Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 29 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
29
Dung lượng
362 KB
Nội dung
Trờng đại học vinh Khoa toán -------- Vềtínhổnđịnhvớixácsuất1củahệ phơng trìnhviphânvàsaiphânngẫunhiên Khoá luận tốt nghiệp đại học Ngành cử nhân S phạm toán Cán bộ hớng dẫn khoa học: PGS. TS. Phan Đức Thành Sinh viên thực hiện: Đậu Thị Thu Hiền Lớp : 42A 2 - Khoa Toán vinh - 2005 *** 1 Mở đầu Mọi hệ thống hoạt động trong môi trờng đều có thể mô tả đợc bởi một hệ phơng trìnhviphânngẫunhiên hoặc saiphânngẫu nhiên. Do đó tínhổnđịnhcủahệ thống liên quan chặt chẽ đến tínhổnđịnhcủahệviphânvàsaiphânngẫu nhiên. Trong lý thuyết địnhtính phơng trìnhviphânvàsaiphânngẫunhiên thì việc nghiên cứu tínhổnđịnhngẫunhiên là một nội dung quan trọng. Vấn đề đó đã đợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và đạt đợc những kết quả đáng kể bằng phơng pháp giải tích. Song trong những năm gần đây đã hình thành một cách tiếp cận mới để nghiên cứu tínhổnđịnhngẫunhiên bằng phơng pháp đại số ma trận Sylvester. Theo cách tiếp cận mới đó khoá luận này đã hệ thống hoá một số kết quả nghiên cứu đã có và tiếp tục nghiên cứu tínhổnđịnh tiệm cận vớixácsuất1củahệviphânvàsaiphânngẫu nhiên. Khoá luận gồm có 2 chơng: Chơng 1: Sự ổnđịnhcủahệ phơng trìnhviphân tuyến tính tất định. Chơng 2: Tínhổnđịnhvớixácsuất1củahệ phơng trìnhviphânvàsaiphânngẫu nhiên. Khoá luận này đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn tận tìnhcủa PGS. TS Phan Đức Thành. Nhân dịp này em xin đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới thầy. Em cũng xin chân thành cảm ơn các ý kiến đóng góp quý báu và bổ ích của các thầy PGS. TS Nguyễn Văn Quảng, TS Nguyễn Trung Hoà, TS Trần Xuân Sinh cùng các thầy cô trong tổ điều khiển, khoa Toán, trờng Đại Học Vinh. Ngời thực hiện Đậu Thị Thu Hiền 2 Chơng I Sự ổnđịnhcủahệviphân tuyến tính tất địnhổnđịnh là một trong những khái niệm sâu sắc nhất mà ngời ta đã nghĩ ra để giải thích hành vicủa một hệ thống. Hơn nữa bất kỳ một hệ thống nào (hệ sinh học, hệ kỹ thuật, xã hội hay tổ chức kinh tế ) bao giờ cũng làm việc ở trạng thái ổnđịnh nhất. Hệviphân là một phơng tiện cơ bản để mô tả một hệ thống. 1. Các khái niệm cơ bản của lý thuyết ổn định. Xét hệvi phân: ),( YtF dt dY = (1.1) trong đó: Y = ( y 1 , y 2 , y 3 , , y n ) T T n dt dy dt dy dt dy dt dY ], .,,[ 21 = F(t, Y) = (f 1 (t, Y), , f n (t, Y)) T f j (t, Y), ( nj ,1 = ) là các hàm số xácđịnh trong miền D = [t 0 , ) x D Y (D Y là một miền mở thuộc R n ), liên tục theo t, có các đạo hàm riêng cấp 1 theo các biến y 1 , y 2 , , y n liên tục. Định nghĩa 1.1.1: Nghiệm Z = Z(t) ( a < t < ) củahệ (1.1) đợc gọi là ổnđịnh theo Liapunov khi t nếu > 0 và t 0 (a, ), = ( , t 0 ) > 0 sao cho tất cả các nghiệm Y(t) thoả mãn điều kiện )()( 00 tZtY < thì )()( tZtY < , t t 0 . Định nghĩa 1.1.2: Nghiệm Z = Z(t) ( a < t < ) củahệ (1.1) đợc gọi là không ổnđịnh theo Liapunov nếu > 0 và t 0 [a, ) sao cho > 0 tồn tại nghiệm Y(t) và thời điểm t 1 > t 0 thoả mãn )()( 00 tZtY < nhng )()( 11 tZtY > . Định nghĩa 1.1.3: 3 Nghiệm Z(t) (a < t < ) củahệ (1.1) đợc gọi là ổnđịnh tiệm cận khi t nếu nó ổnđịnh theo Liapunov và đối với tất cả các nghiệm Y(t) nó thoả mãn 0)()( lim = tZtY t . Định nghĩa 1.1.4: Cho hệ có nhiễu: ) ~ ,() ~ ,( ~ YtYtF dt Yd += (1.2) trong đó hàm vectơ (t, Y ~ ) xácđịnh trên D, liên tục theo t và có các đạo hàm riêng cấp một theo y 1 , y 2 , ., y n . Khi đó nghiệm Z(t) (a < t < ) củahệ (1.1) đợc gọi là ổnđịnh dới tác động của nhiễu ) ~ ,( Yt nếu > 0 và t 0 (a, ), = (, t 0 ) > 0 sao cho khi ) ~ ,( Yt < tất cả các nghiệm Y ~ (t) củahệ (1.2) thoả mãn điều kiện )( ~ 0 tY < thì )()( ~ tZtY < , t > t 0 . Định nghĩa 1.1.5: Trong hệ (1.1) nếu ta đặt: X = Y - Z thì có hệ mới: ),( XtG dt dX = (1.3) trong đó: G(t, X) = F(t, X +Z) - F(t, Z). Khi đó hệ (1.3) đợc gọi là hệ qui đổi. Rõ ràng G(t, 0) 0 vàhệ (1.3) cho nghiệm tầm thờng X 0 (tơng ứng với nghiệm Z(t) củahệ (1.1)). Định nghĩa 1.1.6: Nghiệm tầm thờng (trạng thái cân bằng) X 0 (a < t < ) ổnđịnh nếu > 0 và t 0 (a, ), > 0 sao cho mọi nghiệm Y(t) mà )( 0 tY < thì thoả mãn )(tY < , t > t 0 . Định nghĩa 1.1.7: Nghiệm tầm thờng X(t) = 0 (a < t < ) không ổnđịnh nếu > 0 và t 0 (a, ) sao cho > 0 tồn tại nghiệm Y(t) và thời điểm t 1 > t 0 thoả mãn < )( 0 tY nhng )( 1 tY > . Định nghĩa 1.1.8: 4 Nghiệm X 0 đợc gọi là ổnđịnh tiệm cận nếu > 0 và t 0 (a, ), = (, t 0 ) > 0 sao cho đối với tất các các nghiệm Y(t) thoả mãn )( 0 tY < thì )(tY < , t > t 0 và ||)(|| lim tY t = 0. 2. tínhổnđịnhcủahệviphân tuyến tính. Xét hệviphân tuyến tính: )().( tFYtA dt Yd += (2.1) vàhệviphân tuyến tính thuần nhất: YtA dt Yd ~ )( ~ = (2.2) trong đó ma trận A(t) và vectơ F(t) liên tục trên (a, ). Định nghĩa 1.2.1: Hệviphân tuyến tính (2.1) đợc gọi là ổnđịnh (hoặc không ổn định) nếu tất cả các nghiệm Y(t) của nó tơng ứng ổnđịnh (hoặc không ổn định). Nhận xét 1.2.2: Các nghiệm củahệviphân tuyến tính hoặc đồng thời cùng ổnđịnh hoặc cùng đồng thời không ổn định. Chứng minh: Giả sử Z = Z(t) (t 0 < t < ) là một nghiệm ổnđịnh nào đó củahệviphân tuyến tính, ta cần chứng minh nghiệm Y = Y(t) bất kỳ củahệ cũng ổn định. Do nghiệm Z = Z(t) ổnđịnh nên > 0, t 0 (a, ), > 0 sao cho mọi nghiệm X = X(t) mà thoả mãn: )()( 00 tZtX < thì )()( 00 tZtX << (*) Ta có: )()( 00 tYtX = )()()()( 0000 tZtYtZtX + < = )())(( 00 tZtYZX + Mặt khác X, Y, Z đều là nghiệm củahệviphân tuyến tính nên X +Y- Z cũng là nghiệm củahệ đó. Từ đó suy ra nếu )())(( 00 tZtYZX + < , (tức là )()( 00 tZtX < ) thì theo (*) ta có: )())(( tZtYZX + < hay )()(( tYtX < . Nh vậy nghiệm Y = Y(t) ổnđịnh . 5 Do đó nếu hệviphân tuyến tính có một nghiệm ổnđịnh thì các nghiệm khác cũng ổn định. Giả sử hệviphân tuyến tính có 1 nghiệm Z = Z(t) không ổnđịnh khi đó các nghiệm khác củahệ cũng không ổn định. Vì nếu ngợc lại có 1 nghiệm nào đó ổnđịnh thì theo trên tất cả các nghiệm củahệổn định. Điều này mâu thuẫn với nghiệm Z = Z(t) không ổn định. Định nghĩa 1.2.3: Hệviphân tuyến tính (2.1) đợc gọi là ổnđịnh tiệm cận nếu tất cả các nghiệm của nó ổnđịnh tiệm cận. Định lí 1.2.4: Hệviphân tuyến tính (2.1) ổnđịnhvới số hạng tự do bất kỳ F(t) khi và chỉ khi nghiệm tầm thờng Y ~ 0 củahệ thuần nhất (2.2) ổn định. Chứng minh Điều kiện cần: Giả sử hệ (2.1) ổn định. Khi đó Z(t) (a < t < ) là nghiệm bất kỳ củahệ thì nó cũng ổn định. Nghĩa là > 0, > 0 sao cho mọi nghiệm Y(t) củahệ mà có )()( 00 tZtY < thì thoả mãn )()( tZtY < . Mặt khác hệ (2.2) là hệ thuần nhất tơng ứng củahệ (2.1) nên )( ~ tY = Y(t) - Z(t) là một nghiệm củahệ (2.2). Do đó : )( ~ tY < khi )( ~ 0 tY < . Điều đó có nghĩa là nghiệm 0 ~ 0 = Y là nghiệm tầm thờng củahệ (2.2) ổn định. Điều kiện đủ: Giả sử nghiệm tầm thờng 0 ~ 0 = Y củahệ (2.2) ổn định. Khi đó nghiệm bất kỳ )( ~ tY (a < t < ) củahệ (2.2) mà có )( ~ 0 tY < thì thoả mãn )( ~ tY < , t > t 0 . Do đó nếu Z(t) là một nghiệm nào đó củahệ (2.1) và Y(t) là một nghiệm bất kỳ củahệ đó thì Y(t) - Z(t) là một nghiệm củahệ (2.2). Vì thế nếu )()( 00 tZtY < , t > t 0 thì )()( tZtY < , t t 0 . Nh vậy nghiệm Z(t) củahệ (2.1) ổn định. Vì Z(t) là một nghiệm bất kỳ nên suy ra hệ (2.1) ổn định. Định lí 1.2.5: Điều kiện cần và đủ để hệviphân tuyến tính (2.1) ổnđịnh tiệm cận là nghiệm tầm thờng 0 ~ 0 Y củahệ thuần nhất (2.2) ổnđịnh tiệm cận. 6 Hệ quả 1.2.6: Hệviphân tuyến tínhổnđịnh khi và chỉ khi hệviphân thuần nhất tơng ứng ổn định. Hệ quả 1.2.7: Hệviphân tuyến tính (2.1) với số lợng tự do F(t) bất kỳ ổnđịnh tiệm cận khi và chỉ khi hệviphân tuyến tính thuần nhất tơng ứng ổnđịnh tiệm cận. 3. tínhổnđịnhvàtính giới nội củahệviphân tuyến tính thuần nhất. Xét hệviphân tuyến tính thuần nhất: YtA dt dY ).( = (3.1) trong đó A(t) liên tục trên (a, ). Khái niệm 1.3.1: Ma trận (t) = [x jk (t)] nxn với det (t) 0, gồm n nghiệm độc lập tuyến tínhcủahệ (3.1) với: X i (t) = [x 1i (t), x 2i (t), , x ni (t)] T , i = n,1 gọi là ma trận nghiệm cơ bản củahệ (3.1) . Khi (t 0 ) = E (ma trận đơn vị) thì ma trận nghiệm cơ bản (t) là ma trận chuẩn hoá. Nhận xét: Nếu hệ (3.1) có nghiệm Y(t) thoả mãn điều kiện ban đầu Y(t 0 ) = Y 0 thì khi đó ta viết: Y(t) = (t). -1 (t 0 ). Y(t 0 ) . Khi X(t) là ma trận chuẩn hoá thì Y(t) = (t). Y(t 0 ). Định lí 1.3.2: Điều kiện cần và đủ để hệviphân thuyến tính thuần nhất ổnđịnh (theo Liapunov) là mỗi nghiệm Y = Y (t) củahệ bị chặn trên [t 0 , ). Chứng minh: Điều kiện cần: Giả sử hệ (3.1) ổnđịnh nhng có nghiệm Z(t) không bị chặn trên [t 0 , ), Z(t 0 ) 0. Ta sẽ chỉ ra nghiệm tầm thờng củahệ không ổn định. Thật vậy, lấy > 0 bất kỳ và xét nghiệm : Y(t) = 2 . )( )( 0 tZ tZ . Rõ ràng <= 2 )( 0 tY và do Z(t) không bị chặn nên Y(t) không bị chặn trên [t 0 , ). Do đó với cố định, t 1 > t 0 sao cho ( ) > 1 tY . 7 Từ đó suy ra nghiệm tầm thờng Y 0 = 0 không ổn định. Điều này mẫu thuẫn với giả thiết hệổn định. Nh vậy mỗi nghiệm Y = Y(t) củahệ bị chặn trên [t 0 , ). Điều kiện đủ: Giả sử nghiệm bất kỳ củahệ bị chặn trên [t 0 , ). Khi đó ma trận cơ bản chuẩn hoá (t) = [x ik (t)] bao gồm các hàm giới nội nên giới nội. Do đó M hằng số dơng để )(tX < M, t [t 0 , ). Mặt khác với mỗi nghiệm Y(t) củahệ ta có Y(t) = (t). Y(t 0 ) <= )(.)(.)()().()( 000 tYMtYttYttY khi ( ) = M tY 0 (chọn M = ) . Nh vậy nghiệm tầm thờng Y 0 0 ổn định. Do đó hệ (3.1) ổn định. Hệ quả 1.3.3: Nếu hệviphân tuyến tính không thuần nhất ổnđịnh thì tất cả các nghiệm của nó hoặc đồng thời giới nội hoặc đồng thời không giới nội. Chú ý 1.3.4: Đối vớihệviphân phi tuyến từ tính giới nội của các nghiệm của nó nói chung không suy ra tínhổnđịnhcủa chúng. Chẳng hạn: Phơng trình x dt dx 2 sin = có nghiệm: = =+ = kxkhik kxxkhiktxggarc x 0 00 , )0()(cotcot (k = 0, +1, 2, ). Rõ ràng các nghiệm củahệ này đều giới nội trên [0, ) nhng nghiệm x 0 = 0 không ổn định. Định lí 1.3.5: Điều kiện cần và đủ để hệviphân tuyến tính thuần nhất (3.1) ổnđịnh tiệm cận là tất cả các nghiệm Y = Y(t) của nó thoả mãn: t lim Y(t) = 0. Chứng minh: 8 Điều kiện cần: Giả sử hệ (3.1) ổnđịnh tiệm cận. Khi đó nghiệm tầm th- ờng Z 0 0 ổnđịnh tiệm cận. Từ đó suy ra mọi nghiệm Z(t) mà có < )( 0 tZ thì t lim Z(t) = 0 (*) Giả sử Y(t) là một nghiệm bất kỳ củahệvới điều kiện ban đầu Y(t 0 ) = Y 0 ( 0)( 0 tY ). Khi đó đặt: Z(t) = 2 . )( )( 0 tY tY thì Z(t) cũng là nghiệm củahệvà thoả mãn (*). Do đó: t lim Y(t) = 0)(. 2 )( lim 0 = tZ tY t . Điều kiện đủ: Giả sử nghiệm Y(t) bất kỳ củahệ thoả mãn t lim Y(t) = 0 Suy ra với T đủ lớn (T > t 0 ) thì nghiệm Y(t) bị chặn trên (T, ). Mặt khác hàm vectơ Y(t) liên tục trên [t 0 , T] nên bị chặn trên đoạn đó. Nh vậy nghiệm Y(t) bị chặn trên [t 0 , ). Do đó hệổn định. Suy ra nghiệm tầm thờng Z 0 ổn định. Kết hợp với giả thiết t lim Y(t) = 0 ta suy ra đợc nghiệm tầm thờng Z 0 ổnđịnh tiệm cận. Do đó theo định lí (1.2.5) hệổnđịnh tiệm cận. Chú ý 1.3.6: Đối vớihệviphân phi tuyến điều kiện tất cả các nghiệm dần tới không nói chung không phải là điều kiện đủ để nghiệm tầm thờng ổnđịnh tiệm cận. Ví dụ: = = t y dt dy xyt t x dt dx 22 có nghiệm tầm thờng x = 0, y = 0 tích phânhệ phơng trình này ta đợc: 9 = = t c y ctcx tc 2 . 1 2 2 Đặt t 0 = 1 ta có: = = t y ty etxtx ty )1( )( .)1()( )1).(1( 2 Rõ ràng x(t) 0 và y(t) 0 khi t . Nhng > 0 khi x(1) = 2 và y(1) = ta có x(1+ 2 1 ) > e 1 . Nh vậy nghiệm tầm thờng không ổn định, nên lại càng không ổnđịnh tiệm cận. 4. ổnđịnhcủahệviphân tuyến tínhvới ma trận hằng Xét hệviphân tuyến tính thuần nhất: XA dt dX . = (4.1) trong đó A = [a jk ] nxn là ma trận hằng . Định lí 1.4.1: Hệviphân tuyến tính thuần nhất (4.1) ổnđịnh khi và chỉ khi tất cả các nghiệm đặc trng j của A đều có phần thực không dơng và các nghiệm đặc trng có phần thực bằng không đều có ớc cơ bản đơn. Chứng minh: -Trớc hết ta thấy hệ (4.1) có nghiệm X(t) = e At . X 0 với X 0 = X (0). Thật vậy, hệ (4.1) Adt X dX = . Lấy tích phân 2 vế ta có: lnX = At + C X = e C . e At . Vì X(0) = X 0 nên e C = x 0 . Do đó X = e At .X 0 . Nếu phơng trình đặc trng của A có n nghiệm 1 , 2 , , n phân biệt thì khi đó nghiệm củahệ (4.1) có thể đa về dạng: 10 . hệ phơng trình vi phân ngẫu nhiên hoặc sai phân ngẫu nhiên. Do đó tính ổn định của hệ thống liên quan chặt chẽ đến tính ổn định của hệ vi phân và sai phân. cứu tính ổn định tiệm cận với xác suất 1 của hệ vi phân và sai phân ngẫu nhiên. Khoá luận gồm có 2 chơng: Chơng 1: Sự ổn định của hệ phơng trình vi phân