Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме

Розглядається узагальнення принципу порiвняння для псевдолiнiйних диференцiальних рiвнянь з iмпульсними збуреннями в банаховому просторi. На основi цих результатiв встановлено умови глобальної стiйкостi в конусi тривiального розв’язку класу систем, що розглядається. Отриманi результати застосовуютьс...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2011
Hauptverfasser: Двирный, А.И., Слынько, В.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2011
Schriftenreihe:Нелінійні коливання
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175331
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме / А.И. Двирный, В.И. Слынько // Нелінійні коливання. — 2011. — Т. 14, № 2. — С. 187-202. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-175331
record_format dspace
spelling irk-123456789-1753312021-02-01T01:27:01Z Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме Двирный, А.И. Слынько, В.И. Розглядається узагальнення принципу порiвняння для псевдолiнiйних диференцiальних рiвнянь з iмпульсними збуреннями в банаховому просторi. На основi цих результатiв встановлено умови глобальної стiйкостi в конусi тривiального розв’язку класу систем, що розглядається. Отриманi результати застосовуються при дослiдженнi стiйкостi в моделях Такагi – Сугено. We consider a generalization of the comparison principle for pseeudolinear differential equations, in a Banach space, with impulsive effects. On the basis of these results, we find conditions for global stability in a cone of the trivial solution for the considered class of equations. The obtained results are used for a study of stability in Takagi – Sugeno models. 2011 Article Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме / А.И. Двирный, В.И. Слынько // Нелінійні коливання. — 2011. — Т. 14, № 2. — С. 187-202. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-3076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175331 517.9 ru Нелінійні коливання Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Розглядається узагальнення принципу порiвняння для псевдолiнiйних диференцiальних рiвнянь з iмпульсними збуреннями в банаховому просторi. На основi цих результатiв встановлено умови глобальної стiйкостi в конусi тривiального розв’язку класу систем, що розглядається. Отриманi результати застосовуються при дослiдженнi стiйкостi в моделях Такагi – Сугено.
format Article
author Двирный, А.И.
Слынько, В.И.
spellingShingle Двирный, А.И.
Слынько, В.И.
Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
Нелінійні коливання
author_facet Двирный, А.И.
Слынько, В.И.
author_sort Двирный, А.И.
title Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
title_short Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
title_full Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
title_fullStr Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
title_full_unstemmed Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
title_sort глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2011
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175331
citation_txt Глобальная устойчивость решений нестационарных монотонных дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в псевдолинейной форме / А.И. Двирный, В.И. Слынько // Нелінійні коливання. — 2011. — Т. 14, № 2. — С. 187-202. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT dvirnyjai globalʹnaâustojčivostʹrešenijnestacionarnyhmonotonnyhdifferencialʹnyhuravnenijsimpulʹsnymvozdejstviemvpsevdolinejnojforme
AT slynʹkovi globalʹnaâustojčivostʹrešenijnestacionarnyhmonotonnyhdifferencialʹnyhuravnenijsimpulʹsnymvozdejstviemvpsevdolinejnojforme
first_indexed 2025-07-15T12:34:56Z
last_indexed 2025-07-15T12:34:56Z
_version_ 1837716364396068864
fulltext УДК 517.9 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ МОНОТОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ В ПСЕВДОЛИНЕЙНОЙ ФОРМЕ А. И. Двирный, В. И. Слынько Ин-т механики НАН Украины Украина, 03057, Киев, ул. Нестерова, 3 We consider a generalization of the comparison principle for pseeudolinear differential equations, in a Banach space, with impulsive effects. On the basis of these results, we find conditions for global stability in a cone of the trivial solution for the considered class of equations. The obtained results are used for a study of stability in Takagi – Sugeno models. Розглядається узагальнення принципу порiвняння для псевдолiнiйних диференцiальних рiвнянь з iмпульсними збуреннями в банаховому просторi. На основi цих результатiв встановлено умо- ви глобальної стiйкостi в конусi тривiального розв’язку класу систем, що розглядається. Отри- манi результати застосовуються при дослiдженнi стiйкостi в моделях Такагi – Сугено. Введение. Дифференциальные уравнения с импульсным воздействием [1] являются ма- тематическими моделями процессов и явлений в механике, технике и биологии. Теории устойчивости решений этого класса уравнений посвящено много работ (см., например, [2, 5 – 8]). Основными методами исследования устойчивости являются надлежащим образом обобщенные методы А. М. Ляпунова, метод сравнения и др. Дифференциальные урав- нения в банаховом пространстве с ограниченным оператором в правой части, записан- ные в псевдолинейной форме, были предметом исследований в монографии [9] в связи с гипотезой Г. Р. Белицкого – Ю. И. Любича. Исследование устойчивости решений неста- ционарных нелинейных систем с импульсным воздействием можно существенно упрос- тить за счет введения дополнительных предположений, обеспечивающих монотонность решений дифференциального уравнения по начальным данным относительно порядка, порожденного некоторым конусом. В данной работе задача об устойчивости нулевого решения исходного нелинейного нестационарного уравнения с импульсным воздействием сводится к исследованию зна- чительно более простой задачи — исследованию устойчивости линейной системы с им- пульсным воздействием второго порядка, позитивной относительно конуса R2 +. Отметим, что для автономных обыкновенных дифференциальных уравнений, реше- ния которых являются монотонными по начальным данным относительно конуса не- отрицательных элементов, исчерпывающие результаты об устойчивости были получе- ны в работе [10]. Излагаемые ниже утверждения являются развитием этих результа- тов для дифференциальных уравнений с импульсным воздействием в банаховом прост- ранстве. 1. Постановка задачи. Пусть X — рефлексивное банахово пространство с нормой c© А. И. Двирный, В. И. Слынько, 2011 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 187 188 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО ‖.‖X . Рассмотрим дифференциальное уравнение с импульсным воздействием dx dt = A(t, x)x, t 6= τk, (1.1) x(t+ 0) = Bk(x(t))x(t), t = τk, где x ∈ X, t ∈ [a,+∞), a ∈ R, A ∈ C([a,+∞) × X;L(X,X)), L(X,X) — линейное банахово пространство линейных ограниченных операторов, действующих из X в X, Bk ∈ C(X,L(X,X)) — обратимые операторы при всех (k, x) ∈ N×X, x(t+0) — значение функции x(t) справа, {τk}∞k=1 — последовательность моментов импульсного воздействия, имеющая единственную точку сгущения на бесконечности. Предположим, что существует положительная постоянная M такая, что при всех (t0, x0) ∈ [a,+∞) × X выполняется неравенство ‖A(t, x)‖L(X,X) ≤ M. Тогда при всех (t0, x0) ∈ [a,∞) × X решения x(t; t0, x0) задачи Коши для дифференциального уравне- ния (1.1) существуют, единственны и являются нелокально продолжимыми, поскольку, вследствие теоремы М. А. Красносельского (теорема 1.6 [4]), все решения задачи Коши для соответствующего дифференциального уравнения (1.1) без импульсного воздействия существуют, единственны и являются нелокально продолжимыми, а операторы Bk(x) — обратимыми. Напомним [3], что непустое выпуклое множество K называется телесным конусом, если ∀λ ≥ 0 (λK ⊂ K) : K ∩ (−K) = 0, int K 6= ∅. Конус K определяет в банаховом пространстве X отношение порядка по правилу y K ≥ x ⇔ y − x ∈ K, y K > x ⇔ y − x ∈ int K. Конус K называется нормальным (см. [3]), если существует постоянная aK > 0 такая, что при всех y, x ∈ K из неравенства y K ≥ x следует оценка ‖x‖X ≤ aK‖y‖X . Сделаем следующие предположения: 1) пусть в пространстве X задан нормальный конус K; 2) при всех (t, p) ∈ [a,+∞)×K линейная функцияA(t, p)x переменной x ∈ X является квазимонотонной неубывающей относительно конуса K (см. [12]), т. е. для всех 0 K ≤ ϕ, ψ ∈ K∗ таких, что (ϕ,ψ) = 0, выполняется неравенство (A(t, p)ϕ,ψ) ≥ 0; 3) при всех (k, p) ∈ N ×K линейная функция Bk(p)x переменной x является позитив- ной относительно конуса K (см. [12]), т. е. из неравенства 0 K ≤ ϕ следует неравенство Bk(p)ϕ K ≥ 0; 4) решение x(t; t0, x0) задачи Коши для дифференциального уравнения (1.1) являет- ся монотонным по начальным данным относительно конуса K, т. е. если x20 K ≥ x10, то x(t; t0, x20) K ≥ x(t; t0, x10) при всех t ≥ t0; ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 189 5) существуют постоянные векторы w1, w2 ∈ K и функции γij(t), γij ∈ C([a,+∞),R), i, j = 1, 2, γij(t) ≥ 0 при i 6= j такие, что при всех (t, x) ∈ [a,+∞) × K выполняются оценки A(t, x)w1 K ≤ γ11(t)w1 + γ12(t)w2, (1.2) A(t, x)w2 K ≤ γ21(t)w1 + γ22(t)w2; 6) существуют постоянные δ(k) ij , i, j = 1, 2, δ (k) ij ≥ 0, такие, что при всех (k, x) ∈ N×K Bk(x)w1 K ≤ δ (k) 11 w1 + δ (k) 21 w2, (1.3) Bk(x)w2 K ≤ δ (k) 12 w1 + δ (k) 22 w2. Линейный оператор A ∈ L(X,X) будем называть квазимонотонным оператором, если функция f(x) = Ax является квазимонотонно неубывающей. 2. Основной результат. В этом пункте рассматривается глобальная устойчивость ре- шения x = 0 уравнения (1.1). Приведем соответствующие определения. Пустьwi ∈ K, i = 1, 2,— элементы изK.Эта пара элементов называется допустимой, если существуют неотрицательные постоянные δ1 и δ2 такие, что w = δ1w1 + δ2w2 ∈ ∈ int K. Напомним [3], что равенство ‖x‖w = inf { α | − αw K ≤ x K ≤ αw } определяет норму в пространстве X (норма Биркгофа). Определение 2.1. Состояние равновесия x = 0 дифференциального уравнения (1.1) называется: 1) глобально устойчивым в конусе K по двум нормам (‖.‖w, ‖.‖X), если для любого t0 ∈ [a,∞) и любого ε > 0 существует положительное число δ = δ(t0, ε) (δ(t0, ε) → ∞ при ε → ∞) такое, что из условий x0 ∈ K, ‖x0‖w < δ следует неравенство ‖x(t; t0, x0)‖X < ε при всех t ≥ t0; 2) глобально равномерно устойчивым в конусе K по двум нормам (‖.‖w, ‖.‖X), если δ = δ(t0, ε) в п. 1 можно выбрать независимо от t0; 3) глобально асимптотически устойчивым в конусе K по двум нормам (‖.‖w, ‖.‖X), если оно глобально устойчиво в конусе K и для любого x0 ∈ K lim t→∞ ‖x(t; t0, x0)‖X = 0. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 190 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО Наряду с уравнением (1.1) рассмотрим (позитивную) линейную двумерную систему дифференциальных уравнений с импульсным воздействием du1 dt = γ11(t)u1 + γ21(t)u2, du2 dt = γ12(t)u1 + γ22(t)u2, t 6= τk, (2.1) u1(t+ 0) = δ (k) 11 u1 + δ (k) 12 u2, u2(t+ 0) = δ (k) 21 u1 + δ (k) 22 u2, t = τk. Обозначим через Ψ(t, t0) = [ψij(t; t0)]2i,j=1 матрицант этой системы уравнений. Теорема 2.1. Предположим, что дифференциальное уравнение (1.1) удовлетворяет предположениям 1 – 6 и матрицант Ψ(t; t0) системы сравнения (2.1) удовлетворяет сле- дующим условиям: 1) существуют допустимая пара элементов (w1, w2) конуса K, для которой выпол- няются оценки (1.2), (1.3), и функция c(t0) > 0 такая, что ψij(t; t0) ≤ c(t0), i, j = 1, 2, при всех t ≥ t0; 2) выполняется условие 1 теоремы 2.1 и sup t0∈[a,∞) c(t0) < ∞; 3) существуют пределы lim t→∞ ψij(t; t0) = 0, i, j = 1, 2. Тогда состояние равновесия x = 0 дифференциального уравнения (1.1): 1) глобально устойчиво по Ляпунову в конусе K по двум нормам (‖.‖w, ‖.‖X); 2) глобально равномерно устойчиво по Ляпунову в конусе K по двум нормам (‖.‖w, ‖.‖X); 3) глобально асимптотически устойчиво по Ляпунову в конусе K по двум нормам (‖.‖w, ‖.‖X). Пример. Приведем пример, иллюстрирующий теорему 2.1. Рассмотрим в конечномер- ном банаховом пространстве (R3, ‖.‖∞), ‖x‖∞ = max{|x1|, |x2|, |x3|} систему дифферен- циальных уравнений с импульсным воздействием dx dt = ψ(t, x)Ax, t 6= τk, (2.2) ∆x(t) = ψ(t, x(t))Bx(t), t = τk, где x ∈ R3, ψ : R× R3 → R+, A, B — (3× 3)-матрицы: A = −α ε ε ε −α ε ε ε β  , B = γ ε ε ε γ ε ε ε −δ  , α, β, γ, δ — положительные числа, ε ≥ 0 и ε < α. Моменты импульсного воздействия удовлетворяют неравенствам 0 < θ1 ≤ τk+1 − τk ≤ θ2 < +∞. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 191 Относительно скалярной функции ψ(t, x) предположим, что при всех (t, x) ∈ R × R3 выполняются неравенства 0 < ψm ≤ ψ(t, x) ≤ ψM < +∞, 1− δψm > 0. Пусть K = R3 +, w1 = (1, 1, 0)T , w2 = (0, 0, 1)T , δ1 = δ2 = 1, ‖x‖∞ = ‖x‖w, тогда ψ(t, x)Aw1 R3 + ≤ ψm(ε− α)w1 + 2εψMw2, ψ(t, x)Aw2 R3 + ≤ ψMεw1 + ψMβw2, (I + ψ(t, x)B)w1 R3 + ≤ (1 + ψM (γ + ε))w1 + 2εψMw2, (I + ψ(t, x)B)w2 R3 + ≤ εψMw1 + (1− δψm)w2. Поэтому система сравнения имеет вид du1 dt = ψm(ε− α)u1 + ψMεu2, du2 dt = 2εψMu1 + ψMβu2, t 6= τk, (2.3) u1(t+ 0) = (1 + ψM (γ + ε))u1 + εψMu2, u2(t+ 0) = 2εψMu1 + (1− δψm)u2, t = τk. Нетрудно показать, что матрицант Ψ(τk+1 + 0, τk + 0) системы сравнения (2.3) удовлетво- ряет неравенству Ψ(τk+1 + 0; τk + 0) R2 + ≤ Ψ∗, где Ψ∗ = exp [( ψm(ε− α)θ1 εψMθ2 2ψMεθ2 βψMθ2 + ψm(α− ε)(θ2 − θ1) )] × × ( 1 + ψM (ε+ γ) εψM 2ψMε 1− δψm. ) . Покажем, что выполнение условия ρ(Ψ∗) < 1 гарантирует асимптотическую устойчи- вость системы сравнения (2.3) и, как следствие, глобальную асимптотическую устойчи- вость состояния равновесия x = 0 системы (2.2). Действительно, если t ∈ (τk, τk+1], то Ψ(t; t0) R2 + ≤ Ψ(t; τk + 0)(Ψ∗)k−1Ψ(τ1 + 0; t0). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 192 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО Если ρ(Ψ∗) < 1, то (Ψ∗)k → 0 при k → ∞, откуда следует, что Ψ(t; t0) → 0 при t → ∞. 3. Доказательство основной теоремы. Рассмотрим в банаховом пространстве X диф- ференциальное уравнение dx dt = A(t, x)x, (3.1) где x ∈ X, t ∈ [a,+∞), а операторнозначная функция A(t, x) удовлетворяет предполо- жениям 2, 5 и при всех (t, x) ∈ [a,∞)×K выполняется неравенство ‖A(t, x)‖L(X,X) ≤ M. Рассмотрим интервал [t0, T ] ⊂ [a,+∞). Пусть {tk}— конечное множество точек это- го интервала: t0 < t1 < . . . < ts = T. Обозначим h = max k=0,s−1 {tk+1 − tk} и сконструируем функцию xh(t) =  eA(t0,x0)(t−t0)x0, t ∈ [t0, t1], eA(t1,x1)(t−t1)x1, x1 = xh(t1), t ∈ (t1, t2], . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . eA(ts−1,xs−1)(t−ts−1)xs−1, xs−1 = xh(ts−1), t ∈ (ts−1, ts]. Отметим, что xh ∈ C([t0, T ], X). Лемма 3.1. lim h→0 sup t∈[t0,T ] ‖x(t)− xh(t)‖X = 0. Рассмотрим некоторое ограниченное подмножествоM ⊂ L(X,X), состоящее из ква- зимонотонных операторов и удовлетворяющее следующему условию: существуют два вектора w1, w2 ∈ K и для каждого оператора A ∈ M существуют постоянные γ (A) ij , i, j = 1, 2, γ (A) ij ≥ 0, i 6= j, такие, что выполняются неравенства Aw1 K ≤ γ (A) 11 w1 + γ (A) 12 w2, Aw2 K ≤ γ (A) 21 w1 + γ (A) 22 w2, причем supA∈M |γ (A) ij | < ∞, i, j = 1, 2. Лемма 3.2. Пусть h > 0 — достаточно малое положительное число. Тогда для лю- бого элемента A множестваM выполняются неравенства 0 K ≤ eAhw1 K ≤ π (A) 11 w1 + π (A) 12 w2 +R (A) 1 (h), 0 K ≤ eAhw2 K ≤ π (A) 21 w1 + π (A) 22 w2 +R (A) 2 (h), sup A∈M ‖R(A) i (h)‖X ≤ Ch2, i = 1, 2, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 193 где Π(A) = [π (A) ij ]2i,j=1 = eΓ(A)h, Γ(A) = [γ (A) ij ]2i,j=1 — матрицы второго порядка, C — некоторая положительная постоянная. Доказательство. Неравенства eAhwi K ≥ 0, i = 1, 2, следуют из того, что множествоM состоит из квазимонотонных операторов. Введем обозначенияm0 = supA∈M ‖A‖, γ0 = maxi,j=1,2 supA∈M |γ (A) ij |.Из условия лем- мы следует eAhw1 = w1 + hAw1 + ∞∑ k=2 hkAk k! w1 K ≤ (1 + hγ (A) 11 )w1 + hγ (A) 12 w2 + ∞∑ k=2 hkAk k! w1. Из определения матричной экспоненты следуют представления δij + hγ (A) ij = π (A) ij + r (A) ij , i, j = 1, 2, где δij — символ Кронекера, r(A) ij , i, j = 1, 2, — элементы матрицы − ∑∞ k=2 hk(Γ(A))k k! . Поэтому eAhw1 K ≤ π (A) 11 w1 + π (A) 12 w2 +R (A) 1 (h), где R (A) 1 (h) = ∞∑ k=2 hkAk k! w1 + r (A) 11 w1 + r (A) 12 w2. Пусть h < min { 1 4γ0 , 1 2m0 } , тогда |r(A) ij | ≤ ∥∥∥∥∥ ∞∑ k=2 hk(Γ(A))k k! ∥∥∥∥∥ E ≤ ≤ ∞∑ k=2 (2γ0h)k k! ≤ 2γ2 0h 2(1 + 2γ0h+ (2γ0h)2 + . . .) = 2γ2 0h 2 1− 2γ0h ≤ 4γ2 0h 2. Здесь ‖.‖E обозначает матричную норму Шмидта. Оценим R (A) 1 : ‖R(A) 1 (h)‖X ≤ 4γ2 0h 2(‖w1‖X + ‖w2‖X) + m2 0‖w1‖Xh2 1−m0h ≤ ≤ h2[4γ2 0(‖w1‖X + ‖w2‖X) + 2m2 0‖w1‖X ] ≤ Ch2, где C = 2(2γ2 0 +m2 0)(‖w1‖+ ‖w2‖). Аналогично доказывается оценка для eAhw2. Лемма 3.2 доказана. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 194 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО Рассмотрим двумерную систему обыкновенных дифференциальных уравнений du1 dt = γ11(t)u1 + γ21(t)u2, (3.2) du2 dt = γ12(t)u1 + γ22(t)u2 и обозначим через Ω(t, t0) = [ωij(t; t0)]2i,j=1 матрицант этой системы. Лемма 3.3. Пусть δ1, δ2 — некоторые неотрицательные числа, x(t; t0;x0) — решение задачи Коши для дифференциального уравнения (3.1). Тогда при t ≥ t0 справедливы оценки 0 K ≤ x(t; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ (δ1ω11(t, t0) + δ2ω12(t, t0))w1 + (δ1ω21(t; t0) + δ2ω22(t; t0))w2. Доказательство. Если δ1 = δ2 = 0, то утверждение леммы очевидно, поэтому будем считать, что δ2 1 + δ2 2 6= 0. Рассмотрим некоторый интервал [t0, T ], T > t0, и некоторое его разбиение t0 < t1 < . . . < ts = T, tk+1 − tk = T − t0 s , k = 0, . . . , s − 1. Также введем в рассмотрение аппроксимацию xh(t; t0, δ1w1 + δ2w2) решения x(t; t0, δ1w1 + δ2w2) задачи Коши для дифференциального уравнения (3.1) и обозначим через π(m) ij , i, j = 1, 2, m = = 0, 1, . . . , s, элементы матриц Π(m), определенные формулами Π(0) = I,Π(m) = eΓ(tm−1)h. Использовав метод математической индукции, установим неравенства 0 K ≤ xm df = xh(tm; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )w1+ + (δ1β (m) 12 + δ2β (m) 22 )w2 + rm(h) (3.3) при m = 0, 1, 2, . . . , s, где β(m) ij , i, j = 1, 2, — элементы матриц B(0) = I, B(m) = eΓ(t0)h . . . eΓ(tm−1)h, а rm(h) удовлетворяет разностному уравнению rm+1(h) = (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )R (A(tm,xm)) 1 (h)+ + (δ1β (m) 12 + δ2β (m) 22 )R (A(tm,xm)) 2 (h) + eA(tm,xm)hrm(h). Действительно, используя лемму 2.2, при m = 0 получаем 0 K ≤ x0 df = xh(t0; t0, δ1w1 + δ2w2) = eA(t0,x0)(t0−t0)(δ1w1 + δ2w2) K ≤ K ≤ (δ1π (0) 11 + δ2π (0) 21 )w1 + (δ1π (0) 12 + δ2π (0) 22 )w2 + r0(h), где r0(h) = 0. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 195 Предположим далее, что неравенство (3.3) выполняется при некотором натуральном m. Тогда получим xh(tm+1; t0δ1w1 + δ2w2) = eA(tm,xm)hxm K ≥ 0, xm+1 = xh(tm+1; t0, δ1w1 + δ2w2) = eA(tm,xm)hxm K ≤ (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )eA(tm,xm)hw1+ + (δ1β (m) 12 + δ2β (m) 22 )eA(tm,xm)hw2 + eA(tm,xm)hrm(h). Применяя лемму 3.2, получаем оценку xm+1 K ≤ (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )(π (m) 11 w1 + π (m) 12 w2) + (δ1β (m) 12 + δ2β (m) 22 )(π (m) 21 w1 + π (m) 22 w2)+ + (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )R (A(tm,xm)) 1 (h) + (δ1β (m) 12 + δ2β (m) 22 )R (A(tm,xm)) 2 (h)+ + eA(tm,xm)hrm(h) = (δ1(β (m) 11 π (m+1) 11 + β (m) 12 π (m+1) 21 )+ + δ2(β (m) 21 π (m+1) 11 + β (m) 22 π (m+1) 21 ))w1+ + (δ1(β (m) 11 π (m+1) 12 + β (m) 12 π (m+1) 22 ) + δ2(β (m) 21 π (m+1) 12 + β (m) 22 π (m+1) 22 ))w2+ + (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )R (A(tm,xm)) 1 (h)+ + (δ1β (m) 12 + δ2β (m) 22 )R (A(tm,xm)) 2 (h) + eA(tm,xm)hrm(h). Поскольку B(m+1) = B(m)Π(m+1), оценку для xm+1 преобразуем к виду xm+1 K ≤ (δ1β (m+1) 11 + δ2β (m+1) 21 )w1 + (δ1β (m+1) 12 + δ2β (m+1) 22 )w2+ + (δ1β (m) 11 + δ2β (m) 21 )R (A(tm,xm)) 1 (h) + (δ1β (m) 12 + + δ2β (m) 22 )R (A(tm,xm)) 2 (h) + eA(tm,xm)hrm(h). МножествоM = {A(t, x) |(t, x) ∈ [a,∞)×K} ⊂ L(X,X) удовлетворяет условиям леммы 3.2. Обозначим γ0 = maxi,j=1,2 maxt∈[t0,T ] |γij(t)|, тогда |β(m) ij | ≤ e2mγ0h, i, j = 1, 2. Оценим норму остатка rm(h) : ‖rm+1(h)‖X ≤ eMh‖rm(h)‖X + 2(δ1 + δ2)e2mγ0hCh2, тогда ‖rm(h)‖X ≤ vm, где vm — решение разностного уравнения vm+1 = eMhvm + 2C(δ1 + δ2)e2mγ0hh2, v0 = 0. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 196 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО Пусть vm = emMhqm, тогда e(m+1)Mh(qm+1 − qm) = 2C(δ1 + δ2)e2mγ0hh2, поэтому qm+1 = m∑ k=0 2Ch2(δ1 + δ2)e(2γ0−M)hk−Mh, vm = 2Ch2(δ1 + δ2) m−1∑ k=0 eMh(m−k−1)e2kγ0h ≤ 2Ch2(δ1 + δ2)emMh e 2mhγ0 − 1 e2hγ0 − 1 . С учетом очевидного неравенства e2γ0h − 1 ≥ 2γ0h получим оценку ‖rm(h)‖X ≤ C(δ1 + δ2)emMh(e2γ0mh − 1) γ0 h. Таким образом, неравенство (3.3) выполняется при всехm = 0, 1, 2, . . . , s.В частности, при m = s имеем 0 K ≤ xh(t; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ (δ1β (s) 11 + δ2β (s) 21 )w1 + (δ1β (s) 12 + δ2β (s) 22 )w2 + rs(h). (3.4) При этом ‖rs(h)‖X ≤ C(δ1 + δ2)eM(T−t0)(e2γ0(T−t0) − 1) γ0 h. Переходя в неравенстве (3.4) к пределу при h → 0 (s → ∞), получаем ‖rs(h)‖X → 0. В силу леммы 3.1 ‖xh(T ; t0, δ1w1 + δ2w2)− x(T ; t0, δ1w1 + δ2w2)‖X → 0 при h → 0. Также очевидно, что B(s) → ΩT (T ; t0) при h → 0 (s → ∞), поэтому пере- ход к пределу h → 0 в неравенстве (3.3) завершает доказательство леммы, поскольку T выбрано произвольно. Лемма 3.3 доказана. Рассмотрим дифференциальное уравнение (1.1), удовлетворяющее предположениям 1 – 6. Лемма 3.4. Пусть x(t; t0, x0) — решение задачи Коши для дифференциального урав- нения (1.1). Тогда при t ≥ t0 справедлива оценка 0 K ≤ x(t; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ (δ1ψ11(t, t0) + δ2ψ12(t, t0))w1+ + (δ1ψ21(t; t0) + δ2ψ22(t, t0))w2, (3.5) где δ1 ≥ 0, δ2 ≥ 0. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 197 Доказательство. Предположим, что t ∈ (τk, τk+1], τ0 = t0. Проведем доказательство леммы 3.4 методом математической индукции по k. При k = 0 t ∈ [t0; τ1] и утверждение леммы следует из леммы 3.3. Предположим далее, что утверждение леммы справедливо при k = m− 1, т. е. 0 K ≤ x(τm; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ (δ1ψ11(τm, t0) + δ2ψ12(τm, t0))w1+ + (δ1ψ21(τm; t0) + δ2ψ22(τm, t0))w2. Из предположения индукции следует, что x(τm + 0; t0, δ1w1 + δ2w2) = Bm(x(τm; t0, δ1w1 + δ2w2))x(τm; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ K ≤ (δ1ψ11(τm, t0) + δ2ψ12(τm, t0))Bm(x(τm; t0, δ1w1 + δ2w2))w1+ + (δ1ψ21(τm, t0) + δ2ψ22(τm, t0))Bm(x(τm; t0, δ1w1 + δ2w2))w2. Оценки (1.3) позволяют установить неравенство x(τm + 0; t0, δ1w1 + δ2w2) K ≤ (δ1ψ11(τm, t0) + δ2ψ12(τm, t0))(δ (m) 11 w1 + δ (m) 21 w2)+ + (δ1ψ21(τm, t0) + δ2ψ22(τm, t0))(δ (m) 12 w1 + δ (m) 22 w2) = = [δ1(ψ11(τm, t0)δ (m) 11 + ψ21(τm, t0)δ (m) 12 ) + δ2(ψ12(τm, t0)δ (m) 11 + ψ22(τm, t0)δ (m) 12 )]w1+ + [δ1(ψ11(τm, t0)δ (m) 21 + ψ21(τm, t0)δ (m) 22 ) + δ2(ψ12(τm, t0)δ (m) 21 + ψ22(τm, t0)δ (m) 22 )]w2 = = (δ1ψ11(τm + 0, t0) + δ2ψ12(τm + 0, t0))w1 + (δ1ψ21(τm + 0, t0) + δ2ψ22(τm + 0, t0))w2. Применяя лемму 3.3 и монотонность (по начальным данным) решений задачи Коши для дифференциального уравнения (1.1), при t ∈ (τm, τm+1] получаем 0 K ≤ x(t; τm, x(τm + 0; t0, δ1w1 + δ2w2)) K ≤ x(t; τm, (δ1ψ11(τm + 0, t0)+ + δ2ψ12(τm + 0, t0))w1 + (δ1ψ21(τm + 0, t0) + δ2ψ22(τm + 0, t0))w2) K ≤ K ≤ [ω11(t, τm)(δ1ψ11(τm + 0, t0) + δ2ψ12(τm + 0, t0))+ + ω12(t, τm)(δ1ψ21(τm + 0, t0) + δ2ψ22(τm + 0, t0))]w1+ + [ω21(t, τm)(δ1ψ11(τm + 0, t0) + δ2ψ12(τm + 0, t0))+ ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 198 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО + ω22(t, τm)(δ1ψ21(τm + 0, t0) + δ2ψ22(τm + 0, t0))]w2 = = [δ1(ω11(t, τm)ψ11(τm + 0, t0) + ω12(t, τm)ψ21(τm + 0, t0))+ + δ2(ω11(t, τm)ψ12(τm + 0, t0) + ω12(t, τm)ψ22(τm + 0, t0))]w1+ + [δ1(ω21(t, τm)ψ11(τm + 0, t0) + ω22(t, τm)ψ21(τm + 0, t0))+ + δ2(ω21(t, τm)ψ12(τm + 0, t0) + ω22(t, τm)ψ22(τm + 0, t0))]w2. С учетом равенств ψij(t; t0) = 2∑ k=1 ωik(t, τm)ψkj(τm + 0, t0), i, j = 1, 2, приходим к завершению доказательства леммы. Лемма 3.4 доказана. Теперь с помощью леммы 3.4 можно доказать теорему 2.1. Доказательство теоремы 2.1. Пусть x0 ∈ K, тогда 0 K ≤ x0 K ≤ ‖x0‖ww, где w = δ1w1 + +δ2w2 ∈ int K и 0 ≤ x(t; t0, x0) K ≤ x(t; t0, ‖x0‖ww) K ≤ ≤ ‖x0‖w[(δ1ψ11(t; t0) + δ2ψ12(t; t0))w1 + (δ1ψ21(t; t0) + δ2ψ22(t; t0))w2]. Отсюда, вследствие нормальности конуса K, ‖x(t; t0, x0)‖X ≤ 2aK‖x0‖wc(t0)(δ1 + δ2)(‖w1‖X + ‖w2‖X). Пусть ε > 0. Выберем δ = δ(ε, t0) = ε 2aKc(t0)(δ1 + δ2)(‖w1‖X + ‖w2‖X) . Тогда из нера- венства ‖x0‖w < δ следует неравенство ‖x(t; t0, x0)‖X < ε при всех t ≥ t0. Доказательство равномерной устойчивости по Ляпунову в конусе K аналогично. Асимптотическая устойчивость следует из оценки ‖x(t; t0, x0)‖X ≤ ‖x0‖w[(δ1ψ11(t; t0) + δ2ψ12(t; t0))‖w1‖X+ + (δ1ψ21(t; t0) + δ2ψ22(t; t0))‖w2‖X ] → 0 при t → ∞. Теорема доказана. 4. Приложение к системам Такаги – Сугено с импульсным воздействием. Рассмотрим дифференциальную модель Такаги – Сугено с импульсным воздействием dx dt = r∑ i=1 µi(x)Aix, t 6= τk, (4.1) x(t+ 0) = r∑ i=1 µi(x)Bix, t = τk, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 199 где x ∈ Rn, t ∈ R, Ai ∈ Rn×n, Bi ∈ Rn×n, i = 1, 2, . . . , r, — структурные матрицы модели Такаги – Сугено, µi(x) — нормированные функции принадлежности некоторых нечетких множеств в Rn, µi ∈ C(Rn;R+), с условием нормировки r∑ i=1 µi(x) = 1. Относительно моментов импульсного воздействия {τk}∞k=1 предположим, что τk → ∞ при k → ∞. Пара положительно полуопределенных матриц (X1, X2) называется допустимой па- рой, если существуют неотрицательные постоянные δ1, δ2 такие, что матрица δ1X1 +δ2X2 является положительно определенной. Теорема 4.1. Предположим, что существуют положительно полуопределенные мат- рицы X1 и X2, образующие допустимую пару, постоянные γij , i, j = 1, 2, γij ≥ 0, i 6= j, и неотрицательные постоянные δij , i, j = 1, 2, такие, что выполняются матричные неравенства AiX1 +X1A T i ≤ γ11X1 + γ21X2, i = 1, r, AiX2 +X2A T i ≤ γ12X1 + γ22X2, i = 1, r, 1 2 (BiX1B T j +BjX1B T i ) ≤ δ11X1 + δ21X2, i, j = 1, r, 1 2 (BiX2B T j +BjX2B T i ) ≤ δ12X1 + δ22X2, i, j = 1, r, и соотношение sup k ‖∆eΓ(τk+1−τk)‖ < 1, где Γ = [γij ] 2 i,j=1, ∆ = [δij ] 2 i,j=1. Тогда состояние равновесия x = 0 системы (4.1) глобально асимптотически устой- чиво по Ляпунову. Доказательство. Рассмотрим отображение V : Rn → Rn×n, V (x) = xxT , и его про- изводную вдоль решений системы (4.1): dV dt = r∑ i=1 µi(x)(AiV + V ATi ), t 6= τk, (4.2) V (t+ 0) = ( r∑ i=1 µi(x)Bix )  r∑ j=1 µj(x)Bjx T = = 1 2 r∑ i=1 r∑ j=1 µi(x)µj(x) ( BiV B T j +BjV B T i ) , t = τk. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 200 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО Исходную систему дифференциальных уравнений (4.1) расширим линейной системой срав- нения (4.2): dx dt = r∑ i=1 µi(x)Aix, dV dt = r∑ i=1 µi(x)FiV, t 6= τk, (4.3) x(t+ 0) = r∑ i=1 µi(x)Bix, V (t+ 0) = r∑ i=1 r∑ j=1 µi(x)µj(x)BijV (t), t = τk, где Fi : Rn×n → Rn×n, FiX = AiX +XATi — операторы Ляпунова, Bij : Rn×n → Rn×n, BijX = 1 2 (BiXB T j +BjXB T i ). Рассмотрим решения (x(t; t0, x0), V (t; t0, x0, V0)) ∈ Rn × Rn×n системы (4.3). Нетрудно показать, что V (t; t0, x0, V0) ∈ K, где K ⊂ Rn×n — конус симметричных положительно полуопределенных матриц. Зафиксируем x0 ∈ Rn, тогда система сравнения имеет вид dV dt = r∑ i=1 µi(x(t; t0, x0))FiV, V (t+ 0) = r∑ i=1 r∑ j=1 µi(x(t; t0, x0))µj(x(t; t0, x0))BijV. Из условия теоремы 4.1 следует, что r∑ i=1 µi(x(t; t0, x0))FiX1 K ≤ γ11X1 + γ21X2, r∑ j=1 µj(x(t; t0, x0))FiX2 K ≤ γ12X1 + γ22X2, r∑ i=1 r∑ j=1 µi(x(τk; t0, x0))µj(x(τk; t0, x0))BijX1 K ≤ δ11X1 + δ21X2, r∑ i=1 r∑ j=1 µi(x(τk; t0, x0))µj(x(τk; t0, x0))BijX2 K ≤ δ12X1 + δ22X2. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 ГЛОБАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЙ НЕСТАЦИОНАРНЫХ . . . 201 Обозначим X = δ1X1 + δ2X2. На основе леммы 3.4 получаем оценки 0 ≤ V (t; t0, x0, V0) K ≤ ||V0||X((δ1ψ11(t, t0)+ + δ2ψ12(t, t0))X1 + (δ1ψ21(t, t0) + δ2ψ22(t, t0))X2), ‖V (t; t0, x0, V0)‖X ≤ aK‖V0‖X((δ1ψ11(t, t0)+ + δ2ψ12(t, t0))‖X1‖X + (δ1ψ21(t, t0) + δ2ψ22(t, t0))‖X2‖X). Здесь aK — постоянная нормальности конуса K, ψij(t, t0), i, j = 1, 2, — элементы матри- цанта Ψ(t, t0) системы сравнения du dt = Γu, t 6= τk, u(t+ 0) = ∆u(t), t = τk. Пусть V0 = x0 x T 0 . Тогда V (t; t0, x0, V0) = x(t; t0, x0)xT (t; t0, x0) и из эквивалентности норм в конечномерном пространстве можно вывести оценку ‖x(t; t0, x0)‖ ≤ ≤ C‖x0‖ √ (δ1ψ11(t, t0) + δ2ψ12(t, t0))‖X1‖X + (δ1ψ21(t, t0) + δ2ψ22(t, t0))‖X2‖X . Если выполняется условие теоремы, то существует постоянная c > 0 такая, чтоψij(t; t0)≤ ≤ c, i, j = 1, 2, t ≥ t0.Пусть ε > 0. Выберем δ(ε) = ε C √ c(δ1 + δ2)(‖X1‖X + ‖X2‖X) . Тогда ‖x(t; t0, x0)‖ < ε при всех t ≥ t0.Из условия теоремы следует, что ψij(t; t0) → 0, i, j = 1, 2, при t → ∞, и тогда ‖x(t; t0, x0)‖ → 0 при t → ∞. Теорема доказана. 5. Заключение. В отличие от классического метода сравнения [12] в данной работе в процессе построения системы сравнения не используется аппарат функций Ляпунова. Исследование нестационарной линейной системы сравнения с импульсным воздействием представляет самостоятельную задачу, решение которой может быть значительно упро- щено за счет низкого порядка этой системы. В частности, для линейных систем сравнения второго порядка с постоянными параметрами решение задачи об устойчивости всегда может быть получено в явном виде [11]. Отметим также, что применительно к системам Такаги – Сугено с импульсным воз- действием предложенный подход (теорема 4.1) позволяет исследовать случаи, когда все элементы структурных множеств являются неустойчивыми. Представляет некоторый интерес применение полученных результатов к исследованию устойчивости импульсных систем со структурными возмущениями (см., например, [13, 14]). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2 202 А. И. ДВИРНЫЙ, В. И. СЛЫНЬКО 1. Самойленко А. М., Перестюк Н. А. Дифференциальные уравнения с импульсным воздействием. — Киев: Вища шк., 1987. — 288 с. 2. Цыпкин Я. З. Теория импульсных систем. — М.: Физматгиз, 1958. — 724 с. 3. Красносельский М. А., Лифшиц Е. А., Соболев А. В. Позитивные линейные системы. — М.: Наука, 1985. — 256 с. 4. Красносельский М. А. Операторы сдвига по траекториям дифференциальных уравнений. — М.: Нау- ка, 1966. — 331 с. 5. Перестюк Н. А. К вопросу устойчивости положения равновесия импульсных систем // Год. на ВУЗ : Прилож. мат. — София, 1976. — 11, кн. 1. — С. 145 — 150. 6. Перестюк Н. А. Устойчивость решений линейных систем с импульсным воздействием // Вестн. Киев. ун-та. Математика и механика. — 1977. — № 19. — С. 71 – 76. 7. Lakshmikantham V., Bainov D. D., Simeonov P. S. Theory of impulsive differential equations. — Singapore: World Sci., 1989. — 275 p. 8. Мартынюк А. А., Слынько В. И. Об устойчивости движения нелинейной импульсной системы // Прикл. механика. — 2004. — 40, № 2. — С. 112 – 122. 9. Слюсарчук В. Ю. Нестiйкiсть розв’язкiв еволюцiйних рiвнянь. — Рiвне: Вид-во НУВГП, 2004. — 416 с. 10. Мартынюк А. А., Оболенский А. Ю. Исследование устойчивости автономных систем сравнения. — Киев, 1978. — 24 с. — (Препринт/ АН УССР. Ин-т математики; 78.28). 11. Двирный А. И. Об оценке границы робастности линейной системы с импульсным воздействием // Доп. НАН України. — 2003. — № 9. — C. 34 – 39. 12. Мартынюк А. А., Лакшмикантам В., Лила С. Устойчивость движения: метод сравнения. — Киев: Наук. думка, 1991. — 243 с. 13. Мартынюк А. А., Чернецкая Л. Н. К теории устойчивости движения импульсных систем со структур- ными возмущениями // Прикл. механика. — 2003. — 39, № 3. — C. 117 – 125. 14. Миладжанов В. Г. Об устойчивости крупномасштабной импульсной системы при структурных возму- щениях // Доп. НАН України. — 1992. — № 11. — C. 59 – 62. Получено 21.04.10, после доработки — 22.03.11 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2011, т . 14, N◦ 2