УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

 

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ

Высшая математика

  Обыкновенные дифференциальные уравнения и системы

 Обыкновенные дифференциальные уравнения. Основные понятия

 Системы ОДУ. Основные понятия

 Связь ОДУ высших порядков и систем ОДУ

  ОДУ 1-го порядка

  ОДУ высших порядков

  Системы дифференциальных уравнений

 Системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Основные понятия

 Фазовое пространство Фазовые траектории

 Существование и единственность решения задачи Коши

 Интегрирование систем дифференциальных уравнений методом исключения

  Линейные системы OДУ. Структура решения

  Системы ОДУ. Поведение решений

 Устойчивость решений систем дифференциальных уравнений

 Устойчивость и асимптотическая устойчивость по Ляпунову

 Устойчивость положения равновесия линейных систем ОДУ

 Устойчивость точек покоя нелинейных систем по линейному приближению

 Неустойчивость по линейному приближению точек покоя нелинейных систем

  Автономные системы дифференциальных уравнений

  Численные методы решения ОДУ

Любая система дифференциальных уравнений описывает с определенной степенью точности реальный физический процесс.

Приборы, фиксирующие то или иное физическое явление, не совершенны. Может оказаться, что малая погрешность измерения начальных данных вызывает ”ощутимые” изменения решений уравнений. В этой ситуации нельзя гарантировать, что выбранная математическая модель реально отражает описываемое ею физическое явление.

 

И, наоборот, если малые возмущения начальных условий мало изменяют решения на всем промежутке их существования, то соответствующую математическую модель следует признать удачной.

 

Так возникает важный для приложений вопрос: при каких условиях, математическая модель, описываемая системой дифференциальных уравнений, будет устойчивой.

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений

Полагаем, что выполнены условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши.

Пусть некоторое фиксированное решение x = φ(t) этой системы существует при всех tt0.

 

Решение x = φ(t) системы называется устойчивым по Ляпунову при  tt0 , если для любого ε > 0 существует число δ > 0 (зависящее, вообще говоря, от ε ) такое, что:

— решение x = x(t) задачи Коши с начальным условием x(t0) , | x(t0) − φ(t0) | < δ , существует при всех  tt0 ;

— для всех таких решений справедливо неравенство | x(t0) − φ(t0) | < δ , при всех  tt0 .

 

Геометрически это означает, что интегральные кривые x = x(t), близкие в момент t = t0 к интегральной кривой x = φ(t), остаются близкими к ней и на всем промежутке [t0 , ∞) .

 

Интегральные кривые и фазовые траектории, отвечающие устойчивым решениям, тоже называются устойчивыми.

 

На рисунке чёрным изображена устойчивая фазовая траектория, некой системы дифференциальных уравнений второго порядка, которая начинается в точке (1, 0), и две, начинающиеся вблиз неё траектории.

Решение x = φ(t) называется неустойчивым по Ляпунову при  tt0 , если оно не является устойчивым по Ляпунову, т.е. если существует такое число ε > 0, что для любого δ > 0 найдутся решения x = xδ(t) и такое t1= t1(δ), что | xδ(t0) − φ(t0) | < δ и | xδ(t) − φ(t) | ≥ ε.

 

Геометрически это означает, что интегральные кривые x = x(t), близкие в момент t = t0 к интегральной кривой x = φ(t) , "удаляются" от неё при t → ∞.

 

Интегральные кривые и фазовые траектории, отвечающие яеустойчивым решениям, тоже называются неустойчивыми.

 

На рисунке чёрным изображена неустойчивая фазовая траектория, некой системы дифференциальных уравнений второго порядка, которая начинается в точке (0.2, 0), и две, начинающиеся вблиз неё траектории.

  Пример  

© МЭИ (ТУ) 2007