Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634938)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система

Асимптотические методы в нелинейной механике (110,00 руб.)

0   0
АвторыСеверин Григорий Юрьевич
ИздательствоИздательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета
Страниц18
ID230236
АннотацияВ этом пособии рассмотрены метод усреднения, метод погранфункций решения сингулярно возмущённых обыкновенных дифференциальных уравнений и метод интегральных многообразий, позволяющий в некоторых случаях понизить размерность системы до двух. Теоремы приведены без доказательств, сделан акцент на описании методов и рассмотрении простых примеров.
Кому рекомендованоРекомендуется для студентов 3-5 курсов дневной формы обучения факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета
Асимптотические методы в нелинейной механике / Г.Ю. Северин .— Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2010 .— 18 с. — 17 с. — URL: https://rucont.ru/efd/230236 (дата обращения: 01.05.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Такими особенностями являются, например, нелинейности, переменные коэффициенты, границы сложной формы и т.д. <...> Мало того, если даже точное решение задачи явно найдено, оно может оказаться бесполезным для физической интерпретации или численных расчётов. <...> В этом пособии рассмотрены метод усреднения, метод погранфункций решения сингулярно возмущённых обыкновенных дифференциальных уравнений и метод интегральных многообразий, позволяющий в некоторых случаях понизить размерность системы до двух. <...> Теоремы приведены без доказательств, сделан акцент на описании методов и рассмотрении простых примеров. <...> 2 Высшие приближения метода двух масштабов на полуоси для нелинейных систем с периодическими коэффициентами На полуоси [0, ∞) построим асимптотику решения нелинейной задачи Коши с малым параметром 𝜀 > 0 <...> Через 𝐴0 обозначим производную Фреше 𝑑𝐴(𝑥)/𝑑𝑥 в точке 𝑥 = 𝑥∗. <...> Будем считать, что весь спектр матрицы 𝐴0 принадлежит левой открытой комплексной полуплоскости. <...> Будем предполагать, что начальная задача (2) однозначно разрешима при всех 𝑡 ∈ [0, ∞). <...> Вектор 𝐻(∞) ∈ ℝ𝑚 является экспоненциальным пределом при 𝑡 −→ ∞ отображения 𝐻 : [0, +∞) → ℝ𝑚, если существуют такие положительные константы 𝑐0 и 𝜎, что при всех 𝑡 ≥ 0 справедливо ∥𝐻(𝑡) − 𝐻(∞)∥ ⩽ 𝑐0𝑒−𝜎𝑡. <...> 0 Обозначим через 𝒦𝜏 , ℐ𝜏 соответственно оператор удаления среднего 𝒦𝜏 [𝑓 ] = 𝑓 (𝑥, 𝑡, 𝜏 ) − ℳ𝜏 [𝑓 ](𝑥, 𝑡) и оператор интегрирования с последующим удалением среднего <...> + 𝜀𝑛[𝑢𝑛 + 𝑣𝑛 + 𝑤𝑛]. Здесь 𝑣𝑖(𝑡, 𝜏 ), 𝑤𝑖(𝜏 ) – неизвестные, 2𝜋-периодические по 𝜏 векторфункции со значениями в ℝ𝑚, имеющие нулевое среднее по 𝜏 на [0, 2𝜋] <...> Приравнивая слагаемые при одинаковых степенях 𝜀, мы, как это будет видно в дальнейшем, всегда (т.е. на каждом шаге построения асимптотики) будем получать уравнение, правую часть которого можно однозначно представить в виде суммы трёх слагаемых. <...> При этом первое слагаемое будет зависеть только от 𝑡 и будет приравниваться <...>
Асимптотические_методы_в_нелинейной_механике.pdf
Стр.1
1 Введение Большинство задач, с которыми сталкиваются специалисты в области прикладной математики, обнаруживают существенные особенности, которые не позволяют получать точные аналитические решения. Такими особенностями являются, например, нелинейности, переменные коэффициенты, границы сложной формы и т.д. Мало того, если даже точное решение задачи явно найдено, оно может оказаться бесполезным для физической интерпретации или численных расчётов. Для получения информации о решении уравнений исследователь вынужден прибегнуть к аппроксимациям, численным решениям или к сочетанию этих двух методов. В этом пособии рассмотрены метод усреднения, метод погранфункций решения сингулярно возмущённых обыкновенных дифференциальных уравнений и метод интегральных многообразий, позволяющий в некоторых случаях понизить размерность системы до двух. Теоремы приведены без доказательств, сделан акцент на описании методов и рассмотрении простых примеров. 2 Высшие приближения метода двух масштабов на полуоси для нелинейных систем с периодическими коэффициентами На полуоси [0,∞) построим асимптотику решения нелинейной задачи Коши с малым параметром 휀 > 0 푑푥 푑휏 = 휀퐹(휏,푥(휏)), 푥(0) = 푥0, 퐹(휏, 푥) = 퐴(푥) + отображения 퐴(푥),퐵푖(푥),퐶푖(푥) (푖 = 1, ..., 푟) 푛 + 1 раз непрерывно дифференцируемы по Фреше, нормы производных ∑ 푖=1 푟 3 (1) 퐵푖(푥) sin(푖휏) + 퐶푖(푥) cos(푖휏), 푥 ∈ 퐺 ⊂ ℝ푚,
Стр.3
푑푤푖+1/푑휏. Третье слагаемое также будет иметь по 휏 нулевое среднее на отрезке [0, 2휋], но будет зависеть от 푡 и 휏, экспоненциально стремиться к нулю при 푡 −→ ∞ равномерно по 휏 на отрезке [0, 2휋] и будет приравниваться к ∂푣푖+1/∂휏, откуда 푣푖+1(푡, 휏) будет находиться интегрированием по 휏 при фиксированном 푡. Подставляя 푥푛(푡, 휏, 휀) вместо 푥 в (1) и используя разложение Тейлора функции 퐹(휏, 푥) в малой окрестности нулевого приближения 푥 = 푢0(푡), имеем 휀 (푑푢0 푑푡 + ∂푣1 ∂휏 + 푑푤1) 푑휏 + 휀푛+1(푑푢푛 푑푡 + ∂푣푛 + ∑ 푖=1 푟 + ∑ 푖=1 푟 + 휀2(푑푢1 푑푡 + ∂푣1 ∂푡 + ∂푣푛+1 [퐵푖(푢0) + ... + 휀푛 푛!퐵(푛) 푑휏 ∂푡 + ∂푣2 ∂휏 + 푑푤푛+1) ∂휏 + 푑푤2) 푑휏 + ... + + ... = 휀퐴(푢0) + + 휀2퐴′(푢0)퐻푛 +...+ 휀푛+1 푛! 퐴(푛)(푢0)×퐻푛 ×...×퐻푛 +... + (4) 푖 (푢0)×퐻푛 ×...×퐻푛 + ...)] sin(푖휏)+ [퐶푖(푢0) + ... + 휀푛 푛!퐶(푛) 푖 (푢0)×퐻푛 ×...×퐻푛 + ...] cos(푖휏)), где 퐻푛(푡, 휏, 휀) = 휀[푢1 + 푣1 + 푤1] + ... + 휀푛[푢푛 + 푣푛 + 푤푛] = 푂(휀). Выделим в (4) слагаемые первой степени по 휀: 푑푢0 푑푡 + ∂푣1 ∂휏 + 푑푤1 ∂푣1 ∂휏 + 푑푤1 푑휏 = 푑휏 = 퐴(푢0) + ∑ 푖=1 ∑ 푖=1 푟 [퐵푖(푢0) sin(푖휏) + 퐶푖(푢0) cos(푖휏)]. Так как 푢0(푡) есть решение усредненной системы (2), то 푟 [퐵푖(푥★) sin(푖휏) + 퐶푖(푥★) cos(푖휏)]+ 6 (5)
Стр.6
+ ∑ 푖=1 푟 {[퐵푖(푢0)−퐵푖(푥★)] sin(푖휏) + [퐶푖(푢0)−퐶푖(푥★)] cos(푖휏) } . Естественно выбрать в качестве 푤1(휏) 2휋-периодическое решение уравнения 푑푤1 푑휏 = ∑ 푖=1 푟 [퐵푖(푥★) sin(푖휏) + 퐶푖(푥★) cos(푖휏)], имеющее нулевое среднее по 휏 на отрезке [0, 2휋]. Таким образом, из уравнения (5) однозначно определяются функции 푣1(푡, 휏) и 푤1(휏) 푟 푣1(푡, 휏) = ∑ 푖=1 {[퐶푖(푢0)−퐶푖(푥★)]sin(푖휏) 푟 푤1(휏) = ∑ 푖=1 푖 [퐶푖(푥★)sin(푖휏) 푖 −퐵푖(푥★)cos(푖휏) 푖 ]. Пусть предложенным выше способом мы определили все функции 푢푖(푡), 푣푖+1(푡, 휏), 푤푖+1(휏), (푖 = 0, ...,푛−1). Причём, 푢푖(푡) −→ 푢푖(∞), 푣푖+1(푡, 휏) −→ 0 при 푡 −→ ∞ и 푣푖+1(푡, 휏),푤푖+1(휏) имеют нулевые средние по 휏 на [0, 2휋]. Очевидно, на 푛-м шаге (т.е. приравнивая в (4) слагаемые при 휀푛+1) получим уравнение 푑푢푛 푑푡 + ∂푣푛+1 ∂휏 + 푑푤푛+1 푑휏 = 퐾푛(푢0(푡), ...,푢푛(푡), 휏), где 2휋-периодическая по 휏 функция 퐾푛(푢0, ...,푢푛, 휏) удовлетворяет условию Липшица по 푢0, ...,푢푛. Из последнего равенства сначала находим 푢푛(푡) как решение линейной начальной задачи, а затем 푤푛+1(휏), 푣푛+1(푡, 휏) интегрированием по 휏. 7 푖 −[퐵푖(푢0)−퐵푖(푥★)] cos(푖휏)};
Стр.7
Теорема. Найдутся такие 휀0 > 0, 퐿 > 0, что при всех 0 < 휀 < 휀0 погрешность метода ∣∣푥(푡, 휀)−푥푛(푡, 휏, 휀)∣∣ удовлетворяет оценке ∣∣푥(푡, 휀)−푥푛(푡, 휏, 휀)∣∣ < 퐿휀푛 равномерно по (푡, 휏) ∈ [0,∞)×[0, 2휋]. 2.1 Пример построения асимптотики методом усреднения Рассмотрим на полуоси [0,∞) нелинейную начальную задачу 푑푥 푑푡 = 푥−푥3 + 푥2 sin 휏, 푥0 = 0.5, 휏 = 푡 휀. Усреднённое по 휏 уравнение, очевидно, имеет вид 푑푥 푑푡 = 푥−푥3. Оно имеет три положения равновесия 푥 = −1,푥 = 0,푥 = 1. Точки 푥 = ±1 устойчивы, а 푥 = 0 неустойчива. Очевидно, полуось [0,∞) область притяжения корня 푥 = 1. Приближённое решение 푥푛(푡, 휏, 휀) этой задачи будем искать в виде функции двух независимых переменных 푡, 휏 на [0,∞)× [0,∞) 푥푛(푡, 휏, 휀) = 푢0 + 휀[푢1 + 푣1] + ... + 휀푛[푢푛 + 푣푛]. Здесь 푣푖(푡, 휏) – неизвестные, 2휋-периодические по 휏 функции с нулевым средним по 휏 на [0, 2휋]. Кроме того, 푣푖(푡, 휏) −→0 при 푡 −→∞ равномерно по 휏 ∈ [0,∞). Подставляя 푥푛(푡, 휏, 휀) вместо 푥, имеем 푑푢0 푑푡 + ∂푣1 ∂휏 +휀 (푑푢1 푑푡 + ∂푣1 ∂푡 + ∂푣2) ∂휏 +휀2(푑푢2 푑푡 + ∂푣2 ∂푡 + ∂푣3) ∂휏 +... = = 푢0+휀(푢1+푣1)+...−(푢0+휀(푢1+푣1)+...)3+sin 휏(푢0+휀(푢1+푣1)+...)2. 8
Стр.8