Например, Бобцов

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОЧЛЕННЫХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ АППРОКСИМАЦИЙ ЧЕБЫШЕВА

В.Г. Мельников

7 МЕХАНИКА И МЕХАТРОНИКА

УДК 531.01+681.5.03+531.07
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОЧЛЕННЫХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ АППРОКСИМАЦИЙ ЧЕБЫШЕВА
В.Г. Мельников

Рассматривается процесс преобразований уравнений автономных механических систем многочленной структуры со многими степенями свободы, связанный с методом нормализации Пуанкаре–Дюлака. Вносится изменение в метод, состоящее в аппроксимации остаточных членов высоких степеней многочленами меньших степеней с сохранением их в уравнениях, обеспечивающее существенное повышение точности преобразованной системы. При этом используется свойство мономов высоких степеней содержать переменные в высоких степенях, допускающих применение метода экономизации Чебышева. Ключевые слова: автономная система динамических уравнений, многочленное преобразование фазовых координат, нормальные формы Пуанкаре–Дюлака, экономизации Чебышева.

Введение

Важным этапом исследования движения каждой динамической системы с сосредоточенными параметрами в конечной окрестности нуля фазового пространства является преобразование ее в систему уравнений с уменьшенным количеством параметров, символьных констант [1–3]. Минимизация количества существенных констант упрощает последующий аналитический и численный анализ. Вначале обычно выполняется преобразование подобия – изменение масштабов переменных, затем выполняется замена переменных, соответствующая структуре уравнений. Для автономных уравнений возмущенного движения широко используется метод нормализации Пуанкаре–Дюлака, формального многочленного преобразования дифференциальных уравнений с сохранением в преобразованной системе множества неустранимых «резонансных» или близких к резонансным констант – коэффициентов при мономах. При этом сходимость рядов гарантирована лишь при весьма жестких ограничениях, поэтому метод относят в основном к асимптотическим методам [4–6]. В случае сходимости рядов формальная эквивалентность преобразованной и исходной систем становится аналитической эквивалентностью в некоторой области сходимости, которая может оказаться весьма малой. При практическом применении асимптотического метода рекомендуется проверка идентичности существенных динамических свойств исходной и преобразованной систем [2]. В [5, 7] рассмотрены, в частности, автономные системы с правыми частями в виде многочленов высокой степени, для которых развит метод многочленного преобразования с сохранением в преобразованной системе мономов с резонансными и близкими к резонансным индексами во избежание появления малых делителей, в [8] метод применен к системе управления.
В настоящей работе предлагается существенное изменение метода многочленных преобразований в направлении уменьшения невязок, повышения точности преобразованной модели. Уточнение преобразованной модели достигается тем, что в процессе выполнения преобразований остаточные члены уравнений, составленные из мономов высоких степеней, не отбрасываются, они аппроксимируются многочленами меньших степеней по методу экономизации Чебышева [9–13] и включаются в преобразованные уравнения, а к пренебрегаемым членам отнесены лишь погрешности этих аппроксимаций. Данный прием основан на очевидном свойстве каждого монома достаточно высокой степени содержать фазовые коор-
динаты в степенях s  3 , допускающих приближение многочленами меньших степеней с небольшой от-
носительной погрешностью. Расчетные алгебраические формулы для констант модифицированного метода преобразований не рекуррентны, поэтому константы вычисляются с применением метода малого параметра, причем за порождающие решения алгебраической системы принимаются решения по методу Пуанкаре–Дюлака. Модифицированный метод приводит, в общем случае, к некоторым изменениям собственных значений матрицы линейной части преобразованной системы.

Постановка задачи

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений с правыми частями в виде сумм однородных многочленов степеней 1, 2, ..., m с малыми коэффициентами при нелинейных членах:

dxi
dt

m
 X ai ,
| |1

i  1,..., n,

xD .

(1)

Здесь

ai

 a(1...n ) i

 O()

при

| | 2 ;   (1... n )

– векторные индексы суммирования;

X



x1 1

...xn

n



мономы степеней | | 1  ...  n ; D  {x  [x1,..., xn ]  Rn : | xi | r, i  1,..., n,} – окрестность нуля фазо-

вого пространства. Однородные линейные многочлены в (1) вида

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 4 (80)

85

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОЧЛЕННЫХ СИСТЕМ …

 x ai  x1aie1  ...  xneien  x1ai1  ...  xnain записаны с применением единичных векторных индексов
| |1
ej  (0...010...0) , собственные числа   [1 ,..., n ] матрицы A  [aij ]1n линейной части системы предпо-
лагаем существенно различными, i   j при i  j .
Считаем, что система (1) описывает движение некоторого класса механических систем с сосредоточенными параметрами с пренебрежимо малыми погрешностями.
Ставится задача о многочленном преобразовании степени m фазовых переменных, где m  max(m, 2n) , с измененными формулами для определения констант. Изменение состоит в том, что
остаточными членами, составленными из мономов степеней больших, чем m , которые появляются в процессе преобразования, не пренебрегаем, сохраняем их приближенно в уравнениях в виде аппроксимирующих многочленов степени m , найденных методом экономизации Чебышева.
Замечание. Если система (1) получена из классических автономных уравнений возмущенного движения посредством приближения голоморфных функций частичными суммами в O() – окрестности
нуля фазового пространства и масштабного преобразования окрестности в единичную область D , то в (1) можно считать ai  O(| |1) при | | 2 , что не влияет на процесс преобразований.
Целесообразна проверка преобразованной модели с позиции сохранения существенных динамических свойств, например, методом функций Ляпунова [2, 7, 14].

Многочленные преобразования со встроенными экономизациями Чебышева

Введем в рассмотрение множество особых (резонансных) индексов Ni  Ni2  Ni3  Nim , где
подмножества Nik находятся как семейства целочисленных неотрицательных решений системы двух алгебраических уравнений:

  Nik ()  1ik ,..., ink : 1ik 1  ...  ink n  i  0, 1k   nk  k , i  1,..., n .

(2)

Введем замену фазовых переменных в форме многочленов назначаемой степени m с комплекс-

ными константами

m nm

  yi  X bi  x jbij  X bik , m  max (m, 2n), i  1,..., n ,

| |1

j 1 |k|2

(3)

с неособой матрицей B  [bij ]1n , с малыми коэффициентами bik  O() при | k | 2 , k  (k1...kn ) . Назовем невязками i (x) следующие дифференциальные выражения, вычисляемые на решениях системы (1) с

подлежащими определению комплексными константами pi :

i



dyi dt

 i yi

m
 Y
||  2

pi

Ni

i  1,..., n .

(4)

Ставится задача выбора коэффициентов преобразования (3) и резонансных коэффициентов pi из
условия минимизации невязок i . В силу уравнений (1) и выражений (3) получаем невязки в виде разности двух многочленов сте-

пеней (m  m 1) и m2 вида

   i 

X  e j bi aj  j 

j, , 



   

X 'b1 

1 

...



x

'bn



n 

pi ,

i  1,..., n .

(5)

Каждую функцию (5) представляем посредством приведения подобных членов в виде суммы од-

нородных многочленов степеней 1,..., m и дополнительных многочленов i (x) со степенями мономов

m 1, m  2,..., m2 :

m m2

 i (x)  X hi  i (x), при i 

X ri , i  O(2 ) .

| |1

| |m1

(6)

Вносим изменение в классический метод преобразований. Вместо отбрасывания функций i (x)

аппроксимируем их многочленами степени m и присоединяем эти многочлены к первой сумме выраже-

ния (6), пренебрегаем лишь погрешностями этих аппроксимаций. Здесь используем очевидное утвержде-

ние: любой моном

x



x1 1

...xnn

степени

| | m

при

m  2n 1

содержит, по меньшей мере, один множи-

тель

x j j

в степени  j  3 , в связи с чем его можно приблизить с небольшой погрешностью многочленом

меньшей степени на единичном интервале по формулам экономизаций Чебышева [10–12]. Например, на

86 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 4 (80)

В.Г. Мельников

интервалах r  xj  r с оценками погрешностей   0, 25r3; 0,13r4 ; 0, 06r5; 0, 03r6 имеем аппроксима-

ции

x3j



3 4

r2xj,

x

4 j



r 2 x2j



r4 8

,

x5j



5 4

r 2 x3j



5 16

r

4

x

j

,

x6j



3 2

r

2

x

4 j



9 16

r

4

x

2 j



1 r6. 32

В аппроксимациях некоторых мономов четных степеней могут выделяться постоянные слагаемые.

Для исключения таких случаев используем альтернативные аппроксимации, например,

x4j



x j x3j



3 4

x

2 j

r

2

,

x6j



5 4

x

4 j

r

2



5 16

x

2 j

r

4

.

Процесс

последовательных

экономизаций

можно

заменить

пред-

ставлением мономов через функции Чебышева с отбрасыванием функций высоких степеней с малыми множителями [10–12]. В результате выполнения последовательности экономизаций все мономы степени

| | m аппроксимируются многочленами со степенями не превосходящими m .

Посредством выделения квадратичного множителя можно ценою некоторого понижения точности

выполнить экономизации без линейных и свободных членов, например, x5j  x2j x3j  3x3j / 4 . При двукрат-

ном понижении степени получаем x5j  5x j / 8, x6j  5x2j / 8 .

Допустим, что в (6) дополнительные многочлены высоких степеней i (x)  O(2 ) аппроксимированы многочленами степени m без выделения свободных членов:

m
i  X ci  i (x), i  1,..., n, x  D . | |1

(7)

Подставляя выражения (7) в (6), получаем невязки i в форме многочленов от переменных xj

степени m с погрешностями i (x)

m
i (x)  X (hi  ci )  i , i  1,..., n, x  D . | |1

(8)

Константы bi , pi будем определять из условий равенства нулю всех коэффициентов при X в выражениях (8):

hi  ci  0 ,  1,..., n  : | | 1,..., m, i  1,..., n,   1,

(9)

где формальным множителем   1 отмечены малые слагаемые ci  O(2 ) , выделенные из дополнительных многочленов высоких степеней.

Алгебраическую систему (9), содержащую неизвестные bi , pi , следует доопределить посредством назначения некоторых коэффициентов преобразования и преобразованной системы. Минимальное коли-

чество неустранимых констант pi преобразованной системы определяется по множеству резонансных индексов вида (2). Потребуем приведения линейной части преобразованной системы к диагональному

виду и обнуления всех коэффициентов pi с нерезонансными индексами:

pi  0   Ni , [ piej ]1n  [ pij ]1n  diag[1* ,..., *n ], 1*  1  2i , i  1,..., n .

(10)

Здесь слагаемые 2i , выделенные из i , считаем малыми, не изменяющими множества индексов

(2), т.е. {Ni ()}  {Ni (* )} , i  1,..., n . Из (4) согласно (8), (9), получаем преобразованную систему вида

dyi / dt  *i yi 

Y pi  i (x),

Y



y 1 1



yn n

,

i  1,..., n ,

Ni

где i (x)  O(3 ) – погрешности аппроксимаций функций i (x)  O(2 ) с измененными значениями

собственных чисел i на i* . Итак, заменой фазовых переменных (3), при условии выполнения уравне-

ний (9), (10), система (1) преобразуется в систему

dyi / dt  *i yi 

Y pi ,

Y



y 1 1



yn n

,

i  1,..., n .

Ni

(11)

При этом предполагаем, что эти изменения малы и не меняют множества индексов (2).

Система (11) имеет невязки i (x) на решениях исходной системы (1), примерно на порядок мень-

шие по сравнению с невязками в виде остаточных сумм известного метода многочленных преобразова-

ний.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 4 (80)

87

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОЧЛЕННЫХ СИСТЕМ …

Случай аппроксимации невязок без изменения линейных форм

Рассмотрим частный случай, когда применением альтернативных аппроксимаций остаточные члены не приводит к поправкам в линейную часть преобразованной системы. В таком случае аппроксими-

рующая алгебраическая система (9) не содержит поправок ci при | | 1:

hi  ci  0, | | 2, 3,, m, ci || |1  0, i  1,..., n .
В этом случае систему (1) и выражения (3), (4) целесообразно привести к виду c диагональной матрицей. Тогда упрощается замена переменных, а невязка по-прежнему имеет вид (4):

 dxi
dt

m
 i xi  X ai ,
| |2

m
yi  xi  X bi ,
| |2

i  1,..., n,

i



dyi dt

 i yi

m

||  2

y 1 1



yn n

p(1n ) i

Ni

,

i  1,..., n .

Получаем, временно опуская для краткости знаки суммирования:

i



( xi



X ej jbi x j )  i (xi



X bi

)  (x1



X b1

)1 (xn



X bn

) p(1n ) i

 ,



X (ai

 ( j j

 i )bi ) 

X  pi



X b bk   k ej   i i i



(3, i

m

)

 (m1,m2 ) i

где

 , (3,m) i

(m1,m2 ) i

– многочлены со степенями мономов

(3, 4,, m) ,

(m 1, m  2, , m2 )

соответствен-

но. Пусть методом экономизации Чебышева получены приближения

m

 (m1,m2 ) i

Xci  i (x) .

| |2

Получаем выражения невязок

mn

m

  i  X (ai  (i   j j )bi  di  ci )  X  pi  i ,

| |2

j 1

||  2

Ni

где

di

– коэффициенты многочленов

(3,m) i

.

Потребуем

тождественного

равенства

нулю

всех

коэффици-

ентов многочленов степени m , т.е. – выполнения условий i  i . Получаем алгебраические уравнения,

в которых формально введем параметр   1 перед малыми членами:

n
bi  (ai  di  ci ) / (i   j j ),   2, 3,, m,   Ni , j 1
bi  0, pi  ai  di  ci ,   Ni , i  1,, n. Система нелинейных алгебраических уравнений решается методом итераций, причем за порождающее решение принимается решение классической системы, получаемой приравниванием к нулю всех поправок экономизации Чебышева ci  0 .

Пример. Система уравнений второго порядка

Рассмотрим систему двух дифференциальных уравнений с кубическими однородными формами и

различными отрицательными корнями характеристического уравнения 2  1  0 :

xi  i xi  X i , X i 

x x a ,1 2 (12 ) 12i

x  D,

i  1, 2 ,

| |3

где D  x  (x1, x2 ) :| x1 | r,| x2 | r . Предполагаем, что отсутствуют резонансные индексы третьей сте-

пени, определяемые из условий 11  23  i  0,  | | 1  2  3, i  1, 2  31  2 . Нелинейной заменой переменных с кубическими формами

yi  xi  Ui при Ui 

x x b ,k1 k2 (k1k2 ) 1 2i

i  1, 2 ,

|k|3

приводим систему к линейному виду, с точностью до невязок i :

yi  i yi  i , при i  Fi  2i , i  1, 2 , где

(12)

Fi



Xi



Ui x1

1 x1



U i x2

2 x2

 iUi



x x [a1 2 12

(1 2 ) i

| |3

  b ],(1 ,2 ) (1 ,2 ) ii

(1 , 2 ) i



i

11

 22 ,

i



Ui x1

1 X1 

Ui x2

2 X2.

88 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 4 (80)

В.Г. Мельников

Имеем с переобозначениями индексов суммирования: i i , и повторно – 1 1  k1 1 ,

 2  2  k2 , а в другой сумме 1 1  k1 ,  2  2  k2 1 :

   ,i 

b(k1k2 ) i

( x x k a  x x k a ) k1 11 k2 2

(1 2 )

1 1 11

k1 1 k2  2 1

(1 2 )

11

22

x x h1  2 (12 ) 11 i

|k|3

'

| |5

 h (12 ) i

b ( k1k2 i

)

 

(1 k1 1, 2 k2 ) k a  k a  1 1

(1 k1 , 2 k2 ) 22

|k|3

1 2 5



(3,0) (1 2, 2 )
 3b a  b (2a  a )  b (a  2a )  3b a .i 1

( 2 ,1) i

(1 1, 2 1) 1

(1 2, 2 ) 2

(1,2) (1 , 2 2) i1

(1 1, 2 1) 1

(0,3) (1 , 2 2) i2

Аппроксимируя в D однородные формы i кубическими формами, получим:

i  fi  i при fi 

x x c ,1 2 (12 ) 1 2i

i  1, 2 .

| |3

   при

c(30) i



3 4

h(50) i

,

c(03) i



3 4

h(05) i

,

c ( 21) i



3 4

h ( 41) i



h ( 23) i

,

c(13) i



3 4

h(32) i



h(14) i

Отметим, что коэффициенты

c(1 2 ) i

линейно зависят от

b .k1k2 i

Потребуем

выполнения

условия

(Fi  2 f )  0 отсутствия в невязках кубических форм, тогда имеем i  2i , получаем две алгебраических системы

a   b  c  0,(12 ) i

(1 2 ) (1 2 ) ii

(1 2 ) i

i  1, 2 .

(13)

Приближенное решение уравнений (13), определенное по методу малого параметра, имеет вид

b  a /  ,(1,2 ) i

(1 , 2 ) i

(1 , 2 ) i

b  b  c /  ,(1,2 ) i

(1 , 2 ) i

(1 , 2 ) i

(1 , 2 ) i

i  1, 2,

где

c(1 ,2 ) i



результат

подстановки

в

коэффициенты

c(1 ,2 ) i

выражений

b(1 ,2 ) i

.

Дифференциальные

урав-

нения (12) с точностью до невязок 2i имеют вид yi  i yi  0, i  1, 2 .

Заключение

Рассмотрена нелинейная автономная динамическая система с несколькими степенями свободы с правой частью в форме степенных многочленов в конечной окрестности положения равновесия. Методом нормализации в многочленном варианте выполнено преобразование. С целью повышения точности преобразованной модели остаточные члены высоких степеней включаются в преобразованную систему посредством аппроксимаций Чебышева многочленами меньших степеней. Метод продемонстрирован на примере.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 10-08-01046-а.

Литература

1. Каток А.Б., Хасселблат Б. Введение в теорию динамических систем с обзором последних достижений. – М.: МЦНМО, 2005. – 464 с.
2. Васильев С.Н., Козлов Р.И. Ульянов С.А. Анализ координатных и других преобразований моделей динамических систем методом редукции // Труды Института математики и механики. – УрО РАН, 2009. – Т. 15. – № 3. – С. 1–18.
3. Мельников В.Г. Энергетический метод параметрической идентификации тензоров инерции тел // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – № 1 (65). – С. 59–63.
4. Брюно А.Д. Степенная геометрия в алгебраических и дифференциальных уравнениях. – М.: Наука, Физматлит, 1998. – 288 с.
5. Мельников Г.И. О приближенном интегрировании уравнений возмущенного движения // Вестник Ленинградского госуниверситета. – 1963. – № 19. – Вып. 14. – С. 112–123; 1964. – № 1. – Вып. 1. – С. 88–98.
6. Бибиков Ю.Н. Курс обыкновенных дифференциальных уравнений. – СПб: Лань, 2011. – 304 с. 7. Мельников Г.И. Динамика нелинейных механических и электромеханических систем. – Л.: Машино-
строение, 1975. – 198 с. 8. Мельников В.Г. Многочленные преобразования нелинейных систем управления // Изв. вузов. Прибо-
ростроение. – 2007. – Т. 5. – № 50. – С. 20–25. 9. Melnikov V.G. Chebyshev economization in Poincare-Dulac transformations of nonlinear systems // Non-
linear Analysis. – 2005. – V. 63. – № (5–7). – P. 351–355. 10. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. – М.: Издательство физико-математической
литературы, 1961. – 524 с. 11. Hamming R.W. Numerical methods for scientists and engineers. – Dover, 1986. – 721 p.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 4 (80)

89

АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ …

12. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. – СПб: Лань, 2010. – 400 с.
13. Мельников В.Г. Применение метода экономизации К. Ланцоша при исследовании нелинейных колебаний механических систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2004. – Т. 50. – № 15. – С. 16–18.
14. Матросов В.М., Румянцев В.В., Карапетян А.В. Нелинейная механика. – М.: Физматлит, 2001. – 432 с.

Мельников Виталий Геннадьевич

– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, melnikov@mail.ifmo.ru

90 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 4 (80)