Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Phương pháp phiếm hàm Lyapunov và ứng dụng để nghiên cứu tính ổn định nghiệm của phương trình vi phân có chậm

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

142
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục luận văn gồm ba chương. Chương 1 trình bày một số tính chất nghiệm của phương trình vi phân trong không gian Banach và trong không gian Rn. Chương 2 trình bày tính chất nghiệm của phương trình vi phân có chậm. Chương 3 trình bày một số ứng dụng về tính ổn định nghiệm của phương trình vi phân.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Phương pháp phiếm hàm Lyapunov và ứng dụng để nghiên cứu tính ổn định nghiệm của phương trình vi phân có chậm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯU THỊ THU HUYỀN PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM LYAPUNOV VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH NGHIỆM CỦA PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÓ CHẬM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯU THỊ THU HUYỀN PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM LYAPUNOV VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH NGHIỆM CỦA PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÓ CHẬM Chuyên ngành: Toán giải tích Mã số: 60460102 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. ĐẶNG ĐÌNH CHÂU Hà Nội - Năm 2014
Mục lục Mở đầu 3 1 Sự ổn định nghiệm của phương trình vi phân trong không gian Banach 5 1.1 Một số khái niệm cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Sự tồn tại duy nhất nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Các khái niệm về ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Phương pháp phiếm hàm Lyapunov đối với phương trình vi phân trong không gian Banach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Phương pháp xấp xỉ thứ nhất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.1 Sự tồn tại nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính . . 15 1.3.2 Sự ổn định nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính có nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4 Phương pháp phiếm hàm Lyapunov trong Rn . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1 Các hàm xác định dấu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.2 Đạo hàm của phiếm hàm Lyapunov dọc theo nghiệm của một hệ phương trình vi phân . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.3 Định lý thứ nhất của Lyapunov về sự ổn định . . . . . . . 22 1.4.4 Định lý thứ hai của Lyapunov về sự ổn định tiệm cận . . . 23 1.4.5 Định lý thứ ba của Lyapunov về sự không ổn định . . . . . 24 1
1.5 Sự ổn định mũ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.6 Phương pháp chọn hàm Lyapunov cho hệ phương trình vi phân tuyến tính với hệ số hằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2 Phương pháp phiếm hàm Lyapunov nghiên cứu tính ổn định nghiệm của phương trình vi phân hàm 35 2.1 Khái niệm về phương trình vi phân hàm . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.1 Định nghĩa và ký hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.2 Định lý tồn tại và duy nhất nghiệm . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 Phương pháp tìm nghiệm của phương trình vi phân hàm . . . . . 37 2.2.1 Phương pháp từng bước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.2 Phương pháp toán tử Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3 Lý thuyết ổn định theo Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.1 Các khái niệm về ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.2 Phương pháp hàm Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4 Định lý Razumikhin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3 Một số mô hình ứng dụng 55 3.1 Mô hình ứng dụng trong các quần thể sinh học . . . . . . . . . . . 55 3.1.1 Mô hình thú - mồi Lotka - Volterra dạng đơn giản . . . . . 56 3.1.2 Mô hình cạnh tranh Lotka - Volterra . . . . . . . . . . . . 61 3.1.3 Mô hình cộng sinh Lotka-Volterra . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.4 Mô hình Lotka-Volterra cho ba loài . . . . . . . . . . . . . 69 3.1.5 Một số nhận xét chung về các mô hình quần thể đa loài . 71 3.2 Mô hình Lotka-Volterra có chậm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.1 Tính ổn định tiệm cận địa phương . . . . . . . . . . . . . . 74 3.2.2 Tính ổn định tiệm cận toàn cục . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3 Sự ổn định của quá trình chuyển động quay của một vật thể rắn . 83 3.4 Sự ổn định của phi cơ đang chuyển động . . . . . . . . . . . . . . . 84 2
Mở đầu Lý thuyết ổn định của phương trình vi phân là một trong những hướng nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong lý thuyết định tính các phương trình vi phân. Lý thuyết này xuất phát từ những đòi hỏi của thực tế và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực thực tế khác nhau, như: Vật lý, Sinh thái học, Cơ học,... Trong những năm gần đây đã có rất nhiều công trình của các nhà khoa học trong và ngoài nước đi sâu nghiên cứu về lĩnh vực này. Để nghiên cứu tính ổn định nghiệm của phương trình vi phân, chúng ta thường sử dụng các phương pháp của nhà toán học người Nga A.E.Lyapunov. Ngày nay, do yêu cầu của ứng dụng thực tế và sự phát triển vượt bậc của toán học, việc nghiên cứu các bài toán ổn định đã được mở rộng theo nhiều hướng, một trong số đó là nghiên cứu trên các phương trình vi phân có chậm. Trong bản luận văn này chúng tôi sẽ đề cập đến một số vấn đề sau đây: - Trình bày lại các kết quả cơ bản về tính ổn định nghiệm của các phương trình vi phân trong không gian Banach, trong không gian Rn và phương pháp hàm Lyapunov đối với phương trình vi phân hàm. - Phần cuối của bản luận văn dành cho việc trình bày chi tiết một số ứng dụng của phương pháp hàm Lyapunov và phương pháp xấp xỉ thứ nhất cho các mô hình ứng dụng. Bố cục luận văn gồm ba chương: Chương 1: Trình bày một số tính chất nghiệm của phương trình vi phân trong không gian Banach và trong không gian Rn . Chương 2: Trình bày tính chất nghiệm của phương trình vi phân có chậm. 3
Chương 3: Trình bày một số ứng dụng về tính ổn định nghiệm của phương trình vi phân. Bản luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS. Đặng Đình Châu. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy - người đã dành nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn, kiểm tra, giúp đỡ tôi trong việc hoàn thành bản luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Toán - Cơ - Tin học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội về kiến thức và những điều tốt đẹp mang lại cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trường. Tôi xin cảm ơn phòng Sau đại học về những điều kiện thuận lợi trong việc hoàn thành thủ tục học tập và bảo vệ luận văn. Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn gia đình, người thân là chỗ dựa về tinh thần và vật chất cho tôi trong cuộc sống và học tập. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng bản luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để bản luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Lưu Thị Thu Huyền 4
Chương 1 Sự ổn định nghiệm của phương trình vi phân trong không gian Banach 1.1 Một số khái niệm cơ bản 1.1.1 Sự tồn tại duy nhất nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính Giả sử B là không gian Banach. Trong không gian B ta xét phương trình vi phân dx(t) = f (t, x(t)), (1.1) dt trong đó t ∈ R+ , x(.) ∈ B và hàm f : R+ × D → D với D là một miền đơn liên trong không gian Banach B. Ta hiểu nghiệm của (1.1) là nghiệm cổ điển theo nghĩa như sau. Định nghĩa 1.1.1. Hàm x = x(t), (x : I → B; I ⊂ R+ ) xác định trên I , khả vi liên tục theo t ∈ I được gọi là nghiệm của (1.1) nếu khi thay vào (1.1) ta thu được một đồng nhất thức trên I . Tức là dx(t) = f (t, x(t)); ∀t ∈ I. dt 5
Bài toán Cauchy: Tìm nghiệm x = x(t) của phương trình (1.1) thỏa mãn điều kiện ban đầu x(t0 ) = x0 với (t0 , x0 ) ∈ I × B cho trước. Tương ứng với phương trình (1.1) ta thường xét phương trình tích phân sau: Z t x(t) = x0 + f (τ, x(τ ))dτ (1.2) t0 Nhận xét: Nếu hàm f liên tục theo chuẩn trong B thì ta có thể chỉ ra rằng nghiệm của (1.2) là nghiệm của bài toán Cauchy và ngược lại. Ký hiệu S(ε,µ) = (t, x) ∈ R+ × B : |t − t0 | ≤ ε, ||x − x0 || ≤ µ , với ε > 0, µ > 0 là lân cận đóng của điểm (t0 , x0 ). Khi đó ta có định lý tồn tại duy nhất nghiệm của bài toán Cauchy như sau: Định lý 1.1.1. (Tính duy nhất nghiệm địa phương) Giả sử tồn tại một lân cận đóng của (t0 , x0 ) sao cho trong lân cận đó hàm f (t, x) liên tục theo t, ||f (t, x0 )|| ≤ M0 < +∞ và thỏa mãn điều kiện Lipschitz: ||f (t, x2 ) − f (t, x1 )|| ≤ M ||x2 − x1 || (1.3) M là một hằng số hữu hạn. Khi đó tồn tại một lân cận của điểm x0 mà trong lân cận đó thì (1.1) có duy nhất nghiệm x = x(t) thỏa mãn điều kiện ban đầu x(t0 ) = x0 . Chứng minh. Từ giả thiết suy ra tồn tại ε, η > 0 sao cho trong miền |t − t0 | ≤ ε, ||x − x0 || ≤ η , ta có: ||f (t, x)|| ≤ ||f (t, x0 )|| + ||f (t, x) − f (t, x0 )|| ≤ ||f (t, x0 )|| + M η ≤ M1 < +∞ Lấy δ = min ε, Mη1 và ký hiệu Cδ (B) là không gian Banach các hàm liên tục x(t) xác định trên |t − t0 | ≤ δ với chuẩn |||x||| = sup ||x(t)|| |t−t0 |≤δ 6
Gọi Bη (x0 ) = {x ∈ Cδ (B) : |||x − x0 ||| ≤ η} . Xét toán tử Z t (Sx)(t) = x0 + f (τ, x(τ ))dτ t0 Ta có: Z t ||(Sx)(t) − x0 || = || f (τ, x(τ ))dτ || ≤ ||t − t0 || sup ||f (τ, x(τ ))|| t0 τ ∈[t0 ,t] ≤ δM1 ≤ η (∀x(t) ∈ Bη ). Ta thấy toán tử S là ánh xạ đi từ Bη vào Bη . Hơn nữa, với x1 , x2 ∈ Bη , từ điều kiện Lipschitz ta có đánh giá Z t ||(Sx2 )(t) − (Sx1 )(t)|| ≤ ||f (τ, x2 (τ )) − f (τ, x1 (τ ))||dτ t0 Z t ≤M ||x2 (τ ) − x1 (τ )||dτ ≤ M (t − t0 )|||x2 − x1 |||. t0 Mặt khác ta lại có: Z t 2 2 ||(S x2 )(t) − (S x1 )(t)|| ≤ M ||(Sx2 )(τ ) − (Sx1 )(τ )||dτ t0 Z t 2 ≤ M |||x2 − x1 ||| (τ − t0 )dτ t0 [M (t − t0 )]2 = |||x2 − x1 |||. 2! Sử dụng phép đánh giá liên tiếp ta được: [M (t − t0 )]n ||(S n x2 )(t) − (S n x1 )(t)|| ≤ |||x2 − x1 ||| n! [δM ]n ||S n x2 − S n x1 || ≤ |||x2 − x1 |||. n! [δM ]n Do n! → 0 khi n → +∞ nên với n đủ lớn thì S n là toán tử co trong Bη . Do đó sẽ tồn tại duy nhất nghiệm x(t) ∈ Bη của phương trình tích phân: Z t x(t) = x0 + f (τ, x(τ ))dτ t0 7
Định lý 1.1.2. (Tính duy nhất nghiệm toàn cục) Giả sử tồn tại miền [a, b] × B mà trên đó hàm f (t, x) liên tục theo biến t và thỏa mãn điều kiện Lipschitz (1.3). Khi đó với mọi (t0 , x0 ) ∈ [a, b]× B, bài toán Cauchy có nghiệm duy nhất x = x(t) xác định trên [a, b]. Chứng minh tương tự định lý (1.1.1) với chú ý: (i) Từ giả thiết của định lý ta suy ra hàm f (t, x) giới nội trên [a, b] × D với D là tập compact trong không gian Banach B. (ii) Bη ở định lý trước được thay bởi C(B) gồm tất cả các hàm x(t) xác định liên tục trên [a, b], lấy giá trị trong không gian Banach B và có chuẩn được xác định bởi |||x||| = sup ||x(t)||. [a,b] Định lý 1.1.3. (Sự kéo dài nghiệm của bài toán Cauchy) Giả sử ||x|| < ∞, t ≥ t0 , hàm f (t, x) thỏa mãn điều kiện ||f (t, x(t))|| ≤ L(||x||), trong đó L(r) là hàm liên tục có tính chất Z r dr → ∞ khi r → +∞ r0 L(r) Khi đó mọi nghiệm của phương trình (1.2) có thể kéo dài trên khoảng thời gian vô hạn t0 ≤ t < +∞. Chứng minh. Vì
x(t2 ) − x(t1 )
||x(t2 )|| − ||x(t1 )||
⇒ || dx || ≥
d||x||