ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.10.2024
Просмотров: 44
Скачиваний: 0
Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР
Тульский политехнический институт
ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА
Т П И
Тула - 1974
Сборник состоит из двух частей. Первая часть сборника посвящена изучению моделей и объектов, возникающих в теории управления сложными системами, производственными процессами и в ряде смежных направлений.
Работы второй части сборника связаны с задачами акусти ки, газодинамики и теории интегральных преобразований.
В сборнике нашли отражение некоторые из направлений, развиваемых кафедрой прикладной математики Тульского поли технического института в сотрудничестве с организациями Тулы, Ленинграда и других городов. >
Сборник рассчитан на специалистов в области управления, математической физики,' прикладной математики и специалистов смежных наук.
V
*
Научный редактор докт.физ.-мат.нау^,профессор П.И.Цой.
Редакционная коллегия: Е.Т.Раненков,В.М .Чернов,й.С.Султанов.
Ответственный за выпуск А.Я.Федоров,
© Тульский политехнический институт, 1974.
- 3 -
Ч а с т ь I
КИБЕРНЕТИКА
E.T.PASEHKOB
ИНВАРИАНТНЫЕ. МНОЖЕСТВА И УСТОЙЧИВОСТЬ СИММЕТРИЧНЫХ СИСТЕМ В БАНАХОВЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
Симметричные динамические системы находят значительное применение во многих областях техники (в регулировании, при создании мощных технологических систем, в энергетике я т . д . ) . Известно, что свойства симметрии системы позволяют во многих случаях упростить анализ, однако существующие в ‘настоящее время методы исследования симметричных динамических, систем ■базируются на теории линейных представлений групп и в разра ботанной форме применимы лишь к'линейным системам* [ l] .
В данной статье предлагается подход к исследованию симметрич ных систем, отличный от изложенного в работе [ ij и основан ный на теории инвариантов. Этот подход применим к самому ши рокому классу динамических систем и позволяет в ряде случаев существенно упростить задачу исследования симметричной нели нейной системы, обладающей свойством инвариантности относи
тельно группы перестановок |
. |
|
|
|
|
|
|
||||
Пусть |
В п = Х^х ... *Хп - |
произведение п |
банаховых |
прост |
|||||||
ранств; X / |
= Х [ ( а .. , |
х Х {т - |
произведение некоторых т |
ба |
|||||||
наховых пространств |
|
|
|
|
( i - i X , . , . , n ) |
. |
Про |
||||
странства X[j- |
и X t 'j' , имеющие одинаковые вторые |
индексы, |
|||||||||
предполагаются идентичными. Рассмотрим на/?я |
динамическую си |
||||||||||
стему типа |
п *т |
' |
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,хг, ..., х л - п |
(/= i,2 , |
|
(I) |
||||
инвариантную относительно” группы |
перестановок *?п векторов |
||||||||||
хи , . . , л л . |
здесь х,-е< ?Л ; h~T; |
Г -^о»00)* |
|
|
|
||||||
h -Яп*Т-~Вл - векторный нелинейный |
оператор; |
|
|
|
|||||||
Qn - |
множество, плотное |
в |
Зл |
» Аналитические |
свой |
||||||
|
|
ства |
операторов/у |
будут |
заданы нике. |
|
Не затрагиваем здесь симметрию в квантовой механике, посколь ку квантовая механика представляет собой самостоятельный предмет.
- 4
Предполагается, что система (I) имеет единственное ре шение во всей области допустимых начальных значений.
Из условия инвариантности системы ( I) относительно группы^,, вытекает:
1 . Оператор / j является симметрической функцией перемен ных хг , х 5 , . . . , х п :
f i (xv h /.(x1, . . . , x a ) ; t h f i (.x1,xl ,...,xn ;t),(Z)
где h r - |
произвольный |
элемент |
группы перестановок-^1] |
(см.ни |
|||||||||||
|
|
к е ), |
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 . Операторы / 1 ,£ г ,...,£п |
связаны соотношением |
|
|
|||||||||||
/ i f e - l |
^x it |
|
>*п); 0 = |
/у (*Т |
|
>хп у 0 (■*'!,2 ,..,,я ), (3) |
|||||||||
где |
С0 ,С±, ... ,C n i 1 |
- |
элементы группы циклических подстано |
||||||||||||
вок |
С(п), |
причем С0=£ |
- |
единичный |
элемент, |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
2 |
. . . |
П |
- |
I |
л \ |
|
|
|
||
|
|
|
|
2 |
3 |
. . . |
|
п |
|
I / |
|
|
|
||
|
Из теории инвариантов известно, что с симметрической |
|
|||||||||||||
группой |
, |
определенной |
на перестановках переменных |
|
|
||||||||||
Лу,жг , . . . , ^ |
, |
может |
быть |
связан |
полиномиальный базис |
|
|
||||||||
бу ( х 1‘, х г , . .. |
, х^)(/-1,1,-4). |
йнвариантыбу являются однород |
|||||||||||||
ными формами степени у |
. |
Прия г =1 |
инварианты б / |
более из |
|||||||||||
вестны как элементарные симметрические многочлены |
б , |
= ЛУ + . . . . |
|||||||||||||
+Лу, |
^=-V 1Jr2. + .... +X^vXt |
|
, |
... * |
б { =Х1Х1, ..^х( . |
|
|
||||||||
|
Пусть |
|
( |
/ |
= |
|
- |
|
|
группа перестановок |
перемен |
||||
ных |
x i r . X j - |
i , лу+(, |
. . . , |
хл |
|
. |
Полиномиальные |
базисы |
этих |
||||||
групп обозначим |
б ‘f ( £ |
= 1 , 2 , . . . , л ; |
у = 1 ,2 , ; .. , л - 1 |
) . |
Если |
||||||||||
операторы /у |
являются |
полиномами |
(целыми функциями) переменных |
||||||||||||
дг4, . . . , Х /_1 , |
х у +1, . . , , л я |
, |
ю , |
применяя к выражению |
(2) |
основ |
ную теорему теорий симметрических функций и учитывая соотноше
ние |
(3 ), |
записываем систему (I) в форме |
|
|
||
|
|
лу = $ ( * у ; б (1/ , , . . . , б £ |
;1 ; 0 |
|
(4) |
|
где |
ip |
- так |
называемый базовый |
оператор. |
Очевидна |
справедли |
вость тождеств |
f j ( x i , x l , . . , , x n ; t ) * y { x ; ; 6 ? \ . . . , G ( 4 ; t ) |
|||||
( / - 1 . 2 ... , Я ). |
. |
|
. |
|Л_1 |
Если же операторы/у не являются целыми функциями назван ных переменных, то будем рассматривать лишь такие динамические
- 5 -
системы, которые допускают представление в форме (4 ), Обзор ным классом подобных систем служат системы, допускающие по линомиальную аппроксимацию в норме, введенной в пространст
ве $f} ♦ |
|
|
|
|
Для дальнейшего |
изложения |
потребуется |
лемма. |
|
Л е м м а . |
Инварианты |
доцускают представление |
||
б (; ;= б '/ U |
y ; |
© ^ .. .. б у ) ( /= 1 , |
J - 1...... л -1 ). (5) |
Справедливбсть леммы вытекает из возможности однозначного |
||
продолжения |
(расширения) |
инварианта 6 y Jдо инварианта |
бу ( / = 1 ,2 , . |
|
|
Теперь |
подставим в |
выражение (4) соотношения (5) и вве |
дем обозначения, после чего получим симметрическую форму за писи системы
. |
= |
|
; \ б 1, . . . , б ач. 1 |
-,t) |
(;' = 1 ,2 , ... , . л ) . |
(6) |
||
Оператор ц> будем также называть |
базовым. Связь |
между |
||||||
операторами тр |
и • гр задается |
соотношениями |
(4 ), (5 ). |
|||||
Возникает необходимость |
в |
рассмотрений |
инвариантов (3 / |
|||||
степени |
у |
( 1 |
^ у ^ л - 1 ) , |
зависящих от различного |
числа пе |
|||
ременных п |
(при фиксированном тп). |
Чтобы различать |
такие |
инварианты, будем в квадратных скобках указывать число подси
стем П . С этими обозначениями |
система (б) |
приобретает вид |
|||||||||||||
|
х Д я ] |
=ф |
|
|
|
, 6 n A [ n ] : t ) |
( /= |
1 ,2 ,... ,я ) . |
(7) |
||||||
|
О п р е д е л е н и е . |
Система (I) |
обладает |
показателем |
|||||||||||
связности |
К \ 1 4 |
к 4 п ) , |
если |
в |
симметрической |
записи |
(7) |
||||||||
она имеет |
вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi[n] = ф (х х-[/7],б 1й , . . . , б ^ |
. 1[л]'; |
t), ( / = 1 , 2 , . . . , л \ |
(8) |
|||||||||||
т .е . система к |
- |
связна, |
если |
старший инвариант, |
входящий |
||||||||||
в выражение (7)^ имеет степень к -1 |
. Оператор |
Ц> |
, входящий |
||||||||||||
в систему |
(8), |
будем называть |
-связным |
оператором. |
|
|
|||||||||
|
С любым к -связным тп-мерным оператором^ |
можно |
со |
|
|||||||||||
поставить |
класс |
|
симметричных систем, |
включающих в |
себя |
||||||||||
различное |
число |
подсистем |
л . |
Очевидно, |
что |
при |
заданном |
||||||||
к |
-связном |
операторе тр |
минимально |
возможное |
число подсистем |
||||||||||
п |
не может быть |
меньше |
к |
, так что весь |
класс |
задается |
|||||||||
соотношениями |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
б - |
|
|
|
ж [ л ] = ц ) и / [ л ] , б 1[ л ] , . . . , б А. 1[ л ] ;^ ) |
(9) |
|||
|
( /= 1 , 2 , . . .,П ; |
п - к , к * { , £ + 2 , . . . ) . |
|||
Основной |
вопрос, возникающий в прикладных задачах, |
||||
формулируется |
следующим образом: "Как связаны между собой |
||||
свойства |
движений двух симметричных систем, |
имеющих один |
|||
и тот же |
базовый оператор Ц) , но различное |
число |
подсистем?" |
Рассмотрим, например, задачу об устойчивости системы (8 ). Чтобы получить один из возможных ответов на поставленный
вопрос, введем множества начальных данных |
M j |
( j = 1 ,2 ,..,,п) |
|||||||
M j : Л£ (7 0) ( / = 1 |
|
, |
( |
1 |
0 |
) |
. |
||
любые допустимые векторы, - |
|
|
|
|
|
|
|
||
Xj ( t 0) = Xj\ j ( t 0) = ‘ |
|
= xn ( t 0) . |
|
|
|
||||
Справедливы следующие теоремы без доказательств |
[ г ] . |
||||||||
Т е о р е м а |
I . |
Множества |
M |
j |
( у =1.2, . . . , п |
) , |
опреде |
||
ленные соотношениями |
(1 0 ), являются |
инвариантными множества |
|||||||
ми |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ ( t ; M j ) e . M j |
при |
V t 0 |
S' t0 . |
|
|
|
( i i ) |
||
Т е о р е м а |
2 . |
Симметричная |
нелинейная |
система |
(8) |
устойчива (или неустойчива) в каком-либо смысле, если она устой
чива (или неустойчива) в |
том же смысле при движении на инвариант |
|||
ном множестве |
, |
где |
К - показатель связности. |
|
Заметим, что в |
соответствии с определением (10) движение |
|||
ристемы |
(I) на |
множестве |
M j ( j = 1 ,1 , . . .,п) полностью опре |
|
деляется |
системой, уравнений порядка J т : |
II |
,ч |
• ., Xj, \ , X j , . |
. . , X j ; t ) ; |
, |
" > * j - l,X j . ~ |
■, X j ; t ) ; |
■ (12) |
|
|
Xj = f j (xi t . |
Xj. 1, Xj, |
. . . , X j ; t ) . |
, |
В соответствии с системой уравнений (12) можно-дать другую формулировку теоремы 2 .
-7 -
Те о р е м а 3. Система ( I ) , обладающая показателем связности К , устойчива (или неустойчива) в каком-либо смысле,
если устойчива (или неустойчива) в том же смысле система (12) n w j =K .
Из теоремы 2 вытекает, что всякая система, принадлежащая
кклассу A'jj? , с точки зрения устойчивости полностью ха
рактеризуется |
поведением на множестве |
М ^ . |
|
||||
С л е д с т в и е . |
Если |
операторы |
|
||||
как функции переменных |
х г , х5,:..,хп |
являются |
полиномами |
||||
степени |
(s<n), |
то для устойчивости |
системы ( I) достаточно, |
||||
чтобы система (I) была устойчивой при |
движении на инвариант |
||||||
ном множестве |
M s . |
|
■ |
|
М при разло |
||
В самом деле, поскольку полином степени |
|||||||
жении по базису |
|
|
не |
может содержать инва |
|||
рианты |
степени j |
, большей |
S , то |
показатель связности А |
|||
удовлетворяет |
условию |
kz. S . |
Отсюда, |
применяя теорему 2, |
убеждаемся в справедливости нашего утверждения.
Рассмотрим теперь стохастические системы, подверженные
действию белых щумов; |
|
|
>^i2> • •• >hitn) |
......... |
|
Xi =f i (Xl>Xl , . . . , X n \ t ) f ^ 1 |
( / = 1 ,2 .,...,л ) . |
' |
Инвариантность системы ( П ) относительно группы S n бу |
||
дем понимать в следующем смысле: I) детерминированная систе |
||
ма (I)инвариантна относительно группы 8п ; 2) статистические |
||
характеристики процессов |
идентичны, и их |
корре |
ляционная матрица инвариантна относительно группы S n . |
|
|
Пусть система (13) представлена |
в симметрической |
форме |
|
' |
( 14) |
и ставится задача исследования статистической устойчивости си
стемы |
(1 3 ). |
Оказывается, |
что необходима следующая теорема. |
|
|
|
Т е о р е м а |
4 . Система (13) статистически устойчива |
|||
(или |
неустойчива), |
если |
устойчива (или неустойчива) система |
||
|
V / |
i U i |
, . . , |
Xk , .. . , X k -,t)*bO |
|
|
Xg=/"2 |
|
f |
* • • • >Xj. 1 i) •*‘4 i > |
(15) |
|
|
|
|
|
Xft-fk (.*1у ч Х к ^ , Х к , . . . , Xfc; 0 + 4 1 •