Рассмотрим систему дифференциальных уравнений порядка . Предполагается, что определена при и и что выполнены условия теоремы существования и единственности решения. Будем полагать, что система имеет решение определённое при .
Решение называется устойчивым (по Ляпунову), если для при для любого решения , в начальный момент удовлетворяющего условию .
Решение называется притягивающим при , если для любого решения .
Решение называется асимптотически устойчивым, если оно устойчиво и является притягивающим.
Решение , которое не является устойчивым, будем называть неустойчивыми.
Обычно исследование на устойчивость произвольного решения сводят к исследованию на устойчивость тривиального решения. В противном случае можно сделать замену в уравнении . Решению соответствует . Т.к. , то , где . Заметим, что .
Исследуем на устойчивость в фазовом пространстве системы . Всякому постоянному решению отвечает точка. Такие точки мы будем называть точками покоя системы .
Все предыдущие определения легко переносятся в фазовые пространства. В этом случае можно говорить об устойчивых точках покоя, асимптотически устойчивых точках покоя, неустойчивых точках покоя. Если надо исследовать при , то можно сделать замену .
§5.2 Простейшие типы точек покоя на плоскости
Будем рассматривать систему в векторной форме: . Точки покоя этой системы можно найти, решая систему . Если , то эта система имеет единственное решение , иначе система имеет бесконечное множество решений. Ограничимся случаем .
2. Пусть и – собственные числа, и – соответствующие им собственные векторы. Общее решение системы представляется в виде .
г) точка покоя асимптотически устойчива. Называется устойчивым узлом.
д) . Фазовый портрет подобен предыдущему, но направление движения противоположно. Точка покоя неустойчива и называется неустойчивым узлом.
е) (второй рисунок). Точка покоя является неустойчивой и называется седлом.
3. Пусть A имеет комплексные собственные числа: , и – соответствующие им собственные векторы. Тогда общее решение будет записываться в виде: . Удобнее записать его несколько иначе: (здесь – линейная комбинация и ).
b) Точка покоя устойчива. Асимптотической устойчивости нет. Точка покоя называется центром.
в) В первом случае точка покоя называется устойчивым фокусом. Она асимптотически устойчива. Во втором случае точка покоя называется неустойчивым фокусом.
4. Матрица A имеет собственные значения , т.е. собственное значение является кратным. Тогда оно вещественное.
в) Собственному значению l соответствует два линейно независимых вектора и . Общее решение: . Все фазовые траектории прямолинейны. При точка покоя асимптотически устойчива. Она называется устойчивым дикритическим узлом. При точка покоя неустойчива. Она называется неустойчивым дикритическим узлом.
г) Собственному значению l соответствует один линейно независимый вектор . Общее решение: . Можно считать, что . Здесь при точка покоя асимптотически устойчива. Она называется устойчивым (вырожденным) узлом. При точка покоя неустойчива. Она называется неустойчивым (вырожденным) узлом.
Эта картина получается из первого случая при .
Отметим, что из условия следует, что матрица A не имеет нулевых собственных значений. Однако можно рассмотреть аналогичными методами и случай вырожденной матрицы A.
Проведённый анализ позволяет утверждать следующее:
3. Если все собственные значения матрицы имеют отрицательную вещественную часть, то точка покоя асимптотически устойчива (устойчивые узлы и фокусы).
4. Если хотя бы одно собственное значение матрицы имеет отрицательную вещественную часть, то точка покоя неустойчива (неустойчивые узлы, сёдла).
Во втором случае второе собственное значение может быть нулевым. В остальных случаях требуется дополнительное условие.
Приведённые утверждения остаются справедливыми, если порядок системы равен n.
§5.3 Исследование на устойчивость по первому приближению
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.