ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮжНыЙ ФЕДЕРАЛЬНыЙ уНИВЕРСИТЕТ» Факультет математики, механики и компьютерных наук В. Б. Левенштам ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С БОЛЬШИМИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМИ СЛАГАЕМЫМИ (Усреднение и асимптотики) Ростов-на-Дону Издательство Южного федерального университета 2008 уДК 517.928 ББК 22.161.6 Л 35 Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета Рецензенты: доктор технических наук, главный научный сотрудник Южного научного центра РАН Ильичев В. Г., доктор физико-математических наук, профессор кафедры дифференциальных и интегральных уравнений Южного федерального университета Карапетянц А. Н. <...> Дифференциальные уравнения с большими высокочастотными слагаемыми. (усреднение и асимптотики) / В. Б. Левенштам. <...> Решаются, в основном, следующие вопросы: для исходной задачи построение усредненной (предельной) задачи; обоснование метода усреднения (предельного перехода), включая для задач по всей оси изучение вопросов устойчивости и неустойчивости решений по Ляпунову; построение полных асимптотик решений и их обоснование. <...> Непосредственное применение разностных методов к дифференциальным уравнениям с быстро осциллирующими членами (частота осцилляций — большой параметр) связано с известными серьезными проблемами. <...> По этим причинам для приближенного решения уравнений с быстро осциллирующими членами асимптотические методы необходимы, и важнейшим из них является метод усреднения. <...> Метод усреднения зародился в работах по небесной механике в то время, когда методов возмущений Лагранжа и Лапласа оказалось уже недостаточно, поскольку при их использовании в приближенном решении появляются так называемые вековые члены. <...> XX в. метод усреднения переоткрыл голландский инженер Ван-дер-Поль, использовавший его на интуитивном <...> 
								
							
							
								
								
									
										Дифференциальные_уравнения_с_большими_высокочастотными_слагаемыми_(Усреднение_и_асимптотики).pdf
										
                                            
                                            		
								                        
уДК 517.928
ББК 22.161.6
Л 35
Печатается по решению редакционно-издательского
совета Южного федерального университета
Рецензенты:
доктор технических наук, главный научный сотрудник
Южного научного центра РАН Ильичев В. Г.,
доктор физико-математических наук, профессор кафедры
дифференциальных и интегральных уравнений
Южного федерального университета Карапетянц А. Н.
Монография подготовлена и издана в рамках национального проекта «Образование»
по «Программе развития федерального государственного образовательного
учреждения высшего профессионального образования
«Южный федеральный университет на 2007–2010 гг.»
Л 35
Левенштам В. Б.
Дифференциальные уравнения с большими высокочастотными
слагаемыми. (усреднение и асимптотики) / В. Б. Левенштам. –
Ростов н/Д: Изд-во ЮФу, 2008. – 368 с.
ISBN 978-5-9275-0414-5
Монография посвящена развитию теории метода усреднения Крылова–
Боголюбова для дифференциальных уравнений с высокочастотными слагаемыми,
среди которых имеются пропорциональные положительным степеням
частоты. Интерес к уравнениям с такой спецификой обусловлен прежде
всего тем, что к ним относятся математические модели ряда физических
явлений, в которых исследователями обнаружены важные высокочастотные
эффекты. Здесь рассматриваются системы обыкновенных дифференциальных
уравнений и уравнений в частных производных первого порядка. Решаются,
в основном, следующие вопросы: для исходной задачи построение
усредненной (предельной) задачи; обоснование метода усреднения (предельного
перехода), включая для задач по всей оси изучение вопросов устойчивости
и неустойчивости решений по Ляпунову; построение полных асимптотик
решений и их обоснование.
Предназначена для студентов, аспирантов, преподавателей и научных
работников, интересующихся асимптотическими методами в теории дифференциальных
уравнений и их обоснованием.
ISBN 978-5-9275-0414-5
© Левенштам В. Б., 2008
© Южный федеральный университет, 2008
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2008
УДК 517.928
ББК 22.161.6
								                        
									                        Стр.2
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
363 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 
Глава I. Некоторые известные вспомогательные результаты . . . . . . . . 15 
§ 1. Элементы функционального анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 
§ 2. Элементы теории обыкновенных 
дифференциальных уравнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 
Некоторые известные вспомогательные
результаты ..................................................................15 
§ 1. Элементы функционального анализа ....................... 15 
§ 2. Элементы теории обыкновенных дифференциальных
уравнений .................................................................. 33 
Глава II. Дифференциальные уравнения первого порядка. Задача Коши 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 
§ 1. Обоснование метода усреднения для системы 
с быстрыми переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 
§ 2. Полная асимптотика решения системы 
с быстрыми переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 
§ 3. Обоснование метода усреднения для системы 
с быстрыми и медленными переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 
§ 4. Полная асимптотика решения системы 
с быстрыми и медленными переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 
Примечания к главе II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 
Дифференциальные уравнения первого порядка.
Задача Коши ............................................................... 78 
Глава III. Дифференциальные уравнения первого порядка. Задачи о 
периодических и почти периодических решениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 
§ 1. Обоснование метода усреднения для системы 
с быстрыми переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 
§ 2. Полная асимптотика решения системы 
с быстрыми переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 
§ 3. Применение теоремы Л. В. Канторовича для 
обоснования асимптотик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 
§ 4. Обоснование метода усреднения для системы 
с быстрыми и медленными переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 
§ 5. Полная асимптотика решения системы 
с быстрыми и медленными переменными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 
Примечания к главе III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 
Примечания к главе II ................................................127 
§ 1. Обоснование метода усреднения для системы
с быстрыми переменными ............................................ 78 
§ 2. Полная асимптотика решения системы
с быстрыми переменными ............................................ 97 
§ 3. Обоснование метода усреднения для системы
с быстрыми и медленными переменными .....................111 
§ 4. Полная асимптотика решения системы
с быстрыми и медленными переменными .....................118 
Глава IV. Дифференциальные уравнения второго порядка . . . . . . . . 193 
§ 1. Задача Коши . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 
Введение ..............................................................................3 
Глава I
Глава II 
								                        
									                        Стр.363
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
364 
Глава III 
§ 2. Задача о периодических решениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 
Примечания к главе IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 
Дифференциальные уравнения первого порядка.
Задачи о периодических и почти
периодических решениях ............................................129 
§ 1. Обоснование метода усреднения
для системы с быстрыми переменными ........................129 
§ 2. Полная асимптотика решения
системы с быстрыми переменными ..............................150 
300 
308 
§ 3. Применение теоремы Л. В. Канторовича
для обоснования асимптотик .......................................158 
Глава V. Дифференциальные уравнения произвольного порядка . . 231 
§ 1. Задача Коши. Нелинейные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 
§ 2. Задача Коши. Линейные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249 
§ 3. Задача о периодических решениях. Главный член асимптотики 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 
§ 4. Полная обоснованная асимптотика периодического решения 
281 
Примечания к главе V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299 
Глава VI. Некоторые условия повышения первого перестроечного показателя 
Юдовича . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 
§ 1. Нелинейные дифференциальные уравнения первого порядка 
§ 2. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка 
§ 4. Обоснование метода усреднения для системы
с быстрыми и медленными переменными .....................169 
§ 5. Полная асимптотика решения системы
с быстрыми и медленными переменными .....................182 
Примечания к главе VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 
Глава VII. Уравнения в частных производных первого порядка . . .328 
§ 1. Вспомогательный результат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 
§ 2. Обоснование метода усреднения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 
§ 3. Полная асимптотика решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342 
Примечания к главе VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 
Глава IV 
Дифференциальные уравнения второго порядка ........... 193 
§ 1. Задача Коши ...................................................... 193 
§ 2. Задача о периодических решениях ....................... 199 
Примечания к главе IV .............................................. 230 
Примечания к главе III ...............................................191 
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 
								                        
									                        Стр.364
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
365 
Оглавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 
Дифференциальные уравнения произвольного порядка . 231
§ 1. Задача Êîøè. Нелинейные уравнения .................... 231 
§ 2. Задача Êîøè. Линейные уравнения ....................... 249 
§ 3. Задача о периодических решениях.
Главный член асимптотики ......................................... 267 
§ 4. Полная обоснованная асимптотика
периодического решения ............................................. 281 
Примечания к главе V ................................................ 299 
Глава VI 
Некоторые условия повышения
первого перестроечного показателя Юдовича ................300 
§ 1. Нелинейные дифференциальные
уравнения первого порядка .........................................300 
§ 2. Линейные дифференциальные
уравнения первого порядка .........................................308 
Примечания к главе VI ...............................................327 
Глава VII 
Уравнения в частных производных
первого порядка .........................................................328 
Глава V
								                        
									                        Стр.365
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
366 
Оглавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 
§ 1. Вспомогательный результат ................................. 328 
§ 2. Обоснование метода усреднения ............................ 335 
§ 3. Полная асимптотика решения .............................. 342 
Примечания к главе VII ............................................. 355 
Литература ......................................................................357 
								                        
									                        Стр.366