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

Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2017
Автор: Чепок, О.О.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2017
Назва видання:Нелінійні коливання
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177321
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:Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями / О.О. Чепок // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 549-563 — Бібліогр.: 7 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-177321
record_format dspace
spelling irk-123456789-1773212021-02-15T01:26:51Z Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями Чепок, О.О. Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями. We find asymptotic representations for solutions of a certain class of second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities. 2017 Article Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями / О.О. Чепок // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 549-563 — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 1562-3076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177321 517.925 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 Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравнений второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями.
format Article
author Чепок, О.О.
spellingShingle Чепок, О.О.
Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
Нелінійні коливання
author_facet Чепок, О.О.
author_sort Чепок, О.О.
title Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_short Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_full Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_fullStr Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_full_unstemmed Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
title_sort асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2017
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177321
citation_txt Асимптотичні зображення розв'язків диференціальних рівнянь другого порядку з швидко та правильно змінними нелінійностями / О.О. Чепок // Нелінійні коливання. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 549-563 — Бібліогр.: 7 назв. — укр.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT čepokoo asimptotičnízobražennârozvâzkívdiferencíalʹnihrívnânʹdrugogoporâdkuzšvidkotapravilʹnozmínniminelíníjnostâmi
first_indexed 2025-07-15T15:22:09Z
last_indexed 2025-07-15T15:22:09Z
_version_ 1837726884319723520
fulltext УДК 517.925 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ З ШВИДКО ТА ПРАВИЛЬНО ЗМIННИМИ НЕЛIНIЙНОСТЯМИ О. О. Чепок Одес. нац. ун-т iм. I. I. Мечникова вул. Дворянська, 2, Одеса, 65026, Україна We find asymptotic representations for solutions of a certain class of second order differential equations with rapidly and regularly varying nonlinearities. Получены асимптотические представления решений одного класса дифференциальных уравне- ний второго порядка с быстро и правильно меняющимися нелинейностями. 1. Постановка задачi та формулювання основних результатiв. Диференцiальнi рiвнян- ня другого порядку, що мiстять у правiй частинi як степеневi, так i експоненцiальнi не- лiнiйностi, вiдiграють важливу роль у розвитку якiсної теорiї диференцiальних рiвнянь. Такi рiвняння також мають безлiч застосувань на практицi. Це вiдбувається, наприклад, при вивченнi розподiлу електростатичного потенцiалу в цилiндричному об’ємi плазми продуктiв згоряння. Вiдповiдне рiвняння можна звести до такого: y′′ = α0p(t)e σy ∣∣y′∣∣λ . У роботах В. М. Євтухова та Н. Г. Дрiк (див., наприклад, [1]) при деяких умовах на функ- цiю p отримано результати про асимптотичну поведiнку всiх правильних розв’язкiв цього рiвняння. Далi почали розглядати диференцiальнi рiвняння, якi мiстять у правiй частинi бiльш широкий клас функцiй, нiж експоненцiальнi, — швидко змiннi функцiї. Диференцiальне рiвняння y′′ = α0p(t)ϕ(y) зi швидко змiнною функцiєю ϕ було розглянуто у роботi В. М. Євтухова та В. М. Харкова [2]. Але у данiй роботi введений клас розв’язкiв рiвняння залежить вiд функцiї ϕ, що не є зручним для практичного використання. Природним узагальненням попереднiх дослiджень є розгляд диференцiального рiв- няння y′′ = α0p(t)ϕ0(y)ϕ1(y′), (1.1) де α0 ∈ {−1; 1}, p : [a, ω[→]0,+∞[, −∞ < a < ω ≤ +∞, ϕi : ∆Yi →]0,+∞[, i ∈ {0, 1}, є неперервними функцiями, Yi ∈ {0,±∞},∆Yi — або промiжок [ y0 i , Yi [1 , або ] Yi, y 0 i ] . Крiм того, будемо вважати, що функцiя ϕ1 є правильно змiнною при y → Y1 (y ∈ ∆Y1) порядку 1 При Yi = +∞ (Yi = −∞) вважаємо, що y0 i > 0 (y0 i < 0) вiдповiдно. c© О. О. Чепок, 2017 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 549 550 О. О. ЧЕПОК σ1 [3, c. 10 – 15], а функцiя ϕ0 — двiчi неперервно диференцiйовною, монотонною на ∆Y0 та такою, що lim y→Y0 y∈∆Y0 ϕ0(y) ∈ {0,+∞}, lim y→Y0 y∈∆Y0 ϕ0(y)ϕ′′0(y) (ϕ′0(y))2 = 1. (1.2) Розв’язок y рiвняння (1.1), визначений на [t0, ω[⊂ [a, ω[, будемо називати Pω(Y0, Y1, λ0)- розв’язком, якщо y(i) : [t0, ω[−→ ∆Yi , lim t↑ω y(i)(t) = Yi, i = 0, 1, lim t↑ω (y′(t))2 y′′(t)y(t) = λ0. (1.3) Метою даної роботи є встановлення необхiдних та достатнiх умов iснуванняPω(Y0, Y1, λ0)- розв’язкiв рiвняння (1.1), а також асимптотичних зображень при t ↑ ω для цих розв’язкiв та їх похiдних першого порядку у випадках λ0 ∈ R\{0, 1}. Введемо необхiднi для подальшого викладу позначення та означення: πω(t) = { t, якщо ω = +∞, t− ω, якщо ω < +∞, λi0 = { λ0 при i = 0, 1 при i = 1, θ1(y) = ϕ1(y)|y|−σ1 , Φ0(y) = y∫ A0 ω |ϕ0(y)| 1 σ1−1 dy, A0 ω =  y0 0, якщо ∫ Y0 y0 0 |ϕ0(y)| 1 σ1−1 dy = +∞, Y0, якщо ∫ Y0 y0 0 |ϕ0(y)| 1 σ1−1 dy < +∞, Z0 = lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ0(y) y , Φ1(y) = y∫ A1 ω Φ0(τ) τ dτ, A1 ω =  y0 0, якщо ∣∣∣∣∣ ∫ Y0 y0 0 Φ0(τ) τ dτ ∣∣∣∣∣ = +∞, Y0, якщо ∣∣∣∣∣ ∫ Y0 y0 0 Φ0(τ) τ dτ ∣∣∣∣∣ < +∞, Z1 = lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ1(y) та у випадку, коли y0 1 lim t↑ω |πω(τ)| 1 λ0−1 = Y1, I(t) = |λ0 − 1| 1 1−σ1 y0 1 t∫ B0 ω ∣∣∣πω(τ)p(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 )∣∣∣ 1 1−σ1 dτ, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 551 B0 ω =  b, якщо ∫ ω b ∣∣∣πω(τ)p(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 )∣∣∣ 1 1−σ1 dτ = +∞, ω, якщо ∫ ω b ∣∣∣πω(τ)p(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 )∣∣∣ 1 1−σ1 dτ < +∞, I1(t) = t∫ B1 ω λ0I(τ) (λ0 − 1)πω(τ) dτ, B1 ω =  b, якщо ∫ ω b λ0I(τ) (λ0 − 1)πω(τ) dτ = +∞, ω, якщо ∫ ω b λ0|I(τ)| (λ0 − 1)πω(τ) dτ < +∞, де b ∈ [a;ω[ вибрано так, щоб |πω(t)) 1 λ0−1 | ∈ ∆Y1 при t ∈ [b;ω]. Зауваження 1. З умов (1.2) на функцiю ϕ0 випливає, що r0 ∈ {0,+∞} та lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ′′0(y) · Φ0(y) (Φ′0(y))2 = 1, lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ′′1(y) · Φ1(y) (Φ′1(y))2 = 1. Зауваження 2. Справедливими є такi твердження: Φ0(y) = (σ1 − 1) ϕ σ1 σ1−1 0 (y) ϕ′0(y) [1 + o(1)] при y → Y0 (y ∈ ∆Y0), sign ( ϕ′0(y)Φ0(y) ) = sign (σ1 − 1) при y ∈ ∆Y0 , Φ1(y) = Φ2 0(y) yΦ′0(y) [1 + o(1)] при y → Y0 (y ∈ ∆Y0). Звiдси отримуємо sign (Φ1(y)) = y0 0 при y ∈ ∆Y0 . Нехай Y ∈ {0,∞}, ∆Y — деякий однобiчний окiл Y. Неперервно диференцiйовна функцiя L : ∆Y →]0; +∞[ називається нормалiзованою повiльно змiнною функцiєю при y → Y (y ∈ ∆Y ) [3, с. 15], якщо lim y→Y1 y∈∆Yi yL′(y) L(y) = 0. (1.4) Говорять, що повiльно змiнна при y → Y (y ∈ ∆Y ) функцiя θ : ∆Y →]0; +∞[ задоволь- няє умову S (див., наприклад, [6]), якщо для будь-якої нормалiзованої повiльно змiнної при y → Y (y ∈ ∆Y ) функцiї L : ∆Y →]0; +∞[ має мiсце спiввiдношення θ(yL(y)) = θ(y)(1 + o(1)) при y → Y (y ∈ ∆Y ). Встановлено таку теорему. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 552 О. О. ЧЕПОК Теорема. Нехай σ1 6= 1, функцiя θ1 задовольняє умову S. Тодi для iснування Pω(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв рiвняння (1.1), де λ0 ∈ R\{0, 1}, необхiдно, а якщо мають мiсце умови I(t)I1(t)λ0(σ1 − 1) > 0 при t ∈ ]b, ω[, (1.5) lim y→Y0 y∈∆Y0 ( Φ′1(y) Φ1(y) )′′ (Φ′1(y) Φ1(y) ) (( Φ′1(y) Φ1(y) )′)2 = γ0, γ0 ∈ R\{1}, (1.6) та функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є нормалiзованою повiльно змiнною при t ↑ ω, то й достатньо виконання умов πω(t)y0 1y 0 0λ0(λ0 − 1) > 0, πω(t)y0 1α0(λ0 − 1) > 0 при t ∈ [a;ω[, (1.7) y0 1 lim t↑ω |πω(t)| 1 λ0−1 = Y1, (1.8) lim t↑ω I1(t) = Z1, (1.9) lim t↑ω I ′′1 (t)I1(t) (I ′1(t))2 = 1, lim t↑ω I ′1(t)πω(t) Φ′1 ( Φ−1 1 (I1(t)) ) Φ−1 1 (I1(t)) = λ0 λ0 − 1 , lim t↑ω πω(t)I ′′1 (t) I ′1(t) = ∞. (1.10) Бiльш того, для кожного такого розв’язку при t ↑ ω мають мiсце асимптотичнi зо- браження Φ1(y(t)) = I1(t)[1 + o(1)], y′(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)]. (1.11) Зауваження 3. Iз другої з умов (1.10) випливає, що функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є повiльно змiнною при t ↑ ω. Зауваження 4. З (1.6) та (1.2) випливає, що функцiя ϕ′0(y) є швидко змiнною при y → → Y0 [5, с. 139] (п. 3.1.8), проте функцiя ϕ′0(y) ϕ0(y) є правильно змiнною при y → Y0. 2. Доведення теореми. Необхiднiсть. Нехай y : [t0, ω[→ ∆Y0 є Pω(Y0, Y1, λ0)-розв’язком рiвняння (1.1), де λ0 ∈ R\{0, 1}. Тодi згiдно з властивостями таких розв’язкiв, встанов- леними В. М. Євтуховим (див., наприклад, [6]), при t ↑ ω маємо y(i+1)(t) y(i)(t) = λi0 (λ0 − 1)πω(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω, i = 0, 1, (2.1) звiдки отримуємо (1.7). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 553 З (2.1) також випливає, що функцiя y′(t) є правильно змiнною функцiєю порядку 1 λ0 − 1 при t ↑ ω, а тому [3, c. 10] може бути записана у виглядi y′(t) = |πω(t)| 1 λ0−1L1(t) при t ↑ ω, (2.2) де L1(t) — повiльно змiнна при t ↑ ω функцiя. Звiдси з урахуванням властивостей пра- вильно змiнних функцiй [3, c. 10 – 15] отримуємо (1.8). З (1.1) та (2.1) при t ↑ ω випливає, що |y′(t)|1−σ1sign y0 1 ϕ0(y(t)) = α0(λ0 − 1)πω(t)ϕ1(y′(t))|y′(t)|−σ1p(t)[1 + o(1)]. (2.3) Пiдставляючи (2.2) у (2.3), при t ↑ ω одержуємо y′(t) |ϕ0(y(t))| 1 1−σ1 = y0 1|λ0 − 1| 1 1−σ1 ∣∣∣πω(t)θ1 ( |πω(t)| 1 λ0−1L1(t)y0 1 ) p(t) ∣∣∣ 1 1−σ1 [1 + o(1)]. (2.4) Оскiльки функцiя L1 у (2.2) є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Y1, то згiдно з умовою S, яку задовольняє функцiя θ1, з (2.4) при t ↑ ω отримуємо y′(t) |ϕ0(y(t))| 1 1−σ1 = y0 1|λ0 − 1| 1 1−σ1 ∣∣∣πω(t)θ1 ( |πω(t)| 1 λ0−1 y0 1 ) p(t) ∣∣∣ 1 1−σ1 [1 + o(1)]. (2.5) З (2.5) у випадку, коли ∫ ω B0 ω |πω(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 ) p(τ)| 1 1−σ1 dτ = +∞, маємо Φ0(y(t)) = I(t)[1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.6) Якщо ∫ ω B0 ω |πω(τ)θ1 ( |πω(τ)| 1 λ0−1 y0 1 ) p(τ)| 1 1−σ1 dτ < +∞, то одержуємо або (2.6), або lim t↑ω Φ0(y(t)) = c 6= 0. (2.7) Покажемо, що (2.7) не може мати мiсця. З умов (1.2) та вигляду функцiї Φ0 випливає, що lim t↑ω Φ0(y(t)) ∈ {0; +∞}, а це суперечить (2.7). Таким чином, (2.6) має мiсце у будь-якому випадку. Подiливши (2.5) на (2.6), з урахуванням (2.1) будемо мати πω(t)y′(t) y(t) y(t)Φ′0(y(t)) Φ0(y(t)) = πω(t)I ′(t) I(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.8) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 554 О. О. ЧЕПОК Оскiльки з умов (1.2) випливає, що функцiя Φ0(y) є швидко змiнною при y → Y0 (Y0 ∈ ∈ ∆Y0), то lim t↑ω πω(t)I ′(t) I(t) = ∞, (2.9) звiдки випливає третя з умов (1.10). З урахуванням (2.6) та (2.1) маємо y′(t)Φ0(y(t)) y(t) = λ0I(t) (λ0 − 1)πω(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.10) Якщо ∫ ω a ∣∣∣∣ I(τ) πω(τ) ∣∣∣∣ dτ = +∞, то Φ1(y(t)) = I1(t)[1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.11) При ∫ ω a ∣∣∣∣ I(τ) πω(τ) ∣∣∣∣ dτ < +∞ аналогiчно з обґрунтуванням (2.6) переконаємось, що (2.11) має мiсце i у цьому випадку. Таким чином, мають мiсце перше iз зображень (1.11) та перша з умов (1.9). Pоздiливши (2.10) на (2.11), отримаємо друге iз зображень (1.11). Запишемо друге iз зображень (1.11) у виглядi πω(t)y′(t) y(t) y(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = πω(t)I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω, звiдки з використанням (2.1) одержимо λ0 λ0 − 1 y(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = πω(t)I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω. (2.12) З умов (1.2) на функцiю ϕ0(y(t)) та зауваження 2 випливає, що функцiя Φ1(y) є швидко змiнною при y → Y0 (Y0 ∈ ∆Y0). Тому з урахуванням (2.12) маємо lim t↑ω πω(t)I ′1(t) I1(t) = ∞. (2.13) Використовуючи (2.8), (2.9) та (2.12), отримуємо lim t↑ω I ′′1 (t)I1(t) (I ′1(t))2 = lim t↑ω πω(t)I′(t) I(t) πω(t)I′1(t) I1(t) = lim t↑ω y(t)Φ′0(y(t)) Φ0(y(t)) y(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = lim y→Y0 y∈∆Y0 Φ′′1(y)Φ1(y) (Φ′1(y))2 = 1, (2.14) тобто має мiсце перша з умов (1.10). Зауважимо, що функцiя Φ−1 1 (y) є повiльно змiнною при y → Z0 як обернена до швид- ко змiнної при y → Y0 (Y0 ∈ ∆Y0) функцiї Φ1. З урахуванням цього та (2.11) при t ↑ ω маємо y(t) = Φ−1 1 (I1(t))[1 + o(1)], ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 555 звiдки випливає друга з умов (1.9). Зауважимо, що має мiсце спiввiдношення lim z→Z0 Φ′′1(Φ−1 1 (z))z (Φ′1(Φ−1 1 (z)))2 = lim y→Y0 Φ′′1(Φ−1 1 (Φ1(y)))Φ1(y)( Φ′1(Φ−1 1 (Φ1(y))) )2 = lim y→Y0 Φ′′1(y)Φ1(y) (Φ′1(y))2 = 1. Звiдси випливає, що lim z→Z0 z ( Φ′1(Φ−1 1 (z)) Φ1(Φ−1 1 (z)) )′ Φ′1(Φ−1 1 (z)) Φ1(Φ−1 1 (z)) = lim y→Z0 Φ′′1(Φ−1 1 (z))z (Φ′1(Φ−1 1 (z)))2 − 1 = 0. Отже, функцiя Φ′1(Φ−1 1 ) Φ1(Φ−1 1 ) є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Z0. Тому (2.12) можна записати у виглядi λ0 λ0 − 1 Φ−1 1 (I(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) = πω(t)I ′1(t) I1(t) [1 + o(1)] при t ↑ ω, звiдки випливає виконання другої з умов (1.10). Необхiднiсть доведено. Достатнiсть. Нехай функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є нормалiзованою повiльно змiн- ною функцiєю при t ↑ ω та виконуються умови (1.5) – (1.10). До рiвняння (1.1) застосуємо перетворення Φ1(y(t)) = I1(t)[1 + v1(x)], y′(t)Φ′1(y(t)) Φ1(y(t)) = I ′1(t) I1(t) [1 + v2(x)], (2.15) де x = β ln |I1(t)|, β =  1, якщо lim t↑ω I1(t) = ∞, −1, якщо lim t↑ω I1(t) = 0. (2.16) Зведемо систему (2.15) до системи диференцiальних рiвнянь v′1 = β [v2 + v1v2] , (2.17) v′2 = βG(t) [1 + v2] [ N(t(x), v1, v2) (λ0 − 1) ( 1 [1 + L(t(x))] )σ1−1 × × (1 + v1)σ1−1(1 + v2)σ1−1 ∣∣∣∣ λ0 λ0 − 1 ∣∣∣∣σ1−1 × ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 556 О. О. ЧЕПОК × ∣∣∣∣(L(t(x)) + L(t(x)) ψ′(Y (t(x), v1))Y (t(x), v1) ψ(Y (t(x), v1)) + + (I ′1(t))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) M(I1(t(x))(1 + v1) M(I1(t)) Φ−1 1 (I1(t(x)))Φ′1(I1(t(x))) πω(t(x))I ′1(t(x)) )∣∣∣∣σ1−1 + + ψ′(Y (t(x), z1))Y (t(x), v1) ψ(y(t(x))) Y (t(x), v1)Φ′1(Y (t(x), v1)) πω(t(x))I ′1(t(x)) × × M(I1(t(x))(1 + v1)) M(I1(t(x))) (1 + v2) +Q(t(x)) ] , у якiй G(t) = I1(t) πω(t)I ′1(t) , Q(t) = πω(t) ( I1(t) I′1(t) )′ I1(t) I′1(t) , N(t, v1, v2) = θ1 ( I′1(t)Φ1(Y (t,v1)) I1(t)Φ′1(Y (t,v1)) (1 + v2) ) θ1 ( |πω(t)| 1 λ0−1 sign y0 1 ) , Y (t, v1) = Φ−1 1 (I1(t)[1 + v1]), ψ(y) = Φ′1(y) Φ1(y) , L(t) = I ′1(t) πω(t)I ′′1 (t) , M(y) = Φ−1 1 (y)ψ(Φ−1 1 (y)). Оскiльки функцiя |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I ′1(t) I1(t) є нормалiзованою повiльно змiнною при t ↑ ω, то lim t↑ω πω(t) ( |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) )′ |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) = 0. (2.18) З iншого боку, lim t↑ω πω(t) ( |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) )′ |πω(t)| 1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) = lim t↑ω ( |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) )′ πω(t)I′1(t) I1(t) |πω(t)|1− (2−γ0)λ0 (1−γ0)(λ0−1) I′1(t) I1(t) + + lim t↑ω πω(t) ( I′1(t) I1(t) )′ I′1(t) I1(t) = 1− (2− γ0)λ0 (1− γ0)(λ0 − 1) + lim t↑ω Q(t). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 557 Звiдси з урахуванням (2.18) маємо lim t↑ω Q(t) = 1− (2− γ0)λ0 (1− γ0)(λ0 − 1) . (2.19) З першої з умов (1.10) випливає, що lim t↑ω G(t) = 0. (2.20) Оскiльки, як було обґрунтовано при доведеннi необхiдностi, функцiя Φ−1 1 (z) є повiльно змiнною при z → Z0, то з урахуванням (1.6) та другої з умов (1.9) маємо lim t↑ω Y (t, v1) = Y0 рiвномiрно по |v1| < 1 2 . (2.21) Зауважимо, що ( ψ(y) ψ′(y) )′ = 1− ψ(y)ψ′′(y) (ψ′(y))2 . Тому з (1.6) випливає, що yψ′(y) ψ(y) = 1 1− γ0 [1 + o(1)] при y → Y0 (y ∈ ∆Y0). (2.22) З (2.22) випливає, що функцiя ψ(y) = Φ′1(y) Φ1(y) є правильно змiнною порядку 1 1− γ0 при y → Y0 (y ∈ ∆Y0) та з урахуванням (2.21) lim t↑ω Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) = 1 1− γ0 рiвномiрно по |v1| < 1 2 . (2.23) Оскiльки ψ — правильно змiнна функцiя порядку 1 1− γ0 при прямуваннi аргумента до Y0, а Φ−1 1 — повiльно змiнна при прямуваннi аргумента до Z1, то функцiя ψ(Φ−1 1 ) є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Z1, а тому, i функцiя M є повiльно змiнною при прямуваннi аргумента до Z1 як добуток повiльно змiнних функцiй. Таким чином, lim t↑ω M(I1(t)) M(I1(t)(1 + v1)) = 1 рiвномiрно по v1 : |v1| < 1 2 . (2.24) З другої з умов (1.10) отримуємо lim t↑ω πω(t)I ′1(t) Φ−1 1 (I1(t))Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) = λ0 λ0 − 1 . (2.25) Покажемо, що lim t↑ω N(t, v1, v2) = 1 рiвномiрно по |v1| < 1 2 , |v2| < 1 2 . (2.26) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 558 О. О. ЧЕПОК Зауважимо, що з урахуванням (2.19) та вигляду функцiї Q lim t↑ω ( I′1(t) |πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) )′ πω(t) I′1(t)|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) = lim t↑ω πω(t) ( I′1(t) I1(t) )′ I′1(t) I1(t) + 1 1− λ0 = λ0 (1− γ0)(λ0 − 1) . Оскiльки lim t↑ω (Φ−1 1 (I1(t)))′πω(t) Φ−1 1 (I1(t)) = lim t↑ω I ′1(t)πω(t) Φ′1 ( Φ−1 1 (I1(t)) ) Φ−1 1 (I1(t)) = λ0 λ0 − 1 , то функцiя Φ−1 1 (I1(t)) є правильно змiнною порядку λ0 λ0 − 1 при t ↑ ω. Тому Φ1(Φ−1 1 (I1(t))) Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) є правильно змiнною функцiєю порядку λ0 λ0 − 1 1 γ0 − 1 при t ↑ ω. Крiм того, Φ1(Φ−1 1 (z)) Φ′1(Φ−1 1 (z)) є повiльно змiнною при z → Z1 як композицiя правильно змiнної та повiльно змiнної функцiй. Отже, на пiдставi теореми про рiвномiрну збiжнiсть з теорiї повiльно змiнних функцiй (див., наприклад, [3]) маємо( I′1(t)Φ1(Y (t,v1))|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t)Φ′1(Y (t,v1)) )′ πω(t)( I′1(t)Φ1(Y (t,v1))|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t)Φ′1(Y (t,v1)) ) = lim t↑ω ( Φ1(Φ−1 1 (I1(t))) Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) )′ πω(t) Φ1(Φ−1 1 (I1(t))) Φ′1(Φ−1 1 (I1(t))) + + lim t↑ω ( I′1(t) |πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) )′ πω(t) I′1(t)|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t) = 0 рiвномiрно по v1 : |v1| < 1 2 . Тому функцiя ( I ′1(t)Φ1(Y (t, v1))|πω(t)| 1 1−λ0 I1(t)Φ′1(Y (t, v1)) ) є нормалiзованою повiльно змiнною при t ↑ ω рiвномiрно по v1 : |v1| < 1 2 , а (2.26) випли- ває з того, що функцiя θ1 задовольняє умову S. З урахуванням третьої з умов (1.10) маємо lim t↑ω L(t) = 0. (2.27) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 559 На пiдставi (1.9) iснує t0 ∈ [a, ω[ таке, що Φ−1 1 (I1(t)(1 + v1)) ∈ ∆Y0 при t ∈ [t0, ω[, |v1| ≤ 1 2 . Розглянемо систему диференцiальних рiвнянь (2.17) на множинi Ω = [x0,+∞[×D, де x0 = β ln |πω(t0)|, D = { (v1, v2) : |vi| ≤ 1 2 , i = 1, 2 } , та запишемо її у виглядi v′1 = β[v2 + z1v2], v′2 = βG(t(x))[A21v1 +A22(x)v2 +R1(x, v1, v2) +R2(x, v1, v2)], (2.28) де A21 = σ1 − 1 λ0 − 1 , A22(x) = σ1 − 1 λ0 − 1 + γ0 πω(t)I ′1(t) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) , R1(x, v1, v2) = (1 + v2) [ N(t(x), v1, v2) λ0 − 1 ( λ0 λ0 − 1 1 [1 + L(t(x))] × × ( L(t(x)) + L(t(x)) Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) (I ′1(t(x)))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) × × Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) πω(t)I ′1(t) M(I1(t)(1 + v1) M(I1(t)) ))σ1−1 +Q(t(x))+ + Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) πω(t)I ′1(t) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) M(I1(t(x))) M(I1(t(x)(1 + v1)) ] + + v2 πω(t)I ′1(t(x)) Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ(Φ−1 1 (I1(t(x)))) ( Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ′ ( Φ−1 1 (I1(t(x))) ) ψ(y(t)) × × M(I1(t(x))) M(I1(t(x)(1 + v1))) − 1 1− γ0 ) + (v2 + v1) σ1 − 1 λ0 − 1 × × [ N(t(x), v1, v2) ( λ0 λ0 − 1 1 [1 + L(t(x))] ( L(t(x)) + L(t(x)) Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) + + (I ′1(t(x)))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) πω(t)I ′1(t) M(I1(t)(1 + v1) M(I1(t)) ))σ1−1 − 1 ] , ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 560 О. О. ЧЕПОК R2(x, v1, v2) = (1 + v2) N(t(x), v1, v2) λ0 − 1 ( λ0 λ0 − 1 1 [1 + L(t)] × × ( L(t(x)) + L(t(x)) Y (t, v1)ψ′(Y (t, v1)) ψ(Y (t, v1)) + + (I ′1(t(x)))2 I1(t(x))I ′′1 (t(x)) Φ−1 1 (I1(t))ψ(Φ−1 1 (I1(t))) πω(t)I ′1(t) M(I1(t)(1 + v1) M(I1(t)) ))σ1−1 × × [(1 + v1)σ1−1 − 1] [(1 + v2)σ1−1 − 1] + v2 2 πω(t)I ′1(t(x)) Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ(Φ−1 1 (I1(t(x)))) × × Φ−1 1 (I1(t(x)))ψ′(Φ−1 1 (I1(t(x)))) ψ(y(t)) M(I1(t(x))) M(I1(t(x)(1 + v1)) . Iз (2.19) – (2.27) i першої та другої з умов (1.10) маємо lim x→∞ A22(x) = σ1 − 1 λ0 − 1 + λ0γ λ0 − 1 , (2.29) lim |v1|+|v2|→0 R2(x, v1, v2) |v1|+ |v2| = 0 рiвномiрно по x ∈ [x0,+∞[, (2.30) lim x→+∞ R1(x, v1, v2) = 0 рiвномiрно по v1, v2 : (v1, v2) ∈ D. (2.31) Тому з урахуванням (2.20) зрозумiло, що гранична матриця коефiцiєнтiв системи (2.28) має нульове власне значення. Застосовуючи до системи (2.28) перетворення z1 = w1, z2 = √ |G(t(x))|w2, (2.32) з урахуванням (1.5) отримуємо систему w′1 = β √ |G(t(x))| [w2 + V1(x;w1;w2)], w′2 = β √ |G(t(x))| [C21w1 + V2(x,w1, w2) + V3(x,w1, w2)], (2.33) де C21 = A21sign ((λ0 − 1)(σ1 − 1)) , V1(x;w1;w2) = w1w2, V2(x,w1, w2) = √ |G(t(x))| sign ((λ0 − 1)(σ1 − 1)) ( A22(x)− Ñ(x) √ |G(t(x))| ) w2+ +R2(x,w1, √ |G(t(x))|w2), V3(x;w1;w2) = R1 ( x,w1, √ |G(t(x))|w2 ) sign ((λ0 − 1)(σ1 − 1)) , ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 561 Ñ(x) = sign ((σ1 − 1)(λ0 − 1))G′(t(x))I(t(x)) 2G(t(x))2I ′(t(x)) . Зауважимо, що lim x→∞ Ñ(x) = lim x→∞ sign ((σ1 − 1)(λ0 − 1))G′(t(x))I(t(x)) 2G2(t(x))I ′(t(x)) = = sign((σ1 − 1)(λ0 − 1)) lim t↑ω ( I(t) πω(t)I′(t) )′ πω(t) 2 ( I(t) πω(t)I′(t) ) = = sign ((σ1 − 1)(λ0 − 1)) lim t↑ω 1 2 πω(t) ( 1 πω(t) )′ I(t) I′(t) I(t) πω(t)I′(t) + πω(t) ( I(t(x)) I′(t(x)) )′ I(t(x)) I′(t(x))  = = sign((σ1 − 1)(λ0 − 1)) 1 2 ( −1 + lim t↑ω Q(t) ) = sign((σ1 − 1)(λ0 − 1))λ0(γ + 1) 2(λ0 − 1) . Тому згiдно з (2.29) – (2.31) lim |w1|+|w2|→0 Vi(x,w1, w2) |w1|+ |w2| = 0, i = 1, 2, рiвномiрно по x ∈ [x0,+∞[, (2.34) lim x→+∞ V3(x,w1, w2) = 0 рiвномiрно по w1, w2 : (w1, w2) ∈ D. (2.35) Зауважимо, що характеристичне рiвняння матрицi( 0 β βC21 0 ) має вигляд µ2 − |σ1 − 1| |λ0 − 1| = 0. Це рiвняння не має коренiв iз нульовою дiйсною частиною. Розглянемо ∫ ∞ x0 G(t(x)) dx. З урахуванням зображення G(t(x)) = I(t(x)) πω(t(x))I ′(t(x)) маємо ∞∫ x0 G(t(x)) dx = ∞∫ x0 I(t(x)) πω(t(x))I ′(t(x)) dx = ∞∫ t(x0) I(t) πω(t)I ′(t) I ′(t) I(t) dt = ln |πω(t)|ωd1 → ∞ при t → ω, оскiльки в околi нуля виконується ∫ ∞ x0 √ |G(t(x))| dx ≥ k ∫ ∞ x0 G(t(x)) dx. Таким чином, ∫ ∞ x0 √ |G(t(x))| dx → ∞. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 562 О. О. ЧЕПОК Отже, для системи диференцiальних рiвнянь (2.33) виконано всi умови теореми 2.2 з [7]. Згiдно з цiєю теоремою система (2.33) має однопараметричну сiм’ю розв’язкiв {zi}2i=1 : [x1,+∞[−→ R2 (x1 ≥ x0), якi прямують до нуля при x → +∞. Цим розв’яз- кам на пiдставi замiн (2.16), (2.15) вiдповiдають розв’язки y рiвняння (1.1), що допускають при t ↑ ω асимптотичнi зображення (1.11). З огляду на цi зображення та (1.5) зрозумiло, що отриманi розв’язки є Pω(Y0, Y1, λ0)- розв’язками. Теорему доведено. 3. Iлюстрацiя отриманих результатiв. Як приклад, що iлюструє отриманi результати, розглянемо при t ∈ [2,+∞[ диференцiальне рiвняння y′′ = 1 4 t−3L(t)e|y| 4−t8 ∣∣y′∣∣3 , (3.1) де L : [2,+∞[→]0,+∞[ — повiльно змiнна на нескiнченностi функцiя. Дане рiвняння є рiвнянням вигляду (1.1), у якому a = 2, α0 = 1, p(t) = 1 4 t−3 L(t)e−t 8 , ϕ0(y) = e|y| 4 , ϕ1(y) = |y|3. Дослiдимо питання про iснування та асимптотичну поведiнку при t, що прямує до +∞, P+∞(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв рiвняння (3.1), для яких λ0 ∈ R \ {0, 1}. Функцiя ϕ1 задовольняє умову S. Розглянемо випадок Y0 = ∞. Тодi виконуються умови (1.2). Можемо використа- ти доведену теорему. У даному випадку πω(t) = t, θ1(y) = 1, I(t) = 2√ |λ0 − 1| t∫ B0 +∞ ∣∣∣τ−2L(τ)e−τ 8 ∣∣∣− 1 2 dτ. Тому з урахуванням вибору B0 +∞ при t → +∞ отримуємо I(t) = 1 2 √ |λ0 − 1| t−6(L(t))− 1 2 e 1 2 t8 [1 + o(1)]. Аналогiчно при t → +∞ маємо I1(t) = λ0 8 √ |λ0 − 1|(λ0 − 1) t−14(L(t))− 1 2 e 1 2 t8 [1 + o(1)]. Крiм того, оскiльки Y0 = ∞, з урахуванням вибору A0 ∞ одержимо Φ0(y) = 1 2y3 e 1 2 |y|4 sign y[1 + o(1)] при y → ∞. Аналогiчно маємо Φ1(y) = 1 4y7 e 1 2 |y|4 [1 + o(1)] при y → ∞. (3.2) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4 АСИМПТОТИЧНI ЗОБРАЖЕННЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДИФЕРЕНЦIАЛЬНИХ РIВНЯНЬ ДРУГОГО ПОРЯДКУ . . . 563 Крiм того, Φ′1(y) Φ1(y) = 2y3[1 + o(1)] при y → ∞, звiдки випливає, що виконується умова (1.6), де γ0 = 2 3 . З огляду на (3.2) зрозумiло, що Φ−1 1 (y) = 4 √ 2 ln 1 4 |y|[1 + o(1)] при y → ∞. З другої з умов (1.10) випливає, що λ0 = 2, звiдки маємо y0 1 > 0 та y0 0 > 0. Таким чином, виконано всi умови доведеної теореми. Згiдно з цiєю теоремою рiвнян- ня (3.1) з класу P+∞(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв може мати лише P+∞(+∞,+∞, 2)-розв’язки. З теореми 1 також випливає, що рiвняння (3.1) має однопараметричну сiм’ю P+∞(+∞,+∞, 2)-розв’язкiв та кожен такий розв’язок має асимптотичнi зображення 1 y7(t) e 1 2 y4(t) = t−14(L(t))− 1 2 e 1 2 t8 [1 + o(1)], y′(t)y3(t) = 2t7[1 + o(1)] при t ↑ ω. (3.3) Бiльш того, легко бачити, що у випадку L(t) ≡ 1 y(t) = t2 є точним розв’язком рiвнян- ня (3.1). Цей точний розв’язок легко отримати з другого зi спiввiдношень (3.3). У цьому випадку кожен iз розв’язкiв однопараметричної сiм’ї P+∞(+∞,+∞, 2)-розв’язкiв є еквi- валентним до t2 при t → +∞. Висновки. У данiй роботi для класiв диференцiальних рiвнянь другого порядку з швид- ко та правильно змiнними нелiнiйностями, якi ранiше не розглядалися, отримано необ- хiднi та достатнi умови iснування Pω(Y0, Y1, λ0)-розв’язкiв при λ0 ∈ R\{0, 1}. Цей клас розв’язкiв для бiльшостi рiвнянь вигляду (1.1) охоплює всi правильно змiннi розв’язки, що мають також правильно змiнну похiдну першого порядку, за винятком особливих ви- падкiв, коли розв’язки або їх похiднi є повiльно змiнними функцiями при t ↑ ω. Лiтература 1. Evtukhov V. M., Drik N. G. Asimptotic behavior of solutions of a second order nonlinear differention equati- on // Georg. Math. J. — 1996. — 3, № 2. — P. 123 – 151. 2. Evtukhov V. M., Kharkov V. M. Asymptotic representation of solutions essentially nonlinear differential equations of second order // Differents. Uravneniya. — 2007. — 43, № 10. — P. 1311 – 1323. 3. Сенета Е. Правильно меняющиеся функции. — М.: Наука, 1985. — 141 с. 4. Maric V. Regular variation and differential equations // Lect. Notes Math. — 2000. — 1726. — 127 p. 5. Bingham N. H., Goldie C. M., Teugels J. L. Regular variation // Encyclopedia Math. and Appl. — Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1987. — 494 p. 6. Евтухов В. М., Клопот А. М. Асимптотическое поведение решений обыкновенных дифференциаль- ных уравнений n-го порядка с правильно меняющимися нелинейностями // Дифференц. уравнения. — 2014. — 50, № 5. — С. 584 – 600. 7. Евтухов В. М., Самойленко А. М. Условия существования исчезающих в особой точке решений ве- щественных неавтономных систем квазилинейных дифференциальных уравнений // Укр. мат. журн. — 2010. — 62, № 1. — С. 52 – 80. Одержано 08.01.17 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2017, т . 20, N◦ 4