Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями

Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями. We find asymptotic representations for solutions of a certain class of second order differential equations with rapidly and regularly varying nonli...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Нелінійні коливання
Date:2017
Main Author: Чепок, О.О.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Інститут математики НАН України 2017
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177321
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями / О.О. Чепок // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 549-563 — Бібліогр.: 7 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859645970904514560
author Чепок, О.О.
author_facet Чепок, О.О.
citation_txt Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями / О.О. Чепок // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 549-563 — Бібліогр.: 7 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Нелінійні коливання
description Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями. We find asymptotic representations for solutions of a certain class of second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities.
first_indexed 2025-12-07T13:27:57Z
format Article
fulltext УДК 517.925 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ З ШВИДКО ТА ПРАВИЛЬНО ЗМIННИМИ НЕЛIНIЙНОСТЯМИ О. О. Чепок Одес. нац. ун-т iм. I. I. Мечникова вул. Дворянська, 2, Одеса, 65026, Україна We find asymptotic representations for solutions of a certain class of second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities. Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравне- ний второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями. 1. Постановка задачi та формулювання основних результатiв. Диференцiальнi рiвнян- ня другого порядку, що мiстять у правiй частинi як степеневi, так i експоненцiальнi не- лiнiйностi, вiдiграють важливу роль у розвитку якiсної теорiї диференцiальних рiвнянь. Такi рiвняння також мають безлiч застосувань на практицi. Це вiдбувається, наприклад, при вивченнi розподiлу електростатичного потенцiалу в цилiндричному об’ємi плазми продуктiв згоряння. Вiдповiдне рiвняння можна звести до такого: y′′ = α0p(t)e σy ∣∣y′∣∣λ . У роботах В. М. Євтухова та Н. Г. Дрiк (див., наприклад, [1]) при деяких умовах на функ- цiю p отримано результати про асимптотичну поведiнку всiх правильних розв’язкiв цього рiвняння. Далi почали розглядати диференцiальнi рiвняння, якi мiстять у правiй частинi бiльш широкий клас функцiй, нiж експоненцiальнi, — швидко змiннi функцiї. Диференцiальне рiвняння y′′ = α0p(t)ϕ(y) зi швидко змiнною функцiєю ϕ було розглянуто у роботi В. М. Євтухова та В. М. Харкова [2]. Але у данiй роботi введений клас розв’язкiв рiвняння залежить вiд функцiї ϕ, що не є зручним для практичного використання. Природним узагальненням попереднiх дослiджень є розгляд диференцiального рiв- няння y′′ = α0p(t)ϕ0(y)ϕ1(y′), (1.1) де α0 ∈ {−1; 1}, p : [a, ω[→]0,+∞[, −∞ < a < ω ≤ +∞, ϕi : ∆Yi →]0,+∞[, i ∈ {0, 1}, є неперервними функцiями, Yi ∈ {0,±∞},∆Yi — або промiжок [ y0 i , Yi [1 , або ] Yi, y 0 i ] . Крiм того, будемо вважати, що функцiя ϕ1 є правильно змiнною при y → Y1 (y ∈ ∆Y1) порядку 1 При Yi = +∞ (Yi = −∞) вважаємо, що y0 i > 0 (y0 i < 0) вiдповiдно. c© О. О. Чепок, 2017 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 549 550 О. О. ЧЕПОК σ1 [3, c. 10 – 15], а функцiя ϕ0 — двiчi неперервно диференцiйовною, монотонною на ∆Y0 та такою, що lim y→Y0 y∈∆Y0 ϕ0(y) ∈ {0,+∞}, lim y→Y0 y∈∆Y0 ϕ0(y)ϕ′′0(y) (ϕ′0(y))2 = 1. (1.2) Розв’язок y рiвняння (1.1), визначений на [t0, ω[⊂ [a, ω[, будемо називати Pω(Y0, Y1, λ0)- розв’язком, якщо y(i) : [t0, ω[−→ ∆Yi , lim t↑ω y(i)(t) = Yi, i = 0, 1, lim t↑ω (y′(t))2 y′′(t)y(t) = λ0. (1.3) Метою даної роботи є встановлення необхiдних та достатнiх умов iснуванняPω(Y0, Y1, λ0)- розв’язкiв рiвняння (1.1), а також асимптотичних зображень при t ↑ ω для цих розв’язкiв та їх похiдних першого порядку у випадках λ0 ∈ R\{0, 1}. Введемо необхiднi для подальшого викладу позначення та означення: πω(t) = { t, якщо ω = +∞, t− ω, якщо ω < +∞, λi0 = { λ0 при i = 0, 1 при i = 1, θ1(y) = ϕ1(y)|y|−σ1 , Φ0(y) = y∫ A0 ω |ϕ0(y)| 1 σ1−1 dy, A0 ω =  y0 0, якщо ∫ Y0 y0 0 |ϕ0(y)| 1 σ1−1 dy = +∞, Y0, якщо ∫ Y0 y0 0 |ϕ0(y)| 1 σ1−1 dy < +∞, Z0 = lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ0(y) y , Φ1(y) = y∫ A1 ω Φ0(τ) τ dτ, A1 ω =  y0 0, якщо ∣∣∣∣∣ ∫ Y0 y0 0 Φ0(τ) τ dτ ∣∣∣∣∣ = +∞, Y0, якщо ∣∣∣∣∣ ∫ Y0 y0 0 Φ0(τ) τ dτ ∣∣∣∣∣ < +∞, Z1 = lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ1(y) та у випадку, коли y0 1 lim t↑ω |πω(τ)| 1 λ0−1 = Y1, I(t) = |λ0 − 1| 1 1−σ1 y0 1 t∫ B0 ω ∣∣∣πω(τ)p(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 )∣∣∣ 1 1−σ1 dτ, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 551 B0 ω =  b, якщо ∫ ω b ∣∣∣πω(τ)p(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 )∣∣∣ 1 1−σ1 dτ = +∞, ω, якщо ∫ ω b ∣∣∣πω(τ)p(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 )∣∣∣ 1 1−σ1 dτ < +∞, I1(t) = t∫ B1 ω λ0I(τ) (λ0 − 1)πω(τ) dτ, B1 ω =  b, якщо ∫ ω b λ0I(τ) (λ0 − 1)πω(τ) dτ = +∞, ω, якщо ∫ ω b λ0|I(τ)| (λ0 − 1)πω(τ) dτ < +∞, де b ∈ [a;ω[ вибрано так, щоб |πω(t)) 1 λ0−1 | ∈ ∆Y1 при t ∈ [b;ω]. Зауваження 1. З умов (1.2) на функцiю ϕ0 випливає, що r0 ∈ {0,+∞} та lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ′′0(y) · Φ0(y) (Φ′0(y))2 = 1, lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ′′1(y) · Φ1(y) (Φ′1(y))2 = 1. Зауваження 2. Справедливими є такi твердження: Φ0(y) = (σ1 − 1) ϕ σ1 σ1−1 0 (y) ϕ′0(y) [1 + o(1)] при y → Y0 (y ∈ ∆Y0), sign ( ϕ′0(y)Φ0(y) ) = sign (σ1 − 1) при y ∈ ∆Y0 , Φ1(y) = Φ2 0(y) yΦ′0(y) [1 + o(1)] при y → Y0 (y ∈ ∆Y0). Звiдси отримуємо sign (Φ1(y)) = y0 0 при y ∈ ∆Y0 . Нехай Y ∈ {0,∞}, ∆Y — деякий однобiчний окiл Y. Неперервно диференцiйовна функцiя L : ∆Y →]0; +∞[ називається нормалiзованою повiльно змiнною функцiєю при y → Y (y ∈ ∆Y ) [3, с. 15], якщо lim y→Y1 y∈∆Yi yL′(y) L(y) = 0. (1.4) Говорять, що повiльно змiнна при y → Y (y ∈ ∆Y ) функцiя θ : ∆Y →]0; +∞[ задоволь- няє умову S (див., наприклад, [6]), якщо для будь-якої нормалiзованої повiльно змiнної при y → Y (y ∈ ∆Y ) функцiї L : ∆Y →]0; +∞[ має мiсце спiввiдношення θ(yL(y)) = θ(y)(1 + o(1)) при y → Y (y ∈ ∆Y ). Встановлено таку теорему. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 552 О. О. ЧЕПОК Теорема. Нехай σ1 6= 1, функцiя θ1 задовольняє умову S. Тодi для iснування Pω(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв рiвняння (1.1), де λ0 ∈ R\{0, 1}, необхiдно, а якщо мають мiсце умови I(t)I1(t)λ0(σ1 − 1) > 0 при t ∈ ]b, ω[, (1.5) lim y→Y0 y∈∆Y0 ( Φ′1(y) Φ1(y) )′′ (Φ′1(y) Φ1(y) ) (( Φ′1(y) Φ1(y) )′)2 = γ0, γ0 ∈ R\{1}, (1.6) та функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є нормалiзованою повiльно змiнною при t ↑ ω, то й достатньо виконання умов πω(t)y0 1y 0 0λ0(λ0 − 1) > 0, πω(t)y0 1α0(λ0 − 1) > 0 при t ∈ [a;ω[, (1.7) y0 1 lim t↑ω |πω(t)| 1 λ0−1 = Y1, (1.8) lim t↑ω I1(t) = Z1, (1.9) lim t↑ω I ′′1 (t)I1(t) (I ′1(t))2 = 1, lim t↑ω I ′1(t)πω(t) Φ′1 ( Φ−1 1 (I1(t)) ) Φ−1 1 (I1(t)) = λ0 λ0 − 1 , lim t↑ω πω(t)I ′′1 (t) I ′1(t) = ∞. (1.10) Бiльш того, для кожного такого розв’язку при t ↑ ω мають мiсце асимптотичнi зо- браження Φ1(y(t)) = I1(t)[1 + o(1)], y′(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)]. (1.11) Зауваження 3. Iз другої з умов (1.10) випливає, що функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є повiльно змiнною при t ↑ ω. Зауваження 4. З (1.6) та (1.2) випливає, що функцiя ϕ′0(y) є швидко змiнною при y → → Y0 [5, с. 139] (п. 3.1.8), проте функцiя ϕ′0(y) ϕ0(y) є правильно змiнною при y → Y0. 2. Доведення теореми. Необхiднiсть. Нехай y : [t0, ω[→ ∆Y0 є Pω(Y0, Y1, λ0)-розв’язком рiвняння (1.1), де λ0 ∈ R\{0, 1}. Тодi згiдно з властивостями таких розв’язкiв, встанов- леними В. М. Євтуховим (див., наприклад, [6]), при t ↑ ω маємо y(i+1)(t) y(i)(t) = λi0 (λ0 − 1)πω(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω, i = 0, 1, (2.1) звiдки отримуємо (1.7). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 553 З (2.1) також випливає, що функцiя y′(t) є правильно змiнною функцiєю порядку 1 λ0 − 1 при t ↑ ω, а тому [3, c. 10] може бути записана у виглядi y′(t) = |πω(t)| 1 λ0−1L1(t) при t ↑ ω, (2.2) де L1(t) — повiльно змiнна при t ↑ ω функцiя. Звiдси з урахуванням властивостей пра- вильно змiнних функцiй [3, c. 10 – 15] отримуємо (1.8). З (1.1) та (2.1) при t ↑ ω випливає, що |y′(t)|1−σ1sign y0 1 ϕ0(y(t)) = α0(λ0 − 1)πω(t)ϕ1(y′(t))|y′(t)|−σ1p(t)[1 + o(1)]. (2.3) Пiдставляючи (2.2) у (2.3), при t ↑ ω одержуємо y′(t) |ϕ0(y(t))| 1 1−σ1 = y0 1|λ0 − 1| 1 1−σ1 ∣∣∣πω(t)θ1 ( |πω(t)| 1 λ0−1L1(t)y0 1 ) p(t) ∣∣∣ 1 1−σ1 [1 + o(1)]. (2.4) Оскiльки функцiя L1 у (2.2) є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Y1, то згiдно з умовою S, яку задовольняє функцiя θ1, з (2.4) при t ↑ ω отримуємо y′(t) |ϕ0(y(t))| 1 1−σ1 = y0 1|λ0 − 1| 1 1−σ1 ∣∣∣πω(t)θ1 ( |πω(t)| 1 λ0−1 y0 1 ) p(t) ∣∣∣ 1 1−σ1 [1 + o(1)]. (2.5) З (2.5) у випадку, коли ∫ ω B0 ω |πω(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 ) p(τ)| 1 1−σ1 dτ = +∞, маємо Φ0(y(t)) = I(t)[1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.6) Якщо ∫ ω B0 ω |πω(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 ) p(τ)| 1 1−σ1 dτ < +∞, то одержуємо або (2.6), або lim t↑ω Φ0(y(t)) = c 6= 0. (2.7) Покажемо, що (2.7) не може мати мiсця. З умов (1.2) та вигляду функцiї Φ0 випливає, що lim t↑ω Φ0(y(t)) ∈ {0; +∞}, а це суперечить (2.7). Таким чином, (2.6) має мiсце у будь-якому випадку. Подiливши (2.5) на (2.6), з урахуванням (2.1) будемо мати πω(t)y′(t) y(t) y(t)Φ′0(y(t)) Φ0(y(t)) = πω(t)I ′(t) I(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.8) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 554 О. О. ЧЕПОК Оскiльки з умов (1.2) випливає, що функцiя Φ0(y) є швидко змiнною при y → Y0 (Y0 ∈ ∈ ∆Y0), то lim t↑ω πω(t)I ′(t) I(t) = ∞, (2.9) звiдки випливає третя з умов (1.10). З урахуванням (2.6) та (2.1) маємо y′(t)Φ0(y(t)) y(t) = λ0I(t) (λ0 − 1)πω(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.10) Якщо ∫ ω a ∣∣∣∣ I(τ) πω(τ) ∣∣∣∣ dτ = +∞, то Φ1(y(t)) = I1(t)[1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.11) При ∫ ω a ∣∣∣∣ I(τ) πω(τ) ∣∣∣∣ dτ < +∞ аналогiчно з обґрунтуванням (2.6) переконаємось, що (2.11) має мiсце i у цьому випадку. Таким чином, мають мiсце перше iз зображень (1.11) та перша з умов (1.9). Pоздiливши (2.10) на (2.11), отримаємо друге iз зображень (1.11). Запишемо друге iз зображень (1.11) у виглядi πω(t)y′(t) y(t) y(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = πω(t)I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω, звiдки з використанням (2.1) одержимо λ0 λ0 − 1 y(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = πω(t)I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.12) З умов (1.2) на функцiю ϕ0(y(t)) та зауваження 2 випливає, що функцiя Φ1(y) є швидко змiнною при y → Y0 (Y0 ∈ ∆Y0). Тому з урахуванням (2.12) маємо lim t↑ω πω(t)I ′1(t) I1(t) = ∞. (2.13) Використовуючи (2.8), (2.9) та (2.12), отримуємо lim t↑ω I ′′1 (t)I1(t) (I ′1(t))2 = lim t↑ω πω(t)I′(t) I(t) πω(t)I′1(t) I1(t) = lim t↑ω y(t)Φ′0(y(t)) Φ0(y(t)) y(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ′′1(y)Φ1(y) (Φ′1(y))2 = 1, (2.14) тобто має мiсце перша з умов (1.10). Зауважимо, що функцiя Φ−1 1 (y) є повiльно змiнною при y → Z0 як обернена до швид- ко змiнної при y → Y0 (Y0 ∈ ∆Y0) функцiї Φ1. З урахуванням цього та (2.11) при t ↑ ω маємо y(t) = Φ−1 1 (I1(t))[1 + o(1)], ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 555 звiдки випливає друга з умов (1.9). Зауважимо, що має мiсце спiввiдношення lim z→Z0 Φ′′1(Φ−1 1 (z))z (Φ′1(Φ−1 1 (z)))2 = lim y→Y0 Φ′′1(Φ−1 1 (Φ1(y)))Φ1(y)( Φ′1(Φ−1 1 (Φ1(y))) )2 = lim y→Y0 Φ′′1(y)Φ1(y) (Φ′1(y))2 = 1. Звiдси випливає, що lim z→Z0 z ( Φ′1(Φ−1 1 (z)) Φ1(Φ−1 1 (z)) )′ Φ′1(Φ−1 1 (z)) Φ1(Φ−1 1 (z)) = lim y→Z0 Φ′′1(Φ−1 1 (z))z (Φ′1(Φ−1 1 (z)))2 − 1 = 0. Отже, функцiя Φ′1(Φ−1 1 ) Φ1(Φ−1 1 ) є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Z0. Тому (2.12) можна записати у виглядi λ0 λ0 − 1 Φ−1 1 (I(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) = πω(t)I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω, звiдки випливає виконання другої з умов (1.10). Необхiднiсть доведено. Достатнiсть. Нехай функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є нормалiзованою повiльно змiн- ною функцiєю при t ↑ ω та виконуються умови (1.5) – (1.10). До рiвняння (1.1) застосуємо перетворення Φ1(y(t)) = I1(t)[1 + v1(x)], y′(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = I ′1(t) I1(t) [1 + v2(x)], (2.15) де x = β ln |I1(t)|, β =  1, якщо lim t↑ω I1(t) = ∞, −1, якщо lim t↑ω I1(t) = 0. (2.16) Зведемо систему (2.15) до системи диференцiальних рiвнянь v′1 = β [v2 + v1v2] , (2.17) v′2 = βG(t) [1 + v2] [ N(t(x), v1, v2) (λ0 − 1) ( 1 [1 + L(t(x))] )σ1−1 × × (1 + v1)σ1−1(1 + v2)σ1−1 ∣∣∣∣ λ0 λ0 − 1 ∣∣∣∣σ1−1 × ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 556 О. О. ЧЕПОК × ∣∣∣∣(L(t(x)) + L(t(x)) ψ′(Y (t(x), v1))Y (t(x), v1) ψ(Y (t(x), v1)) + + (I ′1(t))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) M(I1(t(x))(1 + v1) M(I1(t)) Φ−1 1 (I1(t(x)))Φ′1(I1(t(x))) πω(t(x))I ′1(t(x)) )∣∣∣∣σ1−1 + + ψ′(Y (t(x), z1))Y (t(x), v1) ψ(y(t(x))) Y (t(x), v1)Φ′1(Y (t(x), v1)) πω(t(x))I ′1(t(x)) × × M(I1(t(x))(1 + v1)) M(I1(t(x))) (1 + v2) +Q(t(x)) ] , у якiй G(t) = I1(t) πω(t)I ′1(t) , Q(t) = πω(t) ( I1(t) I′1(t) )′ I1(t) I′1(t) , N(t, v1, v2) = θ1 ( I′1(t)Φ1(Y (t,v1)) I1(t)Φ′1(Y (t,v1)) (1 + v2) ) θ1 ( |πω(t)| 1 λ0−1 sign y0 1 ) , Y (t, v1) = Φ−1 1 (I1(t)[1 + v1]), ψ(y) = Φ′1(y) Φ1(y) , L(t) = I ′1(t) πω(t)I ′′1 (t) , M(y) = Φ−1 1 (y)ψ(Φ−1 1 (y)). Оскiльки функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є нормалiзованою повiльно змiнною при t ↑ ω, то lim t↑ω πω(t) ( |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) )′ |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) = 0. (2.18) З iншого боку, lim t↑ω πω(t) ( |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) )′ |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) = lim t↑ω ( |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) )′ πω(t)I′1(t) I1(t) |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) + + lim t↑ω πω(t) ( I′1(t) I1(t) )′ I′1(t) I1(t) = 1− (2− γ0)λ0 (1− γ0)(λ0 − 1) + lim t↑ω Q(t). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 557 Звiдси з урахуванням (2.18) маємо lim t↑ω Q(t) = 1− (2− γ0)λ0 (1− γ0)(λ0 − 1) . (2.19) З першої з умов (1.10) випливає, що lim t↑ω G(t) = 0. (2.20) Оскiльки, як було обґрунтовано при доведеннi необхiдностi, функцiя Φ−1 1 (z) є повiльно змiнною при z → Z0, то з урахуванням (1.6) та другої з умов (1.9) маємо lim t↑ω Y (t, v1) = Y0 рiвномiрно по |v1| < 1 2 . (2.21) Зауважимо, що ( ψ(y) ψ′(y) )′ = 1− ψ(y)ψ′′(y) (ψ′(y))2 . Тому з (1.6) випливає, що yψ′(y) ψ(y) = 1 1− γ0 [1 + o(1)] при y → Y0 (y ∈ ∆Y0). (2.22) З (2.22) випливає, що функцiя ψ(y) = Φ′1(y) Φ1(y) є правильно змiнною порядку 1 1− γ0 при y → Y0 (y ∈ ∆Y0) та з урахуванням (2.21) lim t↑ω Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) = 1 1− γ0 рiвномiрно по |v1| < 1 2 . (2.23) Оскiльки ψ — правильно змiнна функцiя порядку 1 1− γ0 при прямуваннi аргумента до Y0, а Φ−1 1 — повiльно змiнна при прямуваннi аргумента до Z1, то функцiя ψ(Φ−1 1 ) є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Z1, а тому, i функцiя M є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Z1 як добуток повiльно змiнних функцiй. Таким чином, lim t↑ω M(I1(t)) M(I1(t)(1 + v1)) = 1 рiвномiрно по v1 : |v1| < 1 2 . (2.24) З другої з умов (1.10) отримуємо lim t↑ω πω(t)I ′1(t) Φ−1 1 (I1(t))Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) = λ0 λ0 − 1 . (2.25) Покажемо, що lim t↑ω N(t, v1, v2) = 1 рiвномiрно по |v1| < 1 2 , |v2| < 1 2 . (2.26) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 558 О. О. ЧЕПОК Зауважимо, що з урахуванням (2.19) та вигляду функцiї Q lim t↑ω ( I′1(t) |πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) )′ πω(t) I′1(t)|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) = lim t↑ω πω(t) ( I′1(t) I1(t) )′ I′1(t) I1(t) + 1 1− λ0 = λ0 (1− γ0)(λ0 − 1) . Оскiльки lim t↑ω (Φ−1 1 (I1(t)))′πω(t) Φ−1 1 (I1(t)) = lim t↑ω I ′1(t)πω(t) Φ′1 ( Φ−1 1 (I1(t)) ) Φ−1 1 (I1(t)) = λ0 λ0 − 1 , то функцiя Φ−1 1 (I1(t)) є правильно змiнною порядку λ0 λ0 − 1 при t ↑ ω. Тому Φ1(Φ−1 1 (I1(t))) Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) є правильно змiнною функцiєю порядку λ0 λ0 − 1 1 γ0 − 1 при t ↑ ω. Крiм того, Φ1(Φ−1 1 (z)) Φ′1(Φ−1 1 (z)) є повiльно змiнною при z → Z1 як композицiя правильно змiнної та повiльно змiнної функцiй. Отже, на пiдставi теореми про рiвномiрну збiжнiсть з теорiї повiльно змiнних функцiй (див., наприклад, [3]) маємо( I′1(t)Φ1(Y (t,v1))|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t)Φ′1(Y (t,v1)) )′ πω(t)( I′1(t)Φ1(Y (t,v1))|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t)Φ′1(Y (t,v1)) ) = lim t↑ω ( Φ1(Φ−1 1 (I1(t))) Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) )′ πω(t) Φ1(Φ−1 1 (I1(t))) Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) + + lim t↑ω ( I′1(t) |πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) )′ πω(t) I′1(t)|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) = 0 рiвномiрно по v1 : |v1| < 1 2 . Тому функцiя ( I ′1(t)Φ1(Y (t, v1))|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t)Φ′1(Y (t, v1)) ) є нормалiзованою повiльно змiнною при t ↑ ω рiвномiрно по v1 : |v1| < 1 2 , а (2.26) випли- ває з того, що функцiя θ1 задовольняє умову S. З урахуванням третьої з умов (1.10) маємо lim t↑ω L(t) = 0. (2.27) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 559 На пiдставi (1.9) iснує t0 ∈ [a, ω[ таке, що Φ−1 1 (I1(t)(1 + v1)) ∈ ∆Y0 при t ∈ [t0, ω[, |v1| ≤ 1 2 . Розглянемо систему диференцiальних рiвнянь (2.17) на множинi Ω = [x0,+∞[×D, де x0 = β ln |πω(t0)|, D = { (v1, v2) : |vi| ≤ 1 2 , i = 1, 2 } , та запишемо її у виглядi v′1 = β[v2 + z1v2], v′2 = βG(t(x))[A21v1 +A22(x)v2 +R1(x, v1, v2) +R2(x, v1, v2)], (2.28) де A21 = σ1 − 1 λ0 − 1 , A22(x) = σ1 − 1 λ0 − 1 + γ0 πω(t)I ′1(t) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) , R1(x, v1, v2) = (1 + v2) [ N(t(x), v1, v2) λ0 − 1 ( λ0 λ0 − 1 1 [1 + L(t(x))] × × ( L(t(x)) + L(t(x)) Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) (I ′1(t(x)))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) × × Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) πω(t)I ′1(t) M(I1(t)(1 + v1) M(I1(t)) ))σ1−1 +Q(t(x))+ + Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) πω(t)I ′1(t) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) M(I1(t(x))) M(I1(t(x)(1 + v1)) ] + + v2 πω(t)I ′1(t(x)) Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ(Φ−1 1 (I1(t(x)))) ( Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ′ ( Φ−1 1 (I1(t(x))) ) ψ(y(t)) × × M(I1(t(x))) M(I1(t(x)(1 + v1))) − 1 1− γ0 ) + (v2 + v1) σ1 − 1 λ0 − 1 × × [ N(t(x), v1, v2) ( λ0 λ0 − 1 1 [1 + L(t(x))] ( L(t(x)) + L(t(x)) Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) + + (I ′1(t(x)))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) πω(t)I ′1(t) M(I1(t)(1 + v1) M(I1(t)) ))σ1−1 − 1 ] , ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 560 О. О. ЧЕПОК R2(x, v1, v2) = (1 + v2) N(t(x), v1, v2) λ0 − 1 ( λ0 λ0 − 1 1 [1 + L(t)] × × ( L(t(x)) + L(t(x)) Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) + + (I ′1(t(x)))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) πω(t)I ′1(t) M(I1(t)(1 + v1) M(I1(t)) ))σ1−1 × × [(1 + v1)σ1−1 − 1] [(1 + v2)σ1−1 − 1] + v2 2 πω(t)I ′1(t(x)) Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ(Φ−1 1 (I1(t(x)))) × × Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ′(Φ−1 1 (I1(t(x)))) ψ(y(t)) M(I1(t(x))) M(I1(t(x)(1 + v1)) . Iз (2.19) – (2.27) i першої та другої з умов (1.10) маємо lim x→∞ A22(x) = σ1 − 1 λ0 − 1 + λ0γ λ0 − 1 , (2.29) lim |v1|+|v2|→0 R2(x, v1, v2) |v1|+ |v2| = 0 рiвномiрно по x ∈ [x0,+∞[, (2.30) lim x→+∞ R1(x, v1, v2) = 0 рiвномiрно по v1, v2 : (v1, v2) ∈ D. (2.31) Тому з урахуванням (2.20) зрозумiло, що гранична матриця коефiцiєнтiв системи (2.28) має нульове власне значення. Застосовуючи до системи (2.28) перетворення z1 = w1, z2 = √ |G(t(x))|w2, (2.32) з урахуванням (1.5) отримуємо систему w′1 = β √ |G(t(x))| [w2 + V1(x;w1;w2)], w′2 = β √ |G(t(x))| [C21w1 + V2(x,w1, w2) + V3(x,w1, w2)], (2.33) де C21 = A21sign ((λ0 − 1)(σ1 − 1)) , V1(x;w1;w2) = w1w2, V2(x,w1, w2) = √ |G(t(x))| sign ((λ0 − 1)(σ1 − 1)) ( A22(x)− Ñ(x) √ |G(t(x))| ) w2+ +R2(x,w1, √ |G(t(x))|w2), V3(x;w1;w2) = R1 ( x,w1, √ |G(t(x))|w2 ) sign ((λ0 − 1)(σ1 − 1)) , ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 561 Ñ(x) = sign ((σ1 − 1)(λ0 − 1))G′(t(x))I(t(x)) 2G(t(x))2I ′(t(x)) . Зауважимо, що lim x→∞ Ñ(x) = lim x→∞ sign ((σ1 − 1)(λ0 − 1))G′(t(x))I(t(x)) 2G2(t(x))I ′(t(x)) = = sign((σ1 − 1)(λ0 − 1)) lim t↑ω ( I(t) πω(t)I′(t) )′ πω(t) 2 ( I(t) πω(t)I′(t) ) = = sign ((σ1 − 1)(λ0 − 1)) lim t↑ω 1 2 πω(t) ( 1 πω(t) )′ I(t) I′(t) I(t) πω(t)I′(t) + πω(t) ( I(t(x)) I′(t(x)) )′ I(t(x)) I′(t(x))  = = sign((σ1 − 1)(λ0 − 1)) 1 2 ( −1 + lim t↑ω Q(t) ) = sign((σ1 − 1)(λ0 − 1))λ0(γ + 1) 2(λ0 − 1) . Тому згiдно з (2.29) – (2.31) lim |w1|+|w2|→0 Vi(x,w1, w2) |w1|+ |w2| = 0, i = 1, 2, рiвномiрно по x ∈ [x0,+∞[, (2.34) lim x→+∞ V3(x,w1, w2) = 0 рiвномiрно по w1, w2 : (w1, w2) ∈ D. (2.35) Зауважимо, що характеристичне рiвняння матрицi( 0 β βC21 0 ) має вигляд µ2 − |σ1 − 1| |λ0 − 1| = 0. Це рiвняння не має коренiв iз нульовою дiйсною частиною. Розглянемо ∫ ∞ x0 G(t(x)) dx. З урахуванням зображення G(t(x)) = I(t(x)) πω(t(x))I ′(t(x)) маємо ∞∫ x0 G(t(x)) dx = ∞∫ x0 I(t(x)) πω(t(x))I ′(t(x)) dx = ∞∫ t(x0) I(t) πω(t)I ′(t) I ′(t) I(t) dt = ln |πω(t)|ωd1 → ∞ при t → ω, оскiльки в околi нуля виконується ∫ ∞ x0 √ |G(t(x))| dx ≥ k ∫ ∞ x0 G(t(x)) dx. Таким чином, ∫ ∞ x0 √ |G(t(x))| dx → ∞. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 562 О. О. ЧЕПОК Отже, для системи диференцiальних рiвнянь (2.33) виконано всi умови теореми 2.2 з [7]. Згiдно з цiєю теоремою система (2.33) має однопараметричну сiм’ю розв’язкiв {zi}2i=1 : [x1,+∞[−→ R2 (x1 ≥ x0), якi прямують до нуля при x → +∞. Цим розв’яз- кам на пiдставi замiн (2.16), (2.15) вiдповiдають розв’язки y рiвняння (1.1), що допускають при t ↑ ω асимптотичнi зображення (1.11). З огляду на цi зображення та (1.5) зрозумiло, що отриманi розв’язки є Pω(Y0, Y1, λ0)- розв’язками. Теорему доведено. 3. Iлюстрацiя отриманих результатiв. Як приклад, що iлюструє отриманi результати, розглянемо при t ∈ [2,+∞[ диференцiальне рiвняння y′′ = 1 4 t−3L(t)e|y| 4−t8 ∣∣y′∣∣3 , (3.1) де L : [2,+∞[→]0,+∞[ — повiльно змiнна на нескiнченностi функцiя. Дане рiвняння є рiвнянням вигляду (1.1), у якому a = 2, α0 = 1, p(t) = 1 4 t−3 L(t)e−t 8 , ϕ0(y) = e|y| 4 , ϕ1(y) = |y|3. Дослiдимо питання про iснування та асимптотичну поведiнку при t, що прямує до +∞, P+∞(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв рiвняння (3.1), для яких λ0 ∈ R \ {0, 1}. Функцiя ϕ1 задовольняє умову S. Розглянемо випадок Y0 = ∞. Тодi виконуються умови (1.2). Можемо використа- ти доведену теорему. У даному випадку πω(t) = t, θ1(y) = 1, I(t) = 2√ |λ0 − 1| t∫ B0 +∞ ∣∣∣τ−2L(τ)e−τ 8 ∣∣∣− 1 2 dτ. Тому з урахуванням вибору B0 +∞ при t → +∞ отримуємо I(t) = 1 2 √ |λ0 − 1| t−6(L(t))− 1 2 e 1 2 t8 [1 + o(1)]. Аналогiчно при t → +∞ маємо I1(t) = λ0 8 √ |λ0 − 1|(λ0 − 1) t−14(L(t))− 1 2 e 1 2 t8 [1 + o(1)]. Крiм того, оскiльки Y0 = ∞, з урахуванням вибору A0 ∞ одержимо Φ0(y) = 1 2y3 e 1 2 |y|4 sign y[1 + o(1)] при y → ∞. Аналогiчно маємо Φ1(y) = 1 4y7 e 1 2 |y|4 [1 + o(1)] при y → ∞. (3.2) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 563 Крiм того, Φ′1(y) Φ1(y) = 2y3[1 + o(1)] при y → ∞, звiдки випливає, що виконується умова (1.6), де γ0 = 2 3 . З огляду на (3.2) зрозумiло, що Φ−1 1 (y) = 4 √ 2 ln 1 4 |y|[1 + o(1)] при y → ∞. З другої з умов (1.10) випливає, що λ0 = 2, звiдки маємо y0 1 > 0 та y0 0 > 0. Таким чином, виконано всi умови доведеної теореми. Згiдно з цiєю теоремою рiвнян- ня (3.1) з класу P+∞(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв може мати лише P+∞(+∞,+∞, 2)-розв’язки. З теореми 1 також випливає, що рiвняння (3.1) має однопараметричну сiм’ю P+∞(+∞,+∞, 2)-розв’язкiв та кожен такий розв’язок має асимптотичнi зображення 1 y7(t) e 1 2 y4(t) = t−14(L(t))− 1 2 e 1 2 t8 [1 + o(1)], y′(t)y3(t) = 2t7[1 + o(1)] при t ↑ ω. (3.3) Бiльш того, легко бачити, що у випадку L(t) ≡ 1 y(t) = t2 є точним розв’язком рiвнян- ня (3.1). Цей точний розв’язок легко отримати з другого зi спiввiдношень (3.3). У цьому випадку кожен iз розв’язкiв однопараметричної сiм’ї P+∞(+∞,+∞, 2)-розв’язкiв є еквi- валентним до t2 при t → +∞. Висновки. У данiй роботi для класiв диференцiальних рiвнянь другого порядку з швид- ко та правильно змiнними нелiнiйностями, якi ранiше не розглядалися, отримано необ- хiднi та достатнi умови iснування Pω(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв при λ0 ∈ R\{0, 1}. Цей клас розв’язкiв для бiльшостi рiвнянь вигляду (1.1) охоплює всi правильно змiннi розв’язки, що мають також правильно змiнну похiдну першого порядку, за винятком особливих ви- падкiв, коли розв’язки або їх похiднi є повiльно змiнними функцiями при t ↑ ω. Лiтература 1. Evtukhov V. M., Drik N. G. Asimptotic behavior of solutions of a second order nonlinear differention equati- on // Georg. Math. J. — 1996. — 3, № 2. — P. 123 – 151. 2. Evtukhov V. M., Kharkov V. M. Asymptotic representation of solutions essentially nonlinear differential equations of second order // Differents. Uravneniya. — 2007. — 43, № 10. — P. 1311 – 1323. 3. Сенета Е. Правильно меняющиеся функции. — М.: Наука, 1985. — 141 с. 4. Maric V. Regular variation and differential equations // Lect. Notes Math. — 2000. — 1726. — 127 p. 5. Bingham N. H., Goldie C. M., Teugels J. L. Regular variation // Encyclopedia Math. and Appl. — Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1987. — 494 p. 6. Евтухов В. М., Клопот А. М. Асимптотическое поведение решений обыкновенных дифференциаль- ных уравнений n-го порядка с правильно меняющимися нелинейностями // Дифференц. уравнения. — 2014. — 50, № 5. — С. 584 – 600. 7. Евтухов В. М., Самойленко А. М. Условия существования исчезающих в особой точке решений ве- щественных неавтономных систем квазилинейных дифференциальных уравнений // Укр. мат. журн. — 2010. — 62, № 1. — С. 52 – 80. Одержано 08.01.17 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-177321
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-3076
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T13:27:57Z
publishDate 2017
publisher Інститут математики НАН України
record_format dspace
spelling Чепок, О.О.
2021-02-14T11:01:19Z
2021-02-14T11:01:19Z
2017
Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями / О.О. Чепок // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 549-563 — Бібліогр.: 7 назв. — укр.
1562-3076
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177321
517.925
Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями.
We find asymptotic representations for solutions of a certain class of second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities.
uk
Інститут математики НАН України
Нелінійні коливання
Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
Асимптотические представления решений дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями
Asymptotic representations of solutions to second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities
Article
published earlier
spellingShingle Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
Чепок, О.О.
title Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_alt Асимптотические представления решений дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями
Asymptotic representations of solutions to second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities
title_full Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_fullStr Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_full_unstemmed Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_short Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_sort асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177321
work_keys_str_mv AT čepokoo asimptotičnízobražennârozvâzkívdiferencíalʹnihrívnânʹdrugogoporâdkuzšvidkotapravilʹnozmínniminelíníinostâmi
AT čepokoo asimptotičeskiepredstavleniârešeniidifferencialʹnyhuravneniivtorogoporâdkasbystroipravilʹnomenâûŝimisânelineinostâmi
AT čepokoo asymptoticrepresentationsofsolutionstosecondorderdifferentialequationswithrapidlyandregularlyvaryingnonlinearities