научная статья по теме О ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЯХ ЛАГРАНЖА Математика

Текст научной статьи на тему «О ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЯХ ЛАГРАНЖА»

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

Том 78. Вып. 6, 2014

УДК 531.36

© 2014 г. А. А. Буров, И. И. Косенко

О ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЯХ ЛАГРАНЖА

Уравнения Лагранжа рассматриваются в случае, когда функция Лагран-жа не зависит от части скоростей. Исследуются свойства возникающих дифференциально-алгебраических уравнений. Доказывается, что при выполнении условий невырожденности возникающие уравнения сводятся к дифференциальным уравнениям Лагранжа меньшей размерности. В качестве примера рассматривается задача о плоских колебаниях упругого маятника.

Дифференциально-алгебраические уравнения — предмет активного изучения прежде всего в связи с исследованием сингулярно возмущенных систем, возникающих в различных задачах механики, в частности, механики длинных молекул. Особое внимание уделяется вопросам численного исследования таких систем, а также задачам теории управления (см., например, [1—4]). Однако исследование дифференциально-алгебраических уравнений Лагранжа и Гамильтона именно методами лагранжевой и гамильтоновой механики остается несколько в тени [5—7].

Настоящая работа мотивирована многочисленными исследованиями, посвященными задачам динамики твердых тел с упруго присоединенными подвижными элементами, а также движению упругих систем в квазистатическом приближении [8—15] (см. также [16]).

1. Постановка задачи и основное утверждение. Под системами дифференциально-алгебраических уравнений (ДАУ) понимают системы вида

0 = Р (X, У), У = О (X, У), X е кт, У е

Р : Кт х ^ Кт, О : Кт х ^

При выполнении условий невырожденности

дР * о д X

первую, алгебраическую, подсистему ДАУ из (1.1) по крайней мере локально можно разрешить относительно X. Подстановка найденного решения X = X(Y) в правую часть второй, дифференциальной, подсистемы ДАУ (1.1) приводит к системе

У = О (X (У), У) (1.2)

замкнутой относительно У Для ДАУ (1.1) ставятся задачи о существовании и единственности решений, а также о существовании частных решений и их устойчивости, о наличии первых интегралов и т.д.

Подстановка выражения X = X(Y) в алгебраическую подсистему ДАУ (1.1) и дифференцирование получившегося тождества по Y дает

(Ж ^ д Р- 1 дР (13)

дУ д X дУ

Дифференцирование алгебраической подсистемы ДАУ (1.1) позволяет найти скорость изменения переменных X. Имеем

0 = д-*± + дРу

дХ дУ

откуда при выполнении того же условия невырожденности следует, что

X = -дР-1 дРо (1.4)

Х У

Рассмотрим систему уравнений Лагранжа

| дг = дг, ч = уч, ч = (х' У)е х)х У) (1.5)

dtд\q дч 4

с функцией Лагранжа

Г = Ь(х, у, уу) (1.6)

не зависящей от скоростей X = Ух. В этом случае уравнения (1.5) принимают вид

0 = ^, X = Ух (1.7)

х

1 ду- = дг, у=Уу (1.8)

dtдУy ду '

Первая подсистема уравнений (1.7) — алгебраическая по всем входящим в нее переменным: х, у и Уу, т.е. система (1.7), (1.8) представляет собой частный случай системы (1.1). Это позволяет называть уравнения (1.7), (1.8) в целом системой ДАУ Лагранжа. В развернутом виде уравнения (1.8) записываются так:

д2 г Ух+д2Г у у+Уу = дГ, у = Уу (1.9)

дуудх х дУ2 у дууду у ду'

Уравнения (1.7), (1.9) образуют систему из 2€ + k обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка и k алгебраических уравнений.

Выразим из первой подсистемы (1.7), представляющих собой алгебраическую составляющую изучаемых уравнений, переменные х:

X = х(Уу, у) (1.10)

В дальнейшем будем считать, что это может быть сделано единственным образом.

Замечание. ДАУ Лагранжа хорошо известны в механике голономных систем — это так называемые уравнения Лагранжа первого рода. Если L = L(y, Уу) — функция Лагранжа, /¡(у) = 0 (¡' = 1, ..., к) — уравнения связей, то движение описывается "уравнениями Лагранжа с множителями", для которых функция Лагранжа имеет вид

(X, у, Уу) = Г + £ Х1/1, X = (Х1}...,Хк )т

Вместе с тем возникающая в этом случае алгебраическая подсистема ДАУ не содержит X и поэтому не может быть разрешена относительно X по типу (1.10). Поэтому в дальнейшем "уравнения Лагранжа с множителями" рассматриваться не будут.

Дифференцируя соотношение (1.10) по времени, имеем равенство

дх^ . дх.

позволяющее переписать уравнения (1.9) в виде

V = -V Ч--V

¥х дVyVy + д yVy

+ дх|V + + -^ЬЗх^ = ЗЬ, у = V (1.11)

д^ д^хд^/ у 'дvyдy с^у3х3у^ у ду у

Благодаря выполненной подстановке (1.10) система уравнений (1.11) замкнута. С другой стороны, дифференцируя, соответственно, по у и по v тождество

дЬ ( х ( Уу, у ) , Уу, у) =

дх

= 0

справедливое в силу того, что (1.10) — решение уравнений (1.7), имеем два равенства, из которых можно выразить величины дx/дy и с^/д^. Подстановка этих величин в уравнения (1.11) позволяет представить их в виде

(,, 2Т ~2Т 2Т !-1 ~2

д Ь д Ь

д-Ь| -дЬ+

дх2/ ^^у/ у

(1.12)

( ~22т ~2Т 2Т!-1 ~2,

Ь Ь

дvyдy дvyдx

д ЬI д Ь I дЬ

^ = у = ^

V дх2/ дхду/ у ду' у

Здесь предполагается, что во все выражения для частных производных подставлено решение (1.10). Пусть

Л( vy, у) = Ь(х(V у), vy, у)

Тогда в силу того, что (1.10) — решение уравнений (1.7), имеем выражения

зл = зь дх + дЬ = дЬ дЛ = дЬ дх + дЬ = дЬ (113)

ду дхду ду ду' дvy дxдvy дvy дvy

подстановка которых в уравнение (1.8) показывает, что справедливо

Утверждение. Уравнения (1.7), (1.8) совпадают с уравнениями Лагранжа

± з^ = Зл , у = ^у (1.14)

dtдvy ду

2. Первые интегралы уравнений движения. Циклические переменные и понижение порядка по Раусу. Функция У = У(Х, Y) — первый интеграл уравнений (1.1), если она сохраняет свое значение на любой траектории системы. В этом случае в силу равенства (1.4) производная функции У в силу системы ДАУ, имеющая вид

^ = ЗУх + ЗУ у = ЗУ (_зе1 ЗРС + ЗУ с = (- ЗУ ЗР + ЗУ! с (21)

dt дх ЗУ дх 'V дх ЗУ ) ЗУ V дХ дХ ЗУ дУ^ (.)

+

обращается в нуль. Функция в правой части равенства (2.1) считается ограниченной на поверхность в пространстве (X, У), определяемую алгебраической подсистемой системы (1.1). Рассмотрим также функцию

!'(У) = !(Х(У), У)

Дифференцирование этой функции в силу уравнений (1.2) с учетом тождества (1.3) дает

d!L = д! о = Г д! дХ + д! о = Г- д! дР-! дР + д! о (22)

dt дУ V дХдУ дУ^ V дХ дХ дУ дУ^ (.)

Тогда из обращения в нуль правой части равенства (2.1) следует обращение в нуль правой части равенства (2.2). Таким образом, если ! — первый интеграл уравнений (1.1), то функция !' — первый интеграл уравнений (1.2).

По предположению, функция Лагранжа L не зависит явно от времени. Тогда функция

дГ

дуу

будет первым интегралом уравнений (1.7), (1.8). Действительно, d! =

V d t д У

ууу

О

! = 1дт, УyJ - Г (2.3)

^ = Г ± дг I + Г дг у;| - Г дг | - Г дг, о - Г дг, У.

dt Vdtдy' ^ду' ^ду' ^ду' ^дх'

■ - дГ _ дГ У Л + Г -д_г

^д Уу ду. _дх.

так как в силу уравнений (1.7), (1.8) выражения в квадратных скобках обращаются в нуль.

Функция

дл

У

!0 = V д--, УyJ - л (2.4)

у

представляет собой первый интеграл уравнений (1.14). В силу второй группы соотношений (1.13) она получается из функции !0 подстановкой в нее соотношений (1.10).

Кроме того, если из переменных у можно выделить переменные у = (у:, ..., ук)т, такие, что функция L от у явно не зависит, то оставляя за прочими переменными из у прежнее обозначение, можно указать семейство из к интегралов

! = дг~ = Р^ 1 = к (2.5)

системы уравнений (1.7), (1.8). При этом, как обычно, координаты у можно именовать циклическими.

Заметим, что если функция L не зависит явно от у, то и функция Л не зависит от этих переменных и функции

! = М., г = 1.....к

д<

представляют собой первые интегралы уравнений (1.14).

Наличие циклических координат позволяет осуществить понижение порядка по Раусу. Если соотношения (2.5), записанные в векторном виде как

дЬ т т

ЗУ = р^, % = (^1, --у*) , р^ = (р^, -,

и У

можно единственным образом разрешить относительно v¥:

% = % (x, y, vy; р¥ )

то стандартные рассуждения позволяют представить уравнения (1.7) и (1.8) в виде

а дЯ ■ 0 = х = vx

дх х

dдR = ЗЯ, у = v

dt дvy ду' у

с функцией Рауса

Я(х, у, vy; ) = [Ь - • %^ = yv(xJ у, vy. р¥)

3. Дифференциально-алгебраические уравнения Гамильтона. От ДАУ Лагранжа с помощью преобразования Лежандра несложно перейти к ДАУ Гамильтона. Пусть ^ = = у, py) — предполагаемое единственным решение системы алгебраических уравнений

3L

= Py

y

Введем функцию Гамильтона

Щ X, У, Vy; Py ) = [ Py • Vy - Z]Vy = Vy( X> y, py)

Тогда

дщ = dVy _ dL dVy - dL = - dL

dy y dy dvy dy dy dy

dH = dVy - dL dVy _ dL = - dL

dx y dx dVy dx dx dx

dH dVy dL dVy

- = Vy + py-y----y- = Vy

py py Vy py

и уравнения (1.7) и (1.8) можно представить в виде

0 = дЩ, x = Vx (3.1)

x

• dH • dH „ оч

у = Р у = - Т (3.2)

Py y

В силу предполагавшейся независимости функции Лагранжа от времени функция Гамильтона = H — первый интеграл уравнений движения.

Если же функция Лагранжа не зависит явно от координат у = (у..., ук)т, то функция Гамильтона также не зависит от этих координат, и соответствующие им импульсы

Т

! = (Ру,, • • •, Рук) — первые интегралы уравнений движения.

Пусть x = x(y, py) — единственное решение первого уравнения (3.1). Рассмотрим функцию

Ж = Н(х(у, ру), у, ру) (3.3)

Далее, в силу равенств (3.1) и (3.3) справедливы соотношения

дЖ = дНдх + дН = дН (34)

у х у у у

дЖ = дН дх + дН = дН (35)

ру х ру ру ру

учет которых в уравнениях (3.2) позволяет заключить, что справедливо

Утверждение. Уравнения (3.1), (3.2) совпадают с уравнениями Гамильтона

у = дЖ р = - дЖ дру' у ду

с функцией Гамильтона (3.3).

4. Установившиеся движения и их устойчивость.

Существование. Согласно теории Рауса [17] (см. также [18]) наличие у системы первых интегралов позволяет найти ее установившиеся движения и исследовать достаточные условия их устойчивости. Установившимся движениям отвечают критические точки первых интегралов. Пусть !(Х, У) — первый интеграл уравнений (1.1). Так как эта предполагаемая гладкой функция неизменна вдоль траекторий системы, то, как следует из равенств (2.1), выполняется соотношение

А(Х(У), У)в(Х(У), У) = 0; А = V- — — — + —1 (4.1)

\ \ ь > \ \ >,> , V дХ дХ дУ дУ1

Дифференцируя тождество (4.1), имеем

дА'6' + А'ддУ' - 0, О'(У) = О(Х(У), У), А'(У) = А(Х(У), У)

В критиче

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком