Luận văn thạc sĩ khoa học: Sử dụng phương pháp LYAPUNOV để nghiên cứu tính chất nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính bị nhiễu

Möc löc Mð ¦u 3 1 Sû döng c¡c ph÷ìng ph¡p Lyapunov º nghi¶n cùu t½nh ên ành nghi»m cõa c¡c h» ph÷ìng tr¼nh vi ph¥n. 5 1.1 Kh¡i ni»m v· t½nh ên ành nghi»m cõa c¡c h» ph÷ìng tr¼nh vi ph¥n 6 1.1.1 Sü tçn t¤i duy nh§t nghi»m cõa ph÷ìng tr¼nh vi ph¥n tuy¸n t½nh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 H» rót gån . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.3 C¡c kh¡i ni»m v· ên ành . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 ành ngh¾a v  c¡c t½nh ch§t ch½nh cõa sè mô °c tr÷ng Lyapunov 12 1.3 Sè mô °c tr÷ng cõa h m ma trªn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 Phê Lyapunov v  ph²p bi¸n êi Lyapunov èi vîi h» ph÷ìng tr¼nh vi ph¥n tuy¸n t½nh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1 Phê cõa h» tuy¸n t½nh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.2 B§t ¯ng thùc Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.3 Ph²p bi¸n êi Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4.4 Mët sè v½ dö v· ph÷ìng ph¡p sè mô . . . . . . . . . . . . . 24 1.5 Ph÷ìng ph¡p h m Lyapunov trong Rn . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.1 C¡c h m x¡c ành d§u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.2 ành lþ thù nh§t cõa Lyapunov v· sü ên ành . . . . . . . 28 1.5.3 ành lþ thù hai cõa Lyapunov v· sü ên ành ti»m cªn . . . 30 1.5.4 ành lþ thù ba cõa Lyapunov v· sü khæng ên ành . . . . . 32 1.6 C¡c v½ dö v· ph÷ìng ph¡p h m Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . 33 2 Sû döng ph÷ìng ph¡p sè °c tr÷ng Lyapunov Badanov º nghi¶n cùu t½nh ên ành cõa c¡c h» ëng lüc 36 2.1 ành ngh¾a h» ëng lüc tr¶n thang thíi gian ·u v  mët v i kh¡i ni»m mð ¦u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.1 ành ngh¾a h» ëng lüc tr¶n thang thíi gian ·u . . . . . . 37 2.1.2 ành ngh¾a tªp b§t bi¸n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.3 Tªp giîi h¤n cõa h» ëng lüc . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.4 Chuyºn ëng ên ành theo Lagrange . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.5 iºm ùng y¶n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2 Kh¡i ni»m sè °c tr÷ng têng qu¡t Lyapunov Badanov. . . . . . 41 2.2.1 Mët sè kh¡i ni»m cì b£n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.2 T½nh ên ành cõa tªp V cõa h» ëng lüc f(p; t) . . . . . . . 44 2.2.3 C¡c v½ dö minh håa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

o0o

-HÀ THỊ LY

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LYAPUNOV ĐỂ NGHIÊN CỨU

TÍNH CHẤT NGHIỆM CỦA PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN TUYẾN TÍNH BỊ NHIỄU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

o0o

-HÀ THỊ LY

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LYAPUNOV ĐỂ NGHIÊN CỨU

TÍNH CHẤT NGHIỆM CỦA PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN TUYẾN TÍNH BỊ NHIỄU

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 - 2015

Mục lục

1 Sử dụng các phương pháp Lyapunov để nghiên cứu tính ổn định

1.1 Khái niệm về tính ổn định nghiệm của các hệ phương trình vi phân 6 1.1.1 Sự tồn tại duy nhất nghiệm của phương trình vi phân

tuyến tính 6

1.1.2 Hệ rút gọn 9

1.1.3 Các khái niệm về ổn định 10

1.2 Định nghĩa và các tính chất chính của số mũ đặc trưng Lyapunov 12 1.3 Số mũ đặc trưng của hàm ma trận 17

1.4 Phổ Lyapunov và phép biến đổi Lyapunov đối với hệ phương trình vi phân tuyến tính 20

1.4.1 Phổ của hệ tuyến tính 20

1.4.2 Bất đẳng thức Lyapunov 22

1.4.3 Phép biến đổi Lyapunov 23

1.4.4 Một số ví dụ về phương pháp số mũ 24

1.5 Phương pháp hàm Lyapunov trong Rn 27

1.5.1 Các hàm xác định dấu 27

1.5.2 Định lý thứ nhất của Lyapunov về sự ổn định 28

1.5.3 Định lý thứ hai của Lyapunov về sự ổn định tiệm cận 30

1.5.4 Định lý thứ ba của Lyapunov về sự không ổn định 32

1.6 Các ví dụ về phương pháp hàm Lyapunov 33

2 Sử dụng phương pháp số đặc trưng Lyapunov- Badanov để nghiên cứu tính ổn định của các hệ động lực 36 2.1 Định nghĩa hệ động lực trên thang thời gian đều và một vài khái niệm mở đầu 37

2.1.1 Định nghĩa hệ động lực trên thang thời gian đều 37

2.1.2 Định nghĩa tập bất biến 37

2.1.3 Tập ω−giới hạn của hệ động lực 38

2.1.4 Chuyển động ổn định theo Lagrange 40

2.1.5 Điểm đứng yên 40

2.2 Khái niệm số đặc trưng tổng quát Lyapunov - Badanov 41

2.2.1 Một số khái niệm cơ bản 41

2.2.2 Tính ổn định của tập V của hệ động lực f (p, t) 44

2.2.3 Các ví dụ minh họa 51

Mở đầu

Trong các mô hình ứng dụng của lý thuyết phương trình vi phân, chúng tathường gặp các bài toán liên quan đến các hệ phương trình vi phân phi tuyếnhoặc một tập nghiệm nào đó của các phương trình vi phân Trong các trườnghợp này nếu sử dụng các phương pháp thông thường để nghiên cứu hệ động lựctuyến tính hoặc hệ phương trình vi phân tuyến tính có thể sẽ gặp nhiều khókhăn, phức tạp Từ lâu, người ta đã xây dựng được nhiều phương pháp khácnhau để vượt qua các khó khăn trên ( xem [4], [8], [1])

Mục đích của bản luận văn này là trình bày lại một số kết quả liên quan tớiviệc phát triển và cải tiến các phương pháp quen thuộc đã biết trong lý thuyếtđịnh tính của phương trình vi phân ( chẳng hạn phương pháp số mũ Lyapunovhay phương pháp tập bất biến của hệ động lực ) và sử dụng chúng cho việcnghiên cứu tính ổn định của chuyển động theo Lyapunov hoặc theo Lagrange.Nội dung của luận văn có thể chia làm hai phần chính

- Phần thứ nhất trình bày lại các kết quả cơ bản về phương pháp số mũLyapunov và phương pháp hàm Lyapunov

- Phần thứ hai của bản luận văn dành cho việc trình bày lý thuyết số mũ đặctrưng tổng quát Lyapunov - Badanov và tính ổn định của hệ động lực tổng quáttrong không gian mêtric

Bố cục luận văn gồm hai chương:

Chương 1: Sử dụng các phương pháp Lyapunov để nghiên cứu tính ổn địnhnghiệm của các hệ phương trình vi phân

Chương 2: Sử dụng phương pháp số đặc trưng Lyapunov - Badanov để nghiêncứu tính ổn định của các hệ động lực

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 tôitrong 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 điềutốt đẹp mang lại cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trường Tôi xin cảm ơnphòng Sau đại học về những điều kiện thuận lợi trong việc hoàn thành thủ tụchọc tập và bảo vệ luận văn.

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn gia đình, người thân đã là chỗ dựavững chắc cho tôi trong cuộc sống và học tập

Mặc dù đã có nhiều sự cố gắng nhưng bản luận văn khó tránh khỏi nhữngthiếu sót Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để bảnluận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Hà Thị Ly

hệ phương trình vi phân ta có thể sử dụng các phương pháp của nhà toán họcNga A.M Lyapunov Phương pháp này được Lyapunov xây dựng từ năm 1918(xem [2] ) và ngày nay đã được phát triển thành một lý thuyết khá hoàn thiện

và có khả năng áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học

tự nhiên

Trong chương 1 của bản luận văn này, chúng tôi sẽ dành cho việc trình bàylại một số kết quả cơ bản nhất của các phương pháp nghiên cứu tính ổn địnhchuyển động của Lyapunov Đó là phương pháp số mũ Lyapunov (xem [4] ) vàhương pháp hàm Lyapunov (xem [4], [8] ) Dựa vào các phương pháp cơ bảnnày người ta có thể mở rộng và phát triển thành các phương pháp mới để ápdụng cho một số dạng của hệ động lực quen thuộc (xem [10] ) Một trong các

mở rộng thú vị của các phương pháp Lyapunov mà chúng tôi sẽ đề cập tới trongbản luận văn này là phương pháp số đặc trưng tổng quát Lyapunov- Badanov(xem [6], [11] ) Phương pháp này sẽ được giới thiệu trong chương 2

Một trong những vấn đề thường được thảo luận sâu sắc trong các công trìnhnghiên cứu gần đây là "bình luận " về tính ưu việt hoặc các hạn chế còn để lạitrong các phương pháp nghiên cứu tính ổn định Trong khuôn khổ của một bảnluận văn thạc sĩ chúng tôi xin phép trình bày một cách chi tiết

Chính vì vậy trong các kết quả được nêu ở trong chương 1 chủ yếu là các điều

kiện đủ Chúng tôi sẽ dành sự quan tâm nhiều hơn cho việc xây dựng các ví dụvới mục tiêu là ứng dụng các phương pháp đã được trình bày trong chương nàycho bài toán nhiễu.

Trước khi đi vào các phương pháp, chúng tôi đưa ra một số khái niệm về tính

ổn định nghiệm của các hệ phương trình vi phân

trình vi phân

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 viphân

dx(t)

dt = f (t, x(t)), (1.1)trong đó t ∈R+, x(.) ∈B và hàm f :R+×D →B với D là miền đơn liên trong

không gian Banach B Từ nay về sau nếu không nói gì thêm ta sẽ hiểu nghiệmcủa (1.1) là nghiệm theo nghĩa cổ điển như sau:

Định nghĩa 1.1 Hàm x = x(t), (x : I →B; I ⊂R+ xác định trên I, khả vi liêntục theo t ∈ I được gọi là nghiệm của (1.1) nếu khi thay vào (1.1) ta thu đượcmột đồng nhất thức trên I Tức là

Định lý 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 hàmf (t, x)

liên tục theo t, ||f (t, x0)|| ≤ M0< +∞ và thỏa mãn điều kiện Lipschitz:

1
và ký hiệuCδ(B)là không gian Banach các hàm liên tục x(t)

xác định trên |t − t0| ≤ δ với chuẩn

Suy ra 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:

Mặt khác ta lại có:

|| S2x2
(t) − S2x1
(t) || ≤ M

tZ

t 0

|| (Sx2) (τ ) − (Sx1) (τ ) ||dτ

≤ M2|||x2− x1|||

tZ

Do [δM ]n!n → 0 khi n → +∞ nên với n đủ lớn thì Sn là toán tử co trong Bη Do

đó, sử dụng định lý ánh xạ co ( xem ) ta có thể suy ra rằng phương trình tíchphân

Định lý 1.2 (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

rR

r 0

dr L(r) → ∞ khi r → ∞ khi đómọi nghiệm của phương trình 1.2) có thể kéo dài trên khoảng thời gian vô hạn

||x(t 2 )|| − ||x(t 1 )||

t2− t1

⇒ ||dx

dt || ≥

d||x||

dt

... nghĩa Lyapunov

Trên số khái niệm tính ổn định nghiệm hệ phương trình

vi phân Mục chúng tơi trình bày phương pháp để xét tính ổn địnhnghiệm phương trình vi phân Trước tiên phương pháp. .. định

Để nghiên cứu tính ổn định phương trình vi phân thường ápdụng phương pháp Lyapunov Đó phương pháp số mũ Lyapunov hoặcphương pháp hàm Lyapunov

Xét phương trình (1.5)...

sự nghiên cứu tính ổn định nghiệm< small>η = η (t) đưa nghiên cứu tính ổnđịnh nghiệm tầm thường x ≡ 0

1.1.3 Các khái niệm ổn định

Để nghiên cứu