On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations

We establish theorems on the existence and uniqueness of a solution of the impulsive differential-algebraic equation $$\frac{d}{{dt}}[Au(t)] + Bu(t) = f(t,u(t)),$$ where the matrix A may be singular. The results are applied to the theory of electric circuits.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2005
Hauptverfasser: Vlasenko, L. A., Perestyuk, N. A., Власенко, Л. А., Перестюк, Н. А.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Englisch
Veröffentlicht: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2005
Online Zugang:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3612
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Institution

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860509731840327680
author Vlasenko, L. A.
Perestyuk, N. A.
Власенко, Л. А.
Перестюк, Н. А.
Власенко, Л. А.
Перестюк, Н. А.
author_facet Vlasenko, L. A.
Perestyuk, N. A.
Власенко, Л. А.
Перестюк, Н. А.
Власенко, Л. А.
Перестюк, Н. А.
author_sort Vlasenko, L. A.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T20:00:05Z
description We establish theorems on the existence and uniqueness of a solution of the impulsive differential-algebraic equation $$\frac{d}{{dt}}[Au(t)] + Bu(t) = f(t,u(t)),$$ where the matrix A may be singular. The results are applied to the theory of electric circuits.
first_indexed 2026-03-24T02:45:46Z
format Article
fulltext UDK 517.9 L. A. Vlasenko (Xar\kov. nac. un-t ym. V. N. Karazyna), N. A. Perestgk (Kyev. nac. un-t ym. T. Íevçenko) O RAZREÍYMOSTY DYFFERENCYAL|NO-ALHEBRAYÇESKYX URAVNENYJ S YMPUL|SNÁM VOZDEJSTVYEM We obtain existence and uniqueness theorems for the impulsive differential algebraic equation d dt Au t Bu t[ ]( ) + ( ) = f t u t( )( ), . The matrix A is allowed to be degenerate. The results are applied to the theory of electric networks. OderΩano teoremy isnuvannq ta [dynosti dlq dyferencial\no-alhebra]çnoho rivnqnnq d dt Au t Bu t[ ]( ) + ( ) = f t u t( )( ), z impul\snog di[g. Matrycq A moΩe buty vyrodΩenog. Re- zul\taty zastosovano do teori] elektryçnyx lancghiv. 1. Vvedenye. V prostranstve Cn rassmatryvaetsq polulynejnoe dyfferency- al\noe uravnenye s ympul\sn¥m vozdejstvyem d dt Au t Bu t[ ]( ) + ( ) = f ( t, u( t ) ), t0 ≤ t ≤ t0 + T, t ≠ tk , (1) ∆ u | k = tk = u( tk + 0 ) – u( tk – 0 ) = C u( tk – 0 ), k = 1, … , m. (2) Zdes\ A, B, C — ( n × n ) -matryc¥ s, voobwe hovorq, kompleksn¥my koπffycy- entamy; f : [ t0 , t0 + T ] × Cn → Cn — zadannaq funkcyq; moment¥ vremeny tk za- numerovan¥: t0 < t1 < … < tm < tm + 1 = t0 + T. Budem predpolahat\, çto f ( t, u ) neprer¥vna po sovokupnosty peremenn¥x. Dlq uravnenyq (1) s ympul\sn¥m voz- dejstvyem (2) zadadym naçal\noe uslovye u( t0 ) = u0 . (3) Uravnenye (1) s v¥roΩdennoj matrycej A budem naz¥vat\ v¥roΩdenn¥m yly dyfferencyal\no-alhebrayçeskym po analohyy s sootvetstvugwymy lynejn¥- my y nelynejn¥my uravnenyqmy bez ympul\snoho vozdejstvyq [1, 2] (sm. takΩe byblyohrafyg v πtyx rabotax). Esly matryca A — edynyçnaq ( A = E ), to uravnenye (1) budem naz¥vat\ qvn¥m, v protyvnom sluçae — neqvn¥m. Qvn¥e dyfferencyal\n¥e uravnenyq s ympul\sn¥m vozdejstvyem yssledovalys\ v [3]. Yzvestno, çto dlq lynejnoho dyfferencyal\no-alhebrayçeskoho uravnenyq bez ympul\snoho vozdejstvyq naçal\naq zadaça razreßyma, esly v¥polnen¥ specyal\n¥e uslovyq sohlasovanyq na pravug çast\ uravnenyq y naçal\n¥j vektor [4, s. 348 – 351]. Odnako pry nalyçyy ympul\snoho vozdejstvyq (2) πtyx uslovyj nedostatoçno. Sledugwyj prostoj prymer pokaz¥vaet, çto neobxody- mo potrebovat\ dopolnytel\n¥e ohranyçenyq na matrycu C. Pust\ uravnenye (1) v prostranstve C2 ymeet vyd ′( ) − ( )u t u t1 1 = 0, u2( t ) = 0. (4) Vektor u0 qvlqetsq naçal\n¥m dlq uravnenyq (4), esly y tol\ko esly u02 = 0 ( u01 , u02 — komponent¥ vektora u0 ). Kak pokaz¥vagt nesloΩn¥e v¥çyslenyq, dlq razreßymosty zadaçy (4), (2), (3) neobxodymo takΩe potrebovat\, çtob¥ c21 u01 = 0 ( C = { } =cij i j, 1 2 ). V dannoj rabote ustanavlyvagtsq uslovyq odnoznaç- noj razreßymosty zadaçy (1) – (3). S uravnenyem (1) svqzan puçok matryc λ A + B. V dal\nejßem budem predpo- lahat\, çto puçok λ A + B rehulqrn¥j, t. e. det ( λ A + B ) � 0 [4]. V πtom sluçae © L. A. VLASENKO, N. A. PERESTGK, 2005 458 ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 O RAZREÍYMOSTY DYFFERENCYAL|NO-ALHEBRAYÇESKYX URAVNENYJ … 459 moΩno vospol\zovat\sq lemmoj 3.2. yz [5], v sylu kotoroj ymeem sledugwee. Prostranstvo Cn raspadaetsq v prqm¥e summ¥ Cn = X1 +̇ X2 = Y1 +̇ Y2, hde podprostranstvo X1 — oblast\ znaçenyj proektora P1 = 1 2 1 π ( + )−∫i A B Adλ λ Γ , a podprostranstvo Y1 — oblast\ znaçenyj proektora Q1 = 1 2 1 π ( + )−∫i A A B dλ λ Γ . Kontur Γ oxvat¥vaet vse sobstvenn¥e çysla puçka λ A + B. Esly puçok matryc λ A + B ne ymeet sobstvenn¥x çysel, to P1 = Q1 = 0 y X1 = Y1 = { 0 }. Esly det A ≠ 0, to P1 = Q1 = E y X2 = Y2 = { 0 }. Dalee, A Xj ⊂ Yj , B Xj ⊂ Yj , j = 1, 2; (5) esly X1 ≠ { 0 }, to matryca A ne v¥roΩdaetsq na X1 ; esly X2 ≠ { 0 }, to mat- ryca B ne v¥roΩdaetsq na X2 , a takΩe A X1 = Y1 , B X2 = Y2 . (6) Oboznaçym P2 = E – P1 , Q2 = E – Q1 . Esly X2 netryvyal\no, to X2 — podprostranstvo sobstvenn¥x y prysoedynen- n¥x vektorov puçka µ B + A v toçke µ = 0 (yly puçka λ A + B v beskoneçno udalennoj toçke λ = ∞ ). Vektor¥ ϕ0 , ϕ1 , … , ϕk obrazugt cepoçku yz sob- stvennoho y prysoedynenn¥x vektorov puçka µ B + A v toçke µ = 0, esly A ϕ0 = 0, A ϕj + B ϕj – 1 = 0, j = 1, … , k [6]. V teoryy dyfferencyal\no-alhebray- çeskyx uravnenyj takΩe yspol\zugt termyn B-Ωordanova cepoçka matryc¥ A [1] (opredelenye dano v [7, s. 422]). Naybol\ßug dlynu r cepoçky yz sobstven- noho y prysoedynenn¥x vektorov puçka matryc µ B + A v toçke µ = 0 nazovem yndeksom puçka matryc λ A + B y budem oboznaçat\ tak: r = ind { A, B }. Esly det A ≠ 0, to poloΩym ind { A, B } = 0. Esly r = 1, to prysoedynenn¥x vektorov net y X2 — podprostranstvo sobstvenn¥x vektorov matryc¥ A, sootvetstvu- gwyx nulevomu sobstvennomu çyslu. V πtom sluçae yz pervoho sootnoßenyq v (6) sleduet Y1 = A Cn . 2. Osnovn¥e rezul\tat¥. V dal\nejßem nam ponadobytsq vspomohatel\- naq matryca G = A P1 + B P2 . (7) V sluçae ind { A, B } = 1 matryca G b¥la vvedena v [8], hde ustanovlen¥ y ee svojstva. Dlq proyzvol\noho yndeksa ind { A, B } svojstva matryc¥ G ukaz¥- vagtsq v sledugwej lemme. Lemma 1. Spravedlyvo predstavlenye G = Q1 A + Q2 B. (8) Matryca G obratyma y G Xj = Yj , j = 1, 2. (9) Matryca ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 460 L. A. VLASENKO, N. A. PERESTGK F = G – 1 Q2 A nyl\potentna s yndeksom nyl\potentnosty max { 1, r }, hde r = ind { A, B }. Dokazatel\stvo. Yz svojstv (5) sleduet, çto A Pj = Qj A, B Pj = Qj B, j = 1, 2, y poπtomu matryca G (7) dopuskaet predstavlenye (8). Pust\ G x = 0. Znaçyt, A P1 x = 0 y B P2 x = 0. Poskol\ku A ne v¥roΩdaet- sq na X1 , a B — na X2 , to P1 x = 0 y P2 x = 0. Poπtomu x = 0 y matryca G obratyma. Yz (6) sleduet G X1 = A X1 = Y1 y G X2 = B X2 = Y2 . Takym obrazom, svojstva (9) ustanovlen¥. PokaΩem, çto matryca F — nyl\potentna. Esly r = 0, to Q2 = 0. Esly r = = 1, to Q2 A = A P2 = 0. Znaçyt, esly 0 ≤ r ≤ 1, to F = 0 qvlqetsq nyl\potent- noj matrycej s yndeksom nyl\potentnosty 1. Pust\ r ≥ 2. Proverym, çto dlq lgboho u ∈ Cn v¥polneno sootnoßenye F r u = 0. Esly P2 u — πlement qdra matryc¥ A, to F u = 0. PredpoloΩym, çto P2 u = ϕk ∈ X2 , 1 ≤ k ≤ r – 1, y ϕ0 , ϕ1 , … , ϕk ⊂ X2 — cepoçka yz sobstvennoho y prysoedynenn¥x vektorov puçka µ B + A v toçke µ = 0. Tohda F u = G – 1 Q2 A u = G – 1 A P2 u = G – 1 A ϕk = – G – 1 B ϕk – 1 = G – 1 G ϕk – 1 = ϕk – 1 . Poπtomu F k + 1 u = 0. Otsgda sleduet utverΩdenye lemm¥. Oboznaçym çerez Λ klass kusoçno-neprer¥vn¥x na [ t0 , t0 + T ] funkcyj s razr¥vamy pervoho roda pry t = tk y takyx, çto A u ( t ) neprer¥vno dyfferen- cyruema pry t ≠ tk , k = 1, … , m. Reßenyem uravnenyq (1) s ympul\sn¥m vozdej- stvyem (2) naz¥vaetsq funkcyq u ( t ) ∈ Λ, kotoraq udovletvorqet uravnenyg (1) y uslovyqm (2). Reßenye naçal\noj zadaçy (1) – (3) est\ reßenye uravnenyq (1), (2), kotoroe udovletvorqet naçal\nomu uslovyg (3). V sluçae qvnoho urav- nenyq takoe opredelenye reßenyq sovpadaet s opredelenyem, dann¥m v [3]. V dal\nejßem budem predpolahat\, çto reßenye qvlqetsq neprer¥vn¥m sleva, t.Re. u ( tk ) = u ( tk – 0 ). Esly funkcyq f neprer¥vna, to yz opredelenyq reßenyq sleduet, çto A u( t ) kusoçno-neprer¥vno dyfferencyruema y ee proyzvodnaq ymeet razr¥v¥ pervoho roda v toçkax t1 , … , tm . Vvedem v rassmotrenye matrycu S = – G – 1 Q1 B. Lemma 2. PredpoloΩym, çto puçok matryc λ A + B rehulqren y funkcyq f ( t, u ) neprer¥vna po sovokupnosty peremenn¥x. Funkcyq u ( t ) ∈ Λ udovletvo- rqet uravnenyg (1) tohda y tol\ko tohda, kohda ona udovletvorqet urav- nenyqm P1 u( t ) = e Pu t e G Q f u dS t t k S t t t k k ( − ) ( − ) −( + ) + ( )( )∫1 1 10 τ τ τ τ, , (10) tk < t ≤ tk + 1 , k = 0, 1, … , m, d dt FP u t P u t G Q f t u t[ ] ( )( ) + ( ) = ( )− 2 2 1 2 , , t0 ≤ t ≤ t0 + T, t ≠ t1 , … , tm . (11) Dokazatel\stvo. Uravnenye (1) πkvyvalentno sledugwym dvum uravne- nyqm: d dt Q Au t Q Bu t Q f t u tj j j[ ] ( )( ) + ( ) = ( ), , j = 1, 2. ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 O RAZREÍYMOSTY DYFFERENCYAL|NO-ALHEBRAYÇESKYX URAVNENYJ … 461 DomnoΩym sleva πty uravnenyq na G – 1 . Uçyt¥vaq, çto G – 1 Q1 A = G – 1 G P1 = = P1 y G – 1 Q2 B = G – 1 G P2 = P2 , ymeem uravnenye d dt Pu t SP u t G Q f t u t[ ] ( )( ) − ( ) = ( )− 1 1 1 1 , , t0 ≤ t ≤ t0 + T, t ≠ t1 , … , tm , (12) y uravnenye (11). Yspol\zuq formulu varyacyy postoqnn¥x dlq uravnenyq (12) na otrezkax [ tk , tk + 1 ], poluçaem, çto funkcyq u ( t ) ∈ Λ udovletvorqet uravne- nyg (12), esly y tol\ko esly ona udovletvorqet uravnenyqm (10). Lemma dokazana. Rassmotrym sluçaj lynejnoho uravnenyq d dt Au t Bu t[ ]( ) + ( ) = g ( t ), t0 ≤ t ≤ t0 + T, t ≠ tk , k = 1, … , m. (13) Pust\ ν = max { 1, r } y F j G – 1 Q2 g( t ) ∈ C j ( [ t0 , t0 + T ], C n ), j = 0, … , ν – 1. Zdes\ C 0 ( [ t0 , t0 + T ], Cn ) = C ( [ t0 , t0 + T ], Cn ). Oboznaçym Φ ( t ) = (− ) ( )[ ]− = − ∑ 1 1 2 0 1 j j j j j d dt F G Q g t ν , I ( tk , t ) = e G Q g dS t t t k ( − ) − ( )∫ τ τ τ1 1 . UkaΩem neobxodym¥e y dostatoçn¥e uslovyq razreßymosty zadaçy (13), (2), (3). Teorema 1. PredpoloΩym, çto puçok matryc λA B+ rehulqren y F j G – 1 Q2 g ( t ) ∈ C j ( [ t0 , t0 + T ], Cn ), j = 0, … , ν – 1. Zadaça (13), (2), (3) razre- ßyma tohda y tol\ko tohda, kohda v¥polnen¥ sootnoßenyq P S wk j j j k 2 0 , = ∑ = Φ ( tk ), k = 0, 1, … , m, (14) hde w0 = u0 , wj = ( E + C ) ( I ( tj – 1 , tj ) + Φ ( tj ) ) , j = 1, … , m, (15) Sk, j = ( + ) ( − ) = + −∏ E C e P S t t p j k p p 1 1 1 , 0 ≤ j < k, Sk, k = E, k = 0, 1, … , m. Pry πtom zadaça (13), (2), (3) ymeet edynstvennoe reßenye y πto reßenye predstavymo v vyde u ( t ) = e P S w I t t tS t t k j j k j k k( − ) = + ( ) + ( )∑1 0 , , Φ , tk < t ≤ tk + 1 , k = 0, 1, … , m. (16) Symvol Sjj k =∏ 1 proyzvedenyq matryc Sj m¥ ponymaem kak Sj j k = ∏ 1 = Sk Sk – 1 … S1 . Zameçanye 1. Uslovye (14) pry k = 0 ymeet vyd P2 u0 = Φ ( t0 ). (17) ∏to est\ uslovye sohlasovanyq na naçal\n¥j vektor u0 v (3) y pravug çast\ g ( t ) uravnenyq (13). Ono voznykaet yz-za v¥roΩdenyq matryc¥ A. Podobnoe uslovye xoroßo yzvestno dlq v¥roΩdennoho uravnenyq bez ympul\snoho voz- dejstvyq (sm., naprymer, [1, 4, 5]). V sluçae ympul\snoho vozdejstvyq (2) poqv- ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 462 L. A. VLASENKO, N. A. PERESTGK lqgtsq dopolnytel\n¥e uslovyq sohlasovanyq (14) pry k = 1, … , m na matrycu C, naçal\n¥j vektor u0 y pravug çast\ g ( t ). Dlq qvnoho uravnenyq πtyx uslovyj net [3]. Yx nalyçye takΩe obuslovleno v¥roΩdennost\g matryc¥ A. Dokazatel\stvo teorem¥ 1. Vospol\zuemsq lemmoj 2 dlq uravnenyq (13). V sluçae f ( t, u ) = g ( t ) sootnoßenyq (10) y (11) prynymagt vyd P1 u ( t ) = e Pu t I t tS t t k k k( − ) ( + ) + ( )1 0 , , tk < t ≤ tk + 1 , k = 0, 1, … , m, (18) d dt FP u t P u t G Q g t[ ]( ) + ( ) = ( )− 2 2 1 2 , t0 ≤ t ≤ t0 + T, t ≠ t1 , … , tm . (19) Poskol\ku v sylu lemm¥ 1 matryca F nyl\potentna s yndeksom nyl\potent- nosty ν, yz (19) posledovatel\no naxodym F P u t d dt F G Q g ti j j j i j j i ν ν− − + − = − ( ) = (− ) ( )[ ]∑2 1 2 0 1 1 , i = 1, … , ν. Otsgda pry i = ν y yz (18) sleduet, çto lgbaq funkcyq u ( t ) = P1 u ( t ) + + P2 u ( t ) ∈ Λ, udovletvorqgwaq uravnenyg (13), predstavyma v vyde u ( t ) = e Pu t I t t tS t t k k k( − ) ( + ) + ( ) + ( )1 0 , Φ , tk < t ≤ tk + 1 , k = 0, 1, … , m. (20) ∏ta funkcyq odnoznaçno opredelqetsq znaçenyqmy u( t0 + 0 ), u( t1 + 0 ), … … , u( tm + 0 ). Dlq razreßymosty uravnenyq (13) v klasse funkcyj Λ neobxody- mo y dostatoçno, çtob¥ v¥polnqlys\ sootnoßenyq P2 u( tk + 0 ) = Φ ( tk ), k = 0, 1, … , m. (21) Yspol\zuq (20) v toçkax t1 , … , tm , a takΩe ympul\sn¥e vozdejstvyq (2), po- luçaem u( tk + 0 ) = ( E + C ) u( tk – 0 ) = = ( + ) ( + ) + ( ) + ( )( )( − ) − − −E C e Pu t I t t t S t t k k k k k k 1 1 1 10 , Φ , k = 1, … , m. Otsgda posledovatel\no dlq k = 1, … , m naxodym u( tk + 0 ) = S wk j j j k , = ∑ 0 , hde matryc¥ Sk, j y vektor¥ wj opredelqgtsq po formulam (15). Podstavlqq πty znaçenyq v (21), poluçaem uslovyq (14), a podstavlqq yx v (20), poluçaem reßenye naçal\noj zadaçy (13), (2), (3) v vyde (16). Teorema dokazana. V pryvodymom nyΩe sledstvyy yz teorem¥ 1 ustanavlyvagtsq ohranyçenyq na matrycu C, kotor¥e obespeçyvagt v¥polnenye uslovyj (14). Sledstvye. PredpoloΩym, çto F j G – 1 Q2 g ( t ) ∈ Cj ( [ t0 , t0 + T ], C n ), j = = 0, … , ν – 1, y C X1 ⊂ X1 . (22) Zadaça (13), (2), (3) razreßyma tohda y tol\ko tohda, kohda v¥polnen¥ soot- noßenyq (17) y sootnoßenyq P2 C Φ ( tk ) = 0, k = 1, … , m. (23) Reßenye zadaçy (13), (2), (3) edynstvenno y predstavymo v vyde (16). Zameçanye 2. Uslovye (22) πkvyvalentno uslovyg ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 O RAZREÍYMOSTY DYFFERENCYAL|NO-ALHEBRAYÇESKYX URAVNENYJ … 463 P2 C P1 = 0. (24) Dlq dokazatel\stva sledstvyq zametym, çto v sylu (22) (yly (24)) P2 Sk, j = 0 dlq j < k y P2 Sk, k wk = Φ ( tk ) + P2 C Φ ( tk ). Poπtomu sootnoßenyq (14) prynyma- gt vyd (23). PokaΩem prymenenye teorem¥ 1 y sledstvyq yz nee na sledugwem prymere. Prymer 1. V prostranstve C3 rassmotrym uravnenye (13) vyda ′( ) + ( )u t u t1 1 = g1 ( t ), ′ ( ) + ( )u t u t3 2 = g2 ( t ), u3 ( t ) = g3 ( t ), t0 ≤ t ≤ t0 + T, t ≠ tk , k = 1, … , m. Zdes\ u ( t ) = ( u1 ( t ), u2 ( t ), u3 ( t ) ) tr , g ( t ) = ( g1 ( t ), g2 ( t ), g3 ( t ) ) tr . V dannom sluçae ind { A, B } = 2, P1 = Q1 = diag { 1, 0, 0 }, P2 = Q2 = diag { 0, 1, 1 }, G = E , F = = { } =fij i j, 1 3 , f23 = 1, ostal\n¥e πlement¥ matryc¥ F ravn¥ nulg, S = diag { – 1, 0, 0 }, Φ ( t ) = ( 0, g2 ( t ) – ′ ( )g t3 , g3 ( t ) ) tr , I ( tk , t ) = e g dt t t tr k τ τ τ− ( )   ∫ 1 0 0, , , e S t = = diag { e– t, 0, 0 }, C = { } =cij i j, 1 3 , u0 = ( u01 , u02 , u03 ) tr. Uslovye sohlasovanyq (17) na pravug çast\ uravnenyq y naçal\n¥j vektor ymeet vyd u02 = g t g t2 0 3 0( ) − ′ ( ) , u03 = g3 ( t0 ). Uslovye sohlasovanyq (14) pry k = 1 zapys¥vaetsq kak c e u c e g d c g t g t c g tp t t p t p p t t 1 01 1 1 2 2 1 3 1 3 3 1 0 1 1 0 1 − −+ ( ) + ( ) − ′ ( ) + ( )( )∫ τ τ τ = 0, p = 2, 3, a pry k > 1 — kak ( + ) − −c e c uk t t p k 11 1 1 011 0 + c e cp t t k j j k j k 1 11 1 1 1 1 − − − = − ( + )∑ × × ( + ) ( ) + ( ) − ′ ( ) + ( )         − ( ) − ∫c e g d c g t g t c g t t j j j t t j j j 11 1 12 2 3 13 31 1 τ τ τ + + c e g d c g t g t c g tp t p k k p k t t k k k 1 1 2 2 3 3 3 1 τ τ τ− ( ) + ( ) − ′ ( ) + ( )( ) − ∫ = 0, k = 2, … , m, p = 2, 3. V çastnom sluçae (22), t. e. kohda c21 = c31 = 0, uslovyq sohlasovanyq (23) prynymagt vyd c g t g t c g tp k k p k2 2 3 3 3( )( ) − ′ ( ) + ( ) = 0, k = 1, … , m, p = 2, 3. Rassmotrym teper\ nelynejnoe uravnenye (1). Teorema 2. Pust\ puçok matryc λ A + B rehulqren. PredpoloΩym, çto funkcyq f ( t, u ) : [ t0 , t0 + T ] × C n → C n neprer¥vna po t, udovletvorqet uslovyg Lypßyca po u s konstantoj, ne zavysqwej ot t, p r o e k c y q Q2 f ( t, u ) = h ( t ) ne zavysyt ot u, F j G – 1 h ( t ) ∈ C j ( [ t0 , t0 + T ], Cn ), j = 0, … , ν – – 1, y v¥polneno uslovye (22). Zadaça (1), (2), (3) razreßyma, y prytom odno- znaçno, tohda y tol\ko tohda, kohda funkcyq ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 464 L. A. VLASENKO, N. A. PERESTGK Ψ ( t ) = (− ) ( )[ ]− = − ∑ 1 1 0 1 j j j j j d dt F G h t ν udovletvorqet sledugwym sootnoßenyqm: P2 u0 = Ψ ( t0 ), (25) P2 C Ψ ( tk ) = 0, k = 1, … , m. (26) Zametym, çto esly funkcyq f ( t, u ) neprer¥vna po t y udovletvorqet uslo- vyg Lypßyca po u, to πta funkcyq neprer¥vna po sovokupnosty peremenn¥x. Dokazatel\stvo. Prymenym lemmu 2. Uravnenye (11) ymeet vyd d dt FP u t P u t G h t[ ]( ) + ( ) = ( )− 2 2 1 . Kak y pry dokazatel\stve teorem¥ 1, poluçaem P2 u ( t ) = Ψ ( t ). Uravnenyq (10) prynymagt vyd P1 u( t ) = e Pu t e G Q f Pu dS t t k S t t t k k ( − ) ( − ) −( + ) + ( ) + ( )( )∫1 1 1 10 τ τ τ τ τ, Ψ , (27) tk < t ≤ tk + 1 , k = 0, 1, … , m. Na otrezke [ tk , tk + 1 ] suwestvuet edynstvennoe reßenye P1 u( t ) yntehral\noho uravnenyq (27), udovletvorqgwee zadannomu naçal\nomu uslovyg P1 u( tk + 0 ). Poπtomu dlq zadann¥x u( tk + 0 ) suwestvuet edynstvennaq funkcyq u ( t ) ∈ Λ, udovletvorqgwaq uravnenyg (1). Uravnenye (1) πkvyvalentno yntehral\n¥m uravnenyqm u ( t ) = e Pu t e G Q f u d tS t t k S t t t k k ( − ) ( − ) −( + ) + ( ) + ( )( )∫1 1 10 τ τ τ τ, Ψ , (28) tk < t ≤ tk + 1 , k = 0, 1, … , m. Ohranyçenyq P2 u ( tk + 0 ) = Ψ ( tk ), k = 0, 1, … , m, (29) qvlqgtsq neobxodym¥my y dostatoçn¥my dlq razreßymosty uravnenyq (1) v klasse funkcyj Λ. Otsgda pry k = 0 sleduet, çto naçal\n¥j vektor u0 v (3) dolΩen udovletvorqt\ (25). S uçetom ympul\sn¥x vozdejstvyj (2) pry naxoΩ- denyy u( tk + 1 – 0 ) yz (28) pry k = 0, 1, … , m – 1, a takΩe s uçetom ohranyçenyq (22) sootnoßenyq (29) pry k = 1, … , m prynymagt vyd (26). Teorema dokazana. V teoreme 2 m¥ predpolahaly, çto komponenta Q2 f ( t, u ) ne zavysyt ot u. Dlq qvnoho uravnenyq πto trebovanye v¥polneno, tak kak Q2 = 0. V pryvody- moj nyΩe teoreme 3 m¥ otkaz¥vaemsq ot πtoho ohranyçenyq, odnako dopolny- tel\no trebuem, çtob¥ ind { A, B } ≤ 1. Vvedem mnoΩestva vektorov Uk = { u ∈ Cn : Q2 B u = Q2 f ( tk , u ) }, k = 1, … , m. Otmetym, çto esly det A ≠ 0 (znaçyt, P2 = Q2 = 0 ), to mnoΩestva Uk sovpada- gt so vsem prostranstvom Cn . Teorema 3. Pust\ puçok λ A + B rehulqren y ind { A, B } ≤ 1. Predpolo- ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 O RAZREÍYMOSTY DYFFERENCYAL|NO-ALHEBRAYÇESKYX URAVNENYJ … 465 Ωym, çto funkcyq f ( t, u ) : [ t0 , t0 + T ] × Cn → Cn neprer¥vna po t y ee proek- cyy Q1 f ( t, u ), Q2 f ( t, u ) udovletvorqgt uslovyg Lypßyca || Qi [ f ( t, u ) – f ( t, v ) ] || ≤ Mi || u – v ||, i = 1, 2, s konstantoj M2 takoj, çto M2 || G – 1 || < 1. (30) Pust\ takΩe v¥polnen¥ uslovye sohlasovanyq na naçal\n¥j vektor u0 v (3) y pravug çast\ uravnenyq (1) Q2 B u0 = Q2 f ( t0 , u0 ) (31) y vklgçenyq ( E + C ) Uk ⊂ Uk , k = 1, … , m. (32) Tohda suwestvuet edynstvennoe reßenye naçal\noj zadaçy (1) – (3). Zameçanye 3. Dopolnytel\noe ohranyçenye (30) na konstantu Lypßyca M2 voznykaet yz-za v¥roΩdennosty matryc¥ A y suwestvenno yspol\zuetsq pry dokazatel\stve teorem¥ suwestvovanyq dlq uravnenyq bez ympul\snoho vozdejstvyq (sm. teoremu 1 yz [9]). Esly ind { A, B } = 0, t. e. uravnenye (1) — nev¥roΩdennoe, to uslovyq (30), (31), (22), (32) v¥polnqgtsq. Netrudno pry- vesty prymer¥, kohda ne v¥polneno uslovye (30) y zadaça (1) – (3) lybo ne ymeet reßenyq, lybo neodnoznaçno razreßyma. Dokazatel\stvo teorem¥ 3. Yspol\zuq kanonyçeskug formu rehulqrno- ho puçka matryc λ A + B [4, s. 332 – 335] v sluçae, kohda ind { A, B } ≤ 1, polu- çaem uslovye (N) yz [9]: || ( λ A + B ) – 1 || ≤ C2 , | λ | ≥ C1 . Dlq zadannoho u( tk + 0 ) takoho, çto B u ( tk + 0 ) – f ( tk , ( tk + 0 ) ) ∈ A Cn = Y1 , (33) v sylu teorem¥ 1 yz [9] suwestvuet edynstvennoe reßenye u ( t ) uravnenyq (1) na [ tk , tk + 1 ], k = 0, 1, … , m. Dlq πtoho reßenyq yz vtoroho sootnoßenyq v (6) yz [9] ymeem P2 u ( t ) = G – 1 Q2 f ( t, u( t ) ), v çastnosty, u( tk + 1 – 0 ) ∈ Uk + 1 . Zametym, çto teorema 1 yz [9] ostaetsq spravedlyvoj, esly naçal\n¥j moment vremeny est\ proyzvol\noe vewestvennoe çyslo; v uslovyqx y v utverΩdenyy teorem¥ sle- duet naçal\n¥j moment vremeny t = 0 zamenyt\ πtym çyslom. Poskol\ku (31) est\ (33) pry k = 0, suwestvuet edynstvennoe reßenye zadaçy (1), (3) na [ t0 , t1 ]. V sylu uslovyq (2) v toçke t1 dolΩno v¥polnqt\sq sootnoßenye u( t1 + 0 ) = = ( E + C ) u( t1 – 0 ). Yz (33) pry k = 1 sleduet, çto u( t1 + 0 ) ∈ U1 . Poπtomu (33) v¥polnqetsq pry k = 1. Sledovatel\no, suwestvuet edynstvennoe reßenye uravnenyq (1) na otrezke [ t1 , t2 ] s naçal\n¥m vektorom u( t1 + 0 ) = ( E + C ) u( t1 – – 0 ). Çtob¥ zaverßyt\ dokazatel\stvo teorem¥, posledovatel\no dlq k = 2, … … , m ustanavlyvaem suwestvovanye reßenyq uravnenyq (1) na yntervalax [ tk , tk + 1 ] s naçal\n¥m uslovyem u( tk + 0 ) = ( E + C ) u( tk – 0 ). Prymer 2. V prostranstve C2 rassmotrym uravnenye ′( ) + ( )u t u t1 1 = f1 ( t, u1 , u2 ), u2( t ) = f2 ( t, u2 ). (34) Zdes\ u = ( u1 , u2 ) tr, A = diag { 1, 0 }, B = E, ind { A, B } = 1, P1 = Q1 = diag { 1, 0 }, P2 = Q2 = diag { 0, 1 }, G = G – 1 = E , f ( t, u ) = ( f1 ( t, u1 , u2 ), f2 ( u2 ) ) tr . Pust\ f1 ( t, u1 , u2 ) neprer¥vna po t y po u1 , u2 udovletvorqet uslovyg Lypßyca, f2 ( t, u2 ) neprer¥vna po t y po u2 udovletvorqet uslovyg Lypßyca s konstan- ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 466 L. A. VLASENKO, N. A. PERESTGK toj, men\ßej edynyc¥. Oboznaçym çerez ak reßenye uravnenyq ak = f2 ( tk , ak ), k = 0, 1, … , m. MnoΩestva Uk sostoqt yz vektorov vyda ( z, ak ) tr, hde z probe- haet C. Uslovyq (32) budut v¥polnen¥, esly vtoraq stroka matryc¥ C nule- vaq. V sylu teorem¥ 3 dlq lgboho vektora u0 = ( z, a0 ) tr, z ∈ C, suwestvuet edynstvennoe reßenye zadaçy (34), (2), (3). V teoremax 1 – 3 m¥ ohranyçylys\ sluçaem neprer¥vn¥x funkcyj g ( t ) y f ( t, u ). Analohyçno rassmatryvaetsq sluçaj kusoçno-neprer¥vn¥x po t funk- cyj, kotor¥e ymegt razr¥v¥ pervoho roda v toçkax t1 , … , tm . M¥ yssledovaly uravnenyq (1) y (13) v kompleksnom prostranstve. RassuΩ- daq, kak v razdele 6 rabot¥ [10], moΩno rassmotret\ πty uravnenyq v vewestven- nom prostranstve. 3. Prymer yz fyzyky. Rassmotrym πlektryçeskyj dvuxpolgsnyk, yzob- raΩenn¥j na rysunke. Na vxod podaetsq tok I0 (sçytaetsq zadann¥m). Na vnutrennyx vetvqx raspoloΩen¥ ynduktyvnosty L1 , L2 y emkost\ C, na koto- r¥x toky y naprqΩenyq oboznaçagtsq çerez I1 , I2 , I3 y U1 , U2 , U3 sootvet- stvenno. Toky y naprqΩenyq udovletvorqgt zakonam Kyrxhofa U1 – U2 – U3 = 0, I3 – I2 = 0, I1 + I2 – I0 = 0, (35) a takΩe uravnenyqm Uj = d dt L I Ij j j j( ) + ( )ϕ , j = 1, 2, I3 = d dt CU U( ) + ( )3 3 3ϕ , L1 , L2 , C > 0. (36) Nelynejn¥e funkcyy ϕk ( Ik ), k = 1, 2, sootvetstvugt omyçeskym poterqm na- prqΩenyj v ynduktyvnostqx, ϕ3 ( U3 ) — uteçke toka v emkosty. Vnutrennee sostoqnye πlektryçeskoj cepy oxarakteryzuem vektorom u = ( u1 , u2 , u3 ) tr = ( I1 , I2 , I3 ) tr, sostoqwym yz „πnerhetyçeskyx” komponent πlektryçeskoj cepy. S po- mow\g (35), (36) poluçaem systemu trex dyfferencyal\no-alhebrayçeskyx uravnenyj otnosytel\no πtyx komponent d dt L I L I U I I( − ) − = ( ) − ( )1 1 2 2 3 2 2 1 1ϕ ϕ , (37) d dt CU I U( ) − = − ( )3 2 3 3ϕ , I1 + I2 = I0 ( t ). Uravnenyq (37) v vektornoj forme ymegt vyd (1), hde A = L L C 1 2 0 0 0 0 0 0 −        , B = 0 0 1 0 1 0 1 1 0 − −         , ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 O RAZREÍYMOSTY DYFFERENCYAL|NO-ALHEBRAYÇESKYX URAVNENYJ … 467 f ( t, u ) = ϕ ϕ ϕ 2 2 1 1 3 3 0 ( ) − ( ) − ( ) ( )         u u u I t . Predpolahaetsq, çto v moment¥ vremeny t1 < … < tm vnutrennye toky y naprq- Ωenyq podverhagtsq ympul\sn¥m vozdejstvyqm, fyzyçeskymy pryçynamy koto- r¥x mohut qvlqt\sq skaçky parametrov ynduktyvnostej y emkosty. Vxodnoj tok I0 ( t ) vsgdu neprer¥ven yz-za dostatoçnoj mownosty vxodnoho ystoçnyka. V sylu tret\eho uravnenyq v (37) skaçky tokov ne mohut b¥t\ proyzvol\n¥my, ony dolΩn¥ udovletvorqt\ uravnenyqm ∆ I1 | t = tk + ∆ I2 | t = tk = 0, k = 1, … , m. Uçyt¥vaq opredelenye vektora u y ympul\sn¥e vozdejstvyq (2), ymeem ( 1, 1, 0 ) C u( tk – 0 ) = 0, k = 1, … , m. Dlq v¥polnenyq πtoho sootnoßenyq ot matryc¥ C = { } =cij i j, 1 3 estestvenno po- trebovat\, çtob¥ ( 1, 1, 0 ) C = 0 yly c2j = – c1j , j = 1, 2, 3. (38) Puçok matryc λ A + B rehulqren. S pomow\g neposredstvenn¥x v¥çysle- nyj poluçaem ( λ A + B ) – 1 = 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 1 1 2 1 λ λ λ λ λ λ λ C L L C L C C L C L L L ( + ) + + − − − ( + )           , P1 = L L L L L L L L L L L L 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 0 0 0 0 1 + − + − + +             , Q1 = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 L L L+           , G = L L L L L L L L C 1 2 1 1 2 1 1 2 0 1 1 0 − − + − +           , G – 1 = 1 0 1 0 0 1 1 2 2 1 2 1 2 1 1 2 1 1 2 L L L L L L L L L L C L C L L + + − + + ( + )               . Netrudno vydet\, çto ind { A, B } = 1. Ymeem Q2 f ( t, u ) = h ( t ) = I t L L L L L 0 1 2 1 1 2 0 ( ) + − +         , ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4 468 L. A. VLASENKO, N. A. PERESTGK Ψ ( t ) = G – 1 h ( t ) = I t L L L L0 1 2 2 1 0 ( ) +         . Budem predpolahat\, çto funkcyy ϕj ( z ), j = 1, 2, 3, udovletvorqgt uslovyg Lypßyca. Zadadym naçal\noe sostoqnye cepy I1 ( t0 ), I2 ( t0 ), U3 ( t0 ) tak, çtob¥ udovletvorqlos\ sootnoßenye I1 ( t0 ) + I2 ( t0 ) = I0 ( t0 ). ∏to sootnoßenye daet uslovye sohlasovanyq (25). Yz (38) sleduet P2 C = 0. Poπtomu uslovyq (26) v¥polnen¥. V sylu teorem¥ 2 m¥ odnoznaçno naxodym toky I1 ( t ), I2 ( t ) y naprqΩenye U3 ( t ), pryçem I1 ( t ), I2 ( t ) kusoçno-nepre- r¥vn¥, ( L1 I1 – L2 I2 ), U3 ( t ) kusoçno-neprer¥vno dyfferencyruem¥. Tok I3 ( t ) naxodym yz tret\eho uravnenyq v (36). Esly dopolnytel\no potrebovat\, çtob¥ I0 ( t ) ∈ C 1 [ t0 , t0 + T ], to I1 ( t ), I2 ( t ) budut kusoçno-neprer¥vno dyfferency- ruem¥my. NaprqΩenyq U1 ( t ), U2 ( t ) naxodym yz pervoho y vtoroho uravnenyj vR(36). 1. Samojlenko A. M., Íkil\ M. I., Qkovec\ V. P. Linijni systemy dyferencial\nyx rivnqn\ z vyrodΩennqm. – Ky]v: Vywa ßk., 2000. – 296 s. 2. März R. Progress in handling differential algebraic equations // Ann. Numer. Math. – 1994. – 1. – P. 279 – 292. 3. Samoilenko A. M., Perestyuk N. A. Impulsive differential equations. – Singapore etc.: World Sci., 1995. – 462 p. 4. Hantmaxer F. R. Teoryq matryc. – M.: Nauka, 1966. – 576 s. 5. Rutkas A. H. Zadaça Koßy dlq uravnenyq Ax t Bx t f t′( ) + ( ) = ( ) // Dyfferenc. uravnenyq. – 1975. – 11, # 11. – S. 1996 – 2010. 6. Keld¥ß M. V. O sobstvenn¥x znaçenyqx y sobstvenn¥x funkcyqx nekotor¥x klassov nesa- mosoprqΩenn¥x uravnenyj // Dokl. AN SSSR. – 1951. – 77, # 1. – S. 11 – 14. 7. Vajnberh M. M., Trenohyn V. A. Teoryq vetvlenyq reßenyj nelynejn¥x uravnenyj. – M.: Nauka, 1969. – 528 s. 8. Vlasenko L. Implicit linear time-dependent differential-difference equations and applications // Math. Meth. in Appl. Sci. – 2000. – 23, # 10. – P. 937 – 948. 9. Vlasenko L. A., Rutkas A. H. Ob odnoznaçnoj razreßymosty odnoho v¥roΩdennoho funk- cyonal\no-dyfferencyal\noho uravnenyq // Dopov. NAN Ukra]ny. – 2003. – # 3. – S. 11 – 16. 10. Rutkas A. G., Vlasenko L. A. Existence, uniqueness and continuous dependence for implicit semilinear functional differential equations // Nonlinear Anal. TMA. – 2003. – 55, # 1-2. – P. 125 – 139. Poluçeno 29.01.2004 ISSN 0041-6053. Ukr. mat. Ωurn., 2005, t. 57, # 4
id umjimathkievua-article-3612
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
English
last_indexed 2026-03-24T02:45:46Z
publishDate 2005
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/b6/d999e7c1453f9953547c35a1629a69b6.pdf
spelling umjimathkievua-article-36122020-03-18T20:00:05Z On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations Оценки скорости сходимости в обыкновенных дифференциальных уравнениях, находящихся под воздействием случайных процессов с быстрым временем Vlasenko, L. A. Perestyuk, N. A. Власенко, Л. А. Перестюк, Н. А. Власенко, Л. А. Перестюк, Н. А. We establish theorems on the existence and uniqueness of a solution of the impulsive differential-algebraic equation $$\frac{d}{{dt}}[Au(t)] + Bu(t) = f(t,u(t)),$$ where the matrix A may be singular. The results are applied to the theory of electric circuits. Одержано теореми існування та єдиності для диференціально-алгебраїчного рівняння $\cfrac{d}{dt}[Au(t)] + Bu(t) = f(t, u(t))$ з імпульсною дією. Матриця $A$ може бути виродженою. Результати застосовано до теорії електричних ланцюгів. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2005-04-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3612 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 57 No. 4 (2005); 458–468 Український математичний журнал; Том 57 № 4 (2005); 458–468 1027-3190 rus en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3612/3955 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3612/3956 Copyright (c) 2005 Vlasenko L. A.; Perestyuk N. A.
spellingShingle Vlasenko, L. A.
Perestyuk, N. A.
Власенко, Л. А.
Перестюк, Н. А.
Власенко, Л. А.
Перестюк, Н. А.
On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations
title On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations
title_alt Оценки скорости сходимости в обыкновенных дифференциальных уравнениях, находящихся под воздействием случайных процессов с быстрым временем
title_full On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations
title_fullStr On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations
title_full_unstemmed On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations
title_short On the Solvability of Impulsive Differential-Algebraic Equations
title_sort on the solvability of impulsive differential-algebraic equations
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3612
work_keys_str_mv AT vlasenkola onthesolvabilityofimpulsivedifferentialalgebraicequations
AT perestyukna onthesolvabilityofimpulsivedifferentialalgebraicequations
AT vlasenkola onthesolvabilityofimpulsivedifferentialalgebraicequations
AT perestûkna onthesolvabilityofimpulsivedifferentialalgebraicequations
AT vlasenkola onthesolvabilityofimpulsivedifferentialalgebraicequations
AT perestûkna onthesolvabilityofimpulsivedifferentialalgebraicequations
AT vlasenkola ocenkiskorostishodimostivobyknovennyhdifferencialʹnyhuravneniâhnahodâŝihsâpodvozdejstviemslučajnyhprocessovsbystrymvremenem
AT perestyukna ocenkiskorostishodimostivobyknovennyhdifferencialʹnyhuravneniâhnahodâŝihsâpodvozdejstviemslučajnyhprocessovsbystrymvremenem
AT vlasenkola ocenkiskorostishodimostivobyknovennyhdifferencialʹnyhuravneniâhnahodâŝihsâpodvozdejstviemslučajnyhprocessovsbystrymvremenem
AT perestûkna ocenkiskorostishodimostivobyknovennyhdifferencialʹnyhuravneniâhnahodâŝihsâpodvozdejstviemslučajnyhprocessovsbystrymvremenem
AT vlasenkola ocenkiskorostishodimostivobyknovennyhdifferencialʹnyhuravneniâhnahodâŝihsâpodvozdejstviemslučajnyhprocessovsbystrymvremenem
AT perestûkna ocenkiskorostishodimostivobyknovennyhdifferencialʹnyhuravneniâhnahodâŝihsâpodvozdejstviemslučajnyhprocessovsbystrymvremenem