理论教育 二阶线性系统反射函数的理论与应用

二阶线性系统反射函数的理论与应用

时间:2023-11-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:这节我们将讨论二阶时变线性微分系统的反射矩阵的结构形式以及具有这些特征的反射矩阵的充要条件及其周期解的性态.考虑线性微分系统为连续矩阵函数.假设b(t)≠0,c(t)≠0.当它们中有一个恒等于零时,该线性系统可解出其通解,从而其反射矩阵就很容易求出.设为系统(3.5.1)的反射函数.这里假设f2(t)≠0,当f2(t)≡0时,前面已经讨论过.在本节中记,,,,,等等.引理3.5.1 矩阵(3.5.

二阶线性系统反射函数的理论与应用

这节我们将讨论二阶时变线性微分系统的反射矩阵的结构形式以及具有这些特征的反射矩阵的充要条件及其周期解的性态.

考虑线性微分系统

978-7-111-47659-7-Chapter03-232.jpg为连续矩阵函数.假设bt)≠0,ct)≠0.当它们中有一个恒等于零时,该线性系统可解出其通解,从而其反射矩阵就很容易求出.

为系统(3.5.1)的反射函数.这里假设f2t)≠0,当f2t)≡0时,前面已经讨论过.在本节中记978-7-111-47659-7-Chapter03-234.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-235.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-236.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-237.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-238.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-239.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-240.jpg等等.

引理3.5.1 矩阵(3.5.2)为系统(3.5.1)的反射矩阵的充要条件为

Ft)=eαtGt),其中

978-7-111-47659-7-Chapter03-242.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-243.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-244.jpgGt)为线性微分系统

的反射矩阵.

这里

Ft)为系统(3.5.1)的反射矩阵,当且仅当

由反射矩阵的性质得

由于式(3.5.5)等价于

由式(3.5.6)可得

f1f4-f2f3=e2α. (3.5.6)

由式(3.5.7)可得

应用上面等式不难计算得

g2=f2e-α,则978-7-111-47659-7-Chapter03-252.jpg.将此代入式(3.5.7)可得

由于f2≠0,则g2≠0.g1=f1e-α,则

再将所得结果代入式(3.5.7)可得f978-7-111-47659-7-Chapter03-255.jpgg3=f3e-α,从而g3+g3=0,f3=g3eα.因此

将此代入式(3.5.5)可得

Gt)是系统(3.5.4)的反射矩阵.

注3.5.1 由式(3.5.8)可推得,Gt)为系统(3.5.4)的反射函数,当且仅当

其中978-7-111-47659-7-Chapter03-259.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-260.jpg

注3.5.2 由式(3.5.9)知,若ae=co=bo=0,则978-7-111-47659-7-Chapter03-261.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵,当且仅当

注3.5.3 由式(3.5.9)可知,若

978-7-111-47659-7-Chapter03-264.jpg是系统(3.5.4)的反射矩阵,其中978-7-111-47659-7-Chapter03-265.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-266.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-267.jpg

引理3.5.2 假设矩阵978-7-111-47659-7-Chapter03-268.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵,并且系统(3.5.4)是2ω-周期系统,则

(1)若g1e(-ω)≠1,则系统(3.5.4)存在唯一的2ω-周期解,且当g1e(-ω)<1时该周期解稳定;当g1e(-ω)>1时不稳定;

(2)若g1e(-ω)=1时,则系统(3.5.4)存在无穷个2ω-周期解;

(3)若G(-ω)=E时,则系统(3.5.4)所有在[-ωω]上有意义的解皆为2ω-周期解;

由假设可知,2ω-周期系统(3.5.4)的Poincaré映射Txy)=G(-ωx,则系统(3.5.4)的解x=φt;-ωxo)为2ω-周期解,当且仅当,

G(-ω)-Exo=0.

又det(G(-ω)-E)=2(1-g1e(-ω)),由此可推得上述周期解的个数.至于这些周期解的稳定性的判定,由于det(G(-ω)-μE)=0的特征根就是周期系统(3.5.4)的特征乘子,由参考文献[28]即可推出引理的结论.

定理3.5.1 假设存在一个连续可微的奇函数β,满足下列条件:

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-269.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-270.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-271.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-272.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-273.jpg

(3)978-7-111-47659-7-Chapter03-274.jpg;则978-7-111-47659-7-Chapter03-275.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

除此以外,若系统(3.5.4)为2ω-周期系统,则引理3.5.2的结论成立.

为了证明上述结论,只要验证978-7-111-47659-7-Chapter03-277.jpg满足关系式(3.5.8).ρ1ρ2,ρ3的定义可得

由此推出

应用

可得

由定理的条件(3)可推得 g3=P3.

又由于

ζ3g3=ζ1g1g2ρ2+ρ1g1+ρ3g3=0,

从而

综上得式(3.5.8)成立,从而定理得证.

β=0时,由定理3.5.3推出.

推论3.5.1 假设:

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-284.jpg是连续可微的,978-7-111-47659-7-Chapter03-285.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-286.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-287.jpg

978-7-111-47659-7-Chapter03-289.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

除此以外,若微分系统(3.5.4)是2ω-周期系统,则当978-7-111-47659-7-Chapter03-291.jpg时,系统(3.5.4)存在唯一的2ω-周期解;并且该解当978-7-111-47659-7-Chapter03-292.jpg时稳定,当978-7-111-47659-7-Chapter03-293.jpg时不稳定;当978-7-111-47659-7-Chapter03-294.jpg,系统(3.5.4)存在无穷个2ω周期解;当G(-ω)=E时,系统(3.5.4)所有的解皆为2ω-周期解.同理我们可得:

定理3.5.2 假设存在一个连续可微的奇函数β,满足下列条件:

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-295.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-296.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-297.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-298.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-299.jpg;(www.daowen.com)

978-7-111-47659-7-Chapter03-301.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

又当系统(3.5.4)为2ω-周期系统时,相应于引理3.5.2的结论成立.

在定理3.5.2中取β=0时,可得下面结论.

推论3.5.2 假设:

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-303.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-304.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-305.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-306.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-307.jpg

978-7-111-47659-7-Chapter03-309.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

除此以外,若微分系统(3.5.4)是2ω-周期系统,则当978-7-111-47659-7-Chapter03-311.jpg时,系统(3.5.4)存在唯一的2ω-周期解;并且该解当978-7-111-47659-7-Chapter03-312.jpg时稳定,当978-7-111-47659-7-Chapter03-313.jpg时不稳定;当978-7-111-47659-7-Chapter03-314.jpg,系统(3.5.4)存在无穷个2ω周期解;当G(-ω)=E时,系统(3.5.4)所有的解皆为2ω-周期解.

例3.5.1 微分系统

具有反射矩阵

不难验证对于系统(3.5.10)推论3.5.1的条件都满足,这里

经过简单计算可得:

由于G(-π)=E,则由推论3.5.1得,微分系统(3.5.10)的所有解皆为2π-周期解.

例3.5.2 微分系统

具有反射矩阵

其中S∶=sintT∶=cost.容易验证定理3.5.2的条件满足.其中

通过简单计算可得

由于G(-π)=E,由定理3.5.2推知,微分系统(3.5.11)定义在[-π,π]上的有意义的解皆为2π-周期解.

定理3.5.3 假设存在一个连续可微的偶函数kt),满足以下条件:

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-324.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-325.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-326.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-327.jpg

978-7-111-47659-7-Chapter03-329.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

并且当系统(3.5.4)为2ω-周期系统时,相应于引理3.5.2的结论成立.

要想证明这个定理,只需验证矩阵978-7-111-47659-7-Chapter03-331.jpg满足关系式(3.5.8).由定理条件可得

g1=h5g1=P1.

又由条件(3)得

由于

则有

从而有978-7-111-47659-7-Chapter03-336.jpg,即g2=P2.

再由978-7-111-47659-7-Chapter03-337.jpg,得P3=k′g2+kP2.从而有

g3-P3=kg2-P2)=0.

综上可得,矩阵Gt)满足式(3.5.8),即Gt)为系统(3.5.4)的反射矩阵,再由引理3.5.2定理得证.

在上述定理中,取可得下面推论.

推论3.5.3 假设

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-338.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-339.jpg连续可微,且978-7-111-47659-7-Chapter03-340.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-341.jpg连续可微,且978-7-111-47659-7-Chapter03-342.jpg

978-7-111-47659-7-Chapter03-344.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

除此以外,若微分系统(3.5.4)是2ω-周期系统,则当978-7-111-47659-7-Chapter03-346.jpg时,系统(3.5.4)存在唯一的2ω-周期解;并且该解当978-7-111-47659-7-Chapter03-347.jpg时稳定,当978-7-111-47659-7-Chapter03-348.jpg时不稳定;当978-7-111-47659-7-Chapter03-349.jpg,系统(3.5.4)存在无穷个2ω周期解;当G(-ω)=E时,系统(3.5.4)所有的解皆为2ω-周期解.

为了证明这个推论的结论,只需验证Gt)满足式(3.5.9).由于978-7-111-47659-7-Chapter03-350.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-351.jpg,则g′1e=h6g1e.又由g1og2b6的表达式可得

Q1=-2aeg1o-g2ce-beg3=h6g1e

g′1e=Q1.又由于978-7-111-47659-7-Chapter03-352.jpg,则

应用条件(3)可推得

又由ω2g1e+wog1o=0可得

因此

978-7-111-47659-7-Chapter03-357.jpg得,Q2=-Q3,以及g3-Q3=-(g2-Q2)=0.综上得Gt)满足(3.5.9),从而推论的结论成立.同理可得:

定理3.5.4 假设存在一个连续可微的偶函数kt),满足以下条件:

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-358.jpg,是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-359.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-360.jpg是连续可微的,且978-7-111-47659-7-Chapter03-361.jpg

978-7-111-47659-7-Chapter03-363.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

并且当系统(3.5.4)为2ω-周期系统时,相应于引理3.5.2的结论成立.

在定理3.5.4中取k=1可得下面结论:

推论3.5.4 假设

(1)978-7-111-47659-7-Chapter03-365.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-366.jpg连续可微,且978-7-111-47659-7-Chapter03-367.jpg

(2)978-7-111-47659-7-Chapter03-368.jpg连续可微,且978-7-111-47659-7-Chapter03-369.jpg

978-7-111-47659-7-Chapter03-371.jpg为系统(3.5.4)的反射矩阵.其中

除此以外,若微分系统(3.5.4)是2ω-周期系统,则当978-7-111-47659-7-Chapter03-374.jpg时,系统(3.5.4)存在唯一的2ω-周期解;并且该解当978-7-111-47659-7-Chapter03-375.jpg时稳定,当978-7-111-47659-7-Chapter03-376.jpg时不稳定;当978-7-111-47659-7-Chapter03-377.jpg,系统(3.5.4)存在无穷个2ω-周期解;当G(-ω)=E时,系统(3.5.4)所有的解皆为2ω-周期解.

注3.5.4 若上述定理或推论之一的条件成立,则Ftx)=eαtGtx为系统(3.5.1)的反射矩阵.并且当系统(3.5.1)为2ω-周期系统时,当978-7-111-47659-7-Chapter03-378.jpg978-7-111-47659-7-Chapter03-379.jpg时,系统(3.5.1)存在唯一的2ω-周期解,当g1eω)e-αω<1时稳定,当g1eω)e-αω>1时不稳定.如果978-7-111-47659-7-Chapter03-380.jpg时,此时系统(3.5.1)有无穷个2ω-周期解.F(-ω)=e-αωG(-ω)=E时,系统(3.5.1)在[-ωω]上有意义的解皆为2ω-周期解.

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