5.6-bo'lim: Faza tekisligi
Differensial tenglamalar sistemasini haqiqiy echishga kirishishdan oldin biz ko'rib chiqishimiz kerak bo'lgan bitta mavzu bor. Bu har doim ham differentsial tenglamalar sinfida o'qitilmaydigan mavzu, ammo agar siz u o'qitiladigan kursda bo'lsangiz, unga tayyor bo'lishingiz uchun uni yoritishimiz kerak.
Umumiy bir hil tizimdan boshlaylik,
\[\begin{equation}\vec x' = A\vec x\label{eq:eq1}\end{equation}\]E'tibor bering
\[\vec x = \vec 0\]differensial tenglamalar sistemasining yechimidir. Biz so'ramoqchi bo'lgan narsa, \(t\) o'sishi bilan tizimning boshqa echimlari ushbu yechimga yaqinlashadimi yoki ular bu yechimdan uzoqlashadimi? Oldingi maqolada muvozanat yechimlarini tasniflaganimizda shunga o'xshash ishni qildik bo'limi. Aslida, biz bu erda qilayotgan narsa bu g'oyaning differentsial tenglamalar sistemalariga kengaytmasidir.
\(\vec x = \vec 0\) yechimi an deb ataladi muvozanatli yechim tizimi uchun. Yagona differensial tenglamalarda bo'lgani kabi, muvozanatli echimlar ham shunday echimlardir
\[A\vec x = \vec 0\]Biz \(A\) yagona bo'lmagan matritsa deb faraz qilamiz va shuning uchun faqat bitta yechim bo'ladi,
\[\vec x = \vec 0\]va shuning uchun biz faqat bitta muvozanat yechimiga ega bo'lamiz.
Yagona differensial tenglama holatida biz \(y\) qiymatlarini tanlash va \(y'\) qiymatlarini aniqlash uchun ularni \(f(y)\) funksiyasiga ulashdan boshlaganimizni eslaymiz. Keyin biz ushbu qiymatlardan \(y\) ning ma'lum bir qiymatida yechimning tangenslarini chizish uchun foydalandik. Shundan kelib chiqib, biz ba'zi yechimlarning eskizini chizishimiz va bu ma'lumotlardan muvozanatli echimlarni tasniflash uchun foydalanishimiz mumkin.
Biz bu erda shunga o'xshash narsani qilmoqchimiz, lekin u ham biroz boshqacha bo'ladi. Birinchidan, biz o'zimizni \(2 \times 2\) ishi bilan cheklaymiz. Shunday qilib, biz shakl tizimlarini ko'rib chiqamiz,
\[\begin{array}{*{20}{c}}\begin{aligned}{{x'}_1} & = a{x_1} + b{x_2}\\ {{x'}_2} & = c{x_1} + d{x_2}\end{aligned}&{\hspace{0.25in} \Rightarrow \hspace{0.25in}\hspace{0.25in}\vec x' = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}a&b\\c&d\end{array}} \right)\vec x}\end{array}\]Ushbu tizimning echimlari quyidagi shaklda bo'ladi:
\[\vec x = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{{x_1}\left( t \right)}\\{{x_2}\left( t \right)}\end{array}} \right)\]va bizning yagona muvozanat yechimimiz bo'ladi,
\[\vec x = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}0\\0\end{array}} \right)\]Yagona differensial tenglama holatida biz \(y(t)\) yechimini chiza oldik. y-t tekislang va haqiqiy echimlarni ko'ring. Biroq, bu holda bu biroz qiyin bo'ladi, chunki bizning echimlarimiz aslida vektordir. Bu erda biz nima qilmoqchimiz, tizim echimlarini \({x_1}\,{x_2}\) tekisligidagi nuqtalar deb o'ylash va bu nuqtalarni chizish. Bizning muvozanat yechimimiz \({x_1}\,{x_2}\) kelib chiqishiga mos keladi. samolyot va \({x_1}\,{x_2}\) tekisligi deyiladi faza tekisligi.
Fazalar tekisligida yechimni chizish uchun biz \(t\) qiymatlarini tanlashimiz va ularni yechimga ulashimiz mumkin. Bu bizga \({x_1}\,{x_2}\) yoki faza tekisligida biz chiza oladigan nuqtani beradi. Buni \(t\) ning ko'p qiymatlari uchun qilish, keyin bizga yechim fazalar tekisligida nima qilishining eskizini beradi. Fazalar tekisligidagi ma'lum bir yechimning eskizi deyiladi traektoriya yechimdan. Eritmaning traektoriyasini chizganimizdan so'ng, \(t\) ortishi bilan yechim muvozanat yechimiga yaqinlashadimi yoki yo'qmi, deb so'rashimiz mumkin.
Biz qo'lda echimlarsiz traektoriyalarni chizish imkoniyatiga ega bo'lishni xohlaymiz. Buni amalga oshirishning bir necha yo'li mavjud. Biz ulardan birini bu erda ko'rib chiqamiz, ikkinchisini esa keyingi ikki bo'limda ko'rib chiqamiz.
Traektoriyalar eskizini olishning usullaridan biri bu biz muvozanat yechimlarini birinchi marta ko'rganimizda qilgan ishimizga o'xshash ishni qilishdir. Biz \(\vec x\) qiymatlarini tanlashimiz mumkin (esda tutingki, ular fazalar tekisligidagi nuqtalar bo'ladi) va \(A\vec x\) ni hisoblashimiz mumkin. Bu \(\vec x'\) at ma'lum bir yechimni ifodalovchi vektorni beradi. Yagona differentsial tenglamada bo'lgani kabi, bu vektor o'sha nuqtada traektoriyaga tegib turadi. Biz bir nechta tangens vektorlarini chizamiz va keyin traektoriyalarni chizamiz.
Bu ularni bajarishning juda mehnat talab qiladigan usuli va umuman ularni amalga oshirishning usuli emas. Biroq, bu hech qanday yechim ishini qilmasdan traektoriyalarni olishning bir usuli. Bizga faqat differentsial tenglamalar sistemasi kerak. Keling, bir misolni tez ko'rib chiqaylik.
Yechim
Shunday qilib, biz qilishimiz kerak bo'lgan narsa - fazalar tekisligidagi ba'zi nuqtalarni tanlash, ularni tizimning o'ng tomoniga ulang. Biz buni bir necha nuqta uchun qilamiz.
\[\begin{align*}\vec x & = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 1}\\1\end{array}} \right) & \Rightarrow \hspace{0.25in}\vec x'& = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&2\\3&2\end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 1}\\1\end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1\\{ - 1}\end{array}} \right)\\ \vec x & = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}2\\0\end{array}} \right) & \Rightarrow \hspace{0.25in}\vec x' & = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&2\\3&2\end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}}2\\0\end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}2\\6\end{array}} \right)\hspace{0.25in}\\ \vec x & = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 3}\\{ - 2}\end{array}} \right) & \Rightarrow \hspace{0.25in}\vec x' & = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&2\\3&2\end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 3}\\{ - 2}\end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 7}\\{ - 13}\end{array}} \right)\hspace{0.25in}\end{align*}\]Xo'sh, bu bizga nimani anglatadi? Xo'sh, fazalar tekisligidagi \(\left( { - 1,1} \right)\) nuqtasida \(\left\langle {1, - 1} \right\rangle \) yo'nalishiga ishora qiluvchi vektor bo'ladi. \(\left( {2,0} \right)\) nuqtasida \(\left\langle {2,6} \right\rangle \) yo'nalishiga ishora qiluvchi vektor bo'ladi. \(\left( { - 3, - 2} \right)\) nuqtasida \(\left\langle { - 7, - 13} \right\rangle \) yo'nalishiga ishora qiluvchi vektor bo'ladi.
Buni fazalar tekisligidagi ko'p sonli nuqtalar uchun bajarish vektorlarning quyidagi eskizini beradi.

Endi biz qilishimiz kerak bo'lgan narsa - ba'zi traektoriyalarda eskiz. Buni amalga oshirish uchun yuqoridagi eskizdagi vektorlar traektoriyalarga tegishini yodda tutishimiz kerak. Shuningdek, vektorlar yo‘nalishi \(t\) ortishi bilan traektoriya yo‘nalishini beradi, shuning uchun biz traektoriyalarga o‘qlarni qo‘shish orqali yechimning vaqtga bog‘liqligini ko‘rsatishimiz mumkin.
Buni bajarish quyidagi eskizni beradi.

Ushbu eskiz deyiladi fazali portret. Odatda fazali portretlar faqat yechimlarning traektoriyalarini o'z ichiga oladi va vektorlarni emas. Ushbu nuqtani tashkil etuvchi barcha bosqichli portretlarimiz faqat traektoriyalarni o'z ichiga oladi.
Bunday holda, yechimlarning ko'pchiligi muvozanatli eritmadan uzoqlasha boshlaydi, keyin \(t\) o'sishni boshlaganda, ular muvozanat yechimiga qarab harakatlanadi va oxir-oqibat yana muvozanat eritmasidan uzoqlasha boshlaydi.
Bir oz boshqacha xatti-harakatlarga ega bo'lgan to'rtta echim borga o'xshaydi. Eritmalarning ikkitasi muvozanat eritmasidan (yoki hech bo'lmaganda) boshlanadi va so'ngra undan to'g'ridan-to'g'ri uzoqlashadi, qolgan ikkita yechim esa muvozanat eritmasidan uzoqlashadi va keyin to'g'ridan-to'g'ri muvozanat eritmasi tomon harakatlanadi.
Bunday hollarda biz muvozanat nuqtasini a deb ataymiz egar nuqtasi va bu holatda muvozanat nuqtasi deb ataymiz beqaror chunki \(t\) oshgani sayin ikkitadan tashqari barcha echimlar undan uzoqlashadi.
Yuqorida aytib o'tganimizdek, bu biz traektoriyalarni chizishimiz uchun umuman yo'l emas. Traektoriyalarni olish uchun bizga faqat \(A\) matritsasining xos qiymatlari va xos vektorlari kerak bo'ladi. Tizimlarni hal qilishda buni qanday qilishni keyingi ikki bo'limda ko'rib chiqamiz.
Bu erda yana bir nechta bosqichli portretlar mavjud, shuning uchun siz bir nechta mumkin bo'lgan misollarni ko'rishingiz mumkin. Haqiqatan ham, biz keyingi bo'limlar davomida ulardan bir nechtasini yaratamiz.




Bu erda barcha mumkin bo'lgan bosqichli portretlar ko'rsatilmagan. Bular sizga ba'zi imkoniyatlarni ko'rsatish uchun. O'qlar yo'nalishiga qarab, bir nechta turlar asimptotik barqaror yoki beqaror bo'lishi mumkinligini unutmang.
O'rtasidagi farqga e'tibor bering barqaror va asimptotik barqaror. Asimptotik barqaror tugun yoki spiralda barcha traektoriyalar muvozanat nuqtasiga qarab harakatlanadi. t ortadi, holbuki markaz (har doim barqaror) traektoriya faqat muvozanat nuqtasi atrofida harakat qiladi, lekin hech qachon unga qarab harakat qilmaydi.