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      擬周期平面振子平衡點的穩(wěn)定性

      2015-08-16 09:20:25邢秀梅任秀芳
      吉林大學學報(理學版) 2015年3期
      關鍵詞:管狀振子平衡點

      邢秀梅,任秀芳

      (1.伊犁師范學院 數(shù)學與統(tǒng)計學院,新疆 伊寧 835000;2.南京農(nóng)業(yè)大學 理學院數(shù)學系,南京 210095)

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      擬周期平面振子平衡點的穩(wěn)定性

      邢秀梅1,任秀芳2

      (1.伊犁師范學院 數(shù)學與統(tǒng)計學院,新疆 伊寧 835000;2.南京農(nóng)業(yè)大學 理學院數(shù)學系,南京 210095)

      利用主積分方法,將周期系統(tǒng)平衡點的穩(wěn)定性判據(jù)推廣到擬周期情形,即證明擬周期二階微分方程x″+h(t)x′+a(t)x2n+1+e(t,x)=0(n≥1)平衡點x=x′=0的穩(wěn)定性,其中h(t),a(t),e(t,x)是擬周期系數(shù),其頻率向量滿足Diophantine條件,且在x=x′=0附近,|e(t,x)|=O(x2n+2).結(jié)果表明,具有變號阻尼項擬周期振子的平衡點在一定條件下具有穩(wěn)定性.

      擬周期;Diophantine條件;平衡點穩(wěn)定性

      0 引 言

      近年來,對擬周期微分方程的研究受到人們廣泛關注.關于周期微分方程平衡點穩(wěn)定性的研究已有許多結(jié)果[1-9].儲繼峰等[1]考慮具有一個半自由度的阻尼震蕩系統(tǒng):

      (1)

      (2)

      本文將劉期懷等[2]的相關結(jié)果推廣到擬周期微分方程:即在方程(2)中,要求e(t,x)在x=0附近滿足|e(t,x)|=O(x2n+2),h(t),a(t),e(t,x)關于t,x是實解析的,并且關于t是擬周期函數(shù),相應的頻率向量(ω1,ω2,…,ωm)滿足Diophantine條件:即存在常數(shù)γ>0和τ>m-1,使得對一切k=(k1,k2,…,km)≠0,都有

      (3)

      其中|k|=|k1|+|k2|+…+|km|.

      1)方程(2)的平衡點x=x′=0是穩(wěn)定的;

      1 典則變換

      (4)

      相應的Hamiltonian函數(shù)為

      (5)

      (6)

      (7)

      (8)

      考慮輔助系統(tǒng)

      (9)

      令c=|[c]|[b]n+1.記(C(t),S(t))是方程(9)的滿足初始條件(C(0),S(0))=(1,0)的周期解.令T>0為其最小正周期,則這些函數(shù)滿足下列條件:

      (10)

      2 不穩(wěn)定性的證明

      1)首先,引進典則變換:

      則Hamiltonian函數(shù)(8)變?yōu)?/p>

      (11)

      其次,定義一個與時間相關的典則變換:

      其中

      (12)

      它關于t是擬周期的.則變換后的Hamiltonian函數(shù)(11)具有如下形式:

      其中

      (13)

      (14)

      利用式(12)和2β>1,得

      (15)

      2)不穩(wěn)定性的證明.考慮關于變量λ,φ的動力系統(tǒng)

      (16)

      首先,證明存在一個φ*和0<υ<1,使得ψ(φ*)=0,并且當|φ-φ*|≤υ時,下述結(jié)論成立:

      (17)

      事實上,由式(10)有

      并且

      記m=min{|ψ(φ*+υ)|,|ψ(φ*-υ)|}.對于系統(tǒng)(16),存在常數(shù)r0>0,使得當|λ|≤r0時,下述不等式成立:

      (19)

      其次,定義角形區(qū)域Sε={(λ,φ)||λ|≤ε,|φ-φ*|≤υ},則必存在一點(λ0,φ0)∈Sε和某一時刻t*<0,使得λ(t*,λ0,ψ0)≥r0.

      事實上,否則方程(16)的負向解屬于集合

      (20)

      3 穩(wěn)定性的證明

      1)由于[c]>0,所以典則變換Φ1將Hamiltonian函數(shù)(8)變?yōu)?/p>

      (21)

      其中:

      顯然f1(t,θ)關于t的均值為零、關于θ是1周期的.

      2)利用典則變換Φ2,使變換后的Hamiltonian函數(shù)(21)具有如下形式:

      其中

      (22)

      (23)

      (24)

      (25)

      可得

      (26)

      對于固定的t,解λ,φ在每一時刻t關于φ0連續(xù),相應的積分曲線形成了t軸的管狀領域.由解的存在唯一性知,該管狀內(nèi)出發(fā)的解永遠位于管狀領域內(nèi).由于該管狀領域大小由ε控制,而且ε可任意小,因此得到系統(tǒng)(23)的不動點λ=0是穩(wěn)定的.

      參考文獻

      [1] CHU Jifeng,DING Jinhong,JIANG Yongxin.Lyapunov Stability of Elliptic Periodic Solutions of Nonlinear Damped Equations [J].J Math Anal Appl,2012,396(1):294-301.

      [2] LIU Qihuai,QIAN Dingbian,WANG Zhiguo.The Stability of the Equilibrium of the Damped Oscillator with Damping Changing Sign [J].Nonlinear Anal:Theory,Methods &Appl,2010,73(7):2071-2077.

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      [4] Dieckerhoff R,Zehnder E.Boundedness of Solutions via the Twist-Theorem [J].Ann Scuola Norm Sup Pisa Cl Sci,1987,14(1):79-95.

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      [7] LIU Bin.The Stability of Equilibrium of Quasi-periodic Planar Hamiltonian and Reversible Systems [J].Science in China Series A:Mathematics,2010,53(1):125-136.

      [8] LIU Bingwen.Global Exponential Stability of Positive Periodic Solutions for a Delayed Nicholson’s Blowflies Model [J].J Math Anal Appl,2014,412(1):212-221.

      [9] LI Lin,LIU Zhicheng.Existence of Periodic Solutions and Stability of Zero Solution of a Mathematical Model of Schistosomiasis [J/OL].J Appl Math,2014-02-13.http://dx.doi.org/10.1155/2014/765498.

      [10] WU Yunchao,WANG Yiqian.The Stability of the Elliptic Equilibrium of Planar Quasi-periodic Hamiltonian Systems [J].Acta Math Sin:Engl Ser,2012,28(4):801-816.

      [11] P?schel J.A Lecture on the Classical KAM Theorem [J].Proc Sympos Pure Math,2001,69(2):707-732.

      (責任編輯:趙立芹)

      StabilityoftheEquilibriumofQuasi-periodicPlanarOscillator

      XING Xiumei1,REN Xiufang2

      (1.SchoolofMathematicsandStatistics,YiliNormalUniversity,Yining835000,XinjiangUygurAutonomousRegion,China;2.DepartmentofMathematics,CollegeofScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)

      We generalized the stability criteria for the equilibrium of the periodic system to those for that of quasi-periodic system,applying the method of main integration.Concretely,we showed the stability for the equilibriumx=x′=0 of the quasi-periodic second order differential equationx″+h(t)x′+a(t)x2n+1+e(t,x)=0,n≥1,whereh(t),a(t),e(t,x)are quasi-periodic coefficients,whose frequency vectors meet the requirements proposed by Diophantine.And moreover,|e(t,x)|=O(x2n+2)nearx=x′=0.The results we obtained also imply that,under some conditions,the equilibrium of the quasi-periodic oscillator with damping changing sign can still be stable.

      quasi-periodic;Diophantine condition;stability of the equilibrium

      10.13413/j.cnki.jdxblxb.2015.03.07

      2014-10-27.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

      時間:2015-02-11.

      邢秀梅(1973—),女,漢族,博士,講師,從事Hamiltonian系統(tǒng)的研究,E-mail:xingxm09@163.com.通信作者:任秀芳(1982—),女,漢族,博士,講師,從事擬周期動力系統(tǒng)的研究,E-mail:xiufangren@gmail.com.

      國家自然科學基金(批準號:21364016)、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金(批準號:20122111328)和新疆維吾爾自治區(qū)重點學科項目(批準號:2012ZDXK13).

      http://www.cnki.net/kcms/detail/22.1340.O.20150211.1126.001.html.

      O175.13

      :A

      :1671-5489(2015)03-0383-06

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