КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРАНСЛОЙНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ
СИСТЕМ ДВУХ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ ЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С
АНАЛИТИЧЕСКИМИ ФУНКЦИЯМИ
Введение
В [1] был разработан метод, на основе
которого в [2] были получены условия для возникновения у решений
сингулярно возмущенных обыкновенных дифференциальных уравнений в комплексной
плоскости изменения аргумента линии, разделяющей сингулярные и регулярные подобласти,
в форме петли, названной авторами «простирающимся пограничным слоем».
В [3] показано, что такие линии естественно возникают для таких уравнений
с аналитическими функциями, и предложено называть их более кратко –
погранслойными линиями.
В [4] доказано, что для любого
конечного набора точек на комплексной плоскости существует такое сингулярно
возмущенное линейное обыкновенное дифференциальное уравнение с полиномиальным
коэффициентом с начальным условием, что его решение имеет погранслойные линии, содержащие
все эти точки. В [5] найдены условия, когда погранслойные линии являются
гладкими.
В данной статье некоторые из введенных
определений расширены и уточнены для систем уравнений. Приведены примеры,
показывающие специфику двумерных уравнений.
1. Основные
определения
Будем использовать следующие обозначения:
R=(-∞,∞), R+=[0,∞);
С –
комплексная плоскость,
С1=
{Θ ∈ С,
|Θ|=1} – единичный круг направлений;
( )* - комплексное
сопряжение;
Q(G) – пространство
аналитических функций в области G ⊂ С;
ε – малый положительный вещественный
параметр.
Рассмотрим систему двух линейных уравнений
первого порядка c параметром e при производных
ε z1’(t,e)=
a11(t) z1 (t,ε)+
a12(t) z2 (t,ε),
ε z2’(t,ε)=
a21(t) z1 (t,e)+ a22(t) z2 (t,ε),
t∈ Ω⊂ С,
(1)
с начальным условием
z1(t0,ε)= z10, z2(t0,ε)= z20,
(2)
где: Ω – односвязная область, t0 –
ее внутренняя точка,
z10, z20∈ С, z10 z10*+z20 z10*≠ 0, a11(t), a12(t), a21(t), a22(t) ∈ Q(Ω).
Введем положительную вещественнозначную
функцию от решения
U(t,ε)=
z1 (t,ε) z1*(t,ε)+ z2 (t,ε)
z2*(t,ε) (3)
(для тех значений t, для
которых она существует и однозначно определена).
Определение 1. Если U(t1,ε) не
ограничено при ε → 0, то точка t1∈ Ω
называется сингулярной для задачи (1) – (2).
Определение 2. Если U(t1,ε) ограничено,
но не стремится к нулю при ε → 0, то точка t1∈ Ω
называется «промежуточной» для задачи (1) – (2).
Определение 3. Если U(t1,ε) → 0 при
ε → 0, то точка t1∈ Ω
называется регулярной для задачи (1) – (2).
Определение 4. Точка, в любой
окрестности которой существуют как регулярные, так и нерегулярные точки,
называется погранслойной точкой.
Примечание. Данные определения введены,
потому что в двумерном случае, в отличие от одномерного, есть различия между
«промежуточными» и погранслойными точками.
Определение 5. Любое множество
промежуточных (погранслойных) точек называется промежуточным (погранслойным)
множеством.
Определение 6. Промежуточное
(погранслойное) множество, являющееся непрерывным, локально взаимно-однозначным
образом отрезка, называется промежуточной (погранслойной) линией.
Определение 7. Для промежуточной
(погранслойной) точки t1∈ С число Θ ∈ С1 называется
промежуточным (погранслойным) направлением, если для любого малого σ >0 существует
такое малое δ>0, что множество
{t ∈ С |
|Arg(t- t1) - ArgΘ | <σ,
| t- t1| =δ }
содержит промежуточные (погранслойные)
точки.
Определение 8. Если в промежуточной
(погранслойной) точке имеются два промежуточных (погранслойных) направления,
составляющие угол, отличный от 1800, то она называется точкой
ветвления. Количество таких направлений, каждое из которых составляет угол,
отличный от 1800, с каким-либо другим направлением, будем называть
количественным показателем ветвления.
2. Примеры промежуточных
и погранслойных элементов в решениях систем сингулярно-возмущенных уравнений
Для иллюстрации различных случаев,
возникающих при применении определений предыдущего раздела, мы ограничимся
ситуацией, когда
a12(t)≡ 0, a21(t)≡ 0,
(4)
ε z1’(t,ε)=
a11(t) z1 (t,ε), (5)
ε z2’(t,e)=
a22(t) z2 (t,ε),
t∈ Ω⊂ С,
(6)
тогда можно будет использовать результаты
работ [2–5].
Будем также предполагать, что z10≠0, z20≠0. Будем
обозначать t= Re t + Im t = u+iv.
Пример 1 (наличие промежуточной, но
не погранслойной линии).
ε z1’(t,ε)= z1 (t,ε), ε z2’(t,ε)= - z2 (t,ε), z10=1, z20=1.
(7)
U(u+iv,ε)=
exp ((u+iv)/ ε) exp ((u- iv)/ ε) +exp
(-(u+iv)/ ε) exp (- (u- iv)/ ε)=
= exp (2u/ ε)
+ exp (-2u/ ε).
При u=0 получаем
промежуточную линию: U≡ 2. Вместе с тем, при u≠ 0 получаем,
что U(u+iv,ε) → ∞ при ε → 0. Таким
образом, регулярных точек не существует. Следовательно, не существует
погранслойных точек и погранслойных линий.
Отметим, что в одномерном случае
погранслойные линии (как частные случаи линий Стокса), а также точки ветвления
и др. получаются из условий вида (для
уравнения (5)). В двумерном случае такой связи уже нет: погранслойные и
промежуточные линии не определяются каким-либо одним равенством.
Пример 2 (2-ветвление погранслойных
линий).
ε z1’(t,ε)= z1 (t,ε), ε z2’(t,ε)= iz2 (t,ε), z10=1, z20=1.
(8)
U(u+iv,ε)=
exp ((u+iv)/ ε) exp
((u- iv)/ ε)
+exp (i(u+iv)/ ε)
(exp (i(u+iv)/ ε))*=
= exp (2u/ ε)
+ exp ((- v+iu)/ ε)
(exp ((- v-iu) / ε))
= exp (2u/ ε)+ exp (-2 v/ε).
Итак, получаются два луча: {u<0; v=0} и {u=0; v>0}, составляющие
угол 900.
Пример 3 (4-ветвление погранслойных
линий).
ε z1’(t,ε)= 2t z1 (t,ε), ε z2’(t,ε)=
2it z2 (t,ε), z10=1, z20=1.
(9)
U(u+iv,ε)=
exp ((u+iv)2/ ε)
(exp ((u+iv)2/ ε))*
+ exp (i(u+iv)2/ ε) ´
´ (exp (i(u+iv)2/ ε))*=
exp ((u2- v2+2iuv)/ ε)
exp ((u2- v2-2iuv)/ ε)+
+ exp ((-2uv+i( u2- v2))/ ε)
exp ((-2uv-i( u2- v2))/ ε)=
= exp (2(u2- v2)/ ε)
+ exp (-4uv /ε).
Здесь получаются четыре луча:
{u=0; v>0}; {u=0; v<0};
{u= v>0}; {u= v<0}.
Пример 4 (4-ветвление промежуточных и
отсутствие погранслойных линий).
ε z1’(t,ε)= 2t z1 (t,ε), ε z2’(t,ε)= -2t z2 (t,ε), z10=1, z20=1.
(10)
U(u+iv,ε)=
exp ((u+iv)2/ ε) (exp ((u+iv)2/ ε))*
+ exp (- (u+iv)2/ ε) ´
´ (exp (- (u+iv)2/ ε))*=
exp ((u2- v2+2iuv)/ ε) exp ((u2- v2-2iuv)/ ε)+
+ exp ((-u2+ v2-2iuv)/ ε)
exp ((-u2+ v2+2iuv)/ ε)=
= exp (2(u2- v2)/ ε)
+ exp (2(-u2+ v2) /ε).
Здесь получаются четыре «промежуточных»
луча: |u|=|v|. При |u|≠|v| один из
показателей экспонент оказывается положительным, то есть нет регулярных точек и
регулярных линий.
Пример 5 (наличие двух ветвей у
промежуточной и отсутствие погранслойных линий).
ε z1’(t,ε)=
(1+2t) z1 (t,ε), ε z2’(t,ε)= -(1+2t) z2 (t,ε), z10=1, z20=1.
(11)
U(u+iv,ε)=
exp ((u+iv+(u+iv)2)/ ε) (exp (((u+iv+(u+iv)2)/ ε))*
+
+ exp (-(u+iv+(u+iv)2)/ ε)
(exp (- ((u+iv+(u+iv)2)/ ε))*
=
= exp ((u+iv+u2- v2+2iuv)/ ε)
exp ((u-iv+u2- v2-2iuv)/ ε)+
+ exp (-(u+iv+(u+iv)2)/ ε)
(exp (- ((u+iv+(u+iv)2)/ ε))*
=
= exp (2(u +u2- v2)/ ε)+
exp (-2(u +u2- v2)/ ε).
Здесь промежуточная линия является
гиперболой:
Заключение
Из примеров раздела 2 возникают
следующие задачи:
- найти достаточные условия для системы
общих уравнений (1), при которых возникают явления, аналогичные перечисленным;
- найти явления для системы общих
уравнений (1), отличные от перечисленных явлений, и также найти
достаточные условия для их возникновения.
Мы надеемся получить такие результаты в
наших последующих работах.
Список литературы:
1. Алыбаев К.С.
Метод линий уровня исследования сингулярно возмущенных уравнений при нарушении
условия устойчивости // Вестник Кыргызского государственного национального
университета. – Серия 3, Выпуск 6, 2001. – С. 190–200.
2. Алыбаев К.С.,
Нарбаев М.Р. Явление простирающегося пограничного слоя для сингулярно
возмущенных уравнений при потере устойчивости // Вестник Жалал-Абадского
государственного университета. – 2008, № 1. – С. 122–126.
3. Панков П.С.,
Алыбаев К.С., Тампагаров К.Б., Нарбаев М.Р. Явление
погранслойных линий, и асимптотика решений сингулярно возмущенных линейных
обыкновенных дифференциальных уравнений с аналитическими функциями // Вестник
ОШГУ, 2013. – № 1. – C. 227–231.
4. Тампагаров К.Б.
Свойства погранслойных линий решений сингулярно возмущенных линейных дифференциальных
уравнений с полиномиальным коэффициентом // Естественные и математические науки
в современном мире: сб. ст. по матер. XLIV Междунар. науч.-практ. конф. –
Новосибирск: СибАК, 2016. – С. 106–112.
5. Тампагаров К.Б.
Гладкость погранслойных линий решений сингулярно возмущенных линейных
дифференциальных уравнений с аналитическими функциями // Естественные и
математические науки в современном мире: сб. ст. по матер. XLIV Междунар.
науч.-практ. конф. – Новосибирск: СибАК, 2016. – С. 112–117.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.