Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
С. В. Лексина, Задача граничного управления для системы волновых уравнений, Матем. моделирова- ние и краев. задачи, 2007, часть 3, 123–132
Использование Общероссийского математического портала Math- Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользователь- ским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement Параметры загрузки:
IP: 178.128.90.69
6 ноября 2022 г., 06:11:49
1. Лежнев В. Г., Данилов Е. А. Задачи плоской гидродинамики. — Красно- дар: КубГУ, 2000. — 92 c.
2. Лежнев В. Г.Функция тока задачи плоского обтекания, потенциал Робе- на и внешняя задача Дирихле // ДАН, 2004. — Т. 394, № 5. — С. 615–617.
3. Лежнев М. В.Обтекание плоского профиля с точечными вихрями // Ин- новационные технологии в образовательном процессе: Материалы VIII межрегион. научно-метод. конф. — Краснодар: Изд-во КВАУЛ, 2006. — Т. 2. — С. 77–82.
4. Новиков П. С. Об единственности решения обратной задачи потенциа- ла // ДАН СССР, 1938. — Т. XVIII, № 3. — C. 165–168.
5. Лежнев М. В.Внутренние вихри с условием прилипания на границе //
Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Тр. II Всерос. научн. конф. молодых уч¨еных и студентов. — Краснодар: Изд-во «Просвещение–Юг», 2005. — Т. 2. — С. 114–115.
Работа поддержана грантом Российским фондом фундаментальных ис- следований(грант № 06–01–96648).
Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар
lezhnev@kubstu.ru; lzhnv@mail.kubsu.ru
УДК 517.956
С. В. Лексина
ЗАДАЧА ГРАНИЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ВОЛНОВЫХ УРАВНЕНИЙ
Рассмотрим систему уравнений
ut t−Auxx=0, (1)
в областиQl,T=[0ÉxÉl]×[0ÉxÉT], гдеu=
µ u1(x,t) u2(x,t)
¶
;A=
µ p α β q
¶
— постоянная матрица.
Пусть
u(x, 0)=ϕ(x), ut(x, 0)=ψ(x), 0ÉxÉl (2)
— начальные условия;
u(x,T)=ϕ1(x), ut(x,T)=ψ1(x), 0ÉxÉl (3)
— финальные условия;
u(0,t)=µ(t), u(l,t)=ν(t), 0ÉtÉT (4)
— краевые (граничные) условия, гдеϕ,ψ,ϕ1,ψ1,µ,ν— вектор-функ- ции такие, чтоϕ(x), ϕ1(x)∈C2[0,l],ψ,ψ1∈C1[0,l].
Отметим, что система (1) описывает продольно-крутильное ко- лебание длинной естественно закрученной нити [1].
Решение задачи граничного управления для системы (1) будем искать, как решение краевых задач с заданными начальными усло- виями (2) и краевыми условиями (4), которые обеспечивают выпол- нение финальных условий (3).
Известно [2], что в основе задачи управления колебанием стру- ны лежит решение задачи с начальными и финальными условиями для волнового уравнения.
ЗАДАЧА С НАЧАЛЬНЫМИ УСЛОВИЯМИ.Найтиu(x,t)∈C2(Ql,T), удо- влетворяющую (1), (2), (4).
ЗАДАЧА С ФИНАЛЬНЫМИ УСЛОВИЯМИ. Найти u(x,t)∈C2(Ql,T), удовлетворяющую (1), (3), (4).
Рассмотрим задачу с начальными условиями.
ЗАДАЧА1 (УПРАВЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЯМИ СТРУН В УСЛОВИЯХ ПЕР-
ВОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ). Найти функции µ(t), ν(t)∈C2[0,T] такие, чтобы для решения u(x,t) первой краевой задачи с заданными начальными условиями (2) в момент времени 0ÉTÉ l
max{λ21,λ22} вы- полнялись финальные условия (3).
Рассмотрим две вспомогательные задачи.
ЗАДАЧА 2 (ЗАДАЧА О ГАШЕНИИ КОЛЕБАНИЙ). Найти функции µ(t), ν(t)∈C2[0,T] такие, что для решения u(x,t) первой краевой задачи с заданными начальными условиями (2) в момент времени t=T выполнялись нулевые финальные условия
u(x,T)=0,ut(x,T)=0, 0ÉxÉl. (5) ЗАДАЧА3 (О ПЕРЕВОДЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНО ПОКОЯЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ СТРУН В ЗАДАННОЕ СОСТОЯНИЕ).Найти функции µ(t), ν(t)∈C2[0,T] такие, чтобы для решения u(x,t) первой краевой задачи с нуле- выми начальными условиями
u(x, 0)=0, ut(x, 0)=0, 0ÉxÉl, (6) в момент времени t=T выполнились финальные условия (3).
Решение задачи 1 будем искать как сумму решений задачи 2 и задачи 3.
Рассмотрим случай, когда собственные значения матрицыA, λ21, λ22— действительны и различны.
Введ¨ем обозначениеw=S−1u, гдеS=
s11 λ22β−qs22
λ21−p
α s11 s22
— мат- рица перехода при диагонализации матрицы A. Тогда система (1)
примет вид ½
w1t t−λ21w1xx =0,
w2t t−λ22w2xx =0. (7)
Начальные условия (2) запишутся в виде
w(x, 0)=S−1u(x, 0)=ϕ(x)e =
µ ϕe11(x) e ϕ21(x)
¶
, 0ÉxÉl, wt(x, 0)=S−1ut(x, 0)=ψ(x)e =
µ ψe11(x) ψe21(x)
¶
, 0ÉxÉl;
(8)
нулевые финальные условия —
w(x,T)=S−1u(x,T)=ϕe1(x)=
µ ϕe12(x) e ϕ22(x)
¶
=0, 0ÉxÉl, wt(x,T)=S−1ut(x,T)=ψe1(x)=
µ ψe12(x) ψe22(x)
¶
=0, 0ÉxÉl;
(9)
граничные условия —
w(0,t)=S−1u(0,t)=eµ(t)= Ã eµ
1(t) e µ2(t)
!
, 0ÉtÉT, w(l,t)=S−1u(l,t)=eν(t)=
µ eν1(t) e ν2(t)
¶
, 0ÉtÉT,
(10)
где0ÉTÉ 1
max{λ21,λ22}.
Решение первой краевой задачи с начальными условиями для системы (7) имеет вид
w1(x,t)=Φe11(x+λ1t)+Φe11(x−λ1t)
2 + 1
2λ1
x+λZ 1t
x−λ1t
Ψe11(z)d z+
+eµ
1
µ t− x
λ1
¶ +νe1
µ t+x−l
λ1
¶ , w2(x,t)=Φe21(x+λ2t)+Φe21(x−λ2t)
2 + 1
2λ2
x+λZ 2t
x−λ2t
Ψe21(z)d z+
+eµ
2
µ t− x
λ2
¶ +νe2
µ t+x−l
λ2
¶ .
(11)
Функции Φe11, Ψe11— неч¨етные продолжения функций ϕe11, ψe11 соот- ветственно на сегменты[−l; 0],[l; 2l]; функцииµe
1,eν1удовлетворяют следующим условиям: eµ
1(t)=µe1(t)на[0;T],µ(0)e =0,µ(t)e ≡0при t<0. Аналогичным условиям удовлетворяет функция eν1. Функции Φe21, Ψe21 удовлетворяют тем же условиям.
Рассмотрим первое уравнение системы (11). Воспользовавшись нулевыми финальными условиями (9), получим
Φe11(x+λ1T)+Φe11(x−λ1T)
2 + 1
2λ1
x+λZ 1T
x−λ1T
Ψe11(z)d z+
+eµ
1
µ T− x
λ1
¶ +eν1
µ
T+x−l λ1
¶
=0, fΦ011(x+λ1T)−fΦ011(x−λ1T)
2 +Ψe11(x+λ1T)+Ψe11(x−λ1T)
2λ1 +
+1 λ1µe0
1
µ T− x
λ1
¶ + 1
λ1νe01 µ
T+x−l λ1
¶
=0.
(12)
После дифференцирования первого уравнения системы (12) по x имеем
fΦ011(x+λ1T)+fΦ011(x−λ1T)
2 +Ψe11(x+λ1T)−Ψe11(x−λ1T)
2λ1 −
− 1 λ1µe0
1
µ T− x
λ1
¶ + 1
λ1νe01 µ
T+x−l λ1
¶
=0. (13) Сложим уравнения (13) и второе уравнение системы (12), получим
νe01 µ
T+x−l λ1
¶
=λ1 2
µ
−fΦ011(x+λ1T)−Ψ(xe +λ1T) λ1
¶
. (14)
Вычитая уравнение (13) из второго уравнения системы (12), нахо- дим
µe0
1
µ T− x
λ1
¶
=λ1 2
µ
fΦ011(x−λ1T)−Ψ(xe −λ1T) λ1
¶
. (15)
Так какeµ(t)≡0,eν(t)≡0при tÉ0, то получаем следующие условия:
( ϕe011(x)−ψe11λ(x)
1 =0, 0ÉxÉl−λ1T,
ϕe011(x)+ψe11λ(x)
1 =0, λ1T ÉxÉl. (16)
В уравнении (15) воспользуемся свойством продолжений функ- ций Φe11, Ψe11 относительно точкиx=0. Сделаем замену z=T−λx
1 и, проинтегрировав от0доt, находим
e µ1(t)=eµ
1(0)+ϕe11(λ1t)+ϕe11(0)
2 + 1
2λ1
λ1t
Z
0
ψe11(z)d z. (17)
В уравнении (14) воспользуемся свойством продолжений функций Φe11,Ψe11 относительно точки x=l. Сделаем заменуz=T+x−lλ
1 и про- интегрировав от0доt, получим
e
ν1(t)=eν1(0)+ϕe11(l)+ϕe11(l−λ1t)
2 + 1
2λ1 Zl
l−λ1t
ψe11(z)d z. (18)
Учитывая условия согласования e
µ(0)=ϕ(0)e =0, eν(0)=ϕ(le )=0,
получаем окончательные выражения для управляющих функций e
µ1, eν1:
e
µ1(t)=ϕe11(λ1t)
2 + 1
2λ1
λ1t
Z
0
ψe11(z)d z. (19)
e
ν1(t)=ϕe11(l−λ1t)
2 + 1
2λ1 Zl
l−λ1t
ψe11(z)d z. (20)
Проведя аналогичные рассуждения можно выписать выражения для e
µ2, eν2:
e
µ2(t)=ϕe21(λ2t)
2 + 1
2λ2
λ2t
Z
0
ψe21(z)d z. (21)
e
ν2(t)=ϕe21(l−λ2t)
2 + 1
2λ2 Zl
l−λ2t
ψe21(z)d z. (22)
Для записи выражений для управляющих функцийµ(t),ν(t)введ¨ем дополнительные обозначения:
e
ϕ(x)=S−1ϕ(x)= 1
|S|
s22 q−λβ22s22
p−λ21
α s11 s11
·
µ ϕ11(x) ϕ21(x)
¶
= µ l1
l2
¶
·ϕ(x), (23)
ψ(x)e =S−1ψ(x)= 1
|S|
s22 q−λβ22s22
p−λ21
α s11 s11
·
µ ψ11(x) ψ21(x)
¶
= µ l1
l2
¶
·ψ(x). (24)
Используя обозначения (23), (24), запишем
e µ(t)=
à eµ
1(t) e µ2(t)
!
=
D
l1·ϕ(λ1t) E
2 + 1
2λ1
λ1t
Z
0
D l1·ψ(z)
E d z D
l2·ϕ(λ2t) E
2 + 1
2λ2
λ2t
Z
0
D l2·ψ(z)
E d z
, (25)
e ν(t)=
µ eν1(t) e ν2(t)
¶
=
− D
l1·ϕ(l−λ1t) E
2 + 1
2λ1 Zl
l−λ1t
D l1·ψ(z)
E d z
− D
l2·ϕ(l−λ2t) E
2 + 1
2λ2 Zl
l−λ2t
D l2·ψ(z)
E d z
, (26)
где〈a·b〉— скалярное произведение векторов.
Управляющие функции в условиях первой краевой задачи при- мут вид
µ(t)=S·µ(t),e ν(t)=S·eν(t) (27) УТВЕРЖДЕНИЕ1.Для любого 0<T<max{λ1
1,λ2} и для любых фун- кций ϕ, ψ, удовлетворяющих следующим условиям:
1) ϕ(x)∈C2[0,l], ψ(x)∈C1[0,l]; 2) ϕ(0)=ϕ(l)=0;ψ(0)=ψ(l)=0; 3) справедливы тождества
³D l1·ϕ(x)
E´0
−
D l1·ψ(x)
E
λ1 ≡0, 0ÉxÉl−λ1T,
³D l1·ϕ(x)
E´0 +
D l1·ψ(x)
E
λ1 ≡0, λ1TÉl,
³D l2·ϕ(x)
E´0
−
D l2·ψ(x)
E
λ2 ≡0, 0ÉxÉl−λ2T,
³D l2·ϕ(x)
E´0 +
D l2·ψ(x)E
λ2 ≡0, λ2TÉxÉl,
(28)
то граничные управления u(0,t)=µ(t) и u(l,t)=ν(t), гасящие коле- бания, имеют вид (27).
Условия (28) в случаеα=β=0совпадают с условиями, изложен- ными в [2].
Найд¨ем решение задачи 3. Решение краевой задачи для финаль-
ных условий (7), (9), (10) имеет вид:
w1(x,t)=Φe12(x+λ1(T−t))+Φe12(x−λ1(T−t))
2 −
− 1 2λ1
x+λZ1(T−t)
x−λ1(T−t)
Ψe12(z)d z+eµ1 µ
t+ x λ1
¶ +eν1
µ t+l−x
λ1
¶ ,
w2(x,t)=Φe22(x+λ2(T−t))+Φe22(x−λ2(T−t))
2 −
− 1 2λ2
x+λZ2(T−t)
x−λ2(T−t)
Ψe22(z)d z+eµ2 µ
t+ x λ2
¶ +eν2
µ t+l−x
λ2
¶ .
(29)
Воспользуемся тем, что в начальный момент времени струна поко- илась. Относительно первого уравнения системы (26) получим
Φe12(x+λ1T)+Φe12(x−λ1T)
2 − 1
2λ1
x+λZ 1T
x−λ1T
Ψe12(z)d z+
+µe1 µx
λ1
¶ +νe1
µl−x λ1
¶
=0, fΦ012(x−λ1T)−fΦ012(x+λ1T)
2 +Ψe12(x+λ1T)+Ψe12(x−λ1T)
2λ1 +
+µe01 µx
λ1
¶ +νe01
µl−x λ1
¶
=0.
(30)
Продифференцировав первое уравнение системы (30) поx, находим fΦ012(x−λ1T)+fΦ012(x+λ1T)
2 +
+−Ψe12(x+λ1T)+Ψe12(x−λ1T)
2λ1 +e
µ01 µx
λ1
¶
−e ν01
µl−x λ1
¶
=0. (31) Сложим второе уравнение системы (30) и уравнение (31), получим
Φf012(x−λ1T)+Ψ(xe −λ1T) λ1 + 2
λ1 µe01
µ x λ1
¶
=0,
µe01 µ x
λ1
¶
= −λ1 2
µ
fΦ012(x−λ1T)+Ψ(xe −λ1T) λ1
¶
. (32)
Вычитая из (31) второе уравнение системы (30), имеем:
Φf012(x+λ1T)−Ψ(xe +λ1T) λ1 − 2
λ1 νe01
µ(l−x) λ1
¶
=0,
νe01 µl−x
λ1
¶
=λ1 2
µ
fΦ012(x+λ1T)−Ψ(xe +λ1T) λ1
¶
. (33)
Посколькуµ(t)=0,ν(t)=0, tÊT, то получаем следующие условия на функцииϕe12,ψe12:
( ϕe012(x)+ψe12λ(x)
1 ≡0, 0ÉxÉx−λ1T,
ϕe012(x)−ψe12λ(x)
1 ≡0, λ1TÉxÉl. (34)
В уравнении (32) воспользуемся свойствами продолжения функ- цийΦe12,Ψe12 относительно точкиx=0. Сделав заменуz=λx
1, проин- тегрируем от tдо T, получим
µe1(t)=eµ1(T)+ϕe12(λ1T−λ1t)−ϕe12(0)
2 − 1
2λ1
λ1TZ−λ1t
0
ψe12(z)d z.
В уравнении (33) воспользуемся свойствами продолжения функ- цийΦe12, Ψe12относительно точкиx=l, сделаем заменуz=lλ−x
1 и про- интегрируем отt доT:
eν1(t)=eν1(T)+ϕe12(l−λ1T+λ1t)−ϕe12(l)
2 − 1
2λ1 Zl
l−λ1T+λ1t
ψe12(z)d z
Учитывая условия согласования, получаем:
eµ1(t)=ϕe12(λ1(T−t))
2 − 1
2λ1
λ1Z(T−t)
0
ψe12(z)d z,
eµ2(t)=ϕe22(λ2(T−t))
2 − 1
2λ2
λ2Z(T−t)
0
ψe22(z)d z.
(35)
eν1(t)=ϕe12(l+λ1(t−T))
2 − 1
2λ1 Zl
l+λ1(t−T)
ψe12(z)d z,
eν2(t)=ϕe22(l+λ2(t−T))
2 − 1
2λ2 Zl
l+λ2(t−T)
ψe22(z)d z.
(36)
Введ¨ем дополнительные обозначения:
e
ϕ1(x)=S−1ϕ1(x)= 1
|S|
s22 q−λβ22s22
p−λ21
α s11 s11
·
µ ϕ12(x) ϕ22(x)
¶
= µ l1
l2
¶
·ϕ1(x), (37)
ψe1(x)=S−1ψ1(x)= 1
|S|
s22 q−λβ22s22
p−λ21
α s11 s11
·
µ ψ12(x) ψ22(x)
¶
= µ l1
l2
¶
·ψ1(x). (38) Используя обозначения (37) и (38), выражения (35), (36) перепишут- ся так:
µ(t)e =µ eµ1(t) eµ2(t)
¶
=
D
l1·ϕ1(λ1(T−t)) E
2 − 1
2λ1
λ1Z(T−t)
0
D
l1·ψ1(z) E
d z D
l2·ϕ1(λ2(T−t)) E
2 − 1
2λ2
λ2Z(T−t)
0
D
l2·ψ1(z) E
d z
, (39)
ν(t)e =µ eν1(t) νe2(t)
¶
=
D
l1·ϕ1(l−λ1(T−t)) E
2 − 1
2λ1 Zl
l−λ1(T−t)
D
l1·ψ(1z) E
d z D
l2·ϕ1(l−λ2(T−t)) E
2 − 1
2λ2 Zl
l−λ2(T−t)
D
l2·ψ1(z) E
d z
. (40)
Используя данные обозначения, управляющие функции можно записать в виде
µ(t)=S·µ(t),e ν(t)=S·eν(t). (41) УТВЕРЖДЕНИЕ2.Для любого 0<T<max{λ1
1,λ2} и для любых фун- кций ϕ1, ψ1, удовлетворяющих следующим условиям:
1) ϕ1(x)∈C2[0,l], ψ1(x)∈C1[0,l]; 2) ϕ1(0)=ϕ1(l)=0, ψ1(0)=ψ1(l)=0; 3) справедливы тождества
³D
l1·ϕ1(x) E´0
+
D l1·ψ1(x)
E
λ1 ≡0, 0ÉxÉl−λ1T,
³D
l2·ϕ1(x) E´0
+
D l2·ψ1(x)
E
λ2 ≡0, λ1TÉl,
³D
l1·ϕ1(x) E´0
−
D l1·ψ1(x)
E
λ1 ≡0, 0ÉxÉl−λ2T,
³D
l2·ϕ1(x) E´0
−
D l2·ψ1(x)
E
λ2 ≡0, λ2TÉxÉl,
(42)
то граничные управления u(0,t)=µ(t) и u(l,t)=ν(t), переводящие покоящуюся струну в заданное состояние u(x,T)=ϕ1(x), ut(x,T)= ψ1(x), имеют вид (41).
Условия (42) в случаеα=β=0совпадают с условиями, изложен- ными в [2].
Решение общей задачи управления получается как сумма ре- шений задач гашения колебаний и перевода покоящейся струны в заданное состояние. Следовательно,
µ(t)=S·(eµ(t)+µ(t)),e ν(t)=S·(eν(t)+ν(t))e (43) УТВЕРЖДЕНИЕ3.Для любого 0<T<max{λ1
1,λ2} и для любых функций ϕ, ψ [ϕ1,ψ1], удовлетворяющих следующим условиям:
1) ϕ(x), ϕ1(x)∈C2[0,l], ψ(x), ψ1(x)∈C1[0,l];
2) ϕ(0)=ϕ(l)=0, ϕ1(0)=ϕ1(l)=0; ψ(0)=ψ(l)=0 ψ1(0)=ψ1(l)=0; 3) справедливы тождества (28), (42),
то граничные управления u(0,t)=µ(t) и u(l,t)=ν(t), переводящие струну из состояния u(x, 0)=ϕ(x), ut(x, 0)=ψ(x) в заданное состо- яние u(x,T)=ϕ1(x), ut(x,T)=ψ1(x), имеют вид (43).
Результаты, полученные в работах [2, 3] для волнового уравне- ния, полностью совпадают с результатами, изложенными в данной работе приα=β=0.
1. Горошко О. Ф., Чиж А. А.К вопросу о продолно-крутильных колебани- ях упругой естественно закрученной нити (каната) переменной длины с концевым грузом, движущимся по ж¨естким направляющим / В кн.:
Стальные канаты — Киев: Техника, 1964. — Т. 1. — С. 56–64.
2. Знаменская Л. Н.Управление упругими колебаниями. — М.: Физматлит, 2004. — 176 с.
3. Ильин В. А.Волновое уравнение с граничным управлением на двух кон- цах за произвольный промежуток времени // Дифференц. уравнения, 1999. — Т. 35, № 11. — C. 1517–1534.
Самарский государственный университет, г. Самара lesveta@rambler.ru
УДК 517.95
И. Д. Макарова
W12-УСТОЙЧИВОСТЬ РЕШЕНИЯ СМЕШАННОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ ПОЧТИ ЛИНЕЙНОЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
НА ПЛОСКОСТИ
Введение.Рассмотрим в полуполосе Π=[0, 1]×[0,∞)гиперболи- ческую систему
∂u
∂t +A(x)∂u
∂x+B(x)u+f(x,u)=0. (1)