Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II

UDC 517.928 We consider the problem of finding asymptotic solutions to linear singular perturbed differential-algebraic equations with a simple turning point and develop a technique of constructing such asymptotic solutions.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2021
Hauptverfasser: Samoilenko , A. M., Samusenko , P. F., Самойленко , А. М., Самусенко, П. Ф., /
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2021
Online Zugang:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6260
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_ 1860512311905615872
author Samoilenko , A. M.
Samusenko , P. F.
Самойленко , А. М.
Самусенко, П. Ф.
/
author_facet Samoilenko , A. M.
Samusenko , P. F.
Самойленко , А. М.
Самусенко, П. Ф.
/
author_sort Samoilenko , A. M.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2022-03-26T11:03:04Z
description UDC 517.928 We consider the problem of finding asymptotic solutions to linear singular perturbed differential-algebraic equations with a simple turning point and develop a technique of constructing such asymptotic solutions.
doi_str_mv 10.37863/umzh.v73i6.6260
first_indexed 2026-03-24T03:26:47Z
format Article
fulltext DOI: 10.37863/umzh.v73i6.6260 УДК 517.928 А. М. Самойленко (Iн-т математики НАН України, Київ), П. Ф. Самусенко (Нац. пед. ун-т iм. М. П. Драгоманова, Київ) АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ РIВНЯНЬ З ТОЧКАМИ ПОВОРОТУ. II We consider the problem of finding asymptotic solutions to linear singular perturbed differential-algebraic equations with a simple turning point and develop a technique of constructing such asymptotic solutions. Розроблено алгоритм знаходження асимптотичних розв’язкiв лiнiйної сингулярно збуреної диференцiально-алгебра- їчної системи з простою точкою повороту. Дана стаття є продовженням роботи [1], де розглядається сингулярно збурена диференцiально- алгебраїчна система \varepsilon B(t, \varepsilon ) dx dt = A(t, \varepsilon )x, t \in [0;T ], (1) з точкою повороту. Нехай виконуються такi умови: 1) A(0, 0) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g}\{ Eq, Jp\} , B(0, 0) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g}\{ Jq, Ep\} , p + q = n, де Eq — одинична матриця порядку q, Jq — квадратна матриця порядку q, елементи верхньої наддiагоналi якої дорiвнюють 1, решта елементiв – нулю; аналогiчно визначаються матрицi Ep i Jp; 2) d dt (\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{t}A(t, 0))| t=0 \not = 0, d dt (\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{t}B(t, 0))| t=0 \not = 0. У статтi [1] знайдено фундаментальну систему розв’язкiв системи (1) на вiдрiзку \bigl[ k0\varepsilon p p+1 ; t0 \bigr] , t0 \leq T. У цiй частинi роботи розв’язки системи (1) побудовано на вiдрiзку \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon p p+1 \bigr] , k\prime 0 > k0, i здiйснено зрощування знайдених асимптотичних розвинень. Згiдно з результатами [2 – 4] iснують такi неособливi достатньо гладкi матрицi P (t, \varepsilon ), Q(t, \varepsilon ), (t, \varepsilon ) \in [0; t1]\times [0; \varepsilon 1], t1 \leq T, \varepsilon 1 \leq \varepsilon 0, що мають мiсце рiвностi P (t, \varepsilon )A(t, \varepsilon )Q(t, \varepsilon ) = \Omega (t, \varepsilon ) \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ Eq(t, \varepsilon ), Jp(t, \varepsilon ) \bigr\} , (2) P (t, \varepsilon )B(t, \varepsilon )Q(t, \varepsilon ) = H(t, \varepsilon ) \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ Jq(t, \varepsilon ), Ep(t, \varepsilon ) \bigr\} , (3) де \Omega (t, 0) = \Omega (t) \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g}\{ Eq, Jp(t)\} , H(t, 0) = H(t) \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g}\{ Jq(t), Ep\} , Jq(t) = \left( 0 1 0 . . . 0 0 0 1 . . . 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . 1 bq(t) bq - 1(t) bq - 2(t) . . . b1(t) \right) , c\bigcirc А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО, 2021 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 849 850 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО Jp(t) = \left( 0 1 0 . . . 0 0 0 1 . . . 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . 1 ap(t) ap - 1(t) ap - 2(t) . . . a1(t) \right) , функцiї bi(t) = t\widetilde bi(t), i = 1, q, i ai(t) = t\widetilde ai(t), i = 1, p, визначаються вiдповiдно характеристич- ними многочленами матриць B(t, 0) i A(t, 0) [4]. При цьому з умови 2 випливає, що \widetilde bq(0) \not = 0 й \widetilde ap(0) \not = 0. Покладемо x(t, \varepsilon ) = Q(t, \varepsilon )y(t, \varepsilon ). Тодi система (1) набере вигляду \varepsilon H(t, \varepsilon ) dy dt = C(t, \varepsilon )y, (4) де C(t, \varepsilon ) = \Omega (t, \varepsilon ) - \varepsilon H(t, \varepsilon )Q - 1(t, \varepsilon )Q\prime (t, \varepsilon ). За побудовою Q\prime (t, 0) = 0 [3]. Нехай H(t, \varepsilon ) = \sum k\geq 0 \varepsilon kHk(t), C(t, \varepsilon ) = \sum k\geq 0 \varepsilon kCk(t). Тодi H0(t) = H(t), H1(t) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ H1q(t), H1p(t) \bigr\} , C0(t) = \Omega (t), C1(t) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ C1q(t), C1p(t) \bigr\} , де H1q(t), C1q(t) — квадратнi матрицi порядку q. Нехай K(t, \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ Eq + \varepsilon C1q(t), Ep + \varepsilon H1p(t) \bigr\} . Домножимо злiва обидвi частини сис- теми (4) на матрицю K - 1(t, \varepsilon ): \varepsilon G(t, \varepsilon ) dy dt = D(t, \varepsilon )y. (5) За побудовою [1] G(t, \varepsilon ) = \sum k\geq 0 \varepsilon kGk(t), D(t, \varepsilon ) = \sum k\geq 0 \varepsilon kDk(t), D0(t) = C0(t), D1(t) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ 0, D1p(t) \bigr\} \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ 0, C1p(t) - H1p(t)Jp(t) \bigr\} , G0(t) = H0(t), G1(t) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ G1q(t), 0 \bigr\} \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ H1q(t) - C1q(t)Jq(t), 0 \bigr\} . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 851 Внутрiшнє розвинення. Розв’язок системи (5) шукатимемо на вiдрiзку \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] , \beta = = 1 p+ 1 , k\prime 0 > k0. Виконаємо замiну \tau = t \varepsilon . Тодi система (5) набере вигляду G(\varepsilon \tau , \varepsilon ) dy d\tau = D(\varepsilon \tau , \varepsilon )y, (6) де G(\varepsilon \tau , \varepsilon ) = H(0) + \varepsilon \bigl( \tau H \prime (0) +G1(0) \bigr) + \sum k\geq 2 \varepsilon k k\sum i=0 1 i!(k - i)! \partial kG(0, 0) \partial tk - i\partial \varepsilon i \tau k - i \equiv \equiv \sum k\geq 0 \varepsilon kGk(\tau ), D(\varepsilon \tau , \varepsilon ) = \Omega (0) + \varepsilon \bigl( \tau \Omega \prime (0) +D1(0) \bigr) + \sum k\geq 2 \varepsilon k k\sum i=0 1 i!(k - i)! \partial kD(0, 0) \partial tk - i\partial \varepsilon i \tau k - i \equiv \equiv \sum k\geq 0 \varepsilon kDk(\tau ). Позначимо \rho 1(\tau , \varepsilon ) = \varepsilon \bigl( \tau \widetilde bq(0) + \bigl\{ G1q(0) \bigr\} q1 \bigr) , \rho 2(\tau , \varepsilon ) = \varepsilon \bigl( \tau \widetilde ap(0) + \bigl\{ D1p(0) \bigr\} p1 \bigr) . Нехай виконується умова 3) \mathrm{R}\mathrm{e} q \sqrt{} \tau \widetilde bq(0) + \bigl\{ G1q(0) \bigr\} q1 \not = 0, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , i \mathrm{R}\mathrm{e} \bigl\{ D1p(0) \bigr\} p1 \mathrm{R}\mathrm{e}\widetilde ap(0) + \mathrm{I}\mathrm{m} \bigl\{ D1p(0) \bigr\} p1 \mathrm{I}\mathrm{m}\widetilde ap(0) > 0. Зазначимо, що з умови 3 випливає, що \tau \widetilde ap(0) + \bigl\{ D1p(0) \bigr\} p1 \not = 0, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Зведемо матрицi G0(\tau ) + \varepsilon G1(\tau ) i D0(\tau ) + \varepsilon D1(\tau ) до дiагонального вигляду. Для цього, насамперед, зазначимо, що розв’язки рiвнянь \mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{t}(Jq(0) + \varepsilon \bigl( \tau J \prime q(0) +G1q(0) \bigr) - \omega Eq) = 0 i \mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{t}(Jp(0) + \varepsilon (\tau J \prime p(0) +D1p(0)) - \omega Ep) = 0 мають вигляд [5] \omega j(\tau , \varepsilon ) = \rho 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) +O \Bigl( \rho q+1 q2 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) , j = 1, q, \omega j(\tau , \varepsilon ) = \rho 1 p 2 (\tau , \varepsilon ) +O \Bigl( \rho p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) , j = q + 1, n. Згiдно з умовою 3 вважаємо, що функцiї \mathrm{R}\mathrm{e}\omega j(t, \varepsilon ), j = 1, q, i \omega j(t, \varepsilon ), j = q + 1, n, на вiдрiзку\bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] вiдмiннi вiд нуля. Нехай \widetilde T - 1 q (\tau , \varepsilon ) \bigl( Jq(0) + \varepsilon \bigl( \tau J \prime q(0) +G1q(0) \bigr) \bigr) \widetilde Tq(\tau , \varepsilon ) = \Phi q(\tau , \varepsilon ) \equiv ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 852 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \omega 1(\tau , \varepsilon ), \omega 2(\tau , \varepsilon ), . . . , \omega q(\tau , \varepsilon ) \bigr\} ,\widetilde T - 1 p (\tau , \varepsilon ) \bigl( Jp(0) + \varepsilon (\tau J \prime p(0) +D1q(0)) \bigr) \widetilde Tp(\tau , \varepsilon ) = \Phi p(\tau , \varepsilon ) \equiv \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \omega q+1(\tau , \varepsilon ), \omega q+2(\tau , \varepsilon ), . . . , \omega n(\tau , \varepsilon ) \bigr\} , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Позначимо через \psi j(\tau , \varepsilon ), j = 1, q, стовпцi матрицi \widetilde Tq(\tau , \varepsilon ). Тодi, вважаючи компонентами векторiв \psi j(\tau , \varepsilon ), j = 1, q, алгебраїчнi доповнення елементiв q-го рядка матрицi Jq(0) + + \varepsilon \bigl( \tau J \prime q(0) +G1q(0) \bigr) - \omega j(\tau , \varepsilon )Eq, отримуємо \psi j(\tau , \varepsilon ) = \left( 1 +O(\varepsilon ) \rho 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) +O \Bigl( \rho q+1 q2 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) \rho 2 q 1 (\tau , \varepsilon ) +O \Bigl( \rho 2q+1 q2 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \rho q - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) +O \Bigl( \rho (q - 1)q+1 q2 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) \right) , j = 1, q, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Отже, \widetilde T - 1 q (\tau , \varepsilon ) = \left( O(1) O \Bigl( \rho - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . O \Bigl( \rho - q - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) O(1) O \Bigl( \rho - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . O \Bigl( \rho - q - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O(1) O \Bigl( \rho - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . O \Bigl( \rho - q - 1 q 1 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) \right) , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Аналогiчну структуру має матриця \widetilde Tp(\tau , \varepsilon ). Нехай \widetilde T (\tau , \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \widetilde Tq(\tau , \varepsilon ), \widetilde Tp(\tau , \varepsilon )\bigr\} . Покладаючи у системi (6) y(\tau , \varepsilon ) = \widetilde T (\tau , \varepsilon )v(\tau , \varepsilon ), одержуємо N(\tau , \varepsilon ) dv d\tau =M(\tau , \varepsilon )v, (7) де N(\tau , \varepsilon ) = \widetilde T - 1(\tau , \varepsilon )G(\varepsilon \tau , \varepsilon ) \widetilde T (\tau , \varepsilon ) \equiv \sum k\geq 0 \varepsilon kNk(\tau , \varepsilon ), N0(\tau , \varepsilon ) = \Biggl( \Phi q(\tau , \varepsilon ) 0 0 Ep \Biggr) , N1(\tau , \varepsilon ) = 0, Nk(\tau , \varepsilon ) = \widetilde T - 1(\tau , \varepsilon )Gk(\tau ) \widetilde T (\tau , \varepsilon ), k \geq 2, M(\tau , \varepsilon ) = \widetilde T - 1(\tau , \varepsilon )D(\varepsilon \tau , \varepsilon ) \widetilde T (\tau , \varepsilon ) - \widetilde T - 1(\tau , \varepsilon )G(\varepsilon \tau , \varepsilon ) \widetilde T \prime (\tau , \varepsilon ) \equiv \sum k\geq 0 \varepsilon kMk(\tau , \varepsilon ), M0(\tau , \varepsilon ) = \Biggl( Eq 0 0 \Phi p(\tau , \varepsilon ) \Biggr) , M1(\tau , \varepsilon ) = - 1 \varepsilon N0(\tau , \varepsilon ) \widetilde T - 1(\tau , \varepsilon ) \widetilde T \prime (\tau , \varepsilon ), ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 853 Mk(\tau , \varepsilon ) = \widetilde T - 1(\tau , \varepsilon ) \bigl( Dk(\tau ) \widetilde T (\tau , \varepsilon ) - Gk(\tau ) \widetilde T \prime (\tau , \varepsilon ) \bigr) , k \geq 2. Докладнiше проаналiзуємо структуру, наприклад, матрицi \widetilde T - 1 p (\tau , \varepsilon ) \widetilde T \prime p(\tau , \varepsilon ). За побудовою \widetilde Tp(\tau , \varepsilon ) = K0(\tau , \varepsilon )K1 +K2(\tau , \varepsilon ), K0(\tau , \varepsilon ) = \left( 1 0 0 . . . 0 0 | \rho 2(\tau , \varepsilon )| 1 p\omega 0(\tau , \varepsilon ) 0 . . . 0 0 0 | \rho 2(\tau , \varepsilon )| 2 p\omega 2 0(\tau , \varepsilon ) . . . 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . | \rho 2(\tau , \varepsilon )| p - 1 p \omega p - 1 0 (\tau , \varepsilon ) \right) , \omega 0(\tau , \varepsilon ) = e i arg \rho 2(\tau ,\varepsilon ) p , K1 = \left( 1 1 1 . . . 1 1 \omega \omega 2 . . . \omega p - 1 1 \omega 2 \omega 4 . . . \omega 2(p - 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 \omega p - 1 \omega 2(p - 1) . . . \omega (p - 1)(p - 1) \right) , \omega = e 2\pi i p , K2(\tau , \varepsilon ) = \left( O(\varepsilon ) O(\varepsilon ) . . . O(\varepsilon ) O \Bigl( \rho p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) O \Bigl( \rho p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . O \Bigl( \rho p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) O \Bigl( \rho 2p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) O \Bigl( \rho 2p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . O \Bigl( \rho 2p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O \Bigl( \rho (p - 1)p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) O \Bigl( \rho (p - 1)p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) . . . O \Bigl( \rho (p - 1)p+1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) \right) , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0 + . Тодi \widetilde T - 1 p (\tau , \varepsilon ) \widetilde T \prime p(\tau , \varepsilon ) = \bigl( K0(\tau , \varepsilon )K1 +K2(\tau , \varepsilon ) \bigr) - 1\bigl( K \prime 0(\tau , \varepsilon )K1 +K \prime 2(\tau , \varepsilon ) \bigr) = = \Bigl( Ep + \rho 1 p2 2 (\tau , \varepsilon )K3(\tau , \varepsilon ) \Bigr) \Bigl( K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 + \varepsilon \rho - 1+ 1 p2 2 (\tau , \varepsilon )K4(\tau , \varepsilon ) \Bigr) = = K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 + \varepsilon \rho - 1+ 1 p2 2 (\tau , \varepsilon )K5(\tau , \varepsilon ), де \Phi 0(\tau , \varepsilon ) = K - 1 0 (\tau , \varepsilon )K \prime 0(\tau , \varepsilon ) = 1 p \biggl( | \rho 2(\tau , \varepsilon )| \prime | \rho 2(\tau , \varepsilon )| + i(\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g} \rho 2(\tau , \varepsilon )) \prime \biggr) I, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 854 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО I = \left( 0 0 0 . . . 0 0 1 0 . . . 0 0 0 2 . . . 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . p - 1 \right) , K3(\tau , \varepsilon ) = O(1), K4(\tau , \varepsilon ) = O(1), K5(\tau , \varepsilon ) = O(1), \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0 + . Таким чином, можна вважати, що M0(\tau , \varepsilon ) = \Biggl( Eq 0 0 - K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 +\Phi p(\tau , \varepsilon ) \Biggr) , M1(\tau , \varepsilon ) = 1 \varepsilon \left( - \Phi q(\tau , \varepsilon ) \widetilde T - 1 q (\tau , \varepsilon ) \widetilde T \prime q(\tau , \varepsilon ) 0 0 - \varepsilon \rho - 1+ 1 p2 2 K5(\tau , \varepsilon ) \right) . Формальний матричний розв’язок системи (7) шукаємо у виглядi V (\tau , \varepsilon ) = \sum k\geq 0 \varepsilon kVk(\tau , \varepsilon ). (8) Модифiкуємо процедуру визначення функцiй Vk(\tau , \varepsilon ), зрiвнюючи коефiцiєнти при степенях \varepsilon k, таким чином: \Biggl( \Phi q(\tau , \varepsilon ) 0 0 Ep \Biggr) dV0 d\tau = \Biggl( Eq 0 0 - K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 +\Phi p(\tau , \varepsilon ) \Biggr) V0, (9) \Biggl( \Phi q(\tau , \varepsilon ) 0 0 Ep \Biggr) dVk d\tau = \Biggl( Eq 0 0 - K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 +\Phi p(\tau , \varepsilon ) \Biggr) Vk + Fk(\tau , \varepsilon ), k \geq 1, (10) де Fk(\tau , \varepsilon ) = k\sum s=1 Ms(\tau , \varepsilon )Vk - s(\tau , \varepsilon ) - k\sum s=2 Ns(\tau , \varepsilon )V \prime k - s(\tau , \varepsilon ). Iз рiвнянь (9), (10) отримуємо V0(\tau , \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ V01(\tau , \varepsilon ), V02(\tau , \varepsilon ) \bigr\} , (11) де V01(\tau , \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \left\{ \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( \tau \int b1 \omega - 1 1 (s, \varepsilon )ds \right) , . . . , \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( \tau \int bq \omega - 1 q (s, \varepsilon )ds \right) \right\} , V02(\tau , \varepsilon ) — фундаментальна матриця системи ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 855 dV02 d\tau = \bigl( - K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 +\Phi p(\tau , \varepsilon ) \bigr) V02, Vk(\tau , \varepsilon ) = \tau \int b V0(\tau , \varepsilon )V - 1 0 (s, \varepsilon )Rk(s, \varepsilon ) ds, k \in N. (12) Тут Rk(\tau , \varepsilon ) = \Biggl( \Phi - 1 q (\tau , \varepsilon ) 0 0 Ep \Biggr) Fk(\tau , \varepsilon ), b = \bigl( b1, . . . , bq, k \prime 0\varepsilon - \beta , . . . , k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr) , нижня межа iнтегрування в iнтегралi, що мiститься у i-му рядку системи (12), дорiвнює bi, i = 1, q, або k\prime 0\varepsilon - \beta , i = q + 1, n, bi = \left\{ 0, \mathrm{R}\mathrm{e}\omega i(\tau , \varepsilon ) < 0, k\prime 0\varepsilon - \beta , \mathrm{R}\mathrm{e}\omega i(\tau , \varepsilon ) > 0, t \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , \varepsilon \in (0; \varepsilon 0]. Зауваження 1. Оскiльки власнi значення матрицi - \Phi 0(\tau , \varepsilon ), згiдно з умовою 3, мають недодатнi дiйснi частини, то V02(\tau , \varepsilon ) обмежена на вiдрiзку \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Справдi, матриця V02(\tau , \varepsilon ) задовольняє систему iнтегральних рiвнянь V02(\tau , \varepsilon ) = \Psi (\tau , \varepsilon )C + \tau \int 0 \Psi (\tau , \varepsilon )\Psi - 1(s, \varepsilon )\Phi p(s, \varepsilon )V02(s, \varepsilon )ds, де \Psi (\tau , \varepsilon ) = K - 1 1 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( - \int \tau 0 \Phi 0(s, \varepsilon )ds \biggr) K1 — фундаментальна матриця системи dv2 d\tau = - K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1v2, C — матриця довiльних сталих. За побудовою \bigm\| \bigm\| \Psi (\tau , \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq l0, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Тому \bigm\| \bigm\| V02(\tau , \varepsilon )\bigm\| \bigm\| \leq c1 + l1 \tau \int 0 \bigm\| \bigm\| \Phi p(s, \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| V02(s, \varepsilon )\bigm\| \bigm\| ds. Отже, згiдно з лемою Гронуолла – Беллмана \bigm\| \bigm\| V02(\tau , \varepsilon )\bigm\| \bigm\| \leq c1 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( l1 \tau \int 0 \bigm\| \bigm\| \Phi p(s, \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| ds \right) \leq l, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , де стала l не залежить вiд \varepsilon . Не обмежуючи загальностi, вважаємо, що C = Ep. Нехай \gamma = \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n} \biggl\{ p q(p+ 1) , 1 p(p+ 1) \biggr\} . Тодi за побудовою V0(\tau , \varepsilon ) = O(1), Vk(\tau , \varepsilon ) = O \bigl( \varepsilon - k(1 - \gamma ) \bigr) , k \in N, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 856 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО Доведемо асимптотичний характер формального розв’язку (8) системи (7). Для цього в системi (7) покладемо vi(\tau , \varepsilon ) = ri(\tau , \varepsilon ) + \widetilde v(m) i (\tau , \varepsilon ), \widetilde v(m) i (\tau , \varepsilon ) = m\sum k=0 \varepsilon kv (k) i (\tau , \varepsilon ), де v(k)i (\tau , \varepsilon ), i = 1, n, — стовпцi матрицi Vk(\tau , \varepsilon ), а ri(\tau , \varepsilon ) — нова невiдома вектор-функцiя. Маємо N(\tau , \varepsilon ) dri d\tau =M(\tau , \varepsilon )ri + fi(\tau , \varepsilon ). (13) Тут fi(\tau , \varepsilon ) =M(\tau , \varepsilon )\widetilde v(m) i (\tau , \varepsilon ) - N(\tau , \varepsilon ) d\widetilde v(m) i (\tau , \varepsilon ) d\tau i fi1(\tau , \varepsilon ) = O \bigl( \varepsilon m\gamma + 1 q \bigr) , fi2(\tau , \varepsilon ) = O \bigl( \varepsilon m\gamma + 1 p2 \bigr) , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0+, де fi1(\tau , \varepsilon ) — q-вимiрний вектор, що мiстить q перших компонент вектора fi(\tau , \varepsilon ), fi2(\tau , \varepsilon ) — (n - q)-вимiрний вектор, що мiстить решту компонент fi(\tau , \varepsilon ). Враховуючи неособливiсть матрицi N(\tau , \varepsilon ), записуємо систему (13) таким чином: dri d\tau = \bigl( \Psi 0(\tau , \varepsilon ) + L(\tau , \varepsilon ) \bigr) ri + gi(\tau , \varepsilon ), (14) де \Psi 0(\tau , \varepsilon ) = N - 1 0 (\tau , \varepsilon )M0(\tau , \varepsilon ), L(\tau , \varepsilon ) = N - 1(\tau , \varepsilon ) \infty \sum k=1 \varepsilon kMk(\tau , \varepsilon ) + (N - 1(\tau , \varepsilon ) - N - 1 0 (\tau , \varepsilon ))M0(\tau , \varepsilon ), gi(\tau , \varepsilon ) = N - 1(\tau , \varepsilon )fi(\tau , \varepsilon ), N - 1(\tau , \varepsilon ) = N - 1 0 (\tau , \varepsilon ) + \varepsilon 2 \Biggl( \rho - 1 1 (\tau , \varepsilon )Eq 0 0 \rho - 1+ 1 p 2 (\tau , \varepsilon )Ep \Biggr) S(\tau , \varepsilon )N - 1 0 (\tau , \varepsilon ), S(\tau , \varepsilon ) = O(1), \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0 + . Згiдно з умовою 3 вважаємо, що \Phi q(\tau , \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \Phi q - (\tau , \varepsilon ),\Phi q+(\tau , \varepsilon ) \bigr\} , де \Phi q - (\tau , \varepsilon ) i \Phi q+(\tau , \varepsilon ) — матрицi, власними значеннями яких є власнi значення матрицi \Phi q(\tau , \varepsilon ) вiдповiдно з вiд’ємними та додатними дiйсними частинами. Для визначеностi припу- стимо, що \Phi q - (t, \varepsilon ) — квадратна матриця порядку k1. Еквiвалентна система iнтегральних рiвнянь до системи (14) з початковою умовою ri(bi, \varepsilon ) = 0 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 857 має вигляд ri1 - (\tau , \varepsilon ) = \tau \int 0 Z1 - (\tau , s, \varepsilon ) \bigl( L11(s, \varepsilon )ri1 - + L12(s, \varepsilon )ri1+ + L13(s, \varepsilon )ri2 + gi1 - (s, \varepsilon ) \bigr) ds, (15) ri1+(\tau , \varepsilon ) = - k\prime 0\varepsilon - \beta \int \tau Z1+(\tau , s, \varepsilon ) \bigl( L21(s, \varepsilon )ri1 - + L22(s, \varepsilon )ri1+ + L23(s, \varepsilon )ri2 + gi1+(s, \varepsilon ) \bigr) ds, (16) ri2(\tau , \varepsilon ) = \tau \int 0 Z2(\tau , s, \varepsilon ) \bigl( L31(s, \varepsilon )ri1 - + L32(s, \varepsilon )ri1+ + L33(s, \varepsilon )ri2 + gi2(s, \varepsilon ) \bigr) ds, (17) i = 1, n, де L(\tau , \varepsilon ) = \left( L11(\tau , \varepsilon ) L12(\tau , \varepsilon ) L13(\tau , \varepsilon ) L21(\tau , \varepsilon ) L22(\tau , \varepsilon ) L23(\tau , \varepsilon ) L31(\tau , \varepsilon ) L32(\tau , \varepsilon ) L33(\tau , \varepsilon ) \right) , розмiрностi векторiв ri1 - (\tau , \varepsilon ), ri1+(\tau , \varepsilon ) i ri2(\tau , \varepsilon ) дорiвнюють порядку матриць \Phi q - (\tau , \varepsilon ), \Phi q+(\tau , \varepsilon ) i \Phi 0(\tau , \varepsilon ) вiдповiдно, Z1 - (\tau , s, \varepsilon ), Z1+(\tau , s, \varepsilon ) i Z2(\tau , s, \varepsilon ) — фундаментальнi матрицi однорiдних систем dri1 - d\tau = \Phi - 1 q - (\tau , \varepsilon )ri1 - , Z1 - (s, s, \varepsilon ) = Ek1 , dri1+ d\tau = \Phi - 1 q+(\tau , \varepsilon )ri1+, Z1+(s, s, \varepsilon ) = Eq - k1 i dri2 d\tau = \bigl( - K - 1 1 \Phi 0(\tau , \varepsilon )K1 +\Phi p(\tau , \varepsilon ) \bigr) ri2, Z2(s, s, \varepsilon ) = Ep вiдповiдно. Зазначимо, що Z1(\tau , s, \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ Z1 - (\tau , s, \varepsilon ), Z1+(\tau , s, \varepsilon ) \bigr\} \equiv V01(\tau , \varepsilon )V - 1 01 (s, \varepsilon ), а матриця Z2(\tau , s, \varepsilon ) є розв’язком сумiсної системи iнтегральних рiвнянь Z2(\tau , s, \varepsilon ) = \Psi (\tau , \varepsilon )\Psi - 1(s, \varepsilon ) + \tau \int s \Psi (\tau , \varepsilon )\Psi - 1(s, \varepsilon )\Phi p(s, \varepsilon )Z2(\tau , s, \varepsilon )ds. За побудовою Lij(\tau , \varepsilon ) = O(1), i = 1, 2, j = 1, 3, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 858 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО L3j(\tau , \varepsilon ) = O \Bigl( \varepsilon \rho - 1+ 1 p2 2 (\tau , \varepsilon ) \Bigr) , j = 1, 3, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0+, \bigm\| \bigm\| Z1 - (\tau , s, \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq d \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( c1 - \varepsilon p q(p+1) (\tau - s) \biggr) , 0 \leq s \leq \tau \leq k\prime 0\varepsilon - \beta , \bigm\| \bigm\| Z1+(\tau , s, \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq d \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( c1+ \varepsilon p q(p+1) (\tau - s) \biggr) , 0 \leq \tau \leq s \leq k\prime 0\varepsilon - \beta ,\bigm\| \bigm\| Z2(\tau , s, \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq d, 0 \leq s \leq \tau \leq k\prime 0\varepsilon - \beta , c1 - < 0, c1+ > 0. Для доведення iснування розв’язку системи (15) – (17) скористаємось методом послiдовних наближень, якi визначаємо за формулами r (0) i (\tau , \varepsilon ) \equiv 0, \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , r (l) i1 - (\tau , \varepsilon ) = \tau \int 0 Z1 - (\tau , s, \varepsilon ) \bigl( L11(s, \varepsilon )r (l - 1) i1 - + L12(s, \varepsilon )r (l - 1) i1+ + L13(s, \varepsilon )r (l - 1) i2 + gi1 - (s, \varepsilon ) \bigr) ds, (18) r (l) i1+(\tau , \varepsilon ) = - k\prime 0\varepsilon - \beta \int \tau Z1+(\tau , s, \varepsilon ) \bigl( L21(s, \varepsilon )r (l - 1) i1 - + L22(s, \varepsilon )r (l - 1) i1+ + L23(s, \varepsilon )r (l - 1) i2 + gi1+(s, \varepsilon ) \bigr) ds, (19) r (l) i2 (\tau , \varepsilon ) = \tau \int 0 Z2(\tau , s, \varepsilon ) \bigl( L31(s, \varepsilon )r (l - 1) i1 - + L32(s, \varepsilon )r (l - 1) i1+ + L33(s, \varepsilon )r (l - 1) i2 + gi2(s, \varepsilon ) \bigr) ds, (20) i = 1, n, l \in N. Нехай \bigm\| \bigm\| gi1(\tau , \varepsilon )\bigm\| \bigm\| \leq d1\varepsilon m\gamma , \bigm\| \bigm\| gi2(\tau , \varepsilon )\bigm\| \bigm\| \leq d1\varepsilon m\gamma + 1 p2 , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . За побудовою \bigm\| \bigm\| r(1)i (\tau , \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq d2\varepsilon m\gamma + 1 p2 - 1 p+1 ,\bigm\| \bigm\| r(l)i (\tau , \varepsilon ) - r (l - 1) i (\tau , \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq d l 2\varepsilon m\gamma + 1 p2 - 1 p+1 , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] , d2 < 1, l \in N. Вважатимемо, що m\gamma + 1 p2 - 1 p+ 1 > 0. Тодi послiдовнi наближення (18) – (20) збiгаються до розв’язку ri = ri(\tau , \varepsilon ) системи (15) – (17), причому\bigm\| \bigm\| ri(\tau , \varepsilon )\bigm\| \bigm\| \leq c\varepsilon m\gamma + 1 p2 - 1 p+1 , \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Зазначимо, що стала c не залежить вiд m. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 859 Для доведення єдиностi розв’язку системи (15) – (17) скористаємось методом доведення вiд супротивного. Нехай ri(\tau , \varepsilon ) i ri(\tau , \varepsilon ) — розв’язки системи (15) – (17), причому ri(\tau , \varepsilon ) \not \equiv \not \equiv ri(\tau , \varepsilon ), \tau \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Позначимо \theta i = \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} \tau \in [0;k\prime 0\varepsilon - \beta ] \bigm\| \bigm\| ri(\tau , \varepsilon ) - ri(\tau , \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| , i = 1, n. Тодi згiдно з (15) – (17) отримуємо \theta i \leq k\varepsilon \gamma \theta i < \theta i (стала k не залежить вiд \varepsilon ), що неможливо. А тому система (15) – (17) має єдиний розв’язок. Зауваження 2. Нехай V (m)(\tau , \varepsilon ) = \sum m k=0 \varepsilon kVk(\tau , \varepsilon ), а R(\tau , \varepsilon ) — матриця зi стовпця- ми ri(\tau , \varepsilon ), i = 1, n. Тодi стовцi матрицi V (m)(\tau , \varepsilon ) + R(\tau , \varepsilon ) лiнiйно незалежнi на вiдрiзку\bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Справдi, нехай C(\varepsilon ) — така дiагональна матриця, що (V (m)(\tau , \varepsilon ) +R(\tau , \varepsilon ))C(\varepsilon ) = 0. (21) Позначимо C(\varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ Cq - (\varepsilon ), Cq+(\varepsilon ), Cn - q(\varepsilon ) \bigr\} , де порядки матриць Cq - (\varepsilon ) i Cq+(\varepsilon ) вiдповiдно дорiвнюють k1 i q - k1. Покладаючи у рiвностi (21) \tau = 0, згiдно з (11), (12), (15) i (17) отримуємо Cq - (\varepsilon ) = 0, Cn - q(\varepsilon ) = 0. Якщо ж \tau = k\prime 0\varepsilon - \beta , то аналогiчно одержуємо Cq+(\varepsilon ) = 0. Отже, стовпцi матрицi V (m)(\tau , \varepsilon )+R(\tau , \varepsilon ) лiнiйно незалежнi на вiдрiзку \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon - \beta \bigr] . Теорема. Нехай A(t, \varepsilon ) i B(t, \varepsilon ) належать Cm+1(K), де K = \bigl\{ (t, \varepsilon ) : 0 \leq t \leq T, 0 \leq \leq \varepsilon \leq \varepsilon 0 \bigr\} , i виконуються умови 1 – 3. Тодi iснує таке \varepsilon 1, \varepsilon 1 \leq \varepsilon 0, що система (1) на вiдрiзку\bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] , k\prime 0 > k0, \beta = 1 p+ 1 , для всiх m > 1 \gamma \biggl( 1 p+ 1 - 1 p2 \biggr) має n лiнiйно незалежних розв’язкiв xi = xi(t, \varepsilon ), причому\bigm\| \bigm\| xi(t, \varepsilon ) - x (m) i (t, \varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \leq c\varepsilon m\gamma + 1 p2 - 1 p+1 , t \in \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] , де x(m) i (t, \varepsilon ) = Q(t, \varepsilon ) \widetilde T (\tau , \varepsilon )\widetilde v(m) i (\tau , \varepsilon ), \tau = t \varepsilon . Зрощування асимптотичних розвинень. Позначимо через X1(t, \varepsilon ) i X2(t, \varepsilon ) фундамен- тальнi матрицi системи (1) вiдповiдно на вiдрiзках \bigl[ k0\varepsilon 1 - \beta ; t0 \bigr] i \bigl[ 0; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] , X1(t, \varepsilon ) = Q(t, \varepsilon )U(t, \varepsilon ) \Bigl( En +O \Bigl( m - 1k - m(1+ 1 p ) 0 \Bigr) \Bigr) \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon t\int a \Lambda (\tau , \varepsilon )d\tau \right) , X2(t, \varepsilon ) = Q(t, \varepsilon ) \widetilde T (\tau , \varepsilon )\Bigl( V (m)(\tau , \varepsilon ) +O \Bigl( \varepsilon m\gamma + 1 p2 - 1 p+1 \Bigr) \Bigr) , \Lambda (t, \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \lambda 1(t, \varepsilon ), \lambda 2(t, \varepsilon ), . . . , \lambda n(t, \varepsilon ) \bigr\} , a = (a1, a2, . . . , an) [1]. Оскiльки, за побудовою, k\prime 0 > k0, то на вiдрiзку \bigl[ k0\varepsilon 1 - \beta ; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] побудовано двi фунда- ментальнi матрицi системи (1). А тому iснує така стала матриця D(\varepsilon ), що X2(t, \varepsilon ) = X1(t, \varepsilon )D(\varepsilon ), t \in \bigl[ k0\varepsilon 1 - \beta ; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] . Для її визначення достатньо взяти деяке t\prime \in \bigl[ k0\varepsilon 1 - \beta ; k\prime 0\varepsilon 1 - \beta \bigr] i покласти ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 860 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО D(\varepsilon ) = X - 1 1 (t\prime , \varepsilon )X2(t \prime , \varepsilon ). Нехай, наприклад, t\prime = k0\varepsilon 1 - \beta . Тодi X - 1 1 \bigl( k0\varepsilon 1 - \beta , \varepsilon \bigr) = \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - 1 \varepsilon k0\varepsilon 1 - \beta \int a \Lambda (\tau , \varepsilon )d\tau \right) \Bigl( En +O \Bigl( m - 1k - m(1+ 1 p ) 0 \Bigr) \Bigr) - 1 \times \times U - 1 \bigl( k0\varepsilon 1 - \beta , \varepsilon \bigr) Q - 1 \bigl( k0\varepsilon 1 - \beta , \varepsilon \bigr) , X2 \bigl( k0\varepsilon 1 - \beta , \varepsilon \bigr) = Q \bigl( k0\varepsilon 1 - \beta , \varepsilon \bigr) \widetilde T (k0\varepsilon - \beta , \varepsilon ) \Bigl( V (m)(k0\varepsilon - \beta , \varepsilon ) +O \bigl( \varepsilon m\gamma + 1 p2 - 1 p+1 \bigr) \Bigr) . Припускаючи \mathrm{R}\mathrm{e} q \sqrt{} \widetilde bq(0) \not = 0, \mathrm{R}\mathrm{e} p \sqrt{} \widetilde ap(0) \not = 0, вважаємо, що \Lambda (t, \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \Lambda q(t, \varepsilon ),\Lambda p(t, \varepsilon ) \bigr\} , \Lambda q(t, \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \Lambda q - (t, \varepsilon ),\Lambda q+(t, \varepsilon ) \bigr\} , \Lambda p(t, \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \Lambda p - (t, \varepsilon ),\Lambda p+(t, \varepsilon ) \bigr\} , де, наприклад, \Lambda q - (t, \varepsilon ) i \Lambda q+(t, \varepsilon ) — матрицi, власними значеннями яких є власнi значення мат- рицi \Lambda q(t, \varepsilon ) вiдповiдно з вiд’ємними i додатними дiйсними частинами. Аналогiчну структуру має \Lambda p(t, \varepsilon ). Тодi за побудовою \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - 1 \varepsilon k0\varepsilon 1 - \beta \int a \Lambda (\tau , \varepsilon )d\tau \right) = = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \left\{ Ek1 , \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon t6\int k0\varepsilon 1 - \beta \Lambda q+(\tau , \varepsilon )d\tau \right) , Ek2 , \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon t6\int k0\varepsilon 1 - \beta \Lambda p+(\tau , \varepsilon )d\tau \right) \right\} , де k1 i k2 — порядки квадратних матриць \Lambda q - (t, \varepsilon ) i \Lambda p - (t, \varepsilon ) вiдповiдно, сталу t6 визначено в [1]. Приклад. Розглянемо систему \varepsilon H(t, \varepsilon ) dy dt = C(t, \varepsilon )y, t \in [0; 1], (22) де H(t, \varepsilon ) = \left( 0 1 0 0 t+ \varepsilon 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 \right) , C(t, \varepsilon ) = \left( 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 t+ \varepsilon 0 \right) . Зовнiшнє розвинення. Вважаємо, що t \in \bigl[ 10\varepsilon 2 3 ; 1 \bigr] . За побудовою p = q = 2, Jq(t) = Jp(t) = \biggl( 0 1 t 0 \biggr) , C1p(t) = D1p(t) = \Biggl( 0 0 1 0 \Biggr) , H1q(t) = G1q(t) = \Biggl( 0 0 1 0 \Biggr) . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 861 Власнi значення матриць Jq(t) + \varepsilon G1q(t) i Jp(t) + \varepsilon D1p(t) вiдповiдно дорiвнюють w12(t) = \pm \surd t+ \varepsilon = \pm \surd t+O \bigl( \varepsilon t - 1 2 \bigr) i w34(t) = \pm \surd t+ \varepsilon = \pm \surd t+O \bigl( \varepsilon t - 1 2 \bigr) . У системi (22) покладемо y(t, \varepsilon ) = U(t, \varepsilon )z(t, \varepsilon ), де U(t, \varepsilon ) = U0(t, \varepsilon )+ \varepsilon U1(t, \varepsilon ). Матрицю U(t, \varepsilon ) пiдберемо так, щоб виконувалась рiвнiсть C(t, \varepsilon )U(t, \varepsilon ) - \varepsilon H(t, \varepsilon )U \prime (t, \varepsilon ) = H(t, \varepsilon )U(t, \varepsilon ) \bigl( \Lambda (t, \varepsilon ) + \varepsilon 2\Delta (t, \varepsilon ) \bigr) , де \Lambda (t, \varepsilon ) = \Lambda 0(t, \varepsilon ) + \varepsilon \Lambda 1(t, \varepsilon ) \equiv \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ \lambda 1(t, \varepsilon ), . . . , \lambda 4(t, \varepsilon ) \bigr\} . За побудовою U(t, \varepsilon ) = T (t, \varepsilon ) \bigl( P0 + \varepsilon P1(t, \varepsilon ) \bigr) , де T (t, \varepsilon ) = \left( 1 1 0 0 - \surd t+O \bigl( \varepsilon t - 1 2 \bigr) \surd t+O \bigl( \varepsilon t - 1 2 \bigr) 0 0 0 0 1 1 0 0 - \surd t+O \bigl( \varepsilon t - 1 2 \bigr) \surd t+O \bigl( \varepsilon t - 1 2 \bigr) \right) , P0 = E4, P1(t, \varepsilon ) = \left( 0 1 8 \surd t +O(\varepsilon t - 1 2 ) 0 0 - 1 8 \surd t +O(\varepsilon t - 1 2 ) 0 0 0 0 0 0 1 8t \surd t +O(\varepsilon t - 3 2 ) 0 0 - 1 8t \surd t +O(\varepsilon t - 3 2 ) 0 \right) . Крiм того, \Lambda 0(t, \varepsilon ) = \left( - 1\surd t (1 +O(\varepsilon t - 1)) 0 0 0 0 1\surd t (1 +O(\varepsilon t - 1)) 0 0 0 0 - \surd t+O(\varepsilon t - 1 2 ) 0 0 0 0 \surd t+O(\varepsilon t - 1 2 ) \right) , \Lambda 1(t, \varepsilon ) = \left( - 1 4t +O(\varepsilon t - 1) 0 0 0 0 - 1 4t +O(\varepsilon t - 1) 0 0 0 0 - 1 4t +O(\varepsilon t - 3 2 ) 0 0 0 0 - 1 4t +O(\varepsilon t - 3 2 ) \right) , \varepsilon 2\| \Delta (t, \varepsilon )\| \leq 1 4 \varepsilon 2t - 5 2 , t \in [10\varepsilon 2 3 ; 1]. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 862 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО Згiдно з результатами [1] система (22) має чотири лiнiйно незалежних розв’язки yj(t, \varepsilon ) = U(t, \varepsilon ) \bigl( ej +O \bigl( 10 - 3 2 \bigr) \bigr) \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon t\int aj \lambda j(\tau , \varepsilon )d\tau \right) , j = 1, 4, де ej — чотиривимiрний вектор, j -та координата якого дорiвнює 1, решта координат дорiвню- ють 0; a1 = a3 = 10\varepsilon 2 3 , a2 = a4 = 1. Внутрiшнє розвинення. Систему (22) розглядаємо на вiдрiзку \bigl[ 0; 20\varepsilon 2 3 \bigr] . Покладаючи \tau = t \varepsilon , отримуємо H(\varepsilon \tau , \varepsilon ) dy d\tau = C(\varepsilon \tau , \varepsilon )y, \tau \in \bigl[ 0; 20\varepsilon - 1 3 \bigr] . (23) У даному випадку \rho 1(\tau , \varepsilon ) = \rho 2(\tau , \varepsilon ) = \varepsilon (\tau + 1), власнi значення матриць Jq(0) + \varepsilon \bigl( \tau J \prime q(0) + G1q(0) \bigr) i Jp(0) + \varepsilon \bigl( \tau J \prime p(0) +D1p(0) \bigr) вiдповiдно дорiвнюють \omega 12(\tau , \varepsilon ) = \pm \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) i \omega 34(\tau , \varepsilon ) = \pm \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1). Нехай y(\tau , \varepsilon ) = \widetilde T (\tau , \varepsilon )v(\tau , \varepsilon ), де \widetilde T (\tau , \varepsilon ) = \left( 1 1 0 0 - \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) 0 0 0 0 1 1 0 0 - \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) \right) . Тодi система (23) набере вигляду N(\tau , \varepsilon ) dv d\tau =M(\tau , \varepsilon )v, (24) де N(\tau , \varepsilon ) \equiv N0(\tau , \varepsilon ) = \left( - \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) 0 0 0 0 \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 \right) , M(\tau , \varepsilon ) =M0(\tau , \varepsilon ) + \varepsilon M1(\tau , \varepsilon ), ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 АСИМПТОТИЧНЕ IНТЕГРУВАННЯ СИНГУЛЯРНО ЗБУРЕНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНО-АЛГЕБРАЇЧНИХ . . . 863 M0(\tau , \varepsilon ) = \left( 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 - 1 4(\tau + 1) - \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) 1 4(\tau + 1) 0 0 1 4(\tau + 1) - 1 4(\tau + 1) + \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) \right) , M1(\tau , \varepsilon ) = 1 4 \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) \left( 1 - 1 0 0 1 - 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 \right) . Формальний розв’язок системи (24) шукаємо у виглядi (8). При цьому V0(\tau , \varepsilon ) = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g} \bigl\{ V01(\tau , \varepsilon ), V02(\tau , \varepsilon ) \bigr\} , де V01(\tau , \varepsilon ) = \left( \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( - 2\surd \varepsilon ( \surd \tau + 1 - 1) \biggr) 0 0 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( 2\surd \varepsilon \biggl( \surd \tau + 1 - \sqrt{} 20\varepsilon - 1 3 + 1 \biggr) \biggr) \right) , а V02(\tau , \varepsilon ) — фундаментальна матриця системи dV02 d\tau = \left( - 1 4(\tau + 1) - \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) 1 4(\tau + 1) 1 4(\tau + 1) - 1 4(\tau + 1) + \sqrt{} \varepsilon (\tau + 1) \right) V02. За побудовою V02(\tau , \varepsilon ) = O(1), \tau \in \bigl[ 0; 20\varepsilon - 1 3 \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0 + . Згiдно з (12) визначаємо V1(\tau , \varepsilon ). При цьому V1(\tau , \varepsilon ) = O \bigl( \varepsilon - 1 2 \bigr) , \tau \in \bigl[ 0; 20\varepsilon - 1 3 \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0 + . Покладаючи у системi (24) vi(\tau , \varepsilon ) = ri(\tau , \varepsilon ) + \widetilde v(1)i (\tau , \varepsilon ), \widetilde v(1)i (\tau , \varepsilon ) = v (0) i (\tau , \varepsilon ) + \varepsilon v (1) i (\tau , \varepsilon ), де v (k) i (\tau , \varepsilon ), i = 1, 4, — стовпцi матрицi Vk(\tau , \varepsilon ), доводимо, що вектор-функцiя ri(\tau , \varepsilon ) є розв’язком системи (15) – (17) i ri(\tau , \varepsilon ) = O(\varepsilon ), \tau \in \bigl[ 0; 20\varepsilon - 1 3 \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0 + . Таким чином, система (22) на вiдрiзку \bigl[ 0; 20\varepsilon 2 3 \bigr] має чотири лiнiйно незалежних розв’язки yi = yi(t, \varepsilon ), причому yi(t, \varepsilon ) = y (1) i (t, \varepsilon ) +O(\varepsilon ), t \in \bigl[ 0; 20\varepsilon 2 3 \bigr] , \varepsilon \rightarrow 0+, де y(1)i (t, \varepsilon ) = \widetilde T (\tau , \varepsilon )\widetilde v (1) i (\tau , \varepsilon ), \tau = t \varepsilon . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6 864 А. М. САМОЙЛЕНКО , П. Ф. САМУСЕНКО Зрощування асимптотичних розвинень. Нехай X1(t, \varepsilon ) i X2(t, \varepsilon ) — фундаментальнi ма- трицi системи (22) на вiдрiзках \bigl[ 10\varepsilon 2 3 ; 1 \bigr] i \bigl[ 0; 20\varepsilon 2 3 \bigr] вiдповiдно, тобто X1(t, \varepsilon ) = U(t, \varepsilon ) \bigl( E4 +O \bigl( 10 - 3 2 \bigr) \bigr) \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon t\int a \Lambda (\tau , \varepsilon )d\tau \right) , X2(t, \varepsilon ) = \widetilde T (\tau , \varepsilon )\bigl( V (1)(\tau , \varepsilon ) +O(\varepsilon ) \bigr) , де V (1)(\tau , \varepsilon ) = V0(\tau , \varepsilon ) + \varepsilon V1(\tau , \varepsilon ), a = \bigl( 10\varepsilon 2 3 , 1, 10\varepsilon 2 3 , 1 \bigr) . На вiдрiзку \bigl[ 10\varepsilon 2 3 ; 20\varepsilon 2 3 \bigr] побудовано двi фундаментальнi матрицi системи (22). А тому iснує така стала матриця D(\varepsilon ), що X2(t, \varepsilon ) = X1(t, \varepsilon )D(\varepsilon ), t \in \bigl[ 10\varepsilon 2 3 ; 20\varepsilon 2 3 \bigr] . Нехай t = 10\varepsilon 2 3 . Тодi D(\varepsilon ) = X - 1 1 \bigl( 10\varepsilon 2 3 , \varepsilon \bigr) X2 \bigl( 10\varepsilon 2 3 , \varepsilon 2 3 \bigr) . За побудовою X - 1 1 \bigl( 10\varepsilon 2 3 , \varepsilon \bigr) = \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - 1 \varepsilon 10\varepsilon 2 3\int a \Lambda (\tau , \varepsilon )d\tau \right) \bigl( E4 +O \bigl( 10 - 3 2 \bigr) \bigr) - 1 U - 1 \bigl( 10\varepsilon 2 3 , \varepsilon \bigr) , U - 1 \bigl( 10\varepsilon 2 3 , \varepsilon \bigr) = O(\varepsilon - 1 3 ), \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - 1 \varepsilon 10\varepsilon 2 3\int a \Lambda (\tau , \varepsilon )d\tau \right) = \left( 1 0 0 0 0 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon 1\int 10\varepsilon 2 3 \lambda 2(\tau , \varepsilon )d\tau \right) 0 0 0 0 1 0 0 0 0 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 \varepsilon 1\int 10\varepsilon 2 3 \lambda 4(\tau , \varepsilon )d\tau \right) \right) . Лiтература 1. А. М. Самойленко, П. Ф. Самусенко, Асимптотичне iнтегрування сингулярно збурених диференцiально-алгеб- раїчних рiвнянь з точками повороту. I, Укр. мат. журн., 72, № 12, 1669 – 1681 (2020). 2. Y. Sibuya, Simplification of a system of linear ordinary differential equations about a singular point, Funkcial. Ekvac., 4, 29 – 56 (1962). 3. П. Ф. Самусенко, Асимптотичне iнтегрування сингулярно збурених систем диференцiально-функцiональних рiвнянь з виродженнями, Вид-во НПУ iм. М. П. Драгоманова, Київ (2011). 4. W. Wasow, Linear turning point theory, Springer-Verlag, New York (1985). 5. A. Ostrowski, Solution of equations in Euclidean and Banach spaces, Acad. Press, New York (1973). Одержано 29.12.20 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2021, т. 73, № 6
id umjimathkievua-article-6260
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-03-24T03:26:47Z
publishDate 2021
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/32/59150d0b63b087800390c85677de0a32.pdf
spelling umjimathkievua-article-62602022-03-26T11:03:04Z Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных дифференциально-алгебраических уравнений с точками поворота. ІІ Асимптотичне інтегрування сингулярно збурених диференціально-алгебраїчних рівнянь з точками повороту. ІІ Samoilenko , A. M. Samusenko , P. F. Самойленко , А. М. Самусенко, П. Ф. / Асимптотичний розв&#039;язок, диференціально-алгебраїчна система Asymptotical solution DAE UDC 517.928 We consider the problem of finding asymptotic solutions to linear singular perturbed differential-algebraic equations with a simple turning point and develop a technique of constructing such asymptotic solutions. В работе разработан алгоритм нахождения асимптотических решений линейной сингулярно возмущенной дифференциально-алгебраической системы с простой точкой поворота. УДК 517.928 Розроблено алгоритм знаходження асимптотичних розв&#039;язків лінійної сингулярно збуреної диференціально-алгебраїчної системи з простою точкою повороту. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2021-06-18 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6260 10.37863/umzh.v73i6.6260 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 73 No. 6 (2021); 849 - 864 Український математичний журнал; Том 73 № 6 (2021); 849 - 864 1027-3190 uk https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6260/9030 Copyright (c) 2021 Петро Федорович Самусенко
spellingShingle Samoilenko , A. M.
Samusenko , P. F.
Самойленко , А. М.
Самусенко, П. Ф.
/
Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II
title Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II
title_alt Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных дифференциально-алгебраических уравнений с точками поворота. ІІ
Асимптотичне інтегрування сингулярно збурених диференціально-алгебраїчних рівнянь з точками повороту. ІІ
title_full Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II
title_fullStr Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II
title_full_unstemmed Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II
title_short Asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. II
title_sort asymptotic integration of singularly perturbed differential-algebraic equations with turning points. ii
topic_facet Асимптотичний розв'язок
диференціально-алгебраїчна система
Asymptotical solution
DAE
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6260
work_keys_str_mv AT samoilenkoam asymptoticintegrationofsingularlyperturbeddifferentialalgebraicequationswithturningpointsii
AT samusenkopf asymptoticintegrationofsingularlyperturbeddifferentialalgebraicequationswithturningpointsii
AT samojlenkoam asymptoticintegrationofsingularlyperturbeddifferentialalgebraicequationswithturningpointsii
AT samusenkopf asymptoticintegrationofsingularlyperturbeddifferentialalgebraicequationswithturningpointsii
AT asymptoticintegrationofsingularlyperturbeddifferentialalgebraicequationswithturningpointsii
AT samoilenkoam asimptotičeskoeintegrirovaniesingulârnovozmuŝennyhdifferencialʹnoalgebraičeskihuravnenijstočkamipovorotaíí
AT samusenkopf asimptotičeskoeintegrirovaniesingulârnovozmuŝennyhdifferencialʹnoalgebraičeskihuravnenijstočkamipovorotaíí
AT samojlenkoam asimptotičeskoeintegrirovaniesingulârnovozmuŝennyhdifferencialʹnoalgebraičeskihuravnenijstočkamipovorotaíí
AT samusenkopf asimptotičeskoeintegrirovaniesingulârnovozmuŝennyhdifferencialʹnoalgebraičeskihuravnenijstočkamipovorotaíí
AT asimptotičeskoeintegrirovaniesingulârnovozmuŝennyhdifferencialʹnoalgebraičeskihuravnenijstočkamipovorotaíí
AT samoilenkoam asimptotičneíntegruvannâsingulârnozburenihdiferencíalʹnoalgebraíčnihrívnânʹztočkamipovorotuíí
AT samusenkopf asimptotičneíntegruvannâsingulârnozburenihdiferencíalʹnoalgebraíčnihrívnânʹztočkamipovorotuíí
AT samojlenkoam asimptotičneíntegruvannâsingulârnozburenihdiferencíalʹnoalgebraíčnihrívnânʹztočkamipovorotuíí
AT samusenkopf asimptotičneíntegruvannâsingulârnozburenihdiferencíalʹnoalgebraíčnihrívnânʹztočkamipovorotuíí
AT asimptotičneíntegruvannâsingulârnozburenihdiferencíalʹnoalgebraíčnihrívnânʹztočkamipovorotuíí