Симметричная форма записи системы
Запишем уравнения системы в нормальной (покоординатной) форме
................................
и запишем эти уравнения в симметричном виде
.
Или, заменяя переменные и правые части ,
получим симметричную форму записи системы
.
На переходе к симметричной форме записи основан метод интегрируемых комбинаций, которым иногда удается получить один или несколько первых интегралов и понизить тем самым порядок системы или решить ее.
Пример.
,
Автономные системы и свойства их решений.
Система называется автономной, если в ее правую часть не входит явно независимая переменная: .
Решение автономной системы можно рассматривать в пространстве координат , которое принято называть фазовым пространством.Проекция интегральной кривой на это пространство называется фазовой траекторией(или просто траекторией). Вообще говоря, любую систему можно сделать автономной, вводя дополнительную фазовую координату – независимую переменную
и дополнительное уравнение
. Фазовое пространство такой системы принято называть расширенным фазовым пространством.
Свойства решений автономных систем.
1) Если - решение системы, то и
тоже решение.
.
Следствие. Фазовая траектория - это та же фазовая траектория, что и
.
В самом деле, любая точка первой фазовой траектории является точкой
второй фазовой траектории и наоборот.
2) Две фазовых траектории либо не имеют общих точек, либо совпадают.
Пусть две различных фазовых траектории имеют общую точку
. Рассмотрим решение
.
. Следовательно, по теореме Коши
. Но
- это траектория
, сдвинутая на
по аргументу. По следствию, обе фазовые траектории являются одной фазовой траекторией.
Следствие. Множество фазовых траекторий автономной системы в фазовом пространстве представляет собой совокупность непересекающихся кривых.
Точка называется точкой покоя (точкой равновесия) автономной системы, если
.
3) Если точка - точка покоя, то
- решение системы.
В самом деле, .
4) Любая фазовая траектория автономной системы есть траектория одного из трех типов:
1) гладкая, не самопересекающаяся кривая,
2) замкнутая гладкая кривая,
3) точка покоя.
Фазовый поток.
Рассмотрим решение задачи Коши автономной системы . Определим фазовый поток как оператор
сдвига (по аргументу
) по фазовым траекториям системы
=
.
Рассмотрим некоторую область фазового пространства (фазовым) объемом
. Фазовый поток переводит эту область в область
объемом
.
Справедлива теорема Лиувилля .
Здесь мерой в фазовом пространстве может служить фазовый объем
,
(дивергенция векторного поля правых частей системы или след матрицы Якоби). Левая часть этой формулы представляет собой изменение фазового объема в единицу «времени» – аргумента, т.е. известный из теории поля поток векторного поля правых частей системы – фазовых скоростей. Приведенная формула аналогична формуле Остроградского – Гаусса в теории поля.
Если , то
.
Если , то
, что дает формулу для определения фазового объема
, что совпадает с формулой Остроградского – Лиувилля определителя Вронского для линейных автономных систем. Поэтому определитель Вронского имеет смысл фазового объема (определитель всегда имеет смысл некоторого объема, вспомним хотя бы смысл смешанного произведения векторов).