Файл: Прикладная математика [сборник статей]..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 30.10.2024

Просмотров: 44

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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 ]

 

 

 

, 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

• ., 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 •