Второй метод Ляпунова
Выдающийся русский математик Ляпунов в конце XIX века разработал весьма общий метод исследования на устойчивость решения системы дифференциальных уравнений
, (14)
получивший название второго метода Ляпунова.
Теорема 1 (теорема Ляпунова об устойчивости). Если существует дифференцируемая функция , называемая функцией Ляпунова, удовлетворяющая в окрестности начала координат следующим условиям:
1) , причем лишь при , т.е. функция имеет строгий минимум в начале координат;
2) при ,
то точка покоя устойчива.
Производная в условии 2) взята вдоль интегральной кривой. Это означает, что она вычислена в предположении, что аргументы функции заменены решением системы дифференциальных уравнений (14). Действительно, в этом предположении , и заменяя правыми частями системы (14), окончательно получим .
Теорема 2 (теорема Ляпунова об асимптотической устойчивости). Если существует дифференцируемая функция Ляпунова , удовлетворяющая условиям:
1) имеет строгий минимум в начале координат: ;
2) производная функции , вычисленная вдоль интегральных кривых системы (14) , причем вне сколь угодно малой окрестности начала координат, т.е. при , производная , где — постоянная, то точка покоя системы (14) асимптотически устойчива.
Теорема 3 (теорема Четаева о неустойчивости). Если существует дифференцируемая функция , удовлетворяющая в некоторой замкнутой -окрестности начала координат условиям:
1) в сколь угодно малой окрестности начала координат существует область , в которой , причем на лежащей в части границы области ;
2) в области производная , причем в области , в которой , производная , то точка покоя системы (14) неустойчива.
Пример 1. Исследовать на устойчивость тривиальное решение системы .
Берем функцию . Она удовлетворяет условиям теоремы Ляпунова об асимптотической устойчивости:
1) ;
2) . Вне окрестности начала координат .Следовательно, решение асимптотически устойчиво.
Пример 2. Исследовать на устойчивость тривиальное решение системы .
Функция удовлетворяет условиям теоремы Ляпунова об устойчивости:
1) ;
2) .
Следовательно, тривиальное решение устойчиво.
Пример 3. Исследовать на устойчивость точку покоя системы уравнений .
Функция удовлетворяет условиям теоремы Четаева о неустойчивости:
1) при ;
2) при , причем при . Следовательно, точка покоя неустойчива.
Пример 4. Исследовать на устойчивость тривиальное решение системы уравнений , если дано, что функция имеет строгий максимум в начале координат.
В качестве функции Ляпунова возьмем разность , которая, очевидно, обращается в нуль при , имеет строгий минимум в начале координат и, следовательно, удовлетворяет условию 1) теоремы Ляпунова об устойчивости. Производная вдоль интегральных кривых . Итак, условия теоремы Ляпунова об устойчивости выполнены, следовательно, тривиальное решение устойчиво.
Пример 5. Исследовать на устойчивость тривиальное решение системы уравнений , где при и все .
Тривиальное решение устойчиво, так как функция удовлетворяет условиям теоремы Ляпунова об устойчивости:
1) и ;
2) .