Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу

Запропоновано застосування методу „збуреного” характеристичного рiвняння для асимптотичного iнтегрування систем лiнiйних диференцiальних рiвнянь з малим параметром у дробовому степенi при похiдних....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2004
Автор: Кондакова, С.В.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2004
Назва видання:Нелінійні коливання
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/176996
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу / S.V. Kondakova // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 1. — С. 93-110. — Бібліогр.: 2 назв. — англ.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-176996
record_format dspace
spelling irk-123456789-1769962021-02-09T20:33:22Z Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу Кондакова, С.В. Запропоновано застосування методу „збуреного” характеристичного рiвняння для асимптотичного iнтегрування систем лiнiйних диференцiальних рiвнянь з малим параметром у дробовому степенi при похiдних. We give an application of the method of „perturbed” characteristic equation for asymptotic integration of a systems of linear differential equations with a small parameter in the rational power of the derivatives. 2004 Article Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу / S.V. Kondakova // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 1. — С. 93-110. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. 1562-3076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/176996 517.927.8 uk Нелінійні коливання Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
description Запропоновано застосування методу „збуреного” характеристичного рiвняння для асимптотичного iнтегрування систем лiнiйних диференцiальних рiвнянь з малим параметром у дробовому степенi при похiдних.
format Article
author Кондакова, С.В.
spellingShingle Кондакова, С.В.
Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
Нелінійні коливання
author_facet Кондакова, С.В.
author_sort Кондакова, С.В.
title Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
title_short Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
title_full Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
title_fullStr Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
title_full_unstemmed Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
title_sort системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2004
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/176996
citation_txt Системи лінійних диференціальних рівнянь раціонального рангу / S.V. Kondakova // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 1. — С. 93-110. — Бібліогр.: 2 назв. — англ.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT kondakovasv sistemilíníjnihdiferencíalʹnihrívnânʹracíonalʹnogorangu
first_indexed 2025-07-15T14:57:19Z
last_indexed 2025-07-15T14:57:19Z
_version_ 1837725321898491904
fulltext УДК 517.927.8 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ С. В. Кoндакова Київ. ун-т економiки i технологiй транспорту Україна, 03049, Київ, вул. Лукашевича, 5 We give an application of the method of „perturbed” characteristic equation for asymptotic integration of a systems of linear differential equations with a small parameter in the rational power of the derivatives. Запропоновано застосування методу „збуреного” характеристичного рiвняння для асимпто- тичного iнтегрування систем лiнiйних диференцiальних рiвнянь з малим параметром у дробо- вому степенi при похiдних. Розглянемо систему лiнiйних диференцiальних рiвнянь вигляду ε p q dx dt = A(t, ε)x, (1) де x— n-вимiрний вектор,A(t, ε) = ∞∑ s=0 εsAs(t) — квадратна матриця порядку n, елементи якої необмежено диференцiйовнi по t на вiдрiзку [0;L], ε > 0 — малий параметр, p i q — натуральнi взаємно простi числа. Крiм того, нехай виконується нерiвнiсть p < n ≤ q. (2) Позначимо ε 1 q = µ. Тодi система (1) набирає вигляду µp dx dt = (A0(t) + µqA1(t) + µ2qA2(t) + . . . )x, (3) де ε = µq, ε p q = µp. Детально системи, до яких малий параметр входить у дробовому степенi, дослiджено В. К. Григоренком [1]. До цього малий параметр у дробовому степенi при похiдних зустрi- чався лише при розв’язаннi окремих диференцiальних рiвнянь. У роботi [1] при розв’язан- нi системи вигляду (1) розглянуто два випадки: випадок простих коренiв характеристич- ного рiвняння det ‖A0(t) − λE‖ = 0 i випадок одного кореня кратностi n. Запропонова- ний тут метод „збуреного” характеристичного рiвняння дозволяє будувати асимптотичнi розв’язки систем у випадку кратного кореня за тим самим алгоритмом, що i при простих коренях характеристичного рiвняння. c© С. В. Кoндакова, 2004 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 93 94 С. В. КOНДАКОВА Розглянемо випадок, коли кратному кореню λ0(t) вiдповiдає p ≥ 1 простих елемен- тарних дiльникiв i r ≥ 1 кратних (p+ r = k). Нехай для матрицi A0(t) iснує матриця перетворення подiбностi T (t) така, що зводить її до канонiчної матрицi квазiдiагонального вигляду W (t) =  W1(t) 0 . . . 0 0 W2(t) . . . 0 . . . . . . . . . . . . 0 0 . . . W2(t)  , де W1(t) =  λ0(t) 0 . . . 0 0 λ0(t) . . . 0 . . . . . . . . . . . . 0 0 . . . λ0(t)  — дiагональна матриця порядку p, W2(t), . . . ,Wr(t) — жордановi клiтини, Wi(t) =  λ0(t) 1 0 . . . 0 0 λ0(t) 1 . . . 0 . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . λ0(t)  , i = 2, r. Пiдстановкою z = T (t)y зведемо систему (3) до системи µp dy dt = D(t, µ)y, (4) деD(t, µ) = D0(t, µ)+ ∞∑ s=1 µqsDs(t),D0(t, µ) = W (t)−µpT−1(t)T ′(t),Ds(t) = T−1(t)As(t)T (t), T ′(t) — похiдна вiд матрицi T (t). Розглянемо „збурене” рiвняння det ‖D0(t, µ)− λE‖ = 0. (5) Матриця D0(t, µ) = W (t)−µpT−1(t)T ′(t) при певних значеннях t ∈ [0;L] має кратнi коре- нi, або ж A0(t) = W (t) чи T ′(t) = 0. Тодi матрицю D0(t, µ) доцiльно розглядати у виглядi D0(t, µ) = W (t)− µpT−1(t)T ′(t) + j∑ s=1 µqsD0 s(t), ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 95 деD0 s(t) = T−1(t)As(t)T (t), s = 1, j. Щоб матрицяD(t, µ), як i ранiше, мала виглядD(t, µ) = = D0(t, µ) + ∞∑ s=1 µqsDs(t), покладемо Ds(t) ≡ 0 при 0 < s ≤ j i Ds(t) = T−1(t)As(t)T (t) при s > j. Число j визначається таким чином, щоб власнi значення матрицi D0(t, µ) задовольня- ли наступнi умови: 1) на даному вiдрiзку були простими при будь-якому t ∈ [0;L] i 0 < µ ≤ µ0: λi(t, µ) 6= λj(t, µ), i, j = 1, . . . , n, i 6= j; (6) 2) для кожної пари власних значень справджувалась асимптотична формула |λi(t, µ)− λj(t, µ)| = O(µk), k ∈ [0; 1). Доцiльнiсть умови 2 стане очевидною в процесi доведення теорем 1, 2. Теорема 1. Якщо матрицi As(t), s = 0, 1, . . . , на вiдрiзку [0;L] необмежено диференцi- йовнi i власнi значення матрицi D0(t, µ) задовольняють умову (6), то система диферен- цiальних рiвнянь (4) має формальну матрицю-розв’язок вигляду Y (t, µ) = U(t, µ, µ) exp  1 µp t∫ 0 Λ(τ, µ, µ) dτ  , (7) де U(t, µ, µ) — квадратна матриця порядку n, Λ(t, µ, µ) — дiагональна матриця порядку n, що зображаються формальними рядами U(t, µ, µ) = ∞∑ s=0 µsUs(t, µ), (8) Λ(t, µ, µ) = ∞∑ s=0 µsΛs(t, µ), де µ = q √ ε. Дана теорема доводиться методом, запропонованим у роботi [2]. В результатi отри- маємо U0(t, µ) = B(t, µ), (9) Λ0(t, µ) = W ∗(t, µ), (10) де B(t, µ) — матриця перетворення для матрицi D0(t, µ), W ∗(t, µ) — вiдповiдна їй дiаго- нальна матриця. Наступнi коефiцiєнти в розвиненнях (8) знаходяться за рекурентними формулами Λs(t, µ) = G1s(t, µ), s = 1, 2, . . . , (11) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 96 С. В. КOНДАКОВА де G1s — дiагональна матриця, утворена з дiагональних елементiв матрицi Gs(t, µ) = B−1(t, µ)Hs(t, µ), (12) Hs(t, µ) = [ s q ]∑ j=1 Dj(t)Us−jq(t, µ)− U ′s−p(t, µ)− s−1∑ i=1 Ui(t, µ)Λs−i(t, µ), (13) Us(t, µ) = B(t, µ)Qs(t, µ), s = 1, 2, . . . . (14) Коефiцiєнти матрицi Qs(t, µ) знаходяться за формулою qsij(t, µ) = gsij(t, µ) λj(t, µ)− λi(t, µ) , i 6= j; i, j = 1, 2, . . . , n. (15) Якщо i = j, то qsij = 0. Можна довести, що отриманi матрицi мають на вiдрiзку [0;L] похiднi всiх порядкiв. Помноживши Y (t, µ) на матрицю T (t) та пiдставивши µ = q √ ε, отримаємо формальну матрицю-розв’язок X(t, ε) системи (1). Розглянемо матрицю (13). Неважко помiтити, що для s < pHs(t, µ) ≡ 0, а отже, з (12), (11), (15) випливає Us(t, µ) ≡ 0,Λs(t, µ) ≡ 0, s = 1, 2, . . . , p − 1. Оскiльки в розвиненнях (8) цi елементи розташованi пiсля U0(t, µ),Λ0(t, µ), то ряди (8) запишемо у виглядi U(t, µ, µ) = B(t, µ) + ∞∑ s=p µsUs(t, µ) = B(t, ε) + ∞∑ s=p ε s qUs(t, ε), (16) Λ(t, µ, µ) = W ∗(t, µ) + ∞∑ s=p µsΛs(t, µ) = W ∗(t, ε) + ∞∑ s=p ε s qΛs(t, µ). Для уникнення громiздкостi в наступних оцiнках розглянемо випадок одного n-крат- ного елементарного дiльника за умови, що tn1(t) 6= 0 ∀t ∈ [0;L]. Випадок кiлькох крат- них елементарних дiльникiв проiлюструємо на прикладi конкретної системи 5-го порядку. Лема 1. Якщо виконуються умови теореми 1 i tn1(t) 6= 0 (tij(t) — елементи матрицi −T−1(t)T ′(t)), то коефiцiєнти формальних рядiв (16) можна зобразити у виглядi Us(t, µ) = B(t, ε) + ε − p qn (s−p+1) Uas (t, ε), (17) Λs(t, µ) = W ∗(t, ε) + ε − p qn (s−p)Λas(t, ε), s = p, p+ 1, . . . . Символом „a” позначається матриця, що не має особливостi в точцi ε = 0, тобто матриця, яку можна подати у виглядi A(t) + εiA(t, ε), A(t) 6= 0, i = 1, 2, . . . . Доведення. Оцiнимо перш за все власнi значення матрицi D0(t, µ). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 97 Розглянемо рiвняння (5). Розкриваючи визначник у лiвiй частинi, рiвняння (5) можна записати так: (λ0 − λ)n + (λ0 − λ)n−1cn−1(t, µ) + . . .+ c1(t, µ)(λ0 − λ) + c0(t, µ) = 0. (18) Як вiдомо, рiзницю λ0 − λ, в свою чергу, можна зобразити у виглядi ряду за степенями µ. Так, у рiвняннi (18) коефiцiєнт cn(t, µ) при (λ0 − λ)n дорiвнює 1, тобто ρn = 0, c0(t, µ) = ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ µpt11 1 + µpt12 . . . µpt1n µpt21 µpt22 . . . µpt2n . . . . . . . . . . . . µptn−1,1 µptn−1,2 . . . 1 + µptn−1,n µptn1 µptn2 . . . µptnn ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ = µnpt11(t) . . . tnn(t) + . . .+ µptn1(t) (тут виписано лише доданки з найменшим та найбiльшим показниками степеня µ), отже, ρ0 = p, якщо tn1(t) 6= 0. Якщо Sp (−T−1(t)T (t)) 6= 0, то cn−1(t, µ) = µp(t11(t) + t22(t) + . . .+ tnn(t)), ρn−1 = p. Використовуючи властивостi визначникiв, можна показати, що мiнiмальний степiнь µ в рештi многочленiв ci(t, µ) буде теж дорiвнювати p (якщо не дорiвнюють нулю вiдповiднi коефiцiєнти). Отже, як вiдомо, λi(t, µ)− λ0(t) = Oi(µ p n ). (19) (Тут i далi iндекс i бiля символу O вiдповiдає iндексу величини, порядок якої вказується. Вiдповiдно iндекс ij вiдповiдає номеру елемента матрицi.) На дiаграмi повного многокут- ника (див. рисунок) показано, що корiнь λ(t, µ)− λ0(t) рiвняння n-го порядку має рiвно n розвинень. Будемо вважати, що вони є рiзними. Якщо tn1(t) ≡ 0 на вiдрiзку [0;L], то запропонований метод знаходження розв’язкiв диференцiального рiвняння теж можна застосовувати, але асимптотичнi оцiнки при цьо- му будуть iншими. Назвемо цей випадок спецiальним збуренням. Вiн вимагає окремого дослiдження. Отже, з (10) отримуємо Λ0(t, µ) = diag { λ0(t) +O1(µ p n ), λ0(t) +O2(µ p n ), . . . , λ0(t) +On(µ p n ) } = Λa0(t, µ). (20) Матрицю перетворення подiбностi B(t, µ) = U0(t, µ) можна записати у виглядi B(t, µ) = ‖Oij(µ p(i−1) n )‖n1 . (21) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 98 С. В. КOНДАКОВА Справдi, (W (t)− µpT−1(t)T ′(t))B(t, µ) = B(t, µ)W ∗(t, µ). З останньої матричної рiвностi для знаходження елементiв bij(t, µ) отримаємо систему n2 рiвнянь з n2 невiдомими. Випишемо n рiвнянь з невiдомими першого стовпця: (λ0 + µpt11)b11 + (1 + µpt12)b21 + . . .+ µpt1nbn1 = b11(λ0 +O1(µ p n )), µpt21b11 + (λ0 + µpt22)b21 + . . .+ µpt2nbn1 = b21(λ0 +O1(µ p n )), .............................................................................................. µptn1b11 + µptn2b21 + . . .+ (λ0 + µptnn)bn1 = bn1(λ0 +O1(µ p n )) ⇔ ⇔  µpt11b11 + (1 + µpt12)b21 + . . .+ µpt1nbn1 = b11O1(µ p n ), µpt21b11 + µpt22b21 + . . .+ µpt2nbn1 = b21O1(µ p n ), ............................................................................. µptn1b11 + µptn2b21 + . . .+ µptnnbn1 = bn1O1(µ p n ). . Розглянемо перше рiвняння. Нехай b11(t, µ) = 1. Тодi права частина першого рiвняння бу- де порядку O(µ p n ). Для того щоб лiва частина мала той самий порядок, потрiбно, щоб b21(t, µ) був порядку O(µ p n ), оскiльки решта доданкiв лiвої частини мають порядок не менший за O(µp). Тому b21(t, µ) = O(µ p n ). Нехай bi1(t, µ) = O(µ p(i−1) n ) для всiх i < n. З останнього рiвняння знайдемо оцiнку для bn1(t, µ): µptn1 + µptn2O(µ p n ) + . . .+ µptnn−1O(µ p(n−2) n ) + µptnnbn1 = bn1O(µ p n ), або, позначивши bn1(t, µ) = O(µx) (x— невiдома величина, що визначається), отримаємо µptn1 + µptn2O(µ p n ) + . . .+ µptnn−1O(µ p(n−2) n ) = O(µx)O(µ p n )− µptnnO(µx). Лiва частина має порядок O(µp). Отже, i права частина O(µx)O(µ p n )− µptnnO(µx) = O(µx)O(µ p n ) ( 1− tnnO(µp− p n ) ) буде теж порядку O(µp). Тобто x + p n = p, x = p(n− 1) n . За принципом математичної iн- дукцiї bin(t, µ) має порядок O(µ p(i−1) n ) для всiх i ∈ N . Аналогiчно знаходимо оцiнку решти елементiв стовпцiв матрицi i переконуємось у справедливостi формули (21). Iз (9), (21) маємо U0(t, µ) = Ua0 (t, µ). (22) Визначник матрицi B(t, µ), за означенням, складається з суми добуткiв n елементiв, взятих по одному з кожного рядка i стовпця вiдповiдних знакiв. Отже, це буде многочлен порядку 1 ·O ( µ p n ) O ( µ 2p n ) . . . O ( µ p(n−1) n ) = O ( µ p(n−1) 2 ) . ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 99 Алгебраїчнi доповнення елементiв i-го стовпця транспонованої матрицi будуть поряд- ку O ( µ p(n−1) 2 − p(i−1) n ) . Отже, самi елементи стовпцiв оберненої матрицi матимуть порядок O(µ− p(i−1) n ), а матрицю B−1(t, µ) можна записати у виглядi B−1(t, µ) = ∥∥∥Oij(µ− p(j−1) n ) ∥∥∥n 1 , (23) її елементи мають особливiсть за параметром µ типу полюса. Похiдна вiд матрицi перетворення подiбностi B′(t, µ) = µ p nB ′a(t, µ). (24) Справдi, елементи першого рядка матрицi B(t, µ), як було вiдмiчено вище, є одиницями. Отже, пiсля диференцiювання вони будуть нулями. Решта ж рядкiв мають порядок вiд O ( µ p n ) до O ( µ p(n−1) n ) , а значить, мiстять спiльний множник µ p n , який ми винесли за дуж- ки. При диференцiюваннi, за означенням, отримуємо lim 4t→0 B(t+4t, µ)−B(t, µ) 4t . Очевид- но, що ця границя не матиме особливостi за параметром µ типу полюса, оскiльки його не має функцiя B(t, µ). Це i дає можливiсть записати рiвнiсть (24). Оцiнимо Hp(t, µ). З (13) маємо Hp = − p−1∑ i=1 Ui(t, µ)Λp−i(t, µ)− U ′0(t, µ) = −U ′0(t, µ). Тому з (9), (21) отримуємо Hp(t, µ) =  0 0 . . . 0 O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O ( µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n )  . Отже, з (12), (23) знаходимо Gp(t, µ) =  1 O ( µ− p n ) . . . O ( µ− p(n−1) n ) 1 O ( µ− p n ) . . . O ( µ− p(n−1) n ) . . . . . . . . . . . . 1 O ( µ− p n ) . . . O ( µ− p(n−1) n )  × ×  0 0 . . . 0 O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O ( µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n )  = Gap(t, µ), ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 100 С. В. КOНДАКОВА а тому Λp(t, µ) = Λap(t, µ). Iз (15), (19) маємо Qp(t, µ) =  0 O ( µ− p n ) . . . O ( µ− p n ) O ( µ− p n ) 0 . . . O ( µ− p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ− p n ) O ( µ− p n ) . . . 0  . Iз (12), (21) знаходимо Up(t, µ) =  1 1 . . . 1 O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O ( µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n ) × ×  0 O ( µ− p n ) . . . O ( µ− p n ) O ( µ− p n ) 0 . . . O ( µ− p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ− p n ) O ( µ− p n ) . . . 0  = =µ− p n  ua11 ua12 . . . ua1n O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O ( µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n )  = µ− p nUap (t, µ). Припустимо, що для всiх p ≤ j < s справедливими є формули Uj(t, µ) = µ− p(j−p+1) n =  uaj11 uaj12 . . . uaj1n O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O ( µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n )  = = µ− p(j−p+1) n Uaj (t, µ), (25) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 101 Λj(t, µ) = µ− p(j−p) n Λaj (t, µ), j = p, p+ 1, . . . , s− 1. (26) Тодi з (12), (13) на пiдставi припущень (25), (26) отримуємо Gs(t, µ) = B−1(t, µ) (h s q i∑ j=1 Dj(t)Us−jq(t, µ)− s−p∑ i=p Ui(t, µ)Λs−i(t, µ)− U ′s−p(t, µ) ) = = B−1(t, µ) (h s q i∑ j=1 Dj(t)µ− p n (s−jq+1−p)Uas−jq(t, µ)− − s−p∑ i=p µ− p n (i+1−p)µ− p n (s−i−p)Uai (t, µ)Λas−i(t, µ)− µ− p n (s−p+1−p)U ′a s−p(t, µ) ) = = B−1(t, µ) (h s q i∑ j=1 Dj(t)µ− p n (s−jq+1−p)Uas−jq(t, µ)− − s−p∑ i=p µ− p n (s−2p+1)Uai (t, µ)Λas−i(t, µ)− µ− p n (s−2p+1)Ua ′ s−p(t, µ) ) . Добутками B−1(t, µ)Uai (t, µ), B−1(t, µ)Ua ′ i (t, µ) на пiдставi (23) та припущення (25) будуть матрицi, елементи яких не мають особливостi по µ. Позначимо їх через F as (t, µ), F a ′ s (t, µ) вiдповiдно. Тодi можна записати Gs(t, µ) = µ− p n (s+1−p) h s q i∑ j=1 µ pjq n B−1(t, µ)Dj(t)Uas−jq(t, µ)− µ− p n (s−2p+1) s−p∑ i=p F ai (t, µ)Λas−i(t, µ)− − µ− p n (s−2p+1)F a ′ s−p(t, µ) = µ− p n (s−p) ( µ− p n h s q i∑ j=1 µ pjq n B−1(t, µ)Dj(t)Uas−jq(t, µ) + + µ p(p−1) n s−p∑ i=p F ai (t, µ)Λas−i(t, µ)− µ p(p−1) n F a ′ s−p(t, µ) ) . Розглянемо суму h s q i∑ j=1 µ p(jq−1) n B−1(t, µ)Dj(t)Uas−jq(t, µ). Враховуючи (2), (23), її можна запи- ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 102 С. В. КOНДАКОВА сати у виглядi h s q i∑ j=1 µ p n (jq−n)B−1a(t, µ)Dj(t)Uas−jq(t, µ). Отже, Gs(t, µ) = µ− p(s−p) n Gas(t, µ). Таким чином, Λs(t, µ) = µ− p(s−p) n Λas(t, µ), Us(t, µ) =  1 1 . . . 1 O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O ( µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n ) µ− p(s−p) n Gas(t, µ)µ− p n = =µ− p(s−p+1) n  uaj11 uaj12 . . . uaj1n O ( µ p n ) O ( µ p n ) . . . O(µ p n ) . . . . . . . . . . . . O ( µ p(n−1) n ) O ( µ p(n−1) n ) . . . O ( µ p(n−1) n )  = µ− p(s−p+1) n Uas (t, µ). Тобто формули (25) та (26) є справедливими для j = s. Отже, за iндукцiєю можна зробити висновок про їх справедливiсть для всiх s ∈ N . Пiдставляючи µ = ε 1 q в (25), (26), переконуємось у справедливостi (17). Лему доведено. Пiдставимо (17) у (16). Отримаємо U(t, µ, µ) = U0(t, ε) + ∞∑ s=p ε s q ε − p qn (s−p+1) Uas (t, ε), (27) Λ(t, µ, µ) = Λ0(t, ε) + ∞∑ s=p ε s q ε − p(s−p) qn Λas(t, ε). Очевидно, що для p, n, якi задовольняють нерiвнiсть (2), s− p n (s− p+ 1) = s(n− p)− p(1− p) n > 0, s = p, p+ 1, . . . . (28) Лема 2. Якщо виконуються умови теореми 1, леми 1, Re (λi(t, µ)) ≤ 0 (29) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 103 на множинi {K : t ∈ [0;L], 0 < µ ≤ µ0}, то на вiдрiзку [0;L] m-те наближення задоволь- няє диференцiальну систему (1) з точнiстю до величини порядкуO ( ε 1 q ((m+1−p)(1− p n )+p) ) . Доведення. Для доведення введемо матрицю Ym(t, µ) = Um(t, µ, µ) exp  1 µp t∫ 0 Λm(τ, µ, µ) dτ  , (30) де Um(t, µ, µ) = m∑ s=0 µsUs(t, µ) = U0(t, µ) + m∑ s=p µs− p(s−p+1) n Uas (t, µ), (31) Λm(t, µ, µ) = m∑ s=0 µsΛs(t, µ) = Λ0(t, µ) + m∑ s=p µs− p(s−p) n Λas(t, µ). Пiдставляючи (30) у диференцiальний вираз L(Ym) = µp dYm dt −D(t, µ)Ym, (32) маємо L(Ym(t, µ)) = [µpU ′m(t, µ, µ) + Um(t, µ, µ)Λm(t, µ, µ)− − D(t, µ)Um(t, µ, µ)] exp  1 µp t∫ 0 Λm(τ, µ, µ) dτ  . (33) Оцiнимо за нормою матрицю exp ( 1 µp t∫ 0 Λm(τ, µ, µ) dτ ) на множинi {K : 0 < µ ≤ µ0; t ∈ ∈ [0;L]}. Для цього запишемо елементи λkm(t, µ, µ), k = 1, . . . , n, дiагональної матрицi Λm(t, µ, µ) у виглядi λkm(t, µ, µ) = αkm(t, µ, µ) + iβkm(t, µ, µ), (34) де αkm(t, µ, µ), βkm(t, µ, µ) — вiдповiдно дiйсна i уявна частини елементiв λkm(t, µ, µ). Тодi, розумiючи пiд нормою матрицi, наприклад, max k ∑ m |λkm|, у вiдповiдностi з (29) одержуємо∥∥∥∥∥∥exp  1 µp t∫ 0 Λm(τ, µ, µ ∥∥∥∥∥∥ = max k e 1 µp tR 0 αkm(τ,µ,µ) dτ ≤ ≤ max k e 1 µp tR 0 µpαkp(τ,µ)+...+µm− p(m−p) n αkm(τ,µ) dτ , k = 1, . . . , n. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 104 С. В. КOНДАКОВА На пiдставi того, що функцiї αks(t, µ) s = 1, . . . ,m, диференцiйовнi на вiдрiзку [0;L] та за умови (28) не мають особливостi по µ, iснує сталаM > 0, яка не залежить вiд µ i така, що на множинi K∣∣∣∣∣ m∑ s=p µs−p− p n (s−p)αaks(t, µ) ∣∣∣∣∣ = ∣∣∣∣∣ m∑ s=p µ(s−p)(1− p n )αaks(t, µ) ∣∣∣∣∣ ≤ M, k = 1, . . . , n. Тому ∥∥∥∥∥∥exp  1 µp t∫ 0 Λm(τ, µ, µ) dτ ∥∥∥∥∥∥ ≤ eML. Оцiнимо матрицю, що є множником при exp ( 1 µp t∫ 0 Λm(τ, µ, µ) dτ ) у правiй частинi рiв- ностi (33). З огляду на те, що визначаючи коефiцiєнти рядiв Um(t, µ, µ),Λm(t, µ, µ), ми зрiвнювали коефiцiєнти при зовнiшнiх степенях параметра µ до порядкуm включно, зро- зумiло, що ця матриця мiститиме лише коефiцiєнти при µm+1, µm+2, . . . , µ2m, . . . . Тому µp m∑ s=0 µsU ′s(t, µ) + m∑ s=0 µsUs(t, µ) m∑ s=0 µsΛs(t, µ)− − ( D0(t, µ) + ∞∑ s=1 µqsDs(t) ) m∑ s=0 µsUs(t, µ) = µp m∑ s=m−p+1 µsU ′s(t, µ) + + m∑ j=1 µm+j m∑ s=p Um+j−s(t, µ)Λs(t, µ)− h s q i∑ j=1 µjqDj(t) m∑ s=m+j−jq µsUs(t, µ)− − ∞∑ j= h m q i +1 µjqDj(t) m∑ s=0 µsUs(t, µ) = µp m∑ s=m−p+1 µs− p(s+1−p) n Ua ′ s (t, µ) + + m∑ j=1 µm+j m∑ s=p µ− p n (m+j−s+1−p)µ− p n (s−p)Uam+j−s(t, µ)Λas(t, µ)− − h m q i∑ j=1 µjqDj(t) m∑ s=m+j−jq µs− p n (s+1−p)Uas (t, µ)− ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 105 − ∞∑ j= h m q i +1 µjqDj(t) m∑ s=0 µs− p n (s−p+1)Uas (t, µ) = = O ( µp+m−p+1− p(m−p+1+1−p) n ) +O ( µm+1− p n (m+2−2p) ) + + h s q i∑ j=1 O ( µjq+m+j−jq− p n (m+j−jq+1−p) ) +O ( µ q h m q i +q ) = = O ( µm+1− p n (m+2−2p) ) +O ( µm+1− p n (m+2−(p+q)) ) +O ( µ q h m q i +q ) = = O ( µ m n (n−p)+1+ p n (2p−2) ) +O ( µ m n (n−p)+1+ p n (p+q−2) ) +O ( µ q h m q i +q ) . Оскiльки на пiдставi означення цiлої частини сума q [ m q ] + q обмежиться множиною зна- чень {m+ 1, . . . ,m+ q}, то задана матриця буде порядку O ( µm+1− p n (m+1−p) )( O ( µ p(p−1) n ) +O ( µ p(q−1) n ) +O ( µ p(m+1−p) n )) = = O ( µ(m+1−p)(1− p n )+p ) = O ( ε 1 q ((m+1−p)(1− p n )+p) ) . Лему доведено. Теорема 2. Якщо виконуються умови теореми 1, леми 1, умова (29) i для t = 0 y(t, µ) = ym(t, µ), (35) де y(t, µ) — точний розв’язок системи (4), то для будь-якого L > 0 iснує стала c > 0, яка не залежить вiд µ i така, що для всiх t ∈ [0;L], µ ∈ (0;µ0] виконується нерiвнiсть ‖y(t, µ)− ym(t, µ)‖ ≤ µ(m−p)(1− p n )−p+1c. (36) Доведення. Введемо вектор ξ(t, µ) = y(t, µ)− ym(t, µ). За лемою 2 даний вектор задовольнятиме систему диференцiальних рiвнянь µp dξ dt = D(t, µq)ξ +O ( µ(m+1−p)(1− p n )+p ) , (37) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 106 С. В. КOНДАКОВА причому на пiдставi (35) ξ(0, µ) = 0. У системi (37) виконаємо замiну змiнних ξ(t, µ) = B(t, µp)η(t, µ). В результатi отримаємо µp dη dt = [W ∗(t, µp) + µpD1(t, µq)]η +B−1(t, µp)O ( µ(m+1−p)(1− p n )+p ) , (38) де D1(t, µq) = B−1(t, µp) [ ∞∑ s=1 µsq−pDs(t)B(t, µp)−B′(t, µp) ] . Розглянемо систему диференцiальних рiвнянь µp dη dt = W ∗(t, µp)η, яка має розв’язок η(t, µp) = exp  1 µp t∫ 0 W ∗(τ, µp) dτ  c, де c — сталий n-вимiрний вектор. Тому систему (38) можна замiнити еквiвалентною системою iнтегральних рiвнянь η(t, µ) = t∫ 0 exp  1 µp t∫ t1 W ∗(τ, µp) dτ D1(t1, µq)η(t1, µ)dt1 + + t∫ 0 exp  1 µp t∫ t1 W ∗(τ, µp) dτ B−1(t1, µp)O ( µ(m+1−p)(1− p n ) ) dt1. Звiдси дiстаємо ‖η(t, µ)‖ ≤ t∫ 0 ∥∥∥∥∥∥exp  1 µp t∫ t1 W ∗(τ, µp) dτ ∥∥∥∥∥∥ ‖D1(t1, µq)‖‖η(t1, µ)‖dt1 + + t∫ 0 ∥∥∥∥∥∥exp  1 µp t∫ t1 W ∗(τ, µp) dτ ∥∥∥∥∥∥ ‖B−1(t1, µp)‖‖O ( µ(m+1−p)(1− p n ) ) ‖dt1. (39) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 107 Згiдно з (29) ∥∥∥∥∥∥exp  1 µp t∫ t1 W ∗(τ, µp) dτ ∥∥∥∥∥∥ ≤ 1. Оскiльки елементи матрицi Ds(t) = T−1(t)As(t)T (t) неперервно диференцiйовнi на вiдрiзку [0;L], q ≥ p, то iснує стала M1 > 0, яка не залежить вiд µ i така, що для всiх τ ∈ [0;L], µ ∈ (0, µ0] ∞∑ s=1 µsq−pDs(t) ≤ M1, тому ‖D1(t1, µ)‖ = ∥∥∥∥∥B−1(t, µ) [ ∞∑ s=1 µsq−pDs(t)B(t, µ)−B′(t, µ) ]∥∥∥∥∥ ≤ ≤ ∥∥B−1(t, µ)M1B(t, µ)−B−1(t, µ)B′(t, µ) ∥∥ = ∥∥M1 −B−1(t, µ)B′(t, µ) ∥∥ . На пiдставi (21), (23), (24) iснують додатнi сталi M2, M3, якi не залежать вiд µ i такi, що ‖B−1(t, µ)‖ = µ− p(n−1) n  O ( ε n−1 n ) O ( ε n−2 n ) . . . O ( ε0 ) O ( ε n−1 n ) O ( ε n−2 n ) . . . O ( ε0 ) . . . . . . . . . . . . O ( ε n−1 n ) O ( ε n−2 n ) . . . O ( ε0 )  ≤ µ− p(n−1) n M2, ‖B−1(t, µ)B′(t, µ)‖ ≤ M3. Kрiм того, ‖O ( µ(m+1−p)(1− p n ) ) ‖ ≤ µ(m+1−p)(1− p n )M4. Тому (39) можна переписати у виглядi ‖η(t, µ)‖ ≤ M t∫ 0 ‖η(t1, µ)‖dt1 + µ(m−p)(1− p n )−p+1M2M4L, де M = |M1 −M3|. За лемою Гронуолла – Беллмана ‖η(t, µ)‖ ≤ µ(m−p)(1− p n )−p+1M2M4Le ML. (40) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 108 С. В. КOНДАКОВА Оскiльки ‖ξ‖ = ‖y(t, µ)− ym(t, µ)‖ = ‖B(t, µp)‖‖η(t, µ)‖, то на пiдставi (21), неперервної диференцiйовностi елементiв матрицi B(t, µ) та (40) мож- на записати ‖y(t, µ)− ym(t, µ)‖ ≤ µ(m−p)(1− p n )−p+1c. Теорему доведено. Приклад. Розглянемо систему ε 1 3 dx dt = (A0(t) + εA1(t))x, де A0(t) =  0 1 0 0 0 −t2 2t 0 0 0 1 0 t 0 0 −t3 + 2t2 − 1 −t t 2t −t2 t −t 1 1 0  , A1 =  0 1 0 0 0 t 2t 0 0 0 −1 0 0 t 0 t2 0 t 0 −t t 0 0 1 0  . Якщо позначити ε 1 3 = µ, то отримаємо µ dx dt = A0(t) + µ3A1(t). Розглянемо характеристичне рiвняння det ‖A0(t)− λ0E‖ = 0, або∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ −λ0 1 0 0 0 −t2 2t− λ0 0 0 0 1 0 t− λ0 0 0 −t3 + 2t2 − 1 −t t 2t− λ0 −t2 t −t 1 1 −λ0 ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ = − λ0(2t− λ0)[(t− λ0)(2t− λ0)(−λ0) + t2(t− λ0)] + + t2 [ (t− λ0)(2t− λ0)(−λ0) + t2(t− λ0) ] = = (t− λ0)[(−2tλ0 + λ2 0 + t2)(−2tλ0 + λ2 0 + t2)] = (t− λ0)5 = 0. Отже, маємо корiнь λ0 = t п’ятої кратностi. Визначимо кратнiсть елементарних дiль- никiв. Для цього розглянемо всi детермiнанти четвертого порядку. Безпосереднi обчис- лення показують, що детермiнантиD13, D14, D23, D24 дiляться без остачi на (t−λ)2. Решта ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 СИСТЕМИ ЛIНIЙНИХ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ РАЦIОНАЛЬНОГО РАНГУ 109 детермiнантiв дiляться на (t−λ)3 i т. д. Отже,m1 = 2. Якщо розглянути детермiнанти тре- тього порядку, то видно, що не всi вони дiляться на t− λ0. Зокрема, ∥∥∥∥∥∥ 1 0 t− λ0 −t3 + 2t2 − 1 −t t t −t 1 ∥∥∥∥∥∥ = −t+ t2 + (t− λ0)(t4 − 2t3 + t+ t2) 6 ...(t− λ0). Отже, m2 = 0. Тому, l1 = 5− 2 = 3, l2 = 2− 0 = 2. Канонiчною формою матрицi A0(t) є квазiдiагональна матриця W (t) =  t 1 0 0 0 0 t 1 0 0 0 0 t 0 0 0 0 0 t 1 0 0 0 0 t  . За матрицю перетворення вiзьмемо матрицю T (t) =  0 1 0 0 0 0 t 1 0 0 1 0 t 0 1 −1 t2 1 t 0 0 1 0 1 0  , T−1(t) =  −2t+ t2 1 0 −1 t 1 0 0 0 0 −t 1 0 0 0 −1 0 0 0 1 2t −1− t 1 1 −t  . Виконавши пiдстановку x = T (t)y, перейдемо до системи вигляду (4), де D0(t) = W (t)− µT−1(t)T ′(t) =  t 1− µ(1− 2t) 0 µ 0 0 t 1 0 0 0 µ t 0 0 0 0 0 t 1 0 −µ(t− 1) −µ −µ t  , D1 = T−1(t)A1(t) =  t t2 −t t t 0 1 0 0 0 t t 0 0 0 t −1 0 1 0 t2 − t− 1 −2t2 t 0 −t  . Характеристичне рiвняння det ∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥ t 1− µ(1− 2t) 0 µ 0 0 t 1 0 0 0 µ t 0 0 0 0 0 t 1 0 −µ(t− 1) −µ −µ t ∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥ = (t− λ)((t− λ)4 − µ2) = 0 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1 110 С. В. КOНДАКОВА має 5 простих коренiв: λ1 = t, λ2 = t− µ 1 2 , λ3 = t+ µ 1 2 , λ4 = t− iµ 1 2 , λ5 = t+ iµ 1 2 . Отже, можна застосувати теорему 1. Знаходимо Λ0 =  t 0 0 0 0 0 t−√µ 0 0 0 0 0 t+ √ µ 0 0 0 0 0 t− i√µ 0 0 0 0 0 t+ i √ µ  , U0=  1 1 1 1 1 0 − 2 √ µ 2 + 3µt+ µ √ µ 2 √ µ 2 + 3µt− µ√µ − 2 √ µ 2 + 3µt+ µ √ µ − 2 √ µ 2 + 3µt+ µ √ µ 0 2µ 2 + 3µt+ µ √ µ 2µ 2 + 3µt+ µ √ µ 2µ 2 + 3µt+ µ √ µ 2µ 2 + 3µt+ µ √ µ 0 − √ µ( √ µ− t+ 1) 2 + 3µt+ µ √ µ − √ µ( √ µ+ t− 1) 2 + 3µt+ µ √ µ − √ µ( √ µ− t+ 1) 2 + 3µt+ µ √ µ − √ µ( √ µ− t+ 1) 2 + 3µt+ µ √ µ 0 − 2 √ µ 2 + 3µt+ µ √ µ 2 √ µ 2 + 3µt− µ√µ − 2 √ µ 2 + 3µt+ µ √ µ − 2 √ µ 2 + 3µt+ µ √ µ  . Наступнi матрицi рядiв (8) знаходимо за формулами (11) – (15). При цьому з аналiзу ко- ренiв „збуреного” характеристичного рiвняння з (15) випливає, що кожна наступна мат- риця рядiв (8) зменшується на величину порядкуO ( µ 1 2 ) , що з кожним кроком приводить до збiльшення особливостi по µ типу полюса, яка, однак, усуватиметься за рахунок ко- ефiцiєнтiв µs. Отже, за теоремою 2 отримане за теоремою 1 m-те наближення вiдрiзня- тиметься вiд точного розв’язку на величину порядку O(µm(1− 1 2 )). Цей же результат ми отримуємо при безпосередньому обчисленнi. 1. Григоренко В. К. Об асимптотическом разложении решений систем линейных дифференциальных уравнений: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. — Киев, 1971. — 213 с. 2. Шкиль Н. И. Об асимптотических методах в теории линейных дифференциальных уравнений и их применении. — Киев: КСУ, 1996. — Ч.1. — 198 с.; 1997. — Ч.2. — 226 c. Одержано 10.10.2002, пiсля доопрацювання — 12.06.2003 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 1