Нетерова краевая задача в особом критическом случае

We study the problem of finding the existence conditions and the construction of solutions of weakly nonlinear Noetherian boundary-value problems for systems of ordinary differential equations. We consider the particular critical case where the equation for generating amplitudes is satisfied identic...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автор: Чуйко, С.М.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: "Доповіді НАН України" 2007
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1610
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Нетерова краевая задача в особом критическом случае / С.М. Чуйко // Доп. НАН України. — 2007. — N 2. — С. 26-30. — Библиогр.: 9 назв. — рус.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859502922394501120
author Чуйко, С.М.
author_facet Чуйко, С.М.
citation_txt Нетерова краевая задача в особом критическом случае / С.М. Чуйко // Доп. НАН України. — 2007. — N 2. — С. 26-30. — Библиогр.: 9 назв. — рус.
collection DSpace DC
description We study the problem of finding the existence conditions and the construction of solutions of weakly nonlinear Noetherian boundary-value problems for systems of ordinary differential equations. We consider the particular critical case where the equation for generating amplitudes is satisfied identically. We give a new classification of the critical cases and an iterative algorithm for the construction of the solutions of Noetherian weakly nonlinear boundary-value problems in a particular critical case.
first_indexed 2025-11-25T07:23:30Z
format Article
fulltext УДК 517.9 © 2007 С.М. Чуйко Нетерова краевая задача в особом критическом случае (Представлено академиком НАН Украины А.М. Самойленко) We study the problem of finding the existence conditions and the construction of solutions of weakly nonlinear Noetherian boundary-value problems for systems of ordinary differential equations. We consider the particular critical case where the equation for generating ampli- tudes is satisfied identically. We give a new classification of the critical cases and an iterative algorithm for the construction of the solutions of Noetherian weakly nonlinear boundary-value problems in a particular critical case. Исследуем задачу о построении решения z(t, ε) = col(z1(t, ε), . . . , zn(t, ε)), zi(·, ε) ∈ C1[a, b], zi(t, ·) ∈ C[0, ε0], i = 1, 2, . . . , n, системы обыкновенных дифференциальных уравнений [1, 2] dz dt = A(t)z + f(t) + εZ(z, t, ε), (1) удовлетворяющих краевому условию ℓz(·, ε) = α + εJ(z(·, ε), ε). (2) Решение нетеровой (m 6= n) задачи (1), (2) ищем в малой окрестности решения порожда- ющей задачи dz0 dt = A(t)z0 + f(t), (3) ℓz0(·) = α, α ∈ R m. (4) Здесь A(t) — (n × n)-мерная матрица и f(t) — n-мерный вектор-столбец, элементы кото- рых — непрерывные на отрезке [a, b] действительные функции, ℓz(·) — линейный ограни- ченный векторный функционал вида ℓz(·) = col(ℓ1z(·), . . . , ℓmz(·)), где ℓ1z(·), . . . , ℓmz(·) : C[a, b] → R 1 — линейные ограниченные функционалы. Нелинейности Z(z, t, ε) и J(z(·, ε), ε) задачи (1), (2) предполагаем дважды непрерывно дифференцируемыми по неизвестной z в малой окрестности порождающего решения и по малому параметру ε в малой положи- тельной окрестности нуля. Кроме того, считаем вектор-функцию Z(z, t, ε) непрерывной по независимой переменной t на отрезке [a, b]. Исследован критический случай (PQ∗ 6= 0), причем предполагается выполненным условие PQ∗ d {α − ℓK[f(s)](·)} = 0; (5) в этом случае порождающая задача (3), (4) имеет (r = n − n1)-параметрическое семейство решений z0(t, cr) = Xr(t)cr + G[f(s);α](t), cr ∈ R r. Здесь X(t) — нормальная (X(0) = In) 26 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №2 фундаментальная матрица однородной части системы (3), Q = ℓX(·) — (m × n)-матрица, rankQ = n1, Xr(t) = X(t)PQr , PQr — (n × r)-матрица, составленная из r линейно незави- симых столбцов (n × n)-матрицы-ортопроектора PQ : R n → N(Q), PQ∗ r — (r × n)-матрица, составленная из r линейно независимых строк (n × n)-матрицы-ортопроектора PQ∗ : R n → → N(Q∗), G[f(s);α](t) = K[f(s)](t) − X(t)Q+ℓK[f(s)](·) — обобщенный оператор Грина краевой задачи (3), (4), K[f(s)](t) = X(t) t ∫ a X−1(s)f(s) ds — оператор Грина задачи Коши для системы (3), Q+ — псевдообратная матрица по Муру– Пенроузу [1]. Необходимое и достаточное условие разрешимости задачи (3), (4) имеет вид PQ∗ d {J(z0(·, cr) + x(·, ε), ε) − ℓK[Z(z0(s, cr) + x(s, ε), s, ε)](·)} = 0. (6) Искомое решение задачи (1), (2) z(t, ε) = z0(t, cr) + x(t, ε) ищем в окрестности решения порождающей задачи (3), (4), известного с точностью до вектора cr ∈ R r, для нахождения которого переходим к пределу при ε → 0 в равенстве (6) F0(cr) = PQ∗ d {J(z0(·, cr), 0) − ℓK[Z(z0(s, cr), s, 0)](·)} = 0. (7) Традиционно это условие используют для нахождения параметра c∗r ∈ R r, отвечающего за амплитуду порождающего решения, однако это не всегда возможно, поскольку в ряде случаев [3, 4] последнее равенство выполняется тождественно: F0(cr) = PQ∗ d {J(z0(·, cr), 0) − ℓK[Z(z0(s, cr), s, 0)](·)} ≡ 0. (8) Краевые задачи (1), (2) при условии (8) по классификации И. Г. Малкина [3, c. 139] пред- ставляют особый критический случай, поскольку традиционная схема анализа и построения решения [1, 2] для таких задач не применима в силу невозможности нахождения параметра c∗r, отвечающего за амплитуду порождающего решения, непосредственно из уравнения (7). Для нахождения возмущения x(t, ε) = col(x1(t, ε), . . . , xn(t, ε)), xj(·, ε) ∈ C1[a, b], xj(t, ·) ∈ C[0, ε0], x(t, 0) ≡ 0, j = 1, 2, . . . , n, порождающего решения z0(t, cr) получаем задачу dx dt = A(t)x + εZ(z0 + x, t, ε), (9) ℓx(·, ε) = εJ(z0(·, cr) + x(·, ε), ε). (10) Формально, решение задачи (9), (10) представимо в виде x(t, ε) = Xr(t)cr(ε) + x(1)(t, ε), (11) где x(1)(t, ε) = εG[Z(z0(s, cr) + x(s, ε), s, ε);J(z0(·, cr) + x(·, ε), ε)](t). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №2 27 Произвольный вектор cr(ε) = col(c(1) r (ε), . . . , c(r) r (ε)), c(j) r (·) ∈ C1[0, ε0], cr(0) = 0, j = 1, 2, . . . , r. В окрестности порождающего решения имеет место разложение Z(z0(t, cr) + x(t, ε), t, ε) = = Z(z0(t, cr), t, 0) + dZ(z0(t, cr), t, 0) + εR3(z0(t, cr) + x(t, ε), t, ε). (12) Дифференциал вектор-функции dZ(z0(t, cr), t, 0) = A1(t)x + εA3(t) выражается через производные A1(t) = ∂Z(z, t, ε) ∂z ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,cr) ε=0 , A3(t) = ∂Z(z, t, ε) ∂ε ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,cr) ε=0 . Аналогично выделяем первый дифференциал этого функционала и член J(z0(·, cr), 0) = = J(z(·, 0), 0) нулевого порядка по ε в окрестности точек x = 0 и ε = 0: J(z0(·, c) + x(·, ε), ε) = J(z0(·, cr), 0) + dJ(z0(·, cr), 0) + εJ3(z0(·, cr) + x(·, ε), ε). (13) Дифференциал векторного функционала dJ(z0(·, cr), 0) = ℓ1x(·, ε) + εℓ3(z0(·, cr), 0) выража- ется через производные (по Фреше) ℓ1x(·, ε) = ∂J(z(·, ε), ε) ∂z ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,cr) ε=0 и ℓ3(z0(·, cr), 0) = ∂J(z(·, ε), ε) ∂ε ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,cr) ε=0 . С учетом представления (11) и разложений (12), (13) в особом критическом случае не- обходимое и достаточное условие (6) разрешимости задачи (1), (2) принимает вид PQ∗ d {ℓ1[Xr(·)cr + x(1)(·, ε)] + εℓ3(z0(·, cr), 0) + εJ3(z0(·, cr) + x(·, ε), ε) − − ℓK[A1(s)[Xr(s)cr+x(1)(s, ε)]+εA3(s)+εR3(z0(s, cr)+x(s, ε), s, ε)](·)} = 0. (14) Поскольку в особом критическом случае равенство (8) удовлетворяется тождественно, по- стольку ключевая в традиционной схеме анализа и построения решений матрица B0 = ∂F0(cr) ∂cr = PQ∗ d {ℓ1Xr(·) − ℓK[A1(s)Xr(s)](·)} ≡ 0. Полученное равенство упрощает условие (14) PQ∗ d { ℓ1G[Z(z0, s, 0) + dZ(z0, s, 0) + εR3(z0 + x, s, ε);J(z0(·, cr), 0) + dJ(z0, 0) + + εJ3(z0 + x, ε)](·) + ℓ3(z0(·, cr), 0) + J3(z0(·, cr) + x(·, ε), ε) − − ℓK[A1(s)G[Z(z0, τ, 0) + dZ(z0, τ, 0) + εR3(z0 + x, τ, ε);J(z0(·, cr), 0) + + dJ(z0(·, cr), 0) + εJ3(z0 + x, ε)](s) + A3(s) + R3(z0(s, cr) + x(s, ε), s, ε)](·) } = 0. 28 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №2 Переходя в последнем равенстве к пределу при ε → 0, приходим к необходимому условию существования искомого решения F1(cr) = PQ∗ d {ℓ1G[Z(z0(s, cr), s, 0);J(z0(·, cr), 0)](·) + ℓ3(z0(·, cr), 0) − − ℓK[A1(s)G[Z(z0(τ, cr), τ, 0);J(z0(·, cr), 0)](s) + A3(s)](·)} = 0. (15) В особом критическом случае данное требование представляет уравнение относительно век- тор-столбца cr ∈ R r, таким образом, доказано следующее утверждение. Лемма. Пусть выполнено условие (5) разрешимости порождающей задачи (3), (4) и краевая задача (1), (2) представляет особый критический случай PQ∗ 6= 0, F0(cr) ≡ 0. Предположим также, что задача (1), (2) имеет решение z(t, ε) = col(z1(t, ε), . . . , zn(t, ε)), zi(·, ε) ∈ C1[a, b], zi(t, ·) ∈ C[0, ε0], i = 1, 2, . . . , n, при ε = 0 обращающееся в порождающее z(t, 0) = z0(t, c ∗ r). Тогда вектор c∗r ∈ R r удовлет- воряет уравнению (15). Корни уравнения (15) определяют амплитуду порождающего решения, в малой окрест- ности которого в особом критическом случае могут существовать искомые решения исход- ной задачи (1), (2). Если же уравнение (15) не имеет действительных корней, то исходная задача (1), (2) в особом критическом случае не имеет искомых решений. Предположим, что уравнение (15) не вырождается в тождество и имеет действительный корень c∗r ∈ R r. Искомое решение исходной задачи (1), (2) ищем в окрестности порождающего решения z0(t, c ∗ r) = Xr(t)c ∗ r + G[f(s);α](t). Достаточным условием существования искомого решения в особом критическом случае является простота корней (PΞ∗ 0 = 0) уравнения для порождающих амплитуд (15), где Ξ0 = ∂F1(c ∗ r) ∂cr = PQ∗ d {ℓ1G[A1(s)Xr(s); ℓ1Xr(·)](·) + ℓ4Xr(·) + 2ℓ5(·, G[Z(z0(τ, c ∗ r), τ, 0); J(z0(·, c ∗ r), 0)](·))Xr(·) − ℓK[A1(s)G[A1(τ)Xr(τ); ℓ1Xr(·)](s) + A4(s)Xr(s) + + 2A5(s,G[Z(z0(τ, c ∗ r), τ, 0);J(z0(·, c ∗ r), 0)](s))Xr(s)](·)} — (d × r)-матрица, A4(t) = ∂2Z(z, t, ε) ∂z∂ε ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,c∗r) ε=0 , A5(t, x(t, ε)) = 1 2 ∂ ∂z [ ∂Z(z, t, ε) ∂z x ] ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,c∗r) ε=0 — (n × n)-матрицы, ℓ4x(·, ε) = ∂2J(z(·, ε), ε) ∂z∂ε ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,c∗r) ε=0 , ℓ5(·, x(·, ε))x(·, ε) = 1 2 · ∂ ∂z [ ∂J(z(·, ε), ε) ∂z x(·, ε) ] ∣ ∣ ∣ ∣ z=z0(t,c∗r) ε=0 — ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №2 29 линейные функционалы, представляющие собой производные по Фреше, PΞ∗ 0 — ортопро- ектор матрицы Ξ∗ 0 : PΞ∗ 0 : R d → N(Ξ∗ 0). Пусть rankPΞ0 = ρ2; здесь PΞ0 : R r → N(Ξ0) — (r×r)-матрица-ортопроектор. Обозначим Pρ2 (r×ρ2)-матрицу, составленную из ρ2 линейно независимых столбцов матрицы-ортопроектора PΞ0 . Теорема. Пусть выполнено условие (5) разрешимости порождающей задачи (3), (4) и краевая задача (1), (2) представляет особый критический случай PQ∗ 6= 0, F0(cr) ≡ 0. Тогда для каждого корня c∗r ∈ R r уравнения (15) для порождающих амплитуд (F1(c ∗ r) = 0) при условии PΞ∗ 0 = 0 задача (1), (2) имеет ρ2-параметрическое семейство решений, при ε = 0 обращающееся в порождающее z(t, 0) = z0(t, c ∗ r). Решение краевой задачи (1), (2) z(t, ε) = z0(t, c ∗ r) + x(t, ε) может быть найдено при помощи итерационной процедуры ти- па [5]. В случае периодической задачи матрица Ξ0 совпадает с производной уравнения для порождающих амплитуд (15), использованной И. Г. Малкиным [3] для доказательства ана- логичной теоремы. В случае задач фредгольмова типа m = n, следовательно, d = r и тре- бование PΞ∗ 0 = 0 становится равносильным условию невырожденности матрицы Ξ0. В свою очередь, невырожденность матрицы Ξ0 эквивалентна простоте корня c∗r уравнения (15) для порождающих амплитуд. Длина отрезка [0, ε∗], на котором сохраняется сходимость этой итерационной процедуры, может быть оценена как посредством мажорирующих уравнений Ляпунова, так и анало- гично [6], из условия сжимаемости оператора, определяющего итерационную процедуру. В качестве иллюстрации анализа краевой задачи (1), (2) в особом критическом слу- чае может служить исследование периодической задачи для известного уравнения [3, 7], описывающее движение маятника, точка подвеса которого совершает вертикальные гармо- нические колебания большой частоты, приведенное в [5]. Утверждение доказанной теоремы является естественным дополнением к традицион- ной [1, 3] классификации краевых задач и может быть перенесено на нелинейные автоном- ные краевые задачи и краевые задачи с импульсным воздействием в особом критическом случае [8, 9]. 1. Boichuk A.A., Samoilenko A.M. Generalized inverse operators and Fredholm boundary-value problems. – Utrecht; Boston: VSP, 2004. – XIV + 317 p. 2. Гребеников Е.А., Рябов Ю.А. Конструктивные методы анализа нелинейных систем. – Москва: Наука, 1979. – 432 с. 3. Малкин И. Г. Некоторые задачи теории нелинейных колебаний. – Москва: Гостехиздат, 1956. – 491 с. 4. Мерман Г.А. Новый класс периодических решений в ограниченной задаче трех тел и в задаче Хил- ла // Тр. Ин-та теорет. астрономии АН СССР. – 1952. – Вып. 1. – С. 5–86. 5. Бойчук А.А., Чуйко С.М., Чуйко А.С. Неавтономные периодические краевые задачи в особом кри- тическом случае // Нелiнiйнi коливання. – 2004. – 7, № 1. – С. 53–66. 6. Чуйко А.С. Область сходимости итерационной процедуры для слабонелинейной краевой задачи // Нелинейные колебания. – 2005. – 8, № 2. – С. 278–288. 7. Капица П.Л. Динамическая устойчивость маятника при колеблющейся точке подвеса // Журн. экс- перим. и теорет. физики. – 1951. – 21, № 5. – С. 499–597. 8. Бойчук А.А., Чуйко С.М. Автономные слабонелинейные краевые задачи // Дифференц. уравнения. – 1992. – № 10. – С. 1668–1674. 9. Чуйко С.М. Оператор Грина краевой задачи с импульсным воздействием // Там же. – 2001. – 37, № 8. – С. 1132–1135. Поступило в редакцию 14.07.2006Славянский государственный педагогический университет 30 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №2
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1610
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-11-25T07:23:30Z
publishDate 2007
publisher "Доповіді НАН України"
record_format dspace
spelling Чуйко, С.М.
2008-08-28T13:43:59Z
2008-08-28T13:43:59Z
2007
Нетерова краевая задача в особом критическом случае / С.М. Чуйко // Доп. НАН України. — 2007. — N 2. — С. 26-30. — Библиогр.: 9 назв. — рус.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1610
517.9
We study the problem of finding the existence conditions and the construction of solutions of weakly nonlinear Noetherian boundary-value problems for systems of ordinary differential equations. We consider the particular critical case where the equation for generating amplitudes is satisfied identically. We give a new classification of the critical cases and an iterative algorithm for the construction of the solutions of Noetherian weakly nonlinear boundary-value problems in a particular critical case.
ru
"Доповіді НАН України"
Математика
Нетерова краевая задача в особом критическом случае
Article
published earlier
spellingShingle Нетерова краевая задача в особом критическом случае
Чуйко, С.М.
Математика
title Нетерова краевая задача в особом критическом случае
title_full Нетерова краевая задача в особом критическом случае
title_fullStr Нетерова краевая задача в особом критическом случае
title_full_unstemmed Нетерова краевая задача в особом критическом случае
title_short Нетерова краевая задача в особом критическом случае
title_sort нетерова краевая задача в особом критическом случае
topic Математика
topic_facet Математика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1610
work_keys_str_mv AT čuikosm neterovakraevaâzadačavosobomkritičeskomslučae