, а выражение  было неположительное. Обратимся теперь к формулировке некоторых общих теорем, в основу которых положена эта идея. Будем исследовать тривиальное решение системы (??).

Все дальнейшие построения будем вести в некоторой -окрестности начала координат в фазовом пространстве. Пусть для определенности  задается неравенством , . Функция  (или короче ) называется  положительно определенной в , если  в , причем  тогда и только тогда, когда .

Приведем ряд утверждений, показывающих применение функций Ляпунова (??).

Теорема Первая теорема Ляпунова

Пусть в  существует непрерывная вместе с частными производными первого порядка положительно определенная функция  такая, что функция  удовлетворяет неравенству

(??)

Тогда тривиальное решение системы (??) устойчиво.

Теорема Вторая теорема Ляпунова

Пусть дополнительно к условиям первой теоремы для  выполняется неравенство , где  --- положительно определенная в  функция.

Тогда тривиальное решение системы (??) асимптотически устойчиво. 

Теорема Третья теорема Ляпунова

Пусть в  существует непрерывная вместе с частными производными первого порядка положительно определенная функция  такая, что

а)  и -окрестность точки , в которой выполняется неравенство ;

б)  из , справедливое при всех .

Тогда тривиальное решение системы неустойчиво.

Замечание. Недостаток изложенных методов заключается в том, что не существует достаточно общего конструктивного способа построения функций .

Замечание. Горбунов (??) показал, что для линейных систем с непрерывными коэффициентами функция Ляпунова всегда существует в виде квадратичной формы.

Замечание. Для дифференциальных уравнений, описывающих некоторые механические системы, роль функции Ляпунова играет потенциальная энергия . Сама система имеет вид , а соответствующая функция .

В замечании (??) было обращено внимание на отсутствие общей методики построения функций Ляпунова для конкретных дифференциальных систем. Ниже приведены некоторые известные способы построения функций Ляпунова.

Энергетический метод

Применяется для системы второго порядка.

Рассмотрим систему

(??)

где , ,  непрерывны,  --- положительные постоянные и ,  при ,  при ,  при , где , , .

В качестве механической модели можно взять движение системы  материальных точек  с массой , в которой точка  подвергается действию сил , выражающие влияние других точек  этой системы на точку .

Тогда можно дать механическую интерпретацию. Функцию  составим как полную энергию системы, то есть как сумму кинетической и потенциальной энергий. Получим

Очевидно, что эта функция определенно положительная.

Найдем производную функции  в силу системы (??), получим

(??)

Так как члены  определяют силы, способствующие рассеиванию механической энергии, то полная энергия системы убывает, а значит, соображений производная (??) знакоотрицательная.

Метод Малкина

Рассмотрим уравнение

(??)

Это уравнение эквивалентно системе

(??)

Соответствующая линейная система имеет вид

(??)

Для нее может быть построена функция Ляпунова

причем .

Замечаем теперь, что  не содержит в своей записи параметра , поэтому эта же функция пригодна для исследования системы

но непригодна для системы (??).

Чтобы получить функцию Ляпунова для системы (??), необходимо найти аналог члена  в записи . Но с точки зрения механики величина  (или  характеризует восстанавливающую силу, а величина  соответствует потенциальной энергии. Поэтому естественно принять за функцию Ляпунова для системы (??) функцию

(??)

Очевидно, получим в силу системы (??)

Условия устойчивости в целом запишутся следующим образом:

а)  при ,

б) ,

в)  при .

Легко проверить, что множество , то есть прямая  не содержит целых траекторий, кроме начала координат.

Укажем другой подход к задаче. Производя в уравнении (??) замену переменной  получим систему

(??)

Используя снова прежнюю функцию Ляпунова (??), получим в силу системы (??)

Условия устойчивости в целом в данном случае улучшаются, так как условие б) заменяется менее ограничительным условием

Метод деления переменных

Рассмотрим систему

(??)

где  при  --- постоянные,  могут быть функциями координат, параметров и времени.

Определенно положительная функция

имеет производную в силу системы (??) в следующем виде:

где

Таким образом,  будет определенно отрицательной или знакоотрицательной, если этим же свойством обладает форма

Как известно, критерий Сильвестра легко переносится на случай квадратичных форм с переменными коэффициентами, и поэтому этот критерий с успехом может быть использован.

В качестве примера построим функцию Ляпунова для системы уравнений переходного процесса синхронного двигателя

(??)

Здесь ,  --- постоянные,  --- возмущение рабочего угла,  --- возмущение силы тока, возникающее в результате наброса нагрузки на двигатель.

В данном случае получаем

а в качестве матрицы  берем единичную матрицу. Таким образом, получим

Построенная функция Ляпунова позволяет оценить область притяжения положения равновесия, что дает возможность быстро оценить допустимую предельную нагрузку на синхронный двигатель.

Предложенный метод в линейном случае дает необходимые и достаточные условия устойчивости, если найти подходящие выражения для . Это следует из того, что всякая определенно положительная квадратичная форма линейным преобразованием может быть приведена к каноническому виду, т. е. к сумме квадратов переменных. Трудность этого метода состоит в подборе  и матрицы .

Метод Красовского

Исследуется система уравнений

(??)

Функция Ляпунова строится в виде , где симметричная матрица  подбирается так, чтобы ее собственные числа были положительны и чтобы симметризованная матрица

(??)

удовлетворяла критерию отрицательности Сильвестра. Имеем в силу системы (??)

Таким образом, получим  и .

В качестве примера рассмотрим уравнение

эквивалентное системе

Функцию Ляпунова выбираем в виде

Легко видеть, что

Очевидно, следует принять  и , тогда будем иметь

и условие устойчивости в целом принимает вид  при любых .

Метод Уокера-Кларка

Рассмотрим уравнение

(??)

эквивалентное системе

(??)

Функцию Ляпунова для системы (??) предлагается брать в виде

(??)

где  специально подбирается с целью упрощения вида  и с целью выполнения неравенства .

Так, например, для системы

(??)

функцию  будем искать в виде

Имеем в силу системы (??)

где

Очевидно, проще всего положить , , , откуда

и получаем функцию

(??)

В качестве второго примера рассмотрим уравнение

(??)

эквивалентное системе

(??)

Согласно предложенному способу следует принять

Имеем тогда

Если положить , то условия устойчивости будут иметь вид

 и .

Но эти условия не могут быть удовлетворены для линейной функции

.

Значительно полезней оказывается функция, предложенная Л. Америо ,

В данном случае получим

и условия устойчивости в целом принимают вид

а)  при ,

б)  при ,

в) при .

Градиентный метод

Предлагается начинать поиск функций Ляпунова с записи градиента этой функции в форме

где

Функции  подбираются из условия отрицательности  и из требования, чтобы векторное поле  было потенциальным. Это значит, что должны выполняться условия . После того как найден градиент  сама функция  определяется как криволинейный интеграл

(??)

В качестве примера рассмотрим уравнение

(??)

где . Это уравнение эквивалентно системе

(??)

Будем искать вектор-градиент  в форме

В силу системы (??) получим

Удобно положить , , . Условия потенциальности поля дают . Таким образом, имеем , , . Формула (??) дает нам

или, что то же самое,

Так как , то условия устойчивости имеют вид  и

Пусть

(??)

--- решение системы уравнений (??), определенное на некотором интервале , и

(??)

 --- решение той же системы уравнений (??), определенное на некотором интервале . Будем говорить, что решение  является  продолжением решения (??), если . Решение (??) будем называть  непродолжаемым, если не существует никакого отличного от него решения, являющегося его продолжением.

Покажем, что каждое решение может быть продолжено до решения, далее непродолжаемого. В этом смысле непродолжаемые решения исчерпывают совокупность всех решений.

Пусть

(??)

 --- векторная запись нормальной системы уравнений (??). Тогда справедлива следующая теорема (??): 

Теорема 1. Существует непродалжаемое решение уравнения (??) с произвольными начальными значениями из .

2. Если некоторое непродолжаемое решение уравнения (??) совпадает с некоторым другим решением уравнения (??), хотя бы при одном значении , то оно является продолжением этого решения.

3. Если два непродолжаемых решения уравнения (??) совпадают между собой хотя бы для одного значения , то они полностью совпадают, т.е. имеют один и тот же интервал определения и равны на нем.

Пусть  --- решение системы (??) с начальным условием . Ясно, что:

а) либо это решение может быть продолжено для всех значений , и тогда будем говорить, что решение   неограниченно (бесконечно) продолжаемо (в право);

б) либо существует такое , что  при , и тогда будем говорить, что решение  имеет  конечное время определения.

Эти две возможности явно несовместимы и дополняют друг друга. Третий случай

в) решение ограничено.

--- совместим с возможностью а), но, конечно, несовместим с б).

Отметим, следующее 

  Свойство   Если решение  ограничено в своем максимальном промежутке существования , то оно бесконечно продолжаемо, т.е. .

Ограниченность  всех решений представляет собой своего рода устойчивость; в этом случае говорят об  устойчивости в смысле Лагранжа или, короче, об  устойчивости по Лагранжу.

Неограниченная продолжимость решений системы (??) является  необходимым условием устойчивости по Ляпунову решений этой системы.

Пример

Все решения данного уравнения  бесконечно продолжаемы, но не ограничены.

Пример

На интервале , для любого  все решения данного уравнения  бесконечно продолжаемы и ограничены.

Пример

Все решения ,  имеют конечное время определения.

Приведем без доказательства теорему Майергофера-Еругина.

Теорема Майергофера-Еругина

Пусть решение  уравнения

(??)

где функция  непрерывна для всех  и , определено на промежутке  и непродолжимо для значений .

Тогда при , где  --- граница области .

Предположим теперь, что в окрестности любой точки  выполняются условия существования решения уравнения (??). Для простоты предположим, что  --- скаляр.

Теорема признак Винтнера-Еругина

Пусть функция  уравнения (??) определена и непрерывна для всех вещественных  и  как функция двух переменных.

Тогда любое решение уравнения (??) неограниченно продолжим в обе стороны, если только выполнено неравенство

где --- функция, удовлетворяющая условию

(??)

где --- число. 

Доказательство проведем методом от противного.

Пусть существует решение , которое не является неограниченно продолжимым, например, вправо. Тогда на основании теоремы Майергофера-Еругина существует некоторое число  такое, что  принимает  разных знаков и при .

Ввиду непрерывности решения  как функции от  оно должно бесконечное число раз проходить через нуль. А это означает, что существует последовательность значений , по которой это решение стремится к нулю. Это невозможно (по теореме Майергофера-Еругина).

Допустим, что  при . Так как  --- решение уравнения (??), то  в промежутке . Допустим, что  не меняет знак. Тогда

(??)

Проинтегрируем обе части (??) по отрезку , где  получим

Произведем замену . Получим

Тогда

Таким образом получаем

Теперь пусть . Учтем, что с заменой  и получаем

по условию теоремы. Это неравенство противоречиво, так как слева стоит конечная величина.

Рассмотрим общий случай, когда  может менять знак. Тогда

Так как  при , то с некоторого момента величина  станет положительной и знак модуля можно будет опустить. Тогда получим

Проинтегрируем обе части от  до , где  --- значение, после которого  становится положительным.

Сделаем замену , получим

Устремим  и учтем (??)

Последнее неравенство противоречиво, что говорит о том, что не существует решения, которое не является неограниченно продолжимым вправо.

Развитие метода функций Ляпунова

Метод функций Ляпунова дал довольно сильный и гибкий аппарат исследования устойчивости решений дифференциальных уравнений. Модификации этого используют сейчас и для выявления других свойств решений дифференциальных уравнений. Например, японский математик Окамура использовал идеи, сходные с идеями второго метода Ляпунова, для изучения продолжимости решений, а затем Йошизава применил этот метод для получения сведений об ограниченности решений.

Как известно, Теоремы Ляпунова дают возможность судить об устойчивости по знаку производной , где  --- положительно определенная функция. Таким образом изучается неравенство . После работ русского ученог