• Nenhum resultado encontrado

С. В. Лексина, Задача граничного управления для системы волновых уравнений, Матем. моделирова- ние и краев. задачи, 2007, часть 3, 123–132

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "С. В. Лексина, Задача граничного управления для системы волновых уравнений, Матем. моделирова- ние и краев. задачи, 2007, часть 3, 123–132"

Copied!
11
0
0

Texto

(1)

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

(2)

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)(x), ut(x, 0)(x), 0ÉxÉl (2)

— начальные условия;

u(x,T)1(x), ut(x,T)1(x), 0ÉxÉl (3)

— финальные условия;

u(0,t)(t), u(l,t)(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].

(3)

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=S1u, гдеS=

s11 λ22β−qs22

λ21−p

α s11 s22

— мат- рица перехода при диагонализации матрицы A. Тогда система (1)

(4)

примет вид ½

w1t t−λ21w1xx =0,

w2t t−λ22w2xx =0. (7)

Начальные условия (2) запишутся в виде







w(x, 0)=S1u(x, 0)(x)e =

µ ϕe11(x) e ϕ21(x)

, 0ÉxÉl, wt(x, 0)=S1ut(x, 0)(x)e =

µ ψe11(x) ψe21(x)

, 0ÉxÉl;

(8)

нулевые финальные условия —







w(x,T)=S1u(x,T)e1(x)=

µ ϕe12(x) e ϕ22(x)

=0, 0ÉxÉl, wt(x,T)=S1ut(x,T)e1(x)=

µ ψe12(x) ψe22(x)

=0, 0ÉxÉl;

(9)

граничные условия —









w(0,t)=S1u(0,t)=eµ(t)= Ã eµ

1(t) e µ2(t)

!

, 0ÉtÉT, w(l,t)=S1u(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

e1

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

e2

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)e1(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.

(5)

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)011(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

011(x+λ1T)+011(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

1 2

µ

011(x+λ1T)Ψ(xe 1T) λ1

. (14)

Вычитая уравнение (13) из второго уравнения системы (12), нахо- дим

µe0

1

µ T− x

λ1

1 2

µ

011(x−λ1T)Ψ(xe −λ1T) λ1

. (15)

Так какeµ(t)0,eν(t)0при 0, 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)e11(λ1t)e11(0)

2 + 1

2λ1

λ1t

Z

0

ψe11(z)d z. (17)

(6)

В уравнении (14) воспользуемся свойством продолжений функций Φe11e11 относительно точки x=l. Сделаем заменуz=T+x−lλ

1 и про- интегрировав от0доt, получим

e

ν1(t)=eν1(0)e11(l)e11(l−λ1t)

2 + 1

2λ1 Zl

l−λ1t

ψe11(z)d z. (18)

Учитывая условия согласования e

µ(0)(0)e =0, eν(0)(le )=0,

получаем окончательные выражения для управляющих функций e

µ1, eν1:

e

µ1(t)e11(λ1t)

2 + 1

2λ1

λ1t

Z

0

ψe11(z)d z. (19)

e

ν1(t)e11(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)e21(λ2t)

2 + 1

2λ2

λ2t

Z

0

ψe21(z)d z. (21)

e

ν2(t)e21(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)=S1ϕ(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 =S1ψ(x)= 1

|S|

s22 q−λβ22s22

p−λ21

α s11 s11

·

µ ψ11(x) ψ21(x)

= µ l1

l2

·ψ(x). (24)

(7)

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)(l)=0(0)(l)=0; 3) справедливы тождества





















³D l1·ϕ(x)

0

D l1·ψ(x)

E

λ1 0, 0ÉxÉl−λ1T,

³D l1·ϕ(x)

0 +

D l1·ψ(x)

E

λ1 0, λ1TÉl,

³D l2·ϕ(x)

0

D l2·ψ(x)

E

λ2 0, 0ÉxÉl−λ2T,

³D l2·ϕ(x)

0 +

D l2·ψ(x)E

λ2 0, λ2TÉxÉl,

(28)

то граничные управления u(0,t)(t) и u(l,t)(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-

(8)

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

xZ 1T

x−λ1T

Ψe12(z)d z+

e1 µx

λ1

e1

µl−x λ1

=0, fΦ012(x−λ1T)012(x+λ1T)

2 +Ψe12(x+λ1T)+Ψe12(x−λ1T)

2λ1 +

e01 µx

λ1

e01

µl−x λ1

=0.

(30)

Продифференцировав первое уравнение системы (30) поx, находим fΦ012(x−λ1T)+012(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

012(x−λ1T)+Ψ(xe −λ1T) λ1

. (32)

Вычитая из (31) второе уравнение системы (30), имеем:

Φf012(x+λ1T)Ψ(xe 1T) λ1 2

λ1 νe01

µ(l−x) λ1

=0,

(9)

νe01 µl−x

λ1

1 2

µ

012(x+λ1T)Ψ(xe 1T) 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- цийΦe12e12 относительно точкиx=0. Сделав заменуz=λx

1, проин- тегрируем от tдо T, получим

µe1(t)=eµ1(T)e12(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)e12(l−λ1T+λ1t)−ϕe12(l)

2 1

2λ1 Zl

l−λ1T1t

ψe12(z)d z

Учитывая условия согласования, получаем:

















eµ1(t)e12(λ1(T−t))

2 1

2λ1

λ1Z(T−t)

0

ψe12(z)d z,

eµ2(t)e22(λ2(T−t))

2 1

2λ2

λ2Z(T−t)

0

ψe22(z)d z.

(35)

















eν1(t)e12(l+λ1(t−T))

2 1

2λ1 Zl

l+λ1(t−T)

ψe12(z)d z,

eν2(t)e22(l+λ2(t−T))

2 1

2λ2 Zl

l+λ2(t−T)

ψe22(z)d z.

(36)

Введ¨ем дополнительные обозначения:

e

ϕ1(x)=S1ϕ1(x)= 1

|S|

s22 q−λβ22s22

p−λ21

α s11 s11

·

µ ϕ12(x) ϕ22(x)

= µ l1

l2

·ϕ1(x), (37)

(10)

ψe1(x)=S1ψ1(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)1(l)=0, ψ1(0)1(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)(t) и u(l,t)(t), переводящие покоящуюся струну в заданное состояние u(x,T)1(x), ut(x,T)= ψ1(x), имеют вид (41).

Условия (42) в случаеα=β=0совпадают с условиями, изложен- ными в [2].

(11)

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)(t)),e ν(t)=S·(eν(t)(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)(l)=0, ϕ1(0)1(l)=0; ψ(0)(l)=0 ψ1(0)1(l)=0; 3) справедливы тождества (28), (42),

то граничные управления u(0,t)(t) и u(l,t)(t), переводящие струну из состояния u(x, 0)(x), ut(x, 0)(x) в заданное состо- яние u(x,T)1(x), ut(x,T)1(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)

Referências

Documentos relacionados

В настоящей работе рассматривается обобщение задачи [6] для двух струн; оно состоит в том, что натяжения струн являются переменными и непрерывными.. Такая модель струны не яв- ляется