Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем

Доказана экспоненциальная устойчивость тривиального тора для класса нелинейных расширений динамической системы на торе. Полученные результаты применены к исследованию устойчивости тороидальных множеств одного класса импульсных динамических систем. We prove exponential stability of the trivial torus...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Нелінійні коливання
Дата:2017
Автори: Капустян, О.В., Асроров, Ф.А., Перестюк, Ю.М.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2017
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177318
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:Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем / О.В. Капустян, Ф.А. Асроров, Ю.М. Перестюк // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 502-508 — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-177318
record_format dspace
spelling Капустян, О.В.
Асроров, Ф.А.
Перестюк, Ю.М.
2021-02-14T11:00:49Z
2021-02-14T11:00:49Z
2017
Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем / О.В. Капустян, Ф.А. Асроров, Ю.М. Перестюк // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 502-508 — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
1562-3076
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177318
517.9
Доказана экспоненциальная устойчивость тривиального тора для класса нелинейных расширений динамической системы на торе. Полученные результаты применены к исследованию устойчивости тороидальных множеств одного класса импульсных динамических систем.
We prove exponential stability of the trivial torus for a certain class of nonlinear extensions of dynamical systems on a torus. The obtained results can be applied to a study of stability of toroidal sets for a certain class of impulsive dynamical systems.
uk
Інститут математики НАН України
Нелінійні коливання
Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
Об эксоненциальной устойчивости тривиального тора одного класса нелинейных импульсных систем
On exponential stability of the trivial torus for a certain class of nonlinear impulsive systems
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
spellingShingle Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
Капустян, О.В.
Асроров, Ф.А.
Перестюк, Ю.М.
title_short Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
title_full Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
title_fullStr Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
title_full_unstemmed Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
title_sort про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем
author Капустян, О.В.
Асроров, Ф.А.
Перестюк, Ю.М.
author_facet Капустян, О.В.
Асроров, Ф.А.
Перестюк, Ю.М.
publishDate 2017
language Ukrainian
container_title Нелінійні коливання
publisher Інститут математики НАН України
format Article
title_alt Об эксоненциальной устойчивости тривиального тора одного класса нелинейных импульсных систем
On exponential stability of the trivial torus for a certain class of nonlinear impulsive systems
description Доказана экспоненциальная устойчивость тривиального тора для класса нелинейных расширений динамической системы на торе. Полученные результаты применены к исследованию устойчивости тороидальных множеств одного класса импульсных динамических систем. We prove exponential stability of the trivial torus for a certain class of nonlinear extensions of dynamical systems on a torus. The obtained results can be applied to a study of stability of toroidal sets for a certain class of impulsive dynamical systems.
issn 1562-3076
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177318
citation_txt Про експоненцiйну стiйкiсть тривiального тору одного класу нелiнiйних iмпульсних систем / О.В. Капустян, Ф.А. Асроров, Ю.М. Перестюк // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 502-508 — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT kapustânov proeksponenciinustiikistʹtrivialʹnogotoruodnogoklasuneliniinihimpulʹsnihsistem
AT asrorovfa proeksponenciinustiikistʹtrivialʹnogotoruodnogoklasuneliniinihimpulʹsnihsistem
AT perestûkûm proeksponenciinustiikistʹtrivialʹnogotoruodnogoklasuneliniinihimpulʹsnihsistem
AT kapustânov obéksonencialʹnoiustoičivostitrivialʹnogotoraodnogoklassanelineinyhimpulʹsnyhsistem
AT asrorovfa obéksonencialʹnoiustoičivostitrivialʹnogotoraodnogoklassanelineinyhimpulʹsnyhsistem
AT perestûkûm obéksonencialʹnoiustoičivostitrivialʹnogotoraodnogoklassanelineinyhimpulʹsnyhsistem
AT kapustânov onexponentialstabilityofthetrivialtorusforacertainclassofnonlinearimpulsivesystems
AT asrorovfa onexponentialstabilityofthetrivialtorusforacertainclassofnonlinearimpulsivesystems
AT perestûkûm onexponentialstabilityofthetrivialtorusforacertainclassofnonlinearimpulsivesystems
first_indexed 2025-11-25T19:33:30Z
last_indexed 2025-11-25T19:33:30Z
_version_ 1850522005479096320
fulltext УДК 517.9 ПРО ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНУ СТIЙКIСТЬ ТРИВIАЛЬНОГО ТОРА ОДНОГО КЛАСУ НЕЛIНIЙНИХ IМПУЛЬСНИХ СИСТЕМ О. В. Капустян, Ф. А. Асроров, Ю. М. Перестюк Київ. нац. ун-т iм. Т. Шевченка вул. Володимирська, 64, Київ, 01033, Україна e-mail: alexkap@univ.kiev.ua farhod@univ.kiev.ua perestyuk@gmail.com We prove exponential stability of the trivial torus for a certain class of nonlinear extensions of dynamical systems on a torus. The obtained results can be applied to a study of stability of toroidal sets for a certain class of impulsive dynamical systems. Доказана экспоненциальная устойчивость тривиального тора для класса нелинейных расши- рений динамической системы на торе. Полученные результаты применены к исследованию устойчивости тороидальных множеств одного класса импульсных динамических систем. Вступ. Одним iз важливих питань якiсної теорiї багаточастотних коливань є питання стiй- костi iнварiантних множин динамiчних систем, визначених у прямому добутку m-вимiр- ного тора та n-вимiрного евклiдового простору. Ключовi результати в цьому напрямку одержано в роботах А. М. Самойленка (див., наприклад, [1]). У данiй роботi встановлено новi умови експоненцiальної стiйкостi тривiального тора нелiнiйних розширень динамiч- ної системи на торi, якi формулюються в термiнах властивостей правих частин системи не на всьому торi, а лише на множинi неблукаючих точок [7]. Одержанi результати застосо- вано до дослiдження стiйкостi тороїдальних множин одного класу iмпульсних динамiчних систем. Вiдповiднi дослiдження для лiнiйних розширень динамiчних систем на торi було проведено в роботах [3 – 5]. У прямому добутку m-вимiрного тора Tm та n-вимiрного евклiдового простору Rn розглядається система диференцiальних рiвнянь dϕ dt = a(ϕ), dx dt = P (ϕ, x)x, (1) де ϕ = (ϕ1, . . . , ϕm)T ∈ Tm, x = (x1, . . . , xn)T ∈ Rn, функцiя P неперервна на Tm × Rn та для кожного x ∈ Rn P (·, x), a(·) ∈ C(Tm), C(Tm) — простiр неперервних 2π-перiодичних по кожнiй компонентi ϕv, v = 1, . . . ,m, функцiй, визначених на Tm. Будемо вважати виконаними такi умови: 1) iснує M > 0 таке, що ‖P (ϕ, x)‖ ≤ M ∀ (ϕ, x) ∈ Tm × Rn; 2) для будь-якого r > 0 iснує L = L(r) > 0 таке, що ‖x′‖ ≤ r, ‖x′′‖ ≤ r ∀x′ , x ′′ ∀ϕ ∈ Tm; 3) ∥∥∥P (ϕ, x′′ ) − P ( ϕ, x ′ )∥∥∥ ≤ L ∥∥∥x′′ − x′ ∥∥∥ ; 4) iснує A > 0 таке, що ∥∥∥a(ϕ′′ ) − a ( ϕ ′ )∥∥∥ ≤ A ∥∥∥ϕ′′ − ϕ′ ∥∥∥ ∀ϕ′ , ϕ ′′ ∈ Tm. c© О. В. Капустян, Ф. А. Асроров, Ю. М. Перестюк, 2017 502 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 ПРО ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНУ СТIЙКIСТЬ ТРИВIАЛЬНОГО ТОРА . . . 503 Умова 4 гарантує, що система dϕ dt = a(ϕ) (2) породжує динамiчну систему на Tm, яку будемо позначати ϕt(ϕ). Означення [7]. Точка ϕ ∈ Tm називається блукаючою точкою динамiчної системи (2), якщо iснують окiл U(ϕ) i момент часу T = T (ϕ) > 0 такi, що U(ϕ) ∩ ϕt(U(ϕ)) = ∅ ∀ t ≥ T. Позначимо через Ω множину неблукаючих точок динамiчної системи (2). Оскiльки Tm — компакт, то Ω — непорожня, iнварiантна, компактна пiдмножина Tm. Крiм того, справедливим є таке твердження. Лема 1 [7]. Для довiльного ε > 0 iснують T (ε) > 0, N(ε) > 0 такi, що для будь-якого ϕ 6∈ Ω вiдповiдна траєкторiя ϕt(ϕ) знаходиться лише протягом скiнченного промiжку часу, що не перевищує T (ε), поза ε-околом множини Ω, залишаючи цей окiл не бiльше N(ε) разiв. Основною метою роботи є встановлення достатнiх умов експоненцiальної стiйкостi тривiального тора x = 0, ϕ ∈ Tm системи (1) у термiнах властивостей функцiї ϕ 7→ 7→ P (ϕ, 0) на множинi неблукаючих точок Ω динамiчної системи (2), а також застосування отриманих результатiв до дослiдження стiйкостi тороїдальних множин iмпульсних дина- мiчних систем, породжених задачею (1). Основний результат. Позначимо P̂ (ϕ, x) = 1 2 ( P (ϕ, x) + P T (ϕ, x) ) для ϕ ∈ Tm, x ∈ ∈ Rn, λ(ϕ, x) — найбiльше власне число P̂ (ϕ, x). Теорема 1. Нехай виконується умова λ(ϕ, 0) < 0 ∀ ϕ ∈ Ω. (3) Тодi тривiальний тор системи (1) експоненцiально стiйкий, тобто iснують сталiK > > 0, γ > 0, δ > 0 такi, що для всiх ϕ ∈ Tm та x0 ∈ Rn, ∥∥x0 ∥∥ ≤ δ, справджується нерiвнiсть ∥∥x (t, ϕ, x0 )∥∥ ≤ K ∥∥x0 ∥∥ e−γt ∀ t ≥ 0, (4) де x ( t, ϕ, x0 ) — розв’язок задачi Кошi dx dt = P (ϕt(ϕ), x)x, x(0) = x0. (5) Доведення. Внаслiдок умови (3) та неперервної залежностi коренiв многочлена вiд його коефiцiєнтiв [9] для деяких r > 0, γ > 0 виконується нерiвнiсть λ(ϕ, x) < −γ ∀ ϕ ∈ Or(Ω) ∀ x, ‖x‖ < r. (6) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 504 О. В. КАПУСТЯН, Ф. А. АСРОРОВ, Ю. М. ПЕРЕСТЮК Для фiксованих ϕ ∈ Tm та неперервної функцiї x : [0,+∞) 7→ Rn, supt≥0 ‖x(t)‖ < r, розглянемо задачу Кошi dy dt = P (ϕt(ϕ), x(t))y, y(0) = x0. (7) Для її розв’язку y(t) з нерiвностi Важевського [8] маємо оцiнку ‖y(t)‖ ≤ ‖x0‖ exp  t∫ 0 λ(ϕs(ϕ), x(s)) ds  ∀ t ≥ 0. (8) Якщо ϕ належить Or(Ω) i ϕs(ϕ) ∈ Or(Ω) ∀ s ≥ 0, то згiдно з (6) ‖y(t)‖ ≤ ∥∥x0 ∥∥ e−γt ∀ t ≥ 0. (9) Якщо ϕ належить Or(Ω), але iснує τ > 0 таке, що ϕs(ϕ) ∈ Or(Ω) ∀ s ∈ [0, τ), ϕτ (ϕ) 6∈ 6∈ Or(Ω), то для t ∈ [0, τ) має мiсце оцiнка (9), а для t ≥ τ з (8) одержуємо ‖y(t)‖ ≤ ∥∥x0 ∥∥ e−γτ exp  t∫ τ λ(ϕs(ϕ), x(s)) ds  = = ∥∥x0 ∥∥ e−γτ exp  t−τ∫ 0 λ(ϕs(ϕτ (ϕ), x(s))ds  . (10) Залишилось розглянути випадок ϕ 6∈ Or(Ω). Згiдно з лемою 1 iснують N(ϕ, r) ≤ N(r), {τi(ϕ, r)}N(ϕ,r)+1 i=1 , ∑N(ϕ,r)+1 i=1 τi(ϕ, r) =: T (ϕ, r) ≤ T (r), {t0 = 0, ti(ϕ, r)}N(ϕ,r) i=1 такi, що ϕt(ϕ) ∈ Or(Ω) ∀ t ∈ N(ϕ,r)⋃ k=1 ( k∑ i=1 (τi + ti−1), k∑ i=1 (τi + ti) )⋃N(ϕ,r)+1∑ i=1 (τi + ti−1),+∞  . Покладемо C = max ϕ∈Tm, ‖x‖≤r |λ(ϕ, x)|. Тодi для 1 ≤ k ≤ N(ϕ, r), t ∈ [∑k i=1(τi + ti−1), ∑k i=1(τi + ti) ] та для всiх t ≥ ∑N(ϕ,r)+1 i=1 (τi+ +ti−1) отримуємо exp  t∫ 0 λ(ϕs(ϕ), x(s) ds  ≤ exp { (C + γ) k∑ i=1 τi } e−γt. (11) З (9) – (11) для довiльних ϕ ∈ Tm та неперервної функцiї x : [0,+∞) 7→ Rn, supt≥0 ‖x(t)‖ < < r, для розв’язку задачi (7) остаточно одержуємо ‖y(t)‖ ≤ K‖x0‖e−γt ∀ t ≥ 0, (12) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 ПРО ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНУ СТIЙКIСТЬ ТРИВIАЛЬНОГО ТОРА . . . 505 де K = e2(C+γ)T (r). Щоб одержати аналогiчну оцiнку для x ( t, ϕ, x0 ) , виберемо x0 так, щоб ‖x0‖ ≤ ≤ r 2K , i розглянемо послiдовнiсть задач (7) dyn+1 dt = P (ϕt(ϕ), yn(t))yn+1, yn+1(0) = x0, (13) де n ≥ 0, y0(t) ≡ x0. Згiдно з (12) ‖yn(t)‖ ≤ K ∥∥x0 ∥∥ e−γt ≤ r 2 ∀ t ≥ 0 ∀ n ≥ 1. (14) Тодi для довiльного T > 0 i всiх t ∈ [0, T ] справджуються оцiнки ‖y1(t)− y0(t)‖ ≤ Mrt, ‖yn+1(t)− yn(t)‖ ≤ t∫ 0 (Lr‖yn(s)− yn−1(s)‖+M‖yn+1(s)− yn(s)‖) ds ∀ n ≥ 1, де додатнi сталi M i L = L(r) взято з умов 2, 3. Тепер з нерiвностi Гронуолла виводимо, що для всiх n ≥ 0, t ∈ [0, T ] ‖yn+1(t)− yn(t)‖ ≤ Mr (Lr)neMTn (n+ 1)! tn+1. (15) Оцiнка (15) означає, що yn → y в C ([0, T ];Rn) ∀ T > 0. (16) Переходячи до границi в (13), внаслiдок єдиностi розв’язку задачi Кошi для (1) одержуємо y(t) ≡ x ( t, ϕ, x0 ) . Крiм того, з (14) виводимо оцiнку∥∥x (t, ϕ, x0 )∥∥ ≤ K ∥∥x0 ∥∥ e−γt ∀ t ≥ 0, (17) яка справедлива для всiх x0 з ∥∥x0 ∥∥ ≤ r 2K та для всiх ϕ ∈ Tm. Теорему 1 доведено. Зауваження 1. Легко бачити, що оцiнки (6), (9) – (11) гарантують для довiльних ϕ ∈ ∈ Tm виконання нерiвностi exp  t∫ 0 δ(ϕs(ϕ), r)ds  ≤ Ke−γt ∀ t ≥ 0, (18) де δ(ϕ, r) = max ‖x‖≤r λ(ϕ, x). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 506 О. В. КАПУСТЯН, Ф. А. АСРОРОВ, Ю. М. ПЕРЕСТЮК Як приклад розглянемо на T1 × R2 систему dϕ dt = − sin2 (ϕ 2 ) , (19) dx1 dt dx2 dt  =  − cos(ϕ+ x1) sin ( ϕ+ x2 2 ) sin ( ϕ− x3 2 ) − cos(ϕ+ x1) ( x1 x2 ) . (20) Динамiчна система на T1, породжена (19), має множину неблукаючих точок Ω = {ϕ = 0}. Симетрична матриця P (0, 0̄) = ( −1 0 0 −1 ) має власнi числа λ1 = λ2 = −1, отже, ви- конано умову (6) i за теоремою 1 тривiальний тор системи (19), (20) є експоненцiально стiйким. Застосування до iмпульсної задачi. У фазовому просторi Tm × Rn розглядається iмпульсна система диференцiальних рiвнянь dϕ dt = a(ϕ), dx dt = P (ϕ, x)x, (21) 4x|ϕ∈Γ = I(ϕ, x)x, (22) де функцiї a, P задовольняють умови (1) – (4) та (2), I неперервна й обмежена на Tm×Rn та I(·, x) ∈ C(Tm) для кожного x ∈ Rn. Iмпульсна множина Γ задається рiвнiстю Γ = {ϕ ∈ Tm | Φ(ϕ) = 0}, (23) де Φ ∈ C(Tm). Будемо вважати, що для будь-якого ϕ ∈ Tm iснують {ti(ϕ)}∞i=1 ⊂ (0,+∞) — коренi рiвняння Φ(ϕt(ϕ)) = 0, причому ∃ θ > 0 ∀ ϕ ∈ Tm ∀ i ≥ 1: ti+1(ϕ)− ti(ϕ) ≥ θ. (24) Покладемо α = max ϕ∈Γ ‖E + I(ϕ, 0)‖, де E — одинична матриця. Теорема 2. Нехай виконується умова (24) i 1 θ lnα+ λ(ϕ, 0) < 0 ∀ ϕ ∈ Ω. (25) Тодi тривiальний тор системи (21), (22) є експоненцiально стiйким. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 ПРО ЕКСПОНЕНЦIАЛЬНУ СТIЙКIСТЬ ТРИВIАЛЬНОГО ТОРА . . . 507 Доведення. Без обмеження загальностi будемо вважати, що α > 1. Тодi з нерiвностi (25) та мiркувань неперервностi отримуємо, що для деяких r > 0, γ > 0 справджується нерiвнiсть 1 θ lnα(r) + δ(ϕ, r) ≤ −γ ∀ ϕ ∈ Or(Ω), (26) де α(r) = max ϕ∈Γ,‖x‖≤r ‖E + I(ϕ, x)‖, δ(ϕ, r) = max ‖x‖≤r λ(ϕ, x). Вибираючи ‖x0‖ ≤ r 2K2α(r) , ϕ ∈ Tm, для розв’язку x(t) iмпульсної задачi (21), (22) з x(0) = x0 на iнтервалi [0, t1] згiдно з (17) маємо ‖x(t)‖ ≤ r 2Kα(r) ≤ r 2 . Отже, ‖x(t)‖ ≤ ∥∥x0 ∥∥ exp  t∫ 0 δ(ϕs(ϕ), r)ds  ≤ K ∥∥x0 ∥∥ e−γt ∀ t ∈ [0, t1], ‖x(t1 + 0)‖ ≤ α(r)‖x(t1)‖ ≤ r 2K . Аналогiчно, з (17) на iнтервалi [t1, t2] отримуємо ‖x(t)‖ ≤ r 2 , oтже, ‖x(t)‖ ≤ ‖x(t1 + 0)‖ exp  t∫ t1 δ(ϕs(ϕ), r)ds  ≤ ≤ ‖x0‖α(r) exp  t∫ 0 δ(ϕs(ϕ), r)ds  ≤ ≤ Kα(r) ∥∥x0 ∥∥ e(−γ− 1 θ lnα(r))t, ‖x(t2 + 0)‖ ≤ α(r)‖x(t2)‖ ≤ r 2K e−γθ ∀ t ∈ [t1, t2]. Продовжуючи цей процес, на n-му кроцi одержуємо ‖x(tn + 0)‖ ≤ α(r)‖x(tn)‖ ≤ r 2K e−(n−1)γθ, ‖x(t)‖ ≤ Kα(r) ∥∥x0 ∥∥ e−γt ∀ t ∈ [tn, tn+1], що i означає шукану експоненцiальну стiйкiсть. Теорему 2 доведено. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 508 О. В. КАПУСТЯН, Ф. А. АСРОРОВ, Ю. М. ПЕРЕСТЮК Лiтература 1. Самойленко А. М. Элементы математической теории многочастотных колебаний. — М.: Наука, 1987. — 304 с. 2. Самойленко А. М., Перестюк H. A. Дифференциальные уравнения с импульсным воздействием. — Киев: Вища шк., 1987. — 288 c. 3. Перестюк М. О., Фекета П. В. Iнварiантнi многовиди одного класу систем диференцiальних рiвнянь з iмпульсним збуренням // Нелiнiйнi коливання. — 2010. — 13, № 2. — P. 240 – 252. 4. Feketa P., Perestyuk Yu. Perturbation theorems for a multifrequency system with pulses // J. Math. Sci. — 2016. — 217, № 4. — P. 515 – 524. 5. Перестюк М. М., Перестюк Ю. М. Про стiйкiсть тороїдального многовиду одного класу динамiчних систем // Нелiнiйнi коливання. — 2016. — 19, № 4. — С. 555 – 563. 6. Perestyuk M. O., Kapustyan O. V. Global attractors of impulsive infinite-dimensional systems // Ukr. Math. J. — 2016. — 68, № 4. — P. 517 – 528. 7. Немыцкий В. В., Степанов В. В. Качественная теория дифференциальных уравнений. — М.: Гостех- теориздат, 1947. 8. Демидович Б. П. Лекции по математической теории устойчивости. — М.: Наука, 1967. — 472 с. 9. Horn R. A., Johnson C. R. Matrix analysis. — Cambridge Univ. Press, 2012. Одержано 27.09.17 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4