時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性及其守恒量

林 魏， 朱建青

(蘇州科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009)

時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性及其守恒量

林 魏， 朱建青*

(蘇州科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009)

研究了時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性及其守恒量.首先，基于時間尺度上微分方程在無限小變換下的不變性，導(dǎo)出了時間尺度上Lie對稱性的確定方程；然后，建立了時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性的結(jié)構(gòu)方程，以及時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性的Noether型守恒量；最后，舉例說明其結(jié)果的應(yīng)用.

時間尺度; 非保守系統(tǒng); Lie對稱性; 守恒量

對稱性和守恒量理論的研究是現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)中的一個重要研究領(lǐng)域，也是分析力學(xué)近代發(fā)展中的一個重要方向.1979年Lutzky等人給出了分析力學(xué)中Lie對稱性[1]，主要闡述了微分方程在無限小變換群作用下，具有不變性.此后，Lie對稱性在動力學(xué)系統(tǒng)中有了廣泛的研究[2-11].但是隨著社會生產(chǎn)的實(shí)際需要，經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)已不能滿足實(shí)際問題.

1988年Stefan Hilger提出了時間尺度上的微積分理論[12]，這種獨(dú)特的理論有效的將離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)的研究統(tǒng)一了起來，并且該理論不僅在物理學(xué)、最優(yōu)控制、工程等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用[13-18]，還在分析力學(xué)的研究中吸引了廣大學(xué)者的關(guān)注[19-23].對于時間尺度上微積分理論的研究，國內(nèi)外學(xué)者分別展現(xiàn)了自己的研究成果.如，2004年，Bohner研究了Eluer-lagrange方程在時間尺度上的表達(dá)形式及時間尺度上的偏微分問題[24-25]；2008年，Bartosiewicz和Torres將Noether對稱性推廣到了時間尺度上[26]；2010年詹再東和韋維研究了時間標(biāo)度上的Taylor公式及鏈?zhǔn)椒▌t[27]；2011年Bartosiewicz等學(xué)者進(jìn)一步研究了時間尺度上二階Eluer-lagrange方程變分問題[28]；2013年蔡平平在他的碩士論文時間坐標(biāo)上約束力學(xué)系統(tǒng)的對稱性理論研究中提出了Lie對稱性的研究[29].至此，對于時間尺度上Lie對稱性的研究剛剛起步，本文試圖對時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性及其守恒量的研究進(jìn)行些探討.

1 時間尺度上微分方程的不變性

文中所涉及時間尺度上的微積分理論的定義及其有關(guān)性質(zhì)請參閱文獻(xiàn)[13].

對于時間尺度上Lie對稱性的研究是基于微分方程在無限小變換下的不變性為出發(fā)點(diǎn)的.下面將從時間尺度上一階微分方程和二階微分方程在無限小變換下的不變性進(jìn)行討論.

1.1 時間尺度上一階微分方程的不變性

假設(shè)時間尺度T上一階微分方程表示為

(1)

取無限小變換為

x*=x+εξx，y，y*=y+εηx，y.

(2)

如果有

(3)

則稱方程(3)相對于方程(1)是在時間尺度上的保形不變的，其中Gx，y為保形因子，

根據(jù)式(3)得到

(4)

方程(4)稱為時間尺度上微分方程在無限小變換下的確定方程.

1.2 時間尺度上二階微分方程的不變性

討論時間尺度T上二階微分方程

(5)

在無限小變換下的不變性.問題轉(zhuǎn)化為如下兩個一階微分方程

ν-Δy=0，Δν-fx，y，ν=0，

(6)

的不變性，其中

(7)

取無限小變換

(8)

則

于是令

(9)

又有

(10)

在變換(8)下，方程(6)的第二個保持不變，有

(11)

現(xiàn)將式(10)代入式(11)中，并展開f，得

由時間尺度上保形不變性得

(12)

(13)

方程(13)稱為系統(tǒng)的確定方程.

2 時間尺度上Lagrange系統(tǒng)的運(yùn)動方程

設(shè)力學(xué)系統(tǒng)的位形由n個廣義坐標(biāo)qss=1，2，…，n確定，時間尺度T上非保守Lagrange系統(tǒng)的運(yùn)動方程為

(14)

(15)

將方程(14)展開，可求出所有的廣義加速度，簡記為

(16)

3 時間尺度上Lie對稱性的無限小變換與生成元

取時間t和廣義坐標(biāo)qss=1，2，…，n的無限小單參數(shù)變換群

(17)

其中，ε為小參數(shù)，ξ0，ξs為無限小變換的生成元.

引入無限小生成元向量

(18)

其一次擴(kuò)展

(19)

以及它的二次擴(kuò)展

(20)

根據(jù)微分方程在無限小變換下的不變性理論知，方程(16)在無限小變換(17)下的不變性表為

(21)

它可表為

s=1，2，…，n.

(22)

稱方程(22)為方程(16)的確定方程.

定義如果無限小變換(17)的生成元ξ0，ξs滿足確定方程(22)，則稱對應(yīng)的對稱性為時間尺度上非保守Lagrange系統(tǒng)的Lie對稱性.

4 結(jié)構(gòu)方程與守恒量

(23)

則非保守系統(tǒng)(14)存在如下形式守恒量

(24)

證明

如果T=，則σt=t，μt=0，于是式(23)給出了經(jīng)典的非保守力學(xué)系統(tǒng)的Lie對稱性的結(jié)構(gòu)方程[3]

(25)

而守恒量(24)也成為經(jīng)典的非保守力學(xué)系統(tǒng)的Lie對稱性的Noether型守恒量

(26)

5 算例

定義時間尺度T=2n:n∈∪0，假設(shè)廣義力系統(tǒng)的Lagrange函數(shù)為

(27)

受到的非保守力為

(28)

首先，由(14)式可得系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程為

(29)

(30)

其次，建立時間尺度上Lie對稱性的確定方程并求解.由確定方程(22)可得

(31)

(32)

方程(31)和(32)的解為

ξ0=0，ξ1=t，ξ2=1.

(33)

然后，建立時間尺度上Lie對稱性的結(jié)構(gòu)方程，并求解規(guī)范函數(shù).由結(jié)構(gòu)方程(23)得

(34)

由方程(34)可得

(35)

最后，求Lie對稱性導(dǎo)致的Noether型守恒量，將方程(35)代入守恒量(24)中得

(36)

如果T=，σt=t，μt=0時，由式(26)知，系統(tǒng)有如下守恒量

(37)

6 結(jié)論

本文基于時間尺度上微積分理論，結(jié)合變分原理與Taylor展開方法，研究了非保守力學(xué)系統(tǒng)的Lie對稱性.最終，得到了時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性的確定方程、結(jié)構(gòu)方程與守恒量，建立了時間尺度上非保守系統(tǒng)的Lie對稱性的Noether型守恒量.當(dāng)μt=0時，該文結(jié)果可退化到連續(xù)系統(tǒng)下的Lie對稱性.因此，本文更具一般性，其思想方法可推廣到時間尺度上非完整系統(tǒng)的Lie對稱性等的研究中.

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Liesymmetryandconservedquantityfornon-conservativesystemsontimescales

LIN Wei, ZHU Jianqing

(College of Mathematics and Physics, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, Jiangsu 215009, China)

In this paper, Lie symmetry and conserved quantity for non-conservative systems on time scales are studied. Firstly, based on the invariance of the differential equations on time scales under the infinitesimal transformations of groups, the determining equations of Lie symmetry on time scales are provided. Secondly, the structure equations of Lie symmetry for non-conservative systems on time scales are established, and formulation of the Noether conserved quantity is constructed. Finally, an example is presented to illustrate the application of the results.

time scales; non-conservative systems; Lie symmetry; conserved quantity

2017-05-12.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572212)；蘇州科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SKCX16_057)．

*通訊聯(lián)系人. E-mail: zjq@mail.usts.edu.cn.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.06.008

1000-1190(2017)06-0772-05

O316

A