Дипломная работа на тему "Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых второго и первого порядков"

ГлавнаяМатематика → Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых второго и первого порядков




Не нашли то, что вам нужно?
Посмотрите вашу тему в базе готовых дипломных и курсовых работ:

(Результаты откроются в новом окне)

Текст дипломной работы "Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых второго и первого порядков":


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

"Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины"

Математический факультет

Кафедра дифференциальных уравнений

Курсовая работа

"Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых второго и первого порядков"

Гомель 2003

Содержание

Введение

1. Построение дву мерной стационарной системы

1.1 Построение дву мерной стационарной системы с частным интегралом в виде кривой второго порядка

1.2 Построение дву мерной стационарной системы с частным интегралом в виде кривой первого порядка

1.3 Необходимые и достаточные условия существования у дву мерной стационарной системы двух частных интегралов в видекривых первого и второго порядков

2. Качественное исследование построенных классов систем

2.1 Исследование одной системы первого класса построенных двумерных стационарных систем

2.2 Исследование одной системы второго класса построенных двумерных стационарных систем

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Заказать написание дипломной - rosdiplomnaya.com

Грамотное выполнение дипломных работ под заказ в Москве и в других городах России.

Как известно, многие задачи механики и физики при естественных упрощающих предположениях приводят к рассмотрению одного дифференциального уравнения второго порядка, то есть:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Но в элементарных функциях и даже в квадратурах интегрируются очень немногие классы дифференциальных уравнений. В связи с этим появилась необходимость в создании такой теории, с помощью которой можно было бы изучать свойства решений дифференциальных уравнений по виду самих уравнений. Такой теорией, наряду с аналитической, и является качественная теория дифференциальных уравнений.

Большинство дифференциальных уравнений второго порядка возможно привести к системе дифференциальных уравнений вида:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (1)

положив Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., и следовательно, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рассмотрение такой системы в ряде аспектов удобнее, чем непосредственное рассмотрение уравнений.

Часто рассматривается тот частный случай системы, когда независимая переменная t в правые части не входит, то есть система имеет вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2)

Интерес к изучению этой системы или соответствующего ей уравнения

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (3)

объясняется их непосредственным практическим применением в различных областях физики и техники.

Впервые задача качественного исследования для простейшего случая систем двух дифференциальных уравнений (2) с полной отчётливостью была поставлена А. Пуанкаре [1] в конце прошлого столетия. Позднее исследования А. Пуанкаре были дополнены И. Бендиксоном [2, с. 191–211] и уточнены Дж. Д. Бирксоном [3].

Имеется много работ, в которых динамические системы изучались в предположении, что их частными интегралами являются алгебраические кривые. Толчком к большинству из них послужила работа Н. П. Еругина [4, c. 659], в которой он дал способ построения систем дифференциальных уравнений, имеющих в качестве своего частного интеграла кривую заданного вида.

Знание одного частного интеграла системы (0.2) во многих случаях помогает построить полную качественную картину поведения интегральных кривых в целом. Отметим ряд работ этого характера для систем (0.2), в которых Р (х, у) и Q (x, y) – полиномы второй степени.

Н. Н. Баутиным [5, c. 181–196] и Н. Н. Серебряковой [6, c. 160–166] полностью исследован характер поведения траекторий системы (2), имеющей два алгебраических интеграла в виде прямых. В работе Л. А. Черкаса [7, c. 732] такое исследование проведено для уравнения (3) при наличии частного интеграла в виде кривой третьего порядка.

А. И. Яблонский [8, c. 1752] и В. Ф. Филипцов [9, c. 469] изучали квадратичные системы с предположением, что частными интегралом являлись алгебраические кривые четвёртого порядка.

В данной работе рассматривается система:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

и проводится качественное исследование в целом этой системы при условии, что её частными интегралами являются две кривые–первого и второго порядков. Качественное исследование включает в себя нахождение и исследование состояний равновесия, а также определение направлений траекторий в состоянии равновесия, исследование бесконечно-удалённой части плоскости и качественная картина для построенных систем.

При определённых ограничениях на коэффициенты системы и интегралов строятся классы дифференциальных систем с заданными интегралами, при этом коэффициенты интегралов выражаются через коэффициенты системы, а коэффициенты системы связаны между собой соотношениями.

Работа состоит из двух разделов.

В первом разделе проводится построение квадратичных двумерных стационарных систем с заданными интегралами.

Во втором разделе проводится качественное исследование в целом выделенных в первом разделе классов систем при фиксированных значениях некоторых параметров.

1. Построение квадратичной дву мерной стационарной системы

1.1 Построение квадратичной дву мерной стационарной системы с частным интегралом в виде кривой второго порядка

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

В данной работе будем рассматривать систему, в случае когда с1=а2=0, то есть систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (1.1)

Пусть система (1.1) в качестве частного интеграла имеет интеграл вида:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (1.2)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

где Fk(x, y) – однородный полином от x и y степени k.

В качестве частного интеграла (1.2) возьмём кривую второго порядка вида:

F (x, y)=y2+αxy+βx2+γyx+σ=0. (1.3)

Согласно [8, c. 1752–1760] для интеграла (1.3) системы (1.1) имеет место соотношение:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (1.4)

где L (x, y)=mx+ny+p, m, n, p-постоянные.

Тогда для частного интеграла (1.3) получим равенство:

(αy+2βx+δ) (ax+by+a1 x2+2b1xy)+(2y+αx+γ) (cx+dy+2xy+c2y2)=

(y2+αxy+βx2+γy+δx+σ) (mx+ny+k).

Будем предполагать, что коэффициенты системы (1.1) b1=b2=c2=1, тогда для интеграла (1.3) получим равенство:

y+2βx+δ) (ax+by+а1x2+2xy)+(2y+αx+γ) (cx+dy+2xy+y2)=

(y2+αxy+βx2+γy+δx+σ) (mx+ny+k).

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях xmyn слева и справа, получим равенства:

а1–mβ=0, (1.51)

(4-n)+(2+a1–m)α=0, (1.52)

(3-n)+4-m=0, (1.53)

n=2, (1.54)

(2a–k)β+(a1–m)δ+cα=0, (1.55)

2bβ+(2-n)δ+(a–k)α+2c+dα+(2-m)γ=0, (1.56)

bα+2d+(1-n)γ–k=0, (1.57)

aδ–kδ+cγ–mσ=0, (1.58)

bδ–kγ+dγ–nσ=0, (1.59)

kσ=0,

σ≠0, так как кривая не проходит через начало координат, значит k=0.

Из равенств (1.51) – (1.54) получим, что

n=2, m=2a1,

α=2 (a12), β=(a12)2 (1.6)

Для нахождения коэффициентов γ и δ рассматриваемого интеграла используем равенства (1.55) и (1.57):

γ=(a1–2) b+2d,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.(1.7)

δ=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.≠0.

Коэффициенты α, β, γ, δ, m, n подставляем в равенство (1.56), получим условие на коэффициенты системы:

(a1–2) aa1(a1–2) b+ca1d =0. (1.8)

Для нахождения коэффициента σ используем уравнение (1.58). Получим:

σ=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (1.9)

Подставим коэффициенты γ, δ,σ и к=0 в равенство (1.59), получим второе условие, связывающее коэффициенты системы:

2 (a1–2)2a2–2a1(a1–2)2ab+2 (a1–2) ac-2a12(a1 –2) bd+2a1cd-2a12d2=0,

которое можно записать в виде:

2 ((a1–2) a–a1(a1–2) b–a1d+c) ((a1–2) a+a1d)=0 (1.10)

Итак, имеет место следующая теорема:

Теорема 1.1 Система

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Имеет частный интеграл y2+αxy+βx2+γy+δx+σ=0, коэффициенты которого выражаются формулами:

α=2 (a1–2),

β=(a1–2)2,

γ=(a1–2) b+2d,

δ=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.≠0,

σ=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

При условиях, что коэффициенты системы связаны соотношениями:

(a1–2) a–a1(a-2) b+c–a1d =0,

2 ((a1–2) a – a1 (a1–2) b–a1d+c) ((a1–2) a+a1d)=0,

и а1≠0, а1≠2, с1=а2=0, a1=b1=c2=1.

1.2 Построение квадратичной дву мерной стационарной системы с частным интегралом в виде кривой первого порядка

Пусть система (1) наряду с интегралом (1.3) имеет интеграл вида:

mx+ny+p=0. (1.11)

Будем рассматривать теперь систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (1.12)

Согласно формуле (1.4), где L (x, y)=Mx+Ny+P, M, N, P-постоянные, получаем равенство:

m (ax+by+a1x2+2xy)+n (cx+dy+2xy+y2)=(mx+ny+p) (Mx+Ny+P).

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях xmyn слева и справа, получим равенства:

(a1–M) m=0

(2-N) m+(2-M) n=0 (1.13)

(N-1) n=0

(a–P) m+cn–Mp=0

bm+(dP) nNp=0 (1.14)

Pp=0

Предполагаем, что кривая не проходит через начало координат, тогда p≠0, значит Р=0.

Из равенств (1.13) получаем, что М=а1, N=1,

n= m, (1.15)

p= ( ) m, m≠0.

Подставим эти коэффициенты в уравнение (1.14) и получим ещё одно условие на коэффициенты системы, которое совпадает с условием (1.8), то есть:

(a1–2) aa1(a1–2) b+ca1d =0.

Итак, имеет место следующая теорема:

Теорема 1.2 Система

Имеет частный интеграл mx+ny+p=0, коэффициенты которого выражаются формулами

n= m, p= ( ) m, m≠0,

При условии, что коэффициенты системы связаны соотношением:

(a1–2) a–a1(a1–2) b+c–a1d =0 и а1≠0, а1≠2.

1.3  Необходимые и достаточные условия существования у дву мерной стационарной системы двух частных интегралов в виде кривых первого и второго порядков

В подразделах 1.1–1.2 мы получили что система (1.1) будет иметь два частных интеграла в виде кривой первого порядка и кривой второго порядка, при условии, что коэффициенты системы связаны соотношениями:

(a1–2) a–a1(a1–2) b+c–a1d =0, (1.16)

2 ((a1–2) a – a1 (a1–2) b–a1d+c) ((a1–2) a+a1d)=0.

Причём а1≠0, а1≠2, в1=в2=с2=1.

1.  Рассмотрим случай (a1–2) a–a1(a1–2) b+c–a1d =0, (a1–2) a+a1d=0.

Из этих равенств получили:

а= -Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.d, d≠0

c=a1(a1–2) b+2a1d.

Так как коэффициент d можно взять любым, неравным нулю, тогда предположим, что b=2d. Из следующих предположений, получаем:

b=2d,

a= -Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.d, (1.17)

c=2a1(a1–1) d, d≠0, а1≠2.

Получили, что коэффициенты системы (1.1) определяются формулами (1.17), при условиях (1.16), в которых параметры b1=b2=с2=1, а1≠0.

Выражения (1.6), (1.9), (1.15) при условии, что имеют место (1.17), дадут следующие выражения для коэффициентов интегралов (1.3) и (1.11):

α=2 (a1–2),

β=(a1–2)2,

γ=2 (2а13) d,

δ=2 (а12) (2а1–3) d, (1.18)

σ=(2а11) d2,

n=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.m,

p=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.md, m≠0, d≠0, a1≠2, a1≠0.

Имеет место следующая теорема:

Теорема 1.3 Система

Имеет частные интегралы вида:

y2+2 (a1–2) xy+(a1–2)2x2+2 (2a1–3) d+

+2 (a1–2) (2a1–3) dx+(2a1–1) d2=0

и (a1–2) x+y+(2a1–3) d=0,

При условии, что коэффициенты системы (1.1) выражаются через параметры а1 и d по формулам (1.17) и в1=в2=с2=1.

2.  Рассмотрим случай:

(a1–2) a–a1(a1–2) b+c–a1d =0.

Выразим из этого условия коэффициент с, получим

с= a1(a1–2) b+ a1d – (a1–2) a.

Воспользуемся предположением из первого случая, что в=2d, d≠0, тогда коэффициент с=а1(2а1–3) d – (а1–2) а.

Так как d-любое число, неравное нулю, предположим, что а=2а1d.

Из соотношения (a1–2) aa1(a1–2) b+ca1d =0, при условиях, что b=2d, a=2a1d, d-любое число, d≠0, получим формулы, выражающие коэффициенты системы (1.1) через параметр а1 и коэффициент d, то есть: a=2a1d,

b=2d, (1.19)

c=a1d.

Равенства (1.6) – (1.9) и (1.14) при условии, что имеют место формулы (1.19), дадут следующие выражения для коэффициентов интегралов (1.3) и (1.11):

α=2 (a1–2),

β=(a1–2)2,

γ=2 (а1–1) d,

δ=2 (a1– ) (a1–2) d, (1.20)

σ=(a1 )2d2,

n=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.m,

p=mРисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.d, a1≠2, d≠0, m≠0.

Теорема 1.4 Система

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. 2a1dx+2dy+a1x2+2xy,

=a1dx+dy+2xy+y2

Имеет частные интегралы вида:

y2+2 (a1–2) xy+(a1–2)2x2+2 (a1–1) dy+2 (a1–Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) (a1–2) dx+(a1–Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.)2d2=0

и

(a1–2) x+y+(2a1–3) d=0,

При условиях, что коэффициенты системы (1.1) выражаются через параметры а1 и d по формулам (1.19) и в1=в2 =с2=1, а1≠2, а1≠0, d-любое число.

2 Качественное исследование построенных классов систем

2.1 Исследование одной системы из первого класса построенных двумерных стационарных систем

Будем проводить исследование системы в предположении, что коэффициенты её определяются согласно формулам (1.17):

a= -Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.d, (1.17)

b=2d,

c=2a1(a1–1) d, d≠0, а1≠2,

с учётом в1=в2=с2=1 и предполагая, что параметр а1=1.

Тогда система (1.1) запишется в виде:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.dx+2dy+x2+2xy, (2.1)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.dy+2xy+y2

Интегральные кривые в этом случаи имеют вид:

y2–2xy+x2–2dy+2dx+d2=0, (2.2)

x–y+d=0.

При рассмотрении этого случая заметим, что интегральная кривая второго порядка y2–2xy+x2–2dy+2dx+d2=0 представляет собой две совпадающие прямые вида xy+d=0, то есть:

(y–x)2–2d (y–x)+d2=0,

(y–x) – d)2=0,

y–x–d=0,

xy+d=0.

Значит, если а1=в1=в2=с2=1 и если выполняются условия (1.17) система (1.1) имеет только один частный интеграл вида:

xy+d=0. (2.3)

Найдём состояния равновесия системы (2.1). Приравняв правые части системы к нулю и, решив полученную систему, найдём точки покоя системы.

Система имеет четыре состояния равновесия:

О (0,0), А (-d, 0), B (-d, d), C(-Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

Исследуем поведение траекторий в окрестностях состояний равновесия.

1.  Исследуем точку О (0,0).

Составим характеристическое уравнение для точки имеет вид О (0,0):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.2=0.

Характеристическими числами для точки О (0,0) системы (2.1) будут Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Корни характеристического уравнения действительные, одного знака, но в зависимости от параметра d точка О (0,0) – устойчивый узел, если d<0; точка О (0,0) – неустойчивый узел, если d>0.

Из Главы 1. случай d=0 не рассматривается.

2.  Исследуем точку А (-d, 0).

Составим характеристическое уравнение в точке А (-d, 0).

P (x, y)=dx+2dy+x2+2xy,

Q (x, y)=dy+2xy+y2.

Отсюда, получим:

Px=d+2x+2y, Py=2d+2x, (2.4)

Qx=2y,

Qy=d+2x+2y.

Следовательно, характеристическое уравнение примет вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. =0.

Итак, получаем:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

(–d–λ)2=0.

Характеристические числа для точки А (-d, 0) системы (2.1) будут Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Корни λ1,λ2 – действительные, одного знака. В зависимости от параметра d.

Точка А (-d, 0) является неустойчивым узлом, если d<0; устойчивым узлом, если d>0.

3.  Исследуем точкуВ (-d, d).

Составим характеристическое уравнение в точке В (-d, d).

Согласно равенствам (2.4) характеристическое уравнение примет вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.2=0,

λ1=λ2=d.

λ1,λ2 – характеристические числа для точки В (-d, d) системы (2.4).

Корни λ1,λ2–действительные, одного знака зависящие от параметра d.

Если d<0, то точка В (-d, d) – устойчивый узел; если d>0, то точка В (-d, d) – неустойчивый узел.

4.  Исследуем точку С(-Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

Составим характеристическое уравнение в точке С(-Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).Применяя равенства (2.4), получим:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. =0,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Характеристические числа для точки С(-Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) системы (2.1) будут λ1=d, λ2=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Корни λ1,λ2–действительные, различных знаков, независимо от параметра d.

Значит, точка С(- ) – седло.

Исследуем бесконечно-удалённую часть плоскости на концах оси ОY. Преобразование x=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., y=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. [1] переводит систему (2.1) в систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2.5)

где t=, dt=zdτ.

Для исследования состояний равновесий на концах оси ОУ, нам необходимо исследовать только точку No(0,0).Составим характеристическое уравнение в точке No (0,0):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0.

Получаем, что

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Корни λ1,λ2–действительные и различных знаков не зависимо от параметра d. Значит, точка No(0,0) – седло.

Исследуем бесконечно-удалённую часть плоскости вне концов оси ОУ преобразованием [1] Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Это преобразование систему (2.1) переводит в систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2.6)

где t=, dt=zdτ.

Изучим бесконечно-удалённые точки на оси U, то есть при z=0, получаем:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Следовательно, u1=0, u2=1.

Таким образом, получаем две точки N1(0,0), N2(0,1), которые являются состоянием равновесия. Исследуем характер этих точек обычным способом.

1. Исследуем точку N1(0,0).

Составляем характеристическое уравнение в точке N1(0,0):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

λ1=-1, λ2=1.

Корни λ1, λ2–действительные и различных знаков. Следовательно, точка N1(0,0) – седло.

2. Исследуем точку N2(0,1).

Составим характеристическое уравнение в точке N2(0,1):

Pz=–1–2u-2dz-4duz,

Pu=–2dz2–2z,

Qz=–2du2,

Qu=1–2u-4dzu.

Имеем:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

(-3–λ) (-1–λ)=0,

λ1=–3, λ2=–1,

Корни λ1,λ2–действительные и одного знака (–). Следовательно, точка N2(0,1) – устойчивый узел.

Дадим распределение состояний равновесия системы (2.1) в виде таблицы 1.

Таблица 1

--------------------------------------------------
d | O (0,0) | A (-d, 0) | B (-d, d) |

C(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.)

| ∞ |
---------------------------------------------------------

N0

|

N1

|

N2

|
---------------------------------------------------------

(-∞; 0)Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Уст. у. | Неуст. у. | Уст. у | Седло | Седло | Уст. у. | Седло |
---------------------------------------------------------
(0;∞) | Неуст. у. | Уст. у. | Неуст. у. | Седло | Седло | Уст. у. | Седло |
--------------------------------------------------------- --------------------------------------------------

Положение кривой (2.3) и расположение относительно их состояний равновесия при d<0 и d>0 представлено на рис. 1 (а, б).

Поведение траекторий системы (2.1) в целом при d<0 и d>0 представлено на рис. 3 (а, б) приложения А.

Исследуя вид кривых (2.2) и расположение относительно их состояний равновесия, убеждаемся, что система (2.1) не имеет предельных циклов, так как Воробьёв А. П. [10] доказал, что для систем, правые части которых есть полиномы второй степени, предельный цикл может окружать только точку типа фокуса. Учитывая расположение состояний равновесия относительно кривых (2.2), являющиеся интегралами системы (2.1) не может существовать предельных циклов, окружающих несколько состояний равновесия.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

a)  d<0

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

б) d>0

Рис. 1

2.2 Исследование одной системы из второго класса построенных двумерных стационарных систем

Рассмотрим систему (1.1) в предположении, что в1=в2=с2=1, а1=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

и коэффициенты определяются формулами (1.19). Тогда система (1.1) будет иметь вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2.7)

Интегральные кривые в этом случае имеют вид:

4y2–4xy+x2+dy=0, (2.8)

- x+y=0. (2.9)

Найдём состояния равновесия системы (2.7). Для этого приравняем правые части системы нулю:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Решая эту систему, получим две пары точек, которые являются точками покоя системы (2.7): О (0,0), А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

Исследуем поведение траекторий решений системы (2.7) в окрестностях состояний равновесия О (0,0), А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

. Исследуем точку О (0,0).

Составим характеристическое уравнение системы в точке О (0,0):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Характеристическими числами для точки О (0,0), будут Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Так как один корень нулевой, тогда точка О (0,0) является сложным состоянием равновесия (изолированное состояние равновесия), для которого требуется дополнительное исследование. Для определения характера состояния равновесия О (0,0) воспользуемся теоремой [5].

Теорема 2.1 Пусть точка (0,0) – изолированное состояние равновесия системы:

где φ (x, y), ψ (x, y) – полиномы от x, y начиная со второй степени, y=φ(x) – решение уравнения y+Q2(x, y)=0, а разложение функции ψ(x)=P2(x, φ(x)) имеет вид:

Тогда:

1)  при m-нечётном и ∆m>0 точка (0,0) – есть топологический узел;

2)  при m-нечётном и ∆m<0 точка (0,0) – есть топологическое седло;

3)  при m-чётном точка (0,0) есть седло-узел, то есть такое состояние равновесия, каноническая окрестность которого состоит из параболического и двух гиперболических секторов; При этом:

а) если ∆m<0, то внутри гиперболических

секторов заключён отрезок положительной

полуоси ОХ, примыкающий к точке (0,0);

б) если ∆m<0, то – отрезок отрицательной

полуоси ОХ.

Чтобы воспользоваться теоремой, необходимо систему (2.7) привести к виду:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2.10)

Это возможно сделать, воспользовавшись одним из следующих преобразований:

1. если в≠0, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

2. если в=0, а=0, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

3. если в=0, d=0, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

где а, в, с, d – коэффициенты системы (2.7).

Для системы (2.7) воспользуемся следующим преобразованием:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Получим:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Откуда:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Следовательно, можем найти:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Тогда:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Чтобы данную систему привести к системе вида (2.10), сделаем замену Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. тогда dt=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.dh и получим систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Найдём решение уравнения:

y1+Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2.11)

в виде ряда по степеням y1:

y1=φ(x1)=c1x1+c2x12+….

Подставим y1=c1x1+c2x12+… в уравнение (2.11), получим:

c1x1+c2x12+ … + (c1x1+c2x12+…)2+ x1(c1x1+c2x12+…)– x12=0.

x11: Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.с1=0,

x12: с2+Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.с1+Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.с1Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

Следовательно с1=0, с2=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., ….

Тогда y1=φ(x1)= Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.х12+….

Находим ψ(х1)=Р2(х1,φ(х1))=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.+……)=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. +……..=∆mxm.

Получили m=3-нечётное, ∆m>0.

Следовательно, по теореме 2.1 получаем, что точка О (0,0) – топологический узел.

. Исследуем точку А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

Составим характеристическое уравнение в точке А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Отсюда

Px(x, y)=3d+3x+2y,

Py(x, y)=2d+2x,

Qx(x, y)=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.d+2y,

Qy(x, y)=d+2x+2y.

Следовательно, характеристическое уравнение имеет вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0.

Характеристическими числами для точки А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) системы (2.7) будут λ1=–4d, λ2=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.d.

Корни λ1, λ2–действительные и одного знака, зависящие от параметра d. Если d<0, тогда точка А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) – неустойчивый узел; если d>0, тогда точка А(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) – устойчивый узел.

Исследуем бесконечно-удалённую часть плоскости системы (2.7) вне концов оси ОУ. Преобразование [1] Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. переводит систему (2.7) в систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2.12)

где t=zτ, dt=zdτ.

Изучим бесконечно-удалённые точки на оси U, то есть z=0. Получаем:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Следовательно, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.u1=0, u2= .

Таким образом, получили две точки N1(0,0), N2(0,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.), которые являются состояниями равновесия. Исследуем характер этих точек обычным способом.

1.  Исследуем точку N1(0,0).

Составим характеристическое уравнение в точке N1(0,0):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0,

λ1= Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., λ2=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Корни λ1,λ2–действительные и различных знаков, следовательно, точка N1(0,0) – седло.

2.  Исследуем точку N2(0,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.).

Составим характеристическое уравнение в точке N2(0,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.):

Pz= –2u-6dz-4duz,

Pu=–2z-2dz2,

Qz= d-2du-2du2,

Qu= –2u-2dz-4duz.

Характеристическое уравнение имеет вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0.

Следовательно, характеристические числа:

λ1=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., λ2=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Корни λ1,λ2–действительные, различных знаков, значит точка N2(0,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) является седлом.

Исследуем бесконечно-удалённые концы оси ОУ с помощью преобразования [1] x=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., y=Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..Это преобразование переводит (2.7) в систему:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

где t=zτ, dt=zdτ.

Для исследования состояний равновесия на концах оси ОУ, нам необходимо исследовать только точку (0,0), которая является состоянием равновесия данной системы. Составим характеристическое уравнение в точке (0,0):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.=0.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Корни λ1,λ2–действительные и различных знаков, значит точка (0,0) – седло.

Теперь дадим распределение состояний равновесия системы (2.7) в виде таблицы 2.

Таблица 2

--------------------------------------------------
d | O (0,0) |

A(Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.)

| ∞ |
---------------------------------------------------------

N0

|

N1

|

N2

|
---------------------------------------------------------
(-∞; 0) |

Топологическое

Узел

|

Неустойчивый

Узел

| Седло |

Устойчивый

Узел

| Седло |
---------------------------------------------------------
(0;∞) |

Топологическое

Узел

|

Устойчивый

Узел

| Седло |

Устойчивый

Узел

| Седло |
--------------------------------------------------------- --------------------------------------------------

Положение кривых (2.8), (2.9) и расположение относительно их состояний равновесия при d<0 и d>0 даётся соответственно рис. 2 (а, б).

Поведение траекторий системы (2.7) в целом при d<0, d>0 представлено на рис. 4 (а, б) приложения Б.

Так как Воробьёв А. П. [10] доказал, что для систем, правые части которых есть полиномы второй степени, предельный цикл может окружать только точку типа фокуса, тогда исследуя вид кривых (2.8), (2.9) и расположение относительно их состояний равновесия, убеждаемся, что система (2.7) не имеет предельных циклов.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

a) d<0

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

б) d>0

Рис. 2

Заключение

В данной дипломной работе построены два класса квадратичных двумерных стационарных систем при условии, что частными интегралами являются кривые второго и первого порядков. При этом коэффициенты кривых выражаются через произвольные параметры систем.

Проведено качественное исследование построенных классов систем при фиксированном значении одного из параметров системы. Выведены необходимые и достаточные условия существования у системы двух частных интегралов. В зависимости от условий на коэффициенты были рассмотрены два случая. Найдены состояния равновесия полученных систем, которые принадлежат интегральным кривым. Исследована бесконечно-удалённая часть плоскости систем и доказано отсутствие предельных циклов. Построена качественная картина поведения траекторий систем в круге Пуанкаре.

Список источников

1  Пуанкаре А. О кривых, определяемых дифференциальными уравнениями.-М.-Л.: ГИТТЛ, 1947. – 839 с.

2  Бендиксон И. О кривых, определяемых дифференциальными уравнениями. – УМН, 1941. – Вып. 9. – 643 с.

3  Биркгоф Дж. Д. Динамические системы. М.-Л.: Гостехиздат, 1941. – 340 с.

4  Еругин Н. П. Построение всего множества систем дифференциальных уравнений, имеющих заданную интегральную кривую. – ПММ. – 1952. – Т.16, Вып. 6. – с. 659–670.

5  Баутин Н. Н., Леонтович Е. А. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости. - М.: Наука, 1976. – 274 с.

6  Серебрякова Н. Н. Качественное исследование одной системы дифференциальных уравнений теории колебаний. – ПММ. – 1963 Т.27, Вып. 1. – 230 с.

7  Черкас Л. А. Об алгебраических решениях уравнения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где P и Q – многочлены второй степени // ДАН БССР. – 1963. – Т.7, №11. – 950 с.

8  Яблонский А. И. Алгебраические интегралы одной системы дифференциальных уравнений // Дифференц. уравнения. – 1970. – Т.6, №10. – с. 1752–1760.

9  Филипцов В. Ф. К вопросу алгебраических интегралов одной системы дифференциальных уравнений // Дифференц. уравнения. – 1973. – Т.9, №3. – 256 с.

10  Воробьев А. П. К вопросу о циклах вокруг особой точки типа "узел" // ДАН БССР. – 1960. – Т.4, №9. – 720 с.


Здесь опубликована для ознакомления часть дипломной работы "Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых второго и первого порядков". Эта работа найдена в открытых источниках Интернет. А это значит, что если попытаться её защитить, то она 100% не пройдёт проверку российских ВУЗов на плагиат и её не примет ваш руководитель дипломной работы!
Если у вас нет возможности самостоятельно написать дипломную - закажите её написание опытному автору»


Просмотров: 629

Другие дипломные работы по специальности "Математика":

Интеграл Лебега-Стилтьеса

Смотреть работу >>

Расширение кольца с помощью полутела

Смотреть работу >>

Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых третьего и первого порядков

Смотреть работу >>

Кольцо целых чисел Гаусса

Смотреть работу >>

Качественное исследование в целом двумерной квадратичной стационарной системы с двумя частными интегралами в виде кривых второго порядка

Смотреть работу >>