Научная статья на тему 'Задачи выживания для систем с последействием'

Задачи выживания для систем с последействием Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
236
40
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСЛЕДЕЙСТВИЕМ / МНОЖЕСТВО ВЫЖИВАЕМОСТИ / КОНУС БУЛИГАНА / ТЕОРЕМА НАГУМО

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Баранов Виктор Николаевич

Исследованы необходимые и достаточные условия выживания систем с последействием в заданном множестве. Введены понятия вариации движения в банаховом пространстве и касательного конуса. Получены результаты для конкретных примеров, имеющих приложения в математической экономике.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Problem of viability for the system restriction with time lag

Analogue of theorem Nagumo about viability for Banach space is established. Concrete example is considered.

Текст научной работы на тему «Задачи выживания для систем с последействием»

УДК 517.929

© В. Н. Варанов

[email protected]

ЗАДАЧИ ВБ1ЖИВАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ С ПОСЛЕДЕЙСТВИЕМ 1

Ключевые слова: диффреренциальные уравнения с последействием, множество выживаемости, конус Булигана, теорема Нагумо.

Abstract. Analogue of theorem Nagumo about viability for Banach space is established. Concrete example is considered.

Содержание

Введение ..................................................4

1. Определение и основные свойства касательного конуса.......20

2. Постановка задачи выживания ..............................32

3. Основная теорема .........................................36

4. Задача выживания для уравнений с последействием ..........47

5. Дифференциальное уравнение с последействием

и одним ограничением .....................................55

6. Дифференциальное уравнение с последействием

и конечным числом ограничений ............................67

7. Смешанные системы уравнений ..............................74

8. Задача выживания для включений .........................80

9. Задача выживания для включений с последействием.........92

Список литературы ......................................100

1 Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант 99^0Ю0454) и конкурсным центром фундаментального естествознания (грант Е00-1.0-5).

Обозначения

М™ — стандартное евклидово пространство с нормой | ■ |

(•, ■) — скалярное произведение в М™

(X, || ■ Ух) — банахово пространство

Бх{x, r) и B%[x, r] — соответственно открытый и замкнутый шары радиуса r с центром в точке x clX M — замыкание множества M в пространстве X conv M — выпуклая оболочка множества M С X рх(x, M) — расстояние от элемента x € X до множества M С X, определяемое равенством рх(x,M)= inf ||x — у||х

BXM, e]— e -окрестность множества M С X, определяемая неравенством Бх[M, e] = {x € X : рх(x,M) ^ e}

AC [a, Ь, М™) — пространство абсолютно непрерывных функций x(t) со значениями в М™

С([а,5], М™)—пространство непрерывных функций x(t) со зна-М™

L([a, Ь, М™)— пространство суммируемых функций x(t) со зна-М™

X

X

£(X, Y) — пространство линейных ныпрерывных операторов t ^ xt € X, t € [а, Ь — отображение отрезка [а, 5] в простран-X

Введение

Задачи выживания (термин принадлежит Aubin J.-P.) для управляемых динамических систем включают в себя большое число вполне конкретных приложений, интерес к которым не ослабевает с конца 50-х годов прошлого столетия. К числу таких прикладных задач относятся задачи об обходе препятствия, о построении управления, удерживающего траектории системы в заранее заданном множестве, в частности, на заданном многообразии, некоторые задачи математической экономики и многое другое.

Вопрос о существовании решения ж(£,жо) задачи Коши для обыкновенного дифференциального уравнения

ж = /(ж)

(0.1)

с начальным условием

ж(0) = жо

(0.2)

в течении некоторого времени остающегося в наперед заданном множестве М С К” (такое решение называется выживающим), был разрешен в 1942 году Нагумо [41]. Теорема Нагумо состоит в следующем. Пусть задано множество М. Оказывается, что для каждой точки жо € М существует выживающее решение ж(£,Жо) задачи (0.1), (0.2) в том и только том случае, если во всех точках ж, М,

чение

где ТхМ— конус Булигана к множеству М в точке ж (определение конуса Булигана дано ниже).

Близкими к вопросам выживаемости являются задачи управления с фазовыми ограничениями. Например, требуется среди всех траекторий управляемой системы, выходящих из данной точки, найти траекторию максимально долго остающуюся в заданном множестве. В некоторых задачах требуется минимизировать функционал качества, заданный на траекториях управляемой системы, при этом траектория не должна покидать некоторое заданное в фазовом пространстве множество.

Хорошо известно (см., например, статью В. И. Благодатских и А. Ф. Филиппова [13]), что управляемые системы

/(ж) € ТхМ, ж € дМ,

Ж = /(£, ж, и), и € и,

тесно связаны с дифференциальными включениями

ж € ^(¿,ж), ^(¿, ж) = /(£, ж, и),

поэтому (и мы будем пользоваться этим в дальнейшем) имеет смысл изучать задачи выживания для дифференциальных включений.

В работах А. Б. Куржанского и Т. Ф. Филипповой [21], [22] получено аналитическое описание множества траекторий линейных дифференциальных включений, выживающих до определенного момента времени в пределах заданного множества.

В работе А. Б. Куржанского и Т. Ф. Филипповой [23] установлены связи между задачами о выживаемости для дифференциальных включеий и системами включений, содержащими возмущающие параметры и функции.

Задаче о выборе траектории дифференциального включения из множества всех траекторий, удовлетворяющих заданному начальному условию, которая максимально долго находится в заданном замкнутом множестве, посвящена работа А. 3. Фазыло-ва [31]. Эту задачу (по аналогии с задачей о быстродействии, ее естественно называть задачей о ’’долгодействии”) можно отнести к задаче оптимального управления с фазовыми ограничениями, необходимые условия оптимальности в форме принципа максимума JI. С. Понтрягина для которой даны в работе В. И. Благодатских [39]. Другой подход к решению задач на экстремум при наличии ограничений предложен А. Я. Дубовицким и A.A. Милютиным в работе [17].

Задачу выживания в множестве M С Rn можно интерпретировать, как задачу избежания столкновения с множеством Rn\M. Задачам об избежании столкновения посвящены статьи А. 3. Фазылова [32], Н. Сатимова и А. Азамова [28].

Задачи выживания для систем с последействием (их еще называют системами с наследственностью) отличаются от задач выживания для обыкновенных дифференциальных уравнений в первую очередь тем, что естественное фазовое пространство C([—г, 0], Rn) таких систем бесконечномерно. Эту интерпретацию систем с последействием предложил H.H. Красовский [20].

Для системы с последействием

ж(г) = /(ж*) (о.з)

и целевого множества М, заданного в пространстве абсолютно непрерывных функций неравенством

М = (ст € С([—г, 0], М™) : ,0(ст(О)) + [ а(5,а(5))^ ^0}

и —Г

в статье Е. Л. Тонкова [29] были найдены достаточные условия выживаемости.

Основной целью работы является исследование условий выживания решений систем с последействием и дифференциальных включений с последействием в заданном множестве фазового пространства С ([—г, 0], М™).

Формальное распространение теоремы Нагумо на системы с последействием оказалось невозможным по той причине, что даже простые движения гладкой динамической системы в бесконечномерном фазовом пространстве могут не иметь производной (понимаемой в обычном смысле) на множествах положительной меры. В связи с этим в работе вводится понятие вариации движений динамической системы, в терминах которой удается получить условия (необходимые и достаточные) выживания движений в заданном множестве.

В первом параграфе работы вводится понятие вариации ¿ж* движения г ^ ж* € X, г € М в банаховом пространстве X, причем эта вариация является элементом более широкого пространства ф.

Определение 0.1. Пусть заданы банаховы пространства X, ф и X С ф. Будем говорить, что отображение г ^ ж* € X, где г € [0, а, а > 0, имеет в точке г € [0, а) вариацию ¿ж* € ф, если существует отображение е ^ г(е) € ф, удовлетворяющее следующим условиям:

ж*+£ = ж* + е£ж* + г(е),

Шп ||Г(£)Ь = 0, »up

£^0 + £ £>0

¿Ж*

f(£)

< + ТО.

Это определение позволяет естественным образом ввести понятие касательного конуса TX M к множеству M С X в точке ж, элементы которого тоже лежат в более широком пространстве

Y-

Определение 0.2. Пусть заданы банаховы пространства X и Y, X С Y • Пусть далее, M — непустое подмножество пространства X и ж € M. Элемент h € Y называется касательным направлением к множеству M в точке ж, если существуют отображение t ^ r(t) € Y и последовательность (ti}OOi С R+ удовлетворяющие следующим условиям:

lim ^ = О, ж + th + r(t) € M,

lim

k(^)||a)

ti

= 0, sup

h

r(ti

ti

< + то.

Обозначим Т:рМ— множество касательных направлений к М ж.

Доказаны необходимые для дальнейшего изложения утверждения, описывающие структуру конуса и дающие его связь с хот

рошо изученным конусом Булигана, который совпадает с Т^ М при X = ф.

Теорема 0.1. Элемент Н € ф принадлежит множеству ТхрМ тогда и только тогда, когда существует последовательность {(¿г,Нг)}, где ¿г € М+, Нг € X, удовлетворяющая следующим, условиям:

ж + ¿¿Н € М, ¿г ^0, ||Н - НгУт , ШР УН Ух <+ Ю.

Лемма 0.1. Пусть X и Y —банаховы пространства, X С Y, ж € M, где M С X. Тогда для конуса T^M имеют

СО

место включения

и с1т((Т*М)х П Б*[0, г]) С Т®М,

г>0

Т®М С (ТЖМ)т П [^ 1т(Б*[0,г])] .

\г>0 )

Здесь через (ТЖМ) Х и (ТХМ)т обозначены коунсы Булигана к множеству М в точке ж в пространствах X и ф соответственно.

Далее, во втором параграфе дается постановка задачи выживания. Введем следующие обозначения. Для произвольной непрерывной функции £ ^ ж(£) € Мга, £ € [—г, а], гДе г > 0, а > О, обозначим ж*— отображение отрезка [0, а] в пространство непрерывных функций С( [—г, 0], Мга), действующее по правилу

ж*(«) = ж(£ + «), £ € [0, а], в € [—г, 0]. (0.4)

Рассмотрим задачу Коши для системы дифференциальных

уравнений с последействием

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ж = /(ж*), (0.5)

ж0 = <£. (0.6)

Вместе с системой (0.5) будем рассматривать некоторое непустое подмножество М С АС( [—г, 0], Мга).

Определение 0.3. Пусть ^ € М. Будем говорить, что решение ж(£,^>) задачи Коши (0.5), (0.6) выживает, в множестве М, если существует а > 0 такое, что для всех £ € [0, а] выполнено включение ж* € М, где ж* движение в пространстве АС[—г, 0], Мга), порожденное по правилу (0.4).

Определение 0.4. Будем говорить, что множество M обладает свойством выживаемости для системы (0.5), если для всякого p € M найдется решение x(t, p) задачи Коши (0.5), (0.6), выживающее в M. Будем говорить также, что множество M есть м,ножест,во вы,живаем,ост,и системы (0.5).

В данной работе исследуются необходимые и достаточные условия, которым должны удовлетворять система (0.5) и множество M, чтобы множество M обладало свойством выживаемости для системы (0.5).

В третьем параграфе изучены условия выживания уравнения

¿xt = F(xt), (0.7)

где отображение F действует в произвольном банаховом пространстве X.

Следующие теоремы дают нам необходимые и достаточные условия выживания уравнения (0.7).

Напомним, что множество M С X называется локально компактным, если для всякой точки x € M найдется число r > 0 такое, что множество BXx, г] П M— компактно.

Теорема 0.2. Пусть X, Y — банаховы пространства, X С Y, м заданы локально компактное множество M в X и непрерывное отображение F : X ^ Y Пусть далее, для всех точек p € M существуют число а > 0 и непрерывное отображение t ^ xt € M, t € [0, а такое, что x$ = p и ¿xt = F(xt) для почти всех t € [0, а, то есть существует вы-M . x p.

p€M

F(x) € TYM.

Теорема 0.3. Пусть X, gY — банаховы пространства, X С Y, заданы локально компактное множество Me X и непрерывное отображение F : X ^ Y. Пусть далее:

1) для всех ж € М имеет место включение ^(ж) € Т^М;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех ж € М выполнено неравенство

г(^( ж),ж)

Бир

^(ж)

^( ж)

< с,

X

где г(^(ж, ж и ¿Аж) из определения касательного конуса ТХ М.

Тогда для всякого р € М существуют число а > О и непрерывное отображение £ ^ ж* € М, £ € [О, а] такое, что жо = р и ¿ж* = ^(ж*) для почти всех £ € [0, а.

Доказано, что в теореме 0.3 условие непрерывности отображения ^ можно заменить на более слабое: достаточно замкнутости отображения К

В четвертом параграфе указана связь между системой с последействием и уравнением (0.7). Оказывается, что если в качестве X и ф взять АС[—г,0],Мга) и Ьх([—г,0],Мга) х Мп, а отображение ^ : X ^ ф определить равенством

(0-8)

то между решениями уравнений (0.3) и (0.5) существует взаимно однозначное соответствие.

Пусть

X = АС[-г,0],Мп), % = [-г,0],Мга) х Мп.

Лемма 0.2. Пусть функция

£ ^ ж(£) € Мп, £ € [-г, а), а > 0

..

£ ^ ж* € X, £ € [0, а),

построенное по правилу

ж*(«)=ж(£ + «), £ € [0, а, 8 € [—г, 0],

имеет, для почти всех t € [0, а) вариацию ¿ж* и является решением, уравнения (0.7).

Лемма 0.3. Пусть отображение t ^ t € [О, а), а > О ..

t ^ x(t) € Rn, t € [-r, а)

где

x(s)=p(s), s € [-r,0], ж^) = ш(0), t € [0,а)

..

Из теоремы 0.3 и этих лемм следует утверждение, дающее достаточные условия выживания для уравнений с последействием.

Теорема 0.4. Рассмотрим некоторое локально компактное м,н,ожест,во M С X. Для того, чтобы существовало движение t ^ € M, порожденное дифференциальным урав-

нением с последействием X(t) = /(xt) м начальным условием, Жо = р € M достаточно, чтобы для всякой точки а € M выполнялось включение

F(a) € Т®М,

где F(а) определено равенством (0.8).

Доказана замкнутость оператора дифференцирования.

Лемма 0.4. Оператор дифференцирования

(F0a)(t) = á(t), t €[-r,0]

является замкнутым оператором, если его рассматривать как оператор, действующий из С([—г,0],Rn) в L([—r, 0],Rn) с областью определения D(Fq) = AC([—r, 0], Rn) •

Из этого утверждения следует, что в теореме 0.4 в качестве пространства X можно взять пространство С( [—г, 0], Мп). Множество М при этом по-прежнему будет задаваться в пространстве абсолютно непрерывных функций, но компактно оно должно быть в пространстве С( [—г, 0], Мп).

Обозначим

X = АС([-г,0], Мга), % = М[-г,0], Мга) х Мп.

Пусть множество М С X определено равенством М = (р € X: а(р) = 0}, где отображение а : X ^ М имеет вид

в : Rn ^ R и а : R х Rn ^ R— непрерывные функции.

В пятом параграфе найдены достаточные условия выживаемости для системы с последействием и множеством M, заданным одним уравнением.

Теорема 0.5. Пусть

где отображение а : X ^ М определено равенством (0.9) с функциями в '■ Мп ^ М и а : М х Мп ^ М непрерывно дифференцируемыми по х. Пусть далее, для множества М выполнены следующие условия

1) во всех точках р € М выполнено неравенство

(0.9)

M = (р Є X : а(р) = 0}

і Ґ і і

в(x U=Ф) К / К'(U=^з)1

2) во всех точках р Є M выполнено равенство

(в(X|x=^(о) >/(р)И / («Лs,X|x=^(s) >P(S))ds = 0

J —r

Тогда для всех точек р € М, с существенно ограниченной производной существуют $ > 0 и отображение £ ^ ж(£) € Мп, £ € [—г, $ являющееся решением, задачи (0.5), (0.6) т,акие, что для всех £ € [0, $ выполнено включение ж* € М.

В шестом параграфе найдены достаточные условия выживаеМ,

конечным числом уравнений.

Теорема 0.6. Пусть

М = {р € X : а(р) = 0,... ат(р) = 0}, где отображение а : X ^ М, г = 1,... , т есть

Мр)=вг(рЩ+( аД5,р(з))^,

7 —г

с функциями в% '• Мп ^ М м а^ : М х Мп ^ М непрерывно диф-

ж. р € М

вы,полнены, следующие условия:

1) для всех г = 1,... , т выполнены неравенства

1^1 I

в/(ж)|л=^(0) ^ ^(8, Ж|х=^) 1 ^т^О;

</—Г

2) функционалы а/(р)[•] € X*, г = 1,... ,т линейно независимы, где

а/(р)М = <в/(ж)и=^)^(ож / (а/Х(«,ж)^(в)

о —Г

3) для всех г = 1,... , т имеют место равенства

<в/(ж)и=^), Лр)И / <а/Х(«,ж)и=^),р(«)^ = 0.

—Г

Тогда для всех точек р € М, с существенно ограниченной производной существуют $ > 0 и отображение £ ^ ж(£) € Мп, £ € [—г, 0] являющееся решением, задачи (0.5), (0.6) такие, что для всех £ € [0, $ выполнено включение ж* € М.

В седьмом параграфе рассмотрены смешанные системы уравнений:

x(i) = /(х*>У(*))

y(t) = <7(xt ,y(t)), lU-iUj

{ J0 * (o.ii)

l у(0) = Уо,

где x Є Rn, y,y0 Є Rm, * Є C([-r,0], Rn), f : C([-r,0], Rn) x Rm ^ Rn, g : C([—r, 0], Rn) x Rm ^ Rm. В таком виде можно записать, например, задачу Коши для неавтономной системы уравнений с последействием

x(i) = f(t,x*),

x(t0) = *•

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Определение 0.5. Решением смешанной системы (0.10), (0.11) называются непрерывные функции

t ^ x(t) Є Rn, t є[-г,$), t ^ y(t) Є Rm, t Є [0,#)

$ > 0, такие, что

1) x(s) = *(s), s Є [—r, 0]; yy

3) x(t) и y(t) абсолютно непрерывны на [0, $) и обращают систему (0.10) в тождество.

Для смешанных систем найдены условия выживания в множестве M, заданном в пространстве C( [—r, 0], Rn) x Rm одним уравнением.

Теорема 0.7. Пусть

M = {(*, у) Є C[-r^], Rn) x Rm : a*, y) = 0},

где отображение а : С([—г, 0], М”) х Мт ^ М определено равенством

а(р,у) =3(р(0),у) + / а(в,р(в))^в,

7—г

с функциями Д : Мга+т ^ М, а : М х Мп ^ М непрерывно дифференцируемыми по х. Пусть далее, для множества М выполнены следующие условия

1) во всех точках (р, у) € М выполнено неравенство

I 11 1^1 I

|3х (х,у)и=^(о) К |3У(р(°),У) К / К'(«,х) 1®=^) 1 ¿«^0;

</—г

2) во всеж точках (р, у) € М выполнено равенство

<Д/(х,у)и=^(о),/(р)И <3У(р(0),у),5(у))+

[0

+ <ал' (в,х) 1*=^) ,р(в))^ = 0.

7—г

Тогда для всех точек (р, уо) € М таких, что

уга1зир|р^| < + то

«€[—г,0]

существуют $ > 0 и отображения

£ ^ х(£) € Мп, £ € [—г, $], £ ^ у(£) € Мт, £ € [0, $],

. , .

£ € [0, $ выполнено включение (х^,у(£)) € М.

В восьмом параграфе исследованы условия, при которых для заданных непустого множества М банахова пространства X и многозначной функции х ^ ^(х) € сотр^, х € М порождающей задачу

¿х4 € ^(х4), хо = р € М, (0.12)

найдутся а > 0 и решение £ ^ х* задачи (0.12) удовлетворяющее при всех £ € [0, а] включению х* € М.

Введем следующие обозначения. Напомним, что функция г(£) и последовательность {^} в определении касательного напра-

х€М

Н € тХрМ. Эту зависимость будем записывать г(£,х,Н) и Ых,Н).

т

Пусть Н € ТзГ М, обозначим

с(ж, h = SUP

r(ti(x,h),x,h)

tj( ж, h)

Если задано многозначное отображение ж ^ F(x) € compY, ж € M и для всех ж € M выполнено включение F(x) С T^M, то обозначим

с(ж) = sup с(ж, h)-

h€F(æ )

Теорема 0.8. Пусть X и Y — банаховы пространства, X С Y м заданы локально компактное множество M в X и полунепрерывное сверху многозначное отображение

F : X ^ comр Y -

Пусть далее:

1) для каждого ж € M имеет место включение

F^) С TYM;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех ж € M выполнено неравенство с(ж) < с.

Тогда для всякого р € M существуют число а > 0 и непрерывное отображение

t ^ ж* € M, t € [0, а] т,акие, что ж$ = р и ¿ж* € F^) для почти всех t € [0, а).

Теорема 0.9. Пусть X и ф — банаховы пространства, X С ф и задано замкнутое многозначное отображение

^ : X ^ сотр ф

с областью определения В(^). Пусть далее, задано локально компактное м,ножест,во М в 0{¥) и выполнены условия:

1) для всех х € М отображение х ^ Н(х) € сотрф, х €

М

является полунепрерывным сверху ;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех х € М выполнено неравенство с(х) < с, где

Тогда для всякого р € М существуют число а > 0 и непрерывное отображение

£ ^ х* € М, £ € [0, а]

такое, что х$ = р и ¿х* € ^(х*) для почти всех £ € [0, а.

Доказано, что в теоремах 0.8, 0.9 условие полунепрерывности сверху многозначного отображения ^ можно заменить на более слабое: достаточно замкнутости многозначного отображения ^ в смысле замкнутости графика Г(^) в X х ф.

В девятом параграфе доказано взаимно однозначное соответствие между задачей Коши для включения

Я(х) = ^(х) П ТжтМ

с(х) = эир {яир Н + йея(ж) *

х(£) € /(х*),

(0.13)

х р,

(0.14)

где f : AC([—r,0],Rn) pRn, p € AC([—r, 0],Rn) и задачей

Коши для включения

¿xt € F(xt), (0.15)

xo = P, (0.16)

где F : AC([—r, 0],Rn) ^ L([—r, 0],Rn) x compR” действует no правилу

FH = (^ Л^))-

Лемма 0.5. Пусть функция

t ^ x(t) € Rn, t € [—r, a, a > 0,

. , . .

t ^ xt € X, t € [0, a)

построенное по правилу

xt(s)=x(t + s), t € [0, a), s € [—r, 0],

имеет для почти всех t € [0, a) вариацию ¿xt u является pe-

. , . .

Лемма 0.6. Пусть отображение

t ^ yt, t € [0, a, a > 0

. , . .

t ^ x(t) € Rn, t € [-r, a)

где x(s) = p(s), s € [—r, 0], x(t) = yt(0), t € [0, a) является

. , . .

Таким образом имеет место теорема.

Теорема 0.10. Рассмотрим некоторое локально компактное множество М С АС( [—г, 0], Мга). Для того, чтобы существовало движение £ ^ х* € М, порожденное дифференциальным включением с запаздыванием х(£) € /(х*) и начальным условием щ = р € М, достаточно, чтобы для всякой точки а € М выполнялось включение К(а) С Т^М, где К(а) = (а(«),/(а)), ф = Ы[-г,0],Мп) х сотрМга.

Доказана замкнутость отображения К, действующего из пространства С[—г, 0], Мга) в пространство [—г, 0], Мга) хсотрМ”-по правилу К(а) = (а(з),/(а)), где Щ(К) = АС[—г,0],Мга) — область определения К Таким образом, в теореме 0.10 пространство абсолютно непрерывных функций АС [—г, 0], М”) можно заменить на пространство непрерывных функций С [—г, 0], М”). М

странстве абсолютно непрерывных функций, а условие локаль-

М

странстве С [—г, 0], М”).

1. Определение и основные свойства касательного конуса

Из теории функций действительного переменного известно [19], что всякая абсолютно непрерывная функция / : [а, 5] ^ Мп дифференцируема почти всюду па отрезке [а, 5]. Однако, для функций со значениями в некотором банаховом пространстве это свойство не имеет места.

В качестве примера рассмотрим отображение £ ^ х*, дей, С- ,

/ \ . / 0, -1 ^ 8 < -£, , .

х'< 8) = Ь + (, - < > < о. (1Л)

Л

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Если определить правую производную € С[—1,0] отобра-

С- ,

Нт

£^0+

х*

,

С [-1,01

то наше отображение не имеет производной ни в одной точке ,.

мируемых функций, то в каждой точке £ € [0,1) он существует

Нт

£^0+

е

= р(в) € [-1 ^ р(в) = |

0, —1 ^ в < -£, 1, — < в О.

Поэтому, для движений в банаховом пространстве X, в качестве аналога производной введем понятие вариации, являющейся элементом более широкого пространства. В дальнейшем предполагается, что банаховы пространства (X, || ■ Их) и (ф, || ■ Уф) УД0" влетворяют следующему условию.

Условие А. Будем говорить, что банаховы пространства (X, ||-Их) и (ф, ||■ ||ф) удовлетворяют условию А, если X — всюду плотное подмножество пространства ф и найдется такое число к, что доя всякого х € X выполнено неравенство ||х||ф ^ к||х||х.

Определение 1.1. Пусть X и ф удовлетворяют условию А. Будем говорить, что отображение £ ^ х* € X, где £ € [0, а], а > 0, имеет в точке £ € [0, а) вариацию ¿х* € ф, если существует отображение е ^ г(е) € ф, удовлетворяющее следующим условиям:

Нт

£^•0 +

х*-[-£ х*

Ке) Ь

е£х*

,

Бир

£>0

¿х*

г(е),

г(е)

< + то.

Пример 1.1. Докажем, что примере, в рассмотренном выше, вариация отображения £ ^ х* € С[—1 , 0], £ €[0,1] существует в каждой точке £ полуинтервала [ОД), если в качестве пространства ф взять пространство суммируемых функций

и [-1,0].

Действительно, для всех £ € [0, 1) начиная с некоторого е > О имеет место равенство

где

х*+£ = х* + е£х* + г(е), О, -1 ^ в < -£,

¿х* =

О, -1 ^ в < -£ - е,

г(е) = ^ в + £ + е, -£ - е ^ в< -£,

О, - < в О.

При этом выполнены равенства

/ —* —£ р — * /*1

о^в + у (в + £ + е;мв + у

е

Ойв =

—*

ге Ьхъ + = Бир 6xt(s) + ^ = 1

е С[—1 ,0] «€[—1,0] е

Откуда получаем

Шп ||г(£)||^-1.0] = Цт £ = 0_

£——о^ е £—*04“ 2

Бир

£>

¿х*

г(е)

= 1 < + ТО.

С—1,01

Этот пример можно обобщить.

Пример 1.2. Пусть на отрезке [-г, $], г > 0, $ > 0 задана абсолютно непрерывная функция х € АС [-г, $] с существенно ограниченной производной

уга1зир|х(в)| = с < + то.

«€[—г,#]

Тогда отображение £ ^ х* € С [-г, 0], порожденное по правилу х*(в)=х(£ + в), £ € [0, $], в € [-г, 0]

имеет вариацию ¿ж* € Ь\ [—г, 0] в каждой точке £ € [0,1) и

¿ж4(з) = ж^з).

Докажем это утверждение Определим ¿ж* € ^ [—г, 0] и отображение е ^ г(е) € ^ [—г, 0], е > 0 следующим образом

¿ж*( з) = ж*( з), г(е) = ж*+£ — ж* — е£ж*.

Докажем, что условия

Шп ||г(£)||^[-.0] = 0

£—0+ е

Бир

£>0

¿ж*

г(е)

< + то

С-г, 01

из определения вариации выполнены.

Нт

£—0+

г(е)

= Нт

¿1 [-г, о]

+0+ /—г

ж4+£( з) — ж4( 8)

— ж4( з)

= Нт /

£—о+ 7-г

ж(£ + з + е) — ж(£ + 8)

— ж(£ + 8)

^з.

ж(£ Ч" з Ч" е) — ж(£ ~Ь з)

В силу того, что функция —-------------^----------- почти всюду на

отрезке £ € [0,$), з € [—г, 0] сходится к функции ж(£ + з) при

е ^ 0+ и разность

ж(£ + з + е) — ж(£ + з)

— ж(£ + з)

ограничена константой 2с, под знаком интеграла можно перейти к пределу

Нт

£——0Ч~

ж(£ + з + е) — ж(£ + з)

— ж(£ + з)

^з = 0.

е

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

е

Первое из условий доказано. Докажем второе.

с г(£) ¿ж^ + ж/;+£ Х%

£ С[—г,0] £

= Бир СГ-г-,01 «€[—г,0]

|ж4+£(в) - х4(в) |

Из неравенства уга1зир|Х^ I = с < + то получаем «€[—г,Щ

1^,(8)-1,(8)! = 1 + 8 + _ + =

£ £

| [■ *+«+£ |

= -^(¿ + 5)+ ж(£ + в + т)с1т — ж(£ + «)| ^ -С£ = С

£ Л+8 £

для всех £ € [0, $), з € [—г, 0], следовательно,

хЬ^~£ хЬ

С [—г,0] «€[—г,0] £

для всех £ > 0 таких, ЧТО £ + £ ^ $, поэтому

г(£)

Бир

£>0

5х+

С —г,О

В силу определения 1.1 вариация функции со значениями в пространстве X является элементом более широкого пространства ф. Введем определение касательного направления, также являющееся элементом более широкого пространства.

Определение 1.2. Пусть X и ф удовлетворяют условию А (см. с. 21), М— непустое, подмножество пространства X и х € М. Элемент Н € ф называется касательным М х,

£ ^ г(£) € ф и последовательность {¿г}°^1 С М+ удовлетворяющие следующим условиям:

Нт и = 0, х + ¿Н + г(£) € М,

£

И^)Ь_П h , Ht

lim ----------------- = 0, sup

< + to.

X

Y

Обозначим Tx M— множество касательных направлений к M в точке x.

Y

Пример 1.3. Построим Tx M к множеству M, в случае, когда M есть все пространство X. Оказывается, что для всех x € X кону с тХРх состоит только из тех эл ементов h € Y, для которых существует последовательность {hi} С X, ограниченная в X (su р У hi Ух < + го) и сходящаяс я к h в Y По дру-i

гому это можно записать так:

TYx= (JdY b*[o ,с]. (1.2)

c>0

Докажем равенство (1.2).

Пусть h € T^X. Возьмем r(t) и {ti} из определения 1.2 и

обозначим hi = h Н—. Тогда

Wti)

sup 11 /г-i 11X = sup ЦЛ, + ——||x = С < +TO,

Wh-hiWy = Ц-j^-ll?) ->0, г —>■ то.

H

Поэтому h € с 1Y Вх[0, c] и, следовательно, tYx С |Jc 1Y B*[0,c.

c>0

Пусть теперь, для элемента h € Y найдется последовательность |hi} С X такая, что sup||hjУх < + то, ||h — h^l^ ^ 0-

i

Определим ti = 1/i, г(^) = tДhi — h- На отрезках [t^i ,ii] определим

r(i) = t% J ti+ihi+i + j—t^-tihi - th.

H 4+1 4 4+1

Нетрудно проверить, что (ij} и r(t) удовлетворяют определению 1.2, следовательно, для всех с > 0 имеет место включение

clY Bx[0 ,с] € TYX, откуда следует включение

U С1Y Б*[0,с € TYX.

c>0

Таким образом, равенство (1.2) имеет место. □

Следующие утверждения дают описание структуры множества TpM.

Лемма 1.1. Пусть M — непустое связное подмножество пространства Xu x € M. Элемент h € Y принадлежит tYm, еслм и только если существует такая положительная константа с > 0, что

Um + = о. (1.3)

s—>0+, BX[0 ,c] Эд—h £

Доказательство. Необходимость. Для доказательства равенства (1.3) достаточно построить последовательность ^ök, hfc)}, где ök € М+, hk € X, удовлетворяющую следующим условиям:

ök ^0, ||hfc - h^Y ^0, sup||hfcУх < + то и

k

lim + = о. (1,4)

k—ök

Рассмотрим элемент h € T;Ym. Из определения 1.2 следует, что существуют отображение t ^ Kt), удовлетворяющее включению x + th + r(t) € M, и последовательность (t^}, удовлетворяющая следующему неравенству

r(tj

sup

i—

h

ti

< +то. (1.5)

X

Рассмотрим последовательность {(¿к, Н&) }, где

х ^ + ь , г(**)

и к — ^/е? “'/е — и* + •

¿к

Из включения х + Н + г(£к) € М следует, что х + ¿кНк € М. Поэтому рХ^ + Нк, М) = 0 и равенство (1.4) выполнено. Ограниченность последовательности Нк следует из неравенства (1.5).

Достаточность. Пусть выполнено условие (1.3). Тогда найдутся элемент Н € сходящаяся к нулю последовательность {¿к} С М+ и ограниченная в X последовательность {Нк} С X, сходящаяся к Н по норме в ф (то ест ь ||Н& — Н|| ш ^0), удовлетворяющие равенству (1.4).

Построим отображение £ ^ г(£). Предварительно отметим, что для произвольных ¿к и ^существует элемент ук множе-М,

||х + ¿кНк — Ук||х ^2рХх + ¿кНк, М). (!-6)

Обозначим теперь = ¿к и определим г(£к) = ук — х — Н. Из связности М имеем, что для произвольных ук и ук+! существует непрерывное отображение £ ^ 2*(¿) € М, £ € [¿к ,£&+1 ], соединяющее ук и ук+1. Определим г(£) та отрезке [¿к,£к+г] следующим образом: г(£) = гк(¿) — х — ¿Н. Тогда х + £Н + г(£) € М для всех ¿.

Покажем, что для построенного таким образом отображения выполнены все свойства определения 1.2. Оценим норму г(£&). Для произвольного ¿к имеем

1К4)||ф = Ну& — х — 4Н||Ш ^ Уук — х — ^Нк||^ + ¿к|Н — Нкуш.

(1.7)

Далее, из условия А (см. с. 21) следует оценка

||х + ¿кНк — ук||ф ^ к||х + ¿¿Н — ук||х.

Подставив это неравенство в неравенство (1.7), получаем 1И^)1Ь ^ к|ук — х — ¿кНк||х + ¿к||Н — Нк||ф.

Из этого неравенства и неравенства (1.6) следует, что

Ik(tfc)Уф kpXж + 4hfc,M) +tk||h - hfcУф,

откуда, в силу свойств последовательности {(¿k, hk)} (1-4) и равенства lim ||h — hj|m = 0 имеем,

i—=+го

lim lim Upx{x + tkhk,M) + Um , 0

k—+<^ tk k—+<^ tk k—+<^

Из выбора yk следует оценка

h

r(tk) _ llyfc - x||*

tk

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

<

- x - tkhk||x

X tk tk

Px(x + tk hk ,M)

<

tk

|hk ||

X-

hk

V

tk

7

h

получим неравенство sup

k

Таким образом, h Є T^M.

tk

k

< + TO.

Следствие 1.1. Множество Т^М является конусом,.

Доказательство. Пусть Н € ТрМ. Докажем, что АН € Т^М для всех Л > 0. По лемме 1.1 найдется константа с > 0 такая, что

lim

£—>0+, Bx[0,c] Эд—h

то есть найдутся {е, g } такие, что IlgiHx < c, ||gi — h|Y ^0, е ^о-

Рх(x + M)

,

Рх( x + ei£i,M) 1

и ------------------ < -.

Возьмем ¿г = вг/А, Лг = А$г. Получаем, ЧТО ||Лг — АЛЦф ^ О,

НМ* ^ АС И

Рх(х + 6^,М) _ рх(х + £г91,М) А

§1 (¿Гг/А) г'

Следовательно,

и + ед, М) < рх(х + 5^,М) =

£^0+ ,В^Тл с Эй^ЛЬ. в ¿г

По лемме (1.1) имеем, что АЛ, € Т^М. □

Практически повторив доказательство леммы 1.1 получим теорему, которая дает эквивалентное определение касательного конуса.

Теорема 1.1. Элемент Л € ф принадлежит множеству Т^М тогда и только тогда, когда существует последовательность {(¿г, Лг)}, где ¿г € М+, Лг € X, удовлетворяющая следующим, условиям:

£ + ¿1^ € М, ¿г ^0, ||Л — ЛгУф , вирУЛг ||х < + ТО.

г

Напомним определение конуса Булигана.

М

пустое подмножество пространства X и х € М. Элемент Л € X называется касательным направлением к М в точке х, если имеет место равенство

Ит РФ + м) = 0_

£^0+ в

Т М М х

зывается конусом Булигана.

Пусть X и ф удовлетворяют условию А (см. с. 21) и М — непустое подмножество X. Отметим теперь, что конус Булигана к

множеству M в точке x € M можно строить как в пространстве X, так и в пространстве Y (поскольку X С Y ) ■ Эти два конуса могут не совпадать поэтому, при необходимости, конус Булигана в точке x к множеству M в пространстве X будем обозначать (TxM)X (следовательно, (TxM)X = TxM), а в пространстве Y, соответственно, (TxM)Y.

Теорема 1.2 (см. [36, с. 8]). Рассмотрим M — непустое подмножество пространства X. Элемент h € X принадлежит конусу Булигана TxM тогда и только тогда, когда существует последовательность {(á¿,h¿)} такая, что

x + á¿h¿ € ¿i ^ 0+, ||h — hi||x ^ 0.

XY

ряют условию А (см. с. 21), M— подмножесmeo X, x € M. Тогда для конуса TYM ( см. определение 1.2 ) имеют место включения

(TxM)X с t®m с (txm)Y.

Доказательство. Пусть h € (TxM)X По теореме 1.2 существует последовательность {(¿i, hi) } такая, что

¿i ^ 0+, ||h — hi|x ^0 и x + ¿ihi € M.

XY

тельность будет удовлетворять условияю || h—hi | y ^0, ав силу сходимости ||h — hi|x ^ 0 имеем, что {hi} ограничен а в X. Таким образом, последовательность {(¿i,h^}, удовлетворяет всем условиям теоремы 1.1 и, следовательно, h € TYM.

Если h € TpM, то по теореме 1.1 существует последовательность {(¿i, hi) } такая, что

¿i ^0+, ||h — hi|y , x + ¿ihi € M, sup||hi||x < + то.

i

В силу теоремы 1.2, первых трех условий достаточно для того, чтобы h € (TxM)Y. □

X Y,

(TM) X = tYm = (TxM Y,

то есть при X = Y конус TXM есть конус Булигана (TxM)X.

Следующие утверждения позволяют указать связь между касательными направлениями из конуса Булигана и направлениями из определения 1.2.

XY

, M X.

x € M

U clY((TxMX n Bx[0, r) С tYm.

r>0

Доказательство. Пусть выполнено включение h € U clY((TxM)X П Bx[0, r]). Тогда найдется r > 0, что

r>0

h €c 1Y((TxM)X n BX[0, r,

{hi} С (TxM)X, ограниченая по норме в X (sup|hi|x ^ r), и

i

сходящаяся к h в Y ( ||h — hi|^ ^ 0). Для всякoro hi имеем равенство

lim ^ +

£^0+ £

откуда получаем, что для любого числа l/i и hi найдется ¿i >0 такое, что

Рх(х + Sihi,M) ^ 1

Si V

причем ¿i можно выбрать та к, что ¿i+i < ¿i и ¿i ^ 0. Таким

{ ¿i, hi }

¿i € R+, hi € X,

X П II г, г, и n ,,, II ^ Px( x + ¿ihi, M) 1

¿i —> 0, ||/г/г — /г||ф —> 0, ЦЛ-гЦх < гч -7------- < “*

¿i ^

Следовательно,

lim Р^ + ед,М) = о.

е^0+, Вх[0,r] 3g^h £

Y

По лемме 1.1 получаем, что h € Tx M. □

XY

, M X.

x € M

TYM С (TxM)YQ U clY(B*[0,r])

11

\г>0 /

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Доказательство. Пусть Н € ТрМ. Тогда по лемме 1.2 имеет место включение Н € (ТЖМ) ф. По теореме 1.1 найдется последовательность {Н^}, удовлетворяющая следующим условиям: ||Н — Н^Цф ^ 0, эирЦН^х = с < + то. Поэтому

Н €с 1ф В*[0 ,С].

Получили следующее включение

Н € (ТЛМ)ф р|(с 1ф Вф,с]),

доказывающее лемму. □

2. Постановка задачи выживания

Рассмотрим систему обыкновенных дифференциальных уравнений

ж = /(ж), х € Мга (2.1)

и некоторое непустое подмножество М С Мга. Напомним определение выживаемости.

Определение 2.1 (см. [36, с. 9]). Пусть хо € М. Будем говорить, что решение х(£, жо) системы (2.1) с начальным условием х(0) = хо выживает, в множестве М, если существует а > 0 такое, что х(£) € М для всех £ € [0, а].

Определение 2.2 (см. [36, с. 9]). Пусть М С Мга.

М

ваемости для системы (2.1), если для всякого хо € М найдется решение х(£, хо) системы (2.1), выживающее в М.

Следующее утверждение известно как теорема Нагумо.

Теорема 2.1 (см. [36, с. 11]). Замкнутое множество М С Мга обладает свойством выживаемости для системы (2.1) тогда и только тогда, когда для всех х € дМ выполнено включение

/(х) € ТЖМ

где ТЖМ — конус Булигана к множеству М в точке х.

В теории дифференциальных включений х € ^(х) с фазовыми ограничениями известна теорема (см. [40]), дающая необходимое и достаточное условие существования выживающего реше-

М.

ется, это условие похоже на условие в теореме Нагумо, а именно: дифференциальное включение имеет выживающее решение в множестве М если и только если во всех х € дМ имеет место неравенство

^(х) п ТМ ф 0,

Т М

Обратимся теперь к автономной системе дифференциальных уравнений с последействием х(£) = /(х4). В соответствии с трактовкой Н.Н. Красовского [20], предложившего рассматривать в качестве естественного фазового пространства систем с последействием пространство непрерывных функций, задачу выживания для систем с последействием мы будем формулировать как

задачу выживания в заданном подмножестве пространства непрерывных функций.

Введем следующие обозначения. Для произвольной непрерывной функции £ ^ х(£) € Мп, £ € [—г, а], где г > 0, а > О, обозначим х*— отображение отрезка [0, а] в пространство непрерывных функций С( [—0], М”), действующее по правилу

х4(8) = х(£ + з), £ € [0, а], 8 € [—г, 0]. (2.2)

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений с последействием

х = /(х4). (2.3)

Напомним определение решения системы (2.3) с начальным условием

х0 = р, (2.4)

где р € С( [—г,0], Мга).

Определение 2.3 (см. [35, с. 9]). Решением задачи Коши (2.3), (2.4) называется непрерывная функция £ ^ х(£), где £ € [—г, а, а > 0, такая, что для всех £ € [—г, 0] выполнено равенство х(£) = р(£) и для почти всех £ € [0, а] выполнено х(*) = /(х*).

Вместе с системой (2.3) будем рассматривать некоторое непустое подмножество М С АС [—г, 0], Мга).

Определение 2.4. Пусть р € М. Будем говорить, что решение х(£, Р) задачи Коши (2.3), (2.4) выживает, М, а >

£ € [0, а выполнено включение х* € М, где х* — движение в пространстве АС[—г, 0], Мга) определеное равенством (2.2).

Определение 2.5. Будем говорить, что множе-М

если для всякого р € М найдется решение х(£, р) задачи Коши

М.

В данной работе существенное внимание уделено исследованию необходимых и достаточных условий, которым должны удовлетворять автономная система (2.3) и множество M, чтобы множество M было множеством выживаемости для (2.3). Аналогичный вопрос изучается для неавтономной системы уравнений с последействием i(t) = /(t, ж*). Кроме того, в работе изучаются задачи выживания для дифференциальных включений с последействием (что позволит в будущем рассматривать задачи выживания для управляемых систем с последействием). Важное внимание уделено также рассмотрению примера с множеством M, имеющим конкретное экономическое содержание.

Следует отметить, что задача выживания имеет многочисленные приложения. В частности, в математической экономике представляет интерес исследование условий, при которых конкретная экономическая система функционирует в заранее заданных ограничениях. Эти ограничения определяются плановым заданием и возможностями самой экономики. Математическое описание экономических моделей чаще всего приводит к соответствующим системам дифференциальных уравнений. Существенно при этом, что при внимательном моделировании экономических моделей мы вынуждены учитывать всегда присутствующий в экономике эффект запаздывания (инвестиции, вложенные в экономику, приносят доход не сразу, а через некоторый промежуток времени). Таким образом, мы вынуждены моделировать экономические процессы с помощью уравнений с последействием. На важность этого обстоятельства и актуальность задачи выживания движения ж*, порожденного решением дифференциального уравнения с последействием обратили внимание участников городского семинара по дифференциальным уравнениям и теории управления пермские математики В. П. Максимов [1, с. 263] и Д. JI. Андрианов [2], [3]. Первые из известных нам работ по теории выживания для дифференциальных систем с последействием принадлежат J.-P. Aubin [36, глава 6] и Е. JI. Тонкову [29].

Близкими к задачам выживания являются задачи о построе-

нии стабильных мостов в дифференциальных играх сближения-уклонения. Оказывается, что стабильные мосты можно строить в терминах конуса Булигана (см. работу В. Н. Ушакова [30]). В связи с задачами описания стабильных мостов в Екатеринбурге (в ИММ УрО РАН) под руководством А. Б. Куржапского, Т. Ф. Филипповой и В. Н. Ушакова активно развивается теория выживания для дифференциальных включений [14], [15], [16], [24], [25], [34]. Важное внимание в этих работах уделяется построению ядра выживания и разработке численных алгоритмов, позволяющих строить ядро выживания для конкретных математических объектов.

3. Основная теорема

В этом разделе найдены условия (теорема 3.2), при которых для заданных непустого множества М С X и функции ^ : X ^ ф, порождающей уравнение

¿х4 = ^(х*), (3.1)

найдутся а > 0 и решение £ ^ х* уравнения (3.1) удовлетворя-

ющее при всех £ € [0, а] включению х* € М.

Следующая теорема дает нам необходимые условия выживания.

Теорема 3.1. Пусть X и ф удовлетворяют условию А (см. с. 21), и заданы множество М в X и непрерывное отображение ^ : X ^ ф. Пусть далее, для всех точек р € М существуют число а > 0 и непрерывное отображение £ ^ х* € М, £ € [0, а] такое, что хо = р и ¿х* = ^(х*) для

почти всех £ € [0, а), то есть существует выживающее в М

. х р.

р€М

^(х) € Т®М.

Доказательство. Возьмем произвольную точку р € М. По условию теоремы существуют число а > 0 и непрерывное отображение £ ^ х* € М, £ € [0, а] такое, что хо = р и ¿х* = ^(х*) для почти всех £ € [0, а, в частности

¿х0 = ^(р).

По определению 1.1 вариации ¿х* это означает, что отображение х* представимо в виде

х£ = хо + ^¿^^ + г(е),

или

х£ = р + £^(р) + г(е),

ДЛЯ £ € [0, $], $ € (0, а], и выполнены условия

г(е)

Шп ИгШзг = о,

£^0+ £

Бир

£>0

¿х

< + то.

(3.2)

Это означает, что для точки р € М и элемента ^(р) € ф на_ шлось отображение £ ^ г(е) € ф такое, что

р + £^(р) + г(е) € М,

и имеют место свойства (3.2). По определению 1.2 получаем, что ^(р) является касательным направлением к множеству М в х.

^(р) € Т®М

для всех р € М. □

Напомним, что множество М С X называется локально компактным, если для всякой точки х € М найдется число г > 0 такое, что множество Дх[х, г] П М— компактно.

Отметим теперь, что функция г(£) и последовательность {¿¿} в определении 1.2 зависят от точки х и элемента Л. Поэтому,

при необходимости, мы будем пользоваться записью г(£, х,Н) и х, Л). Если Н = ^(х), то для краткости записи будем писать

г(£, X = ж, ^(х)),

¿г( X = Ж,^(х)).

Теорема вмад А ( сж. с. 21),

3.2. Пусть X и ф удовлетворяют усло-и заданы локально компактное м,ножест,во М в X и непрерывное отображение ^ : X ^ ф. Пусть далее:

1) для каждого х € М имеет место включение ^(х) € 1#М;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех х € М выполнено неравенство

sup

І

F(x)

r(ii( x),x)

ii( x)

X

< c.

Тогда для всякого p € M существуют число a > 0 и непрерывное отображение t ^ xt € M, t € [0, ^ такое, что xo = p м ¿xt = F(xt) для почти всех t € [0, a).

Докажем сначала следующую лемму.

Лемма 3.1. Пусть выполнены условия теоремы. Тогда, для любой точки x € M н всякого целого m существуют число e(x,m) € (0,1/m) м элемент u(x,m) € X т,акие, что имеют место свойства:

1) x + e(x,m)-u(x,m) € M;

2) u(x,m) € By F^B^x, l/m]),l/m ;

3) при каждом натуральном m функция x ^ e(x,m) ограничена снизу некоторым числом, то есть inf e(x, m) = > 0;

ж€М

4) sup ||u(x,m) Ух < + то.

meN, ж€М

Доказательство. Пусть т € N и у € М. Тогда из условия ^(у) € Т^М и теоремы 1.1 следует, что существуют число € (0,1/т) и элемент € X, удовлетворяющие следующим условиям:

у + ¿уЛу € М, (3.3)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

11^-Яу)1Ь<^, (3-4)

ЦЛуУх <с. (3.5)

Рассмотрим Вх(у,ПУ), гДе У € М, определено равенством

_ $у ^у 2(к + 1)т’

В силу условия теоремы о локальной компактности простран-М,

М

М

вательно, найдется конечное покрытие {Вх(у?, Пу,)} множества М. Далее, для каждого х € М найдется что х € Вх(у?, Пэд). Обозначим

^ \ . ^ / ч . , у? - х

е{х,т) = ду., и(х, т) = Яу. + —-.

¿у,

Докажем, что пара е(х,т) и и(х,т)— искомая для х и т. Действительно, из определения их, т) получаем

х + е(х, т)и(х, т) = х + ^ {НУ5 + ^ Ж) = у,- + 5У^УГ

¿у,

Из включения (3.3) следует, что

х+е(х, тих, т € м.

Первое утверждение леммы выполнено.

Далее, имеем оценку

|Кх,т) - Яу?) ||ш < 1Мх,т) - ||<0 + ||Лэд - ^(у?) ||<д.

Первое слагаемое в правой части оценим сверху, используя определения их, т) и :

Нж,т) - < Ilj/J <

5Vj 5Vj

<krjyL< к <

"" "" 2(& + 1 )т "" 2т’

Второе слагаемое из неравенства (3.4) ограничено

\\hV]-F(Vi)h <

Следовательно,

1

||и{х,т) - F{yj)\\y < —. Поэтому, из включения yj € BXж,Пу) имеем:

■u(x,m) € By F^B^X, l/m]J, 1/m

Второе утверждение леммы выполнено.

Пусть

0m = mi n^y..

j

Так как {BX yj, Пу) }— конечное покрытие множества M и каждое число ¿yi > 0, то > 0. Поэтому, в силу равенства

е(ж,т) = ¿yi имеем

inf е(ж, т) = > 0.

ж€М

Третье утверждение леммы выполнено.

Для любых х и т имеет место оценка

"У - х11*

||«(х,т)"х < "Лу "х

из неравенства (3.5) следует, что \\и(х,т)\\х ^ с

2т(к + 1) ’

откуда получаем неравенство Бир ||-и(х,т) "х < + го. Таким

теН, жеМ

образом, четвертое утверждение леммы тоже выполнено. □

Перейдем, теперь, к доказательству теоремы 3.2. Доказательство. Возьмем произвольную точку

р пространства М. Обозначим а = г/с, где г = тах "х — тНх

жеМ

На основании леммы 3.1, для всякого т € N построим целое число конечный набор чисел .. . СТ € (0т, 1/т) и элементов хт ... хт € М, где

хт = т хт = хт 4- Рт-)/т х0 т, хг+1 хг ' сг ,

с € в.

^(Вх[хт,1/т]),1/т , г = 1...;,

(3.6)

^-1

причем индекс определяется из неравенства ^ ст ^ а.

г=0

Согласно лемме 3.1, для любых целых г и т имеет место неравенство "^т "х ^ с. Тогда для всякого г выполнено включение хт € ВХт, Г. Действительно,

ы « е «хт«

д=0

г—1 г-1

тт

IIх ^ ^ / у °г д=0 д=0

™тц _____ \ ' .м,„т|| ^ \ '

хд " х / у сг " " Ж ^ с / у

£т = Г.

Положим

тт Та — сп

т

с

На каждом из отрезков [т™ ,7"™]] построим линейную функцию

Далее, для всякого £ € [тгт,тгт1) справедливо равенство ¿хт = ит, поэтому па основании (3.6), (3.7) имеем, что для всякой точки £ € [0, а]

Докажем, что последовательность функций хт, т € N удовлетворяет условиям теоремы Арцела. Ясно, что для всякого целого т отображение £ ^ хт € сопуМ, £ € [0, а], где сопуМ — М,

Далее, из включения (3.8) следует равномерная ограниченность последовательности {хт}.

Докажем теперь, что последовательность равностепенно непрерывна. Рассмотрим произвольную функцию хт. Возьмем произвольное с > 0. Тогда для всяких ¿1, ¿2 € [0, а] таких, что |£х — ¿21 < с количество узлов тгт € не превосходит

т с.

По теореме Арцела существует движение t ^ € M, где t €

[0, а] такое, что ||xt — жЩх ^ 0 равномерно на [0, а]- Поэтому из неравенства (3.8) следует, что € M.

Далее, имеет место оценка

ж™ € BX(M, c/m)

(3.8)

¿жГ € F(BXxm,c/m)^/m -

(3.9)

c(m + 1)е

m

У«жГ — F(xt) IIY = — F(xt) ||Y <

< IK - F(xDb + |№П - F(zt)Уф.

Следовательно, из включения (3.6) получаем, что имеет место равенство lim ||«m — F(x™)||y = О, т0 есть первое слагаемое

стремится к 0 равномерно по t. Далее, из неравенства (3.7), непрерывности F(x) и оценки

Ух* - xm||x ^ IIж* - x

.mil

t IIX'

lxm _ xmll„ lxt хг IIX,

получаем, что второе слагаемое равномерно по £ стремится к 0.

Тем самым хт ^ х* и ¿хт ^ ^(х*) равномерно по £.

Докажем, что для всех £ € [0, а) имеет место равенство ¿х* = ^(х*) .Фиксируем £о € [0, а). Для выполнения равенства ¿х*0 = ^(х^^) достаточно доказать, что для любого с > 0 при достаточно малых д£ выполнены неравенства

_ F(xto)

Y

x*o+At xt0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

At

< + ТО.

Так как ||хт — х*||х ^ 0 равномерно по £, для выполнения этого

т

имеют место неравенства

xt()+At

_ F(xt0)

<

Y

m _ m Xi0+Ai io

< + ТО.

Из непрерывности F(p) имеем, что ДЛЯ ВСЯКОГО £ > 0 найдется число п > 0 такое, что выполнено ||F(p) — F(xto) У y < £ для всех ||р — ж4оУх <(4с + 1)п.

Возьмем номер m достаточно большим, чтобы l/m < п и Уж™ — xt||x < 2сп для всех t G [0, а), и возьмем At < п.

Найдутся номера ii и ¿2 такие, что

Т™ < t0 < т™+1 < ■ ■ ■ < Т™- < Î0 + At < Т™.

Докажем, ЧТО ДЛЯ всех номеров ¿1 ^ s ^ ¿2 выполнено включение

Bx[xmД/m с £x[xio,4(с + 1)п].

(3.10)

Все тт, s = h,... , ¿2 отличаются от to менее, чем на 2п- Следовательно,

ЦжГ - xto Ух < ЦжГ - xmilx + IK - Ух < 2cn + 2cn = 4cn-

Таким образом, xm € Bx[xto , 4cn] и требуемое включение выполнено.

На каждом из отрезков [т^, t^i ], s = ii,... , ¿2 — 1, отображение жт линейно и имеет вид

хг = xm+(t - ts)«m, t € .

t , t t

xm - xm = (t - ««m, t € [t0>Tm+1 ],

™m ry>m _ (t __ Tm \«m t € ITm Tm 1

xt xii+l _ V6 Tii + 1 /«¿i+i, 1 € Lt^1,t^2J,

хт—хт_! = (£—г™-)ит-, £ € [г^,^д^.

По построению, для всех ит имеет место оценка

у«тух < с.

Следовательно, для всех £ € [тг,тг+1] выполнены неравенства Ухт — хтУх < Ф — т*), сложив которые, получим

ух™—хтух ^ ф—и).

Поделив обе части па £ — Ц и обозначив д£ = £ — £о, получаем неравенство

хт - хт

< с

t

X

для всех At < n. Перейдя к пределу m ^ +то, получим нера-

венство

xt0+Ai - xto

t

< c.

Таким образом, второе неравенство из определения ¿х* выполнено.

Докажем, что первое также имеет место. Для всех г\ ^ 8 ^ ¿2 — 1 то определению ит имеем

П BXx™ 1/m]) ,1/m

«Г € By

то есть найдется y € Bx[xm, 1/m] такое, что

y«m - пу) у® < i/m.

С другой стороны, из включения (3.10) имеем, что выполнено y € Bx[xto,4(c + l)n] и то построению n получаем

llF(y) - F(xt0)yY < е

Таким образом, для всех «m выполнено

y«m - F(x^)y® < y«m - Ну)yY + 1Иу) - F(xt0)yy < 1/m + е

Следовательно, все неравенства

yxm - xm - (t - Tsm) у® =

= (t - Tsm) y«m - F(x^) y® < (t - TsmK i/m + e)

m

t < n

yxm+At - xm - AtF(xt0)yY < + e).

m t,

требуемую оценку

t

< e.

Y

В формулировке теоремы 3.2 отображение К : X ^ % предполагается непрерывным на пространстве X. Интерес представляет случай, когда отображение К : X ^ % не является непрерывным. Оказывается, что для доказательства теоремы достаточно замкнутости отображения К. Напомним определение замкнутого отображения.

Определение 3.1 (см. [27, с. 276]). К : X ^ % называется замкнутым отображением, если график Г(К) является замкнутым множеством, где график Г(К) — множество пар вида

Г(К) = Xа,К(а)): а € ОД},

а Щ(К) С X— область определения отображения К

Другими словами, отображение К : X ^ % является замкнутым если и только если из условий

||аг — а|х , {аг} С Щ(К),

1Иаг) — /У® ^0, / € %

следует, что а € Щ(К) и имеет место равенство К(а) = /.

Теорема 3.3. Пусть X и % удовлетворяют условию А ( сж. с. 21), и задано замкнутое отображение К : X ^ % с областью определения Щ(К). Пусть далее, задано локально компактное м,ножест,во М в Щ(К) м выполнены условия:

1) <9ля каждого х € М имеет место включение К(х) € 1#М;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех х € М выполнено неравенство

Бир

І

Пх)-' Г^]'х)

и{ х)

< с.

X

Тогда для всякого р Є М существуют число а > 0 и непрерывное отображение і ^ х* Є М, і Є [0, а такое, что хо = р м ¿х* = ^(х^) для почти всех і Є [0, а).

Доказательство. В условиях теоремы утверждение леммы 3.1 остается верным и ее доказательство проводится практически без изменений. Поправки в доказательстве леммы происходят лишь в местах, где используется непрерывность отображения К, понимаемая в следующем смысле: для всяких х € Щ(К) и е > 0 найдется 5 > 0 такое, что из условий Ух — х||х <5 х € ЩК) следует, выполнение неравенства ||К(х) — К(х)У® < е.

Доказательство самой теоремы дословно повторяет доказательство теоремы 3.2. Это позволяет сделать локальная компакт-М,

ются. □

4. Задача выживания для уравнений с последействием

Для произвольной функции

т ^ х(т) Є Мга, т Є[-г,0], г>0, $>0

обозначим

х*(в) = х(і + в), в Є [—г, 0], і Є [0, $].

В дальнейшем будем считать, что

1М1х = |р(в)Ив

11(р,ь) 1Ь = тах{/ Ив)Ив|ь|}.

Напомним, что условие А означает включение X С Y и ВЬ1_ полнение неравенства sup < +оо. Для выполнения

^€£,^0 НРНж

этого условия будем рассматривать элемент р £ X, как пару

(р(0>р(0)) £ X>

где

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

X = {(р(•),Ь) £ AC([-r,0],Mn) х Rn : Ь = р(0)}

с нормой

||(р(о,ь)lli = mах{УрУж,|ь|}.

В дальнейшем будем отождествлять X и X. В этом случае пространство X является подмножеством пространства Y и требу-

11р|| Y

емое неравенство sup ^ < +оо выполнено.

^€£,^0 IMI*

Пусть имеется задача Коши для уравнения с последействием

X(t) = /(ж4), ж0 = р. (4.1)

Введем в рассмотрение отображение F : X ^ Y, определенное равенством

F(CT) = (ст( •) ,Дст)) и вместе с задачей (4.1) будем рассматривать задачу

¿ж4 = F(xt), ж0 = р. (4.2)

Определение 4.1. Решением задачи (4.2) называется отображение t ^ £ X, t £ [0,а, а > 0 такое, что

жо = р, отображение абсолютно непрерывно на любом отрезке [0, в, в < а и для почти всех t £ [0, а) выполнено равенство ¿ж4 = F(xt).

Формулируемые ниже две леммы устанавливают взаимно однозначное соответствие между решениями задач (4.2) и (4.1).

Лемма 4.1. Пусть функция

£ ^ ж(£) € Мга, £ € [—г, а, а > О

является решением задачи (4.1). Тогда отображение £ ^ ж* € X, £ € [О, а,

построенное по правилу

ж*(«)=ж(£ + «), £ € [О, а, 8 € [—г, О],

имеет для почти всех £ € [О, а) вариацию ¿ж* и является ре..

Доказательство. Пусть £ ^ ж* € X, £ € [0, а) — движение в пространстве X, порожденное ж(£). По определению, вариация ¿ж* отображения £ ^ ж*, это пара

¿ж* = (а, Ъ) € [—г, 0] х Мга

такая, что

,. II Ж*+е — Ж* г N А

І1Ш -------------— дхі т — и,

е^О11 £ 11V

где

N Ж^£ Ж*

I жн-£ - , ' _^|| |Ж*+£(0) - ж*(0)

е

Откуда получаем, что

Г II ^Ъ+е / \ / \ II І } 7 | "І

= шах! ||-----(О-^ОЦ^^щ.к»).!---------------ь\\-

/ч ,. Ж^Кв) - Жъ(в) <тЫ = пт ------------------

е^0+ £

ъ= Ит Х*+Ло) ~^(о)_

є^0+ Є

Для всех s < 0, начиная с некоторого е справедливо s + е < О, поэтому

, ч xt(s + е) - xt(s) .

cr(s) = lim --------------= xt(s).

£^0+ е

для почти всех s € [—r, 0].

Для b, по определению решения задачи (4.1) (см. [35, с. 51]), имеем

Г t-fe

, ч /л x(t) + / /(ж5) ds — x(t)

, .. ж t+е—ж t г л

b = lim —--------------— = lim ----—----------------= f(xt)

£^0+ е e^0+ е

при почти всех t € [0, а)-Таким образом,

&Ct = (Xt(s), /(Xt)) почти всюду на [0,а)- П

Лемма 4.2. Пусть отображение

t ^ yt, t € [0, а, а > 0 ..

t ^ x(t) € Rn, t € [—r,а,

где

x(s)=p(s), s €[—r,0], x(t) = yt(0), t € [0,а

..

Доказательство. Пусть почти всюду на интер-

= F(yt) = (ш,/Ы) € Y-

По определению ¿у* получаем, что для почти всех £ £ [0, а) из свойств пространств X и ф имеет место равенство

Нт

(ш+Л0>у*+Ло)) - Ы•)>у*(о))

(ш( 0 >Ду*)) = о-

£—— 0Ч~

е

Откуда следует выполнение равенств

у4(в) ^в = О

(4.3)

И

(4.4)

для почти £ £ [0, а).

Рассмотрим отображение £ ^ ж(£) £ Мга, £ £ [—г, 0], построенное по правилу

Для доказательства утверждения леммы требуется доказать равенство

следовательно, необходимо показать, что для всех в £ [—г, 0] выполнено равенство у*(в) = ж*(в). По определению ж* необходимо доказать, что

ж(£ + в) = у4( в).

Из определения ж(£) следует, что это равенство эквивалентно равенству

ж(в) = р(в), в £ [-г,0], ж(£) = у*(0), £ £ [0,а).

Для ж(£) из равенства (4.4) получаем, что

Ж(£) = /(ж*)

у*+*(о) = у*( в)-

Рассмотрим функцию двух переменных y(t, s) = yt(s), где t € [0,а, s € [—r, 0]. Покажем, что функция y(t, s) постоянна вдоль отрезков s + t = const, s € [—r, 0], t € [0, a)-

Из равенства (4.3) следует, что выполнено равенство

yt+£(s) -yt(s)

-------:-------= Vt{s)

£^0 £

s € - r, .

(t, s) € [0, a x [—r, 0)

имеем цепочку равенств

dy(t,s) = y(t + £,s) -y(t,s) = yt+e(s) - yt(s) =

dt £—>0+ £ £—>0+ £

= Пт + g) ~ Vt{s) = y(t,s + £)-y(t,s) = dy(t,s) e^0+ £ e^0+ £ ds '

Продифференцировав функцию y(t, const —t) получим

dy(t,s

d . . dy(t,s)

—y(t, const —t) ==

dt dt

d s

st— t

.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

«n st —t

Таким образом, функция у(£, сопзt —¿) является константой.

Покажем, что у*+т(з) = у*+Лт) Л113 всех 5,т ^ [—г, 0). Действительно, имеют место равенства

• / ч У^Лт + е) — у4+Лт) • / N

Ш+Л'г) = ---------------------= Уг+Ав).

Так как у*+в(т) ^ АС[—г, 0], то

у*+Л0) = / у*+Лт)^т + у*+в(«)• ^ в

С другой стороны,

у*(«) = / у*+Л«)^т + у*+Л«)

в

и поэтому yí+s(0) = У*(s). □

Таким образом, на основании теоремы 3.2 и лемм 4.2, 4.1, можно сформулировать достаточное условие выживания для систем с последействием.

Теорема 4.1. Рассмотрим некоторое локально компактное м,н,ожест,во M С X. Для того, чтобы существовало движение t ^ € M, порожденное дифференциальным урав-

нением с запаздыванием x(t) = /(xt) и начальным, условием Жо = р € M, достаточно, чтобы для всякой точки а € M выполнялось включение F(a) € Tj^M, где F(a) = (á(s),/(a)).

Возьмем теперь, в качестве пространств

X = C[-r,0],Мга), Y = L([-r,0],Мга) х Rn.

Докажем, что отображение а ^ F(a) € Y, а € X, действующее по правилу

F(a) = (а,/(а))

является замкнутым.

Для этого достаточно доказать замкнутость оператора дифференцирования F, как отображения действующего из пространства C[—'г,0],Мга) в L([—r, 0],Мп) с областью определения D(F0) = AC( [-r,0], Мга).

Лемма 4.3. Пусть F действует, из пространства C [—'г, 0], Мга) в прост,ране meo L( [—r, 0], Мга) по правилу

(F0a)(t) = a(t), t € [-r,0], a € D(F0),

где облаетыо определения является пространство абсолют,по непрерывных функций D(Fo) = AC([—'r, 0], Mn). Тогда этот оператор является замкнутым.

Доказательство. Замкнутость F означает, что из условий

IIa«. — allc([-г^],кп ^ ®

||Fo(an) — /|Il([—r,0],R") ^ 0

следует, что (a, /) € Г(F) шли., что то же самое, Fo(a) = /. Обозначим

pn = Fo(ara) = -

Из свойств абсолютно непрерывных функций следует, что для всех n € N имеют место равенства

a„(t) = an(—r) + / Pn(s)ds.

J —Г

Нам требуется доказать равенство

a(t) = a—r) + / /(s)ds.

J — r

Тем самым будет доказано, что a € AC[—r, 0], R”). Из последнего включения будет следовать, что / является производной a и, следовательно, (a,/) € Г(F0).

С учетом определения и рп

a„(t) = an(—r) + / рга(s)ds,

J — r

оцеНИМ норму разности

i^)— a—r) — / f(^ds| <

—r

^ |a(t) — an(t) | + |an(—0 — a—О К / iPn(s) — /(s) ids.

—r

Первые два слагаемых сходятся к 0 в силу равномерной сходимости к a. Из сходимости рп к / в L([—r, 0], R”) и оценки

/ |Pn(s) — /(s)ids ^ [ |рга(s) — /(s)ids

—r —r

следует сходимость к 0 третьего слагаемого. Поэтому правая часть неравенства может стать сколь угодно малой, что означает равенство

Из этой леммы, теоремы (3.3) следует утверждение, дающее достаточные условия выживаемости для уравнений с последействием и множества, заданного в пространстве непрерывных функций.

Теорема 4.2. Пусть М — некоторое множество в пространстве абсолютно непрерывных функций, локально компактное в пространстве непрерывных функций. Для того, чтобы существовало движение £ ^ ж4 € М, порожденное дифференциальным уравнением с запаздыванием ж(£) = /(ж*) и начальным условием, жо = р € М, достаточно, чтобы для всякой точки а € М выполнялось включение ^(а) € Т^М, где

5. Дифференциальное уравнение с последействием и одним ограничением

и множество М задано в X уравнением

М = {р € X: а(р) = 0},

где отображение а : X ^ М имеет вид

,0

а(р) = ,0(р(О)) + / а(5,р(з))^,

для всех £ Є [—г, 0].

= (¿(в),/(а)).

Пусть

X = АС([-г,0], Мга), ф = ^([-г,0], Мга) х Мп

—г

в : Мп ^ М и а : М х Мп ^ М— непрерывные функции.

Введем следующие обозначения: в;(X|х=Хо — градиент функции в(ж) в точке х0, т0 есть

ы()\_ (dßjx) dß(x)\

' { Пх-хо V дхг ’■■■’ дхп )

X = Xq

и соответственно

X=XQ

п Ч| . /da(t,x) da(t,x)

Обозначим через (•, •) скалярное произведение в Rn.

Лемма 5.1. Пусть функция ß : Rn ^ R непрерывна вместе со своей производной ß;(x) на всем пространстве Rn. Функция а : R х Rn ^ R непрерывна вместе со своей производной aj(t,x) на всем пространет,ее R х Rn. Тогда отображение а : X ^ R, где

а(ф) = ß^(o)) + / авф(«))^

J — Г

дифференцируемо по Фреше во всех точках ф € Хм производная

а'(ф) [•] : X ^ R

действует, по правилу

а'(ф)[Ф] = <ß/(x)U=^)/ <аЛs,x),ф(«))ds-

J—Г

Доказательство. Зафиксируем элемент ф € X. Найдем производную отображения а : X ^ R в точке ф по направлению ф € X

«'ММ = lim

£^0+ £

1 f®

+ lim -( / a(s, ip(s) + eip(s))ds — a(s,tp(s))ds). e^0+ eK J-r J-r

В силу того, что функция /0(ж) дифференцируема во всех точках x € Rn, имеем равенство

Дт+^(/%(°) + #(°)) -/%(0))) = (/3/(ж)|ж=¥,(0),-0(О)).

Из непрерывной дифференцируемости a(t, x) по x следует, что под знаком интеграла можно перейти к пределу:

1

lim -(/ a(s,íp(s) + etp(s))ds — a(s,ip(s))ds) =

e^o+ e J-r J-r

f0 1

= lim -(ct(s, <p(s) + £ip(s)) — a(s, ip(s)))ds = e^0+ J-r e

[0

= / (a'(s,x) |x=v(s) ,^(s) )ds.

-r

Таким образом,

¡•о

= (ß'(x)U=^),#)Ж / (a'(s,x)U=^ts^(s))ds-

-r

Нетрудно проверить, что в каждой точке р € X отображение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

а'(р) [•] : X ^ R

линейно и непрерывно, то есть а'(р)[•] € X*.

Покажем, что отображение

р ^ а'(р) н >

непрерывно в каждой точке р, как отображение, действующее X X* .

X*

На'(р) - а'(р)Ух* = sup |а'(рМ - а'(р)[ф]|.

1ЖЫ=1

Оценим норму разности

|а'(р)М - a'(p)M| = |(в'(х)U=^(o) - e'(x)U=^(o)>#>)) +

Л i

+ / (аХ(s,x)U=0(s) - аХ(s,x)U=^(s),^(s))ds| ^

J —r

< |(e'(x)U=^(o) - e'(x)U=^(o),^))| +

r° | i

+ / |(аХ(s,x)|х=^) - a'X(s,X|х=^),^(s))|ds-

—r

Напомним, что X есть пространство абсолютно непрерывных функций, поэтому из равенства Ц^Цх = 1 следует, что |"0(s) | ^ 1 для всех s € [-r, 0]. Следовательно, мы можем оценить правую часть неравенства следующим образом

| (в (x) |х=0(О) в (x) U=^(0) ,^^))| ^ |в (x) U=^(0) в (х) U=^(0) |

и

| / / |

/ |(ал (s,X| *=0(S) - ах (s,X| Х=ф),^(s)) |ds ^

—r

г° | |

^ / |аХ(s,x)U=0(s) - аХ(s,x)U^s)| ■ |^(s)|ds ^

—r

г° | |

^ I |ах (s,x)| х=^(з) ах (s,x)| х = <^(«) |ds-

—r

Эти неравенства выполнены для всех Ц^Цх = 1, следовательно, норма разности ||а'(0) - а'(р)||х* = suPy^y^i - а'(р)[^]|

оценивается сверху следующим образом

Ца^р) - а'(р)||х* ^ |в(ХL=^(o) - в(Х^^(о) ^

I |ах (s, X |х = ^(з) ах (s, X |х = ^(з) |ds-

—r

Из сходимости ||р — р||х ^ 0 следует, что р(в) ^ р(в) равномерно на отрезке [—г, 0]. В силу непрерывной дифференцируемости в(ж) имеем, что

|в (ж) и=^(о) в (ж) и=^(о)1 * о,

при ||р — р||х ^ 0•

Из свойств функции а(£, ж) (о/(•, •)— непрерывна по (¿, ж) и на каждом компакте С € МхМп ограничена константой) следует, что под знаком интеграла можно перейти к пределу (теорема о предельном переходе см. [19, с. 276]):

Таким образом, имеем что

11а'(р) — а'(р)Ух* ^ о при ||р — рУх ^ 0•

По теореме о сильной дифференцируемости (см. [18, с. 36]) получаем, что отображение а : X ^ М дифференцируемо по Фреше в каждой точке р € X и эта производная а;(р) [•] : X ^ М действует по правилу

. . ,

а {Ф)Ш = (в (ж) 1я=0(О) / («Х (в,ж) ,^(в)

</—г

Лемма 5.2. Пусть

М = {р € X: а(р) = 0},

где отображение а: X ^ М есть

а(р) = в(р(0)) + / а(в,р(в))^в,

</—Г

функции в(ж) '■ Мп ^ М и а(^, ж) : М х Мп ^ М непрерывно дифференцируемы по ж. Тогда во всех точках р € М, в которых выполнено неравенство

\ / 1^1/ I

Iе (ж)|ж=^(о) \ + I |а (в,ж)|^=^^1 ^в Ф о,

7—г

касательное пространство Т<^М имеет вид

Т^М =

= {Ф € X: (в|*=0(о)>Ф(°)) + / (аХ(в, ж|*=0(в),Ф(в))^в = О}.

7—г

Доказательство. Покажем, что для всех р € X таких, что

I I Л I I

\в(ж) и=^(о) К / рХ(в, ж |я=0(в)| ¿вфО

7—г

отображение а/(р[•] : X ^ М сюрьективно, то есть 1та/(р[•] = М. Для этого достаточно указать хотя бы одно ф € X такое, что а^р^ф] ф 0. Действительно, если такое ф существует, то для произвольного Л € М получим

а/(р)[Аф] = Ла/(р)[ф],

откуда следует, что а/(р [•] может принимать любые значения М.

Пусть

|в (ж)и=^(о) \ ф о.

Из свойств функции ж) имеем, что |аХ(¿,ж) I ограничена па

множестве {(в,р(в))}5ег—го1 некоторой константой (в силу того,

что {(в,р(в))}5е[—г>о] компактно в М х Мга). В качестве ф € X возьмем абсолютно непрерывную функцию, такую, что

ф(0) =в(ж) ^(о),

ф(в) = 0, в € [—г, —е], е > 0.

Получаем

а'(ЙМ = |в(ж)|ж=^(о) |2 + J (аХ(в, ж|ж=^),Ф(в))^в.

В силу ограниченности аХ(в, ж|Х=<£(8) и Ф(в) можно выбрать е достаточно маленьким, чтобы

/ Ч М И ^\Л ^ И (Ж) I ж=с^(0) I

{ах{8,х)\х=ф(3),ф{8))й8 <--------------------.

Таким образом

Ч Л\Г/1 \ I ЯЧ М I2 |/^ (ж)и=0(О) | \Р (Х)\х=ф(0) | п

а (<рЩ > \/3 (х)\х=фт\---------------2 =--------2 >0-

Пусть

[° \ \

I |аж (в,ж) |ж=^(з) \ ^в Ф 0.

—г

е>

[ |аж (в, ж |Ж = 0(8) | ^в ф 0.

— г, — е ф в ,

кая, что

I (аХ(в, ж|ж=^),Ф(в))^в > 0.

—г

ф — г,

ф(в) = ф(в), в € [—г, — е], ф(0) = 0, та отрезке [—е, 0] линейна.

г

Получаем, что

гО

а(р)[ф] = (^(ж)и=^(о),^Ж / (аХ(в,ж)и=^),ф(в))^в =

—г

= / (аХ(в, жЬ=^(в),Ф(в))^в+ / (аХ(в, ж|*=^(в),Ф(в))^в.

7 —Г 7 —в

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

е

| J (аЛв^^фФ^))^! < ^ (аЛв^^ОфФ^))^-

Таким образом получим, что 1 /—в

а'(р)[ф] > - J (аЛвж)и=¥>(фФ(«))^ > 0.

Рассмотрим произвольное р € М, то есть а(р) = 0. Если имеет место неравенство

\ \ /0 \ \

\в(ж)|х=^(о) К / \аХ(в, жи=^(в) \ ¿в^О,

—г

то в этой точке выполнены все условия теоремы Люстерника ар

1та/(р[•] = М). Следовательно

Т„ М^ега^р) [•] =

[0

= {ф € X: (в (ж)|х=^(о),ф(0)) + / (аХ(в, ж|х=^),Ф(в))^в = 0}.

—г

Рассмотрим дифференциальное уравнение с последействием

ж(*) = /(ж*), (5.1)

где х € Мп, f : С([—г, 0], Мга) ^ Мга)— непрерывная функция, и начальное условие

хо = Р, (5.2)

где р € X. Следующее утверждение дает достаточные условия выживания решения задачи (5.1), (5.2) в множестве, заданном одним уравнением.

Теорема 5.1. Пусть

М = {р € X: а(<р)= 0}, где отображение а'. X ^ М есть

а(р) = 3(р(0)) + / а(з,<р(з))йз,

7—Г

функции 3 '■ Мп ^ М и а : М х Мп ^ М непрерывно диффе-х. М

следующие условия:

1) во всех точках <р € М выполнено неравенство

I I I

3(х) 1х=^(о) к / К'(в,х) 1®=^) 1 ¿вфО;

7—г

2) во всех точках р € М выполнено равенство

[0

<3(х)и=^(о) ,/(р)И / («Х(в,х)и=^) ,р(в))^ = 0.

7—г

Тогда, для всех р € М, с существенно ограниченной производной, существуют число $ > 0 и отображение £ ^ х(£) € Мп, £ € [-г, $] являющееся решением, задачи (5.1), (5.2) т,акие, что для всех £ € [0, $] выполнено включение

хг € М.

Доказательство. Введем в рассмотрение множества где I > 0, с > О,

Ш{1,с) = {р € X : Бир |р(в)| ^ I, чштир|р| ^ с}.

в€[—г,0] в€[—г,0]

Все множества Ш{1,с) равномерно ограничены и равностепенно непрерывны, следовательно, по теореме Арцела, они являются относительно компактными в пространстве С( [—г, 0], М”).

Докажем, что множества Ш(1,с) С С([—г, 0], Мга) замкнуты. Пусть {р^} С Ш(1,с) И 1£г ^ р в С([—г, 0], Мга), то есть

Бир |р>г( в) — р(в) |^0, г ^ +ТО.

в€[—г,0]

Для любого г и любых вх, в2 € [—г, 0] в силу ограниченности производной

уга1зир |р| ^ с

«€[—г,0]

имеем, что

Гв 2

Ыв2) — рАв1)N I ФАв)^в| ^ ф2 — ^|.

•) в1

Перейдя к пределу г ^ получим, что для любых чисел в!,

в € — г,

^(вг) — | ^ с|в2 — вх|,

то есть р абсолютно непрерывная функция.

Для всяких г, £ € [—г, 0] и е € М таких, что в + е € [—г, 0] имеем неравенство

Рг(8 + в) -^¿(в) 1 Г+Е • , ^ /

----------------- = - Рг{т)йт ^ С.

е е Зз

Перейдя к пределу г ^ получаем, для всяких г, в € [—г, 0]

е € М в е € — г,

р(в + е) — р(в)

---------------< с.

е

іітФ + £) ~ Ф)

є^О Є

существует почти всюду па [—г, 0] и

р(в) ^ с

для почти всех в Є [—г, 0]. Получили, что р Є ^(1,с).

Из непрерывности а(р) следует, что М — замкнутое множество. Тогда множества

Мг,с) = М П Ж(1,с)

компактны для всех I > 0, с > 0.

Возьмем произвольное р Є М такое, что

угаізир|р(в)| < + то.

«Є[—г,0]

Обозначим

д = угаІБир |р(в) | + 1, р = шр |р(в) | + 1.

«Є[—г,0] «Є[—г,0]

Множество Мд,р) — компактно и

р Є М(д,р) •

Заметим, что и ^(1, с) всюду плотно в шаре Ве[0,1, по-

с>0

этому

Т1рЫ = Т1р(Ы П У Щд,с)Ж Т^и М(9>с)-

с>0 с>0

Из леммы 1.3 следует, что

и с1^(ТжМ П В*[0, г]) С Т® М.

с>0

= {ф € X: <в(х)|ж=^(о),ф(0)> + / <ал'(s,x)lx=^(s),^(s)>ds = 0}.

J —r

Тогда, для всякого с > 0 имеет место равенство

c1Y(TxM П В*[0,с]Ж ЛФ,Ь) € Y : vraisup |^(s) | ^ с,

s€[—r,0]

<в(х)U=^(o),b> + / <aX(s,x) U=^(s)>^(s)>ds = 0}.

—r

По условию леммы во всех точках р € M[p q] выполнено равенство

г0 ;

<в'(Х) L=^(0) ,/(р)И / <ах (s,x) L=^(s) ,p(s)>dS = 0.

—r

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Из оценки vraisup |p(s) | < q, следует, too для всех р € Щр q] s€[—r,0] выполнено включение

F(p) € сlY(TxM П В*[0, q]) С TYM,

где

F(p) = (р(0>/(р))-

Из теоремы 4.2 следует, что существуют константа i >0 и отображение t ^ x(t) € Rn, t € [—r, 0] являющееся решением задачи (5.1), (5.2) такие, что для всех t € [—r, 0] выполнено включение

xt € M.

В работе Е. JI. Тонкова [29] показано, что если

e'(t)|t=a(o)/Н + / аХ(s,x) lx=a(s)¿(s)ds<0

—r

для всех а € дМ, где М = (а € X: а(а) ^ О}, то задача локального выживания в М разрешима. В теореме Тонкова движение £ ^ ж* те может оставаться на границе множества М. Последнее утверждение дополняет этот результат для движения по границе М.

6. Дифференциальное уравнение с последействием и конечным числом ограничений

Пусть

£ = АС([-г,0], Мп), % = Ьг([—г,0], Мп) х

и множество М задано в X уравнением

М = (р € X-. а(р) = 0,... , р) = 0}, где отображения ai : X ^ М, г = 1,... , т имеют вид

аД в,р(в))^в.

Введем обозначение а(р) : X ^ Мт

( а(р) \ а(р) = : •

V ат{р) У

Лемма 6.1. Пусть функции $ : Мп ^ М, г = 1,... , т непрерывны вместе с производными ж), ж € Мп. Функции : М х Мп ^ М, г = 1,... , т непрерывны вместе с производными а^'(£, ж) на всем М х Мп.

Тогда отображение а'. X ^ М дифференцируемо по Фреше во всех точках р € X и производная а'(р)[•] € ¿(X, Мт) определена равенством

( а[{р)Щ ^

а'(р)[Ф] = :

V ат рм)

п

/ 0 \

<e((x) L=v(o) ,Ф(оЖ /<а X (s,^ |л=0(в) ,^(s) )ds

<emx |^^) >#> ж /(«mX (s,x u=0(S) )ds

Доказательство. Аналогично одномерному случаю имеем, что а(р) в каждой точке р € X имеет производную по направлению а^р)^] :

а'(„)М = lim Ф ~ Ф) =

£^0+ £

0

<в[(х)L=v(o),Ф(0Ж / (аX(s,xUvts,^(s))ds

<emx u=v(o) >ф(ож /<«mX (s,x u=vw )ds

Легко проверить, что а'(р) [•] € £(X, Мт) для всех р € X.

Аналогично одномерному случаю получаем, что отображение

Р ^ а'(р) [•]

непрерывно в каждой точке р € X как отображение, действующие из X в £(X, Мт), то есть

lim ||а'(р)[•] - а'(р)ННджк™) = 0>

v^v

где

Ир)[•] - а'(р)ННдхд™) = sup |а'(р)[Ф] - а'(р)[Ф]|.

По теореме о сильной дифференцируемости [18, с. 36] отображение а(р) дифференцируемо то Фреше во всех точках р € X и эта производная совпадает с а'(р) [•]. □

Лемма 6.2. Пусть

М = [ф € X : ах(р) = 0,... , ат{ф) = О}, где отображения аг : X ^ М, 1 = 1,,т, есть

аДф)=вг{ф(0)) + / аАв,ф(в))йв,

7 —г

функции в : Мп ^ М и аг М х Мп ^ М непрерывно дифференцируемы по х. Тогда во всех точках ф € М, для которых

выполнены условия:

1) для всех 1 = 1,... ,т выполнены неравенства

I 1^1 I

| Рг (х) |ж=ф(0) 1 I 1 агх (в, х) |ж=ф(.з) 1 йв 7^ 0)

■) —г

2) функционалы а'(ф)[•] € X*, 1 = 1,... ,т линейно независимы, где

а'г{ф)Ш = (в (х) и=ф(0) ,ФФ)) + / (агх {в,х) и=ф(в) ,Ф{в) №

7 —Г

касательное пространство ТфМ состоит из элементов ф € X, удовлетворяющих системе уравнений

(в'Лх)и=^(о)>ф(оЖ I (аX(в,х) 1х=ф(з),Ф(в))Лз = о

Ф'т{х) и=ф(0) ,ФФ))+ I (атх' {в,х) ^фЫ ,Ф(в) )(1,3 = 0.

Доказательство. Из леммы 6.1 следует, что отображение

( 0 \

в\{фЩ + / ^{в,ф{в))йв

вт{ф(0)) + / ат{в,ф^)йв

т

—г

дифференцируемо по Фреше и производная а'(ф) [•] Є £(Х, Мш) имеет вид

/ аЦФШ] \ а іф)Ш= : >

V а'ш{фШ )

где для всех і = 1,... ,т

Ґ

аі(ф)[Ф] = Шх\х=ф),ФФ)) + / \х=^),Ф(^№■

7 —г

Докажем, что оператор а'(ф)[•] сюръективеп, то есть

а'ф [X] = Мш.

По лемме 5.2 имеем, что для всех і = I,... ,т

аЦ ф [Х] = М.

Из линейности оператора а'(ф)[•] Є £(Х, Мш) следует, что образ 1т а'(ф) есть линейное подпространство в Мш. Обозначим

С = а'(ф) [X.

Предположим, ЧТО С ф Мш, то есть

сІітС = к < т.

Пусть

е =

хеш /

$

иш /

базис в С. Рассмотрим совокупность т к— мерных векторов

2

£

ҐЄт\

£

и?/

ъш

С2

£Ш

\£Ш

Так как векторов больше, чем их размерность (к < т) получаем, что найдутся числа Хг € М г = 1,... ,т не все равные нулю такие, что

/Ч! \ / & \

Х

Хт

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

\£/

т

С2

т

.

\ст

Получили, что имеют место равенства

Х1Й + Х1^1 +

Хт£,т — О

ст

ХтСт — О

(6.1)

Х1^ + Х2^ + ... + Хт£т = 0.

Для любого ф € X имеет место включение

а'(ф)[ф) € а'(ф)[X] = С.

Следовательно, так как С1,... , С к образуют базис в С, то найдутся числа ^\{ф),... , Цк(ф) такие, что

а'(ф)Щ= щ(ф)£1 + ц2{ф)(1

ц к{Шк.

Так как

/ аШф) \

а фф

ат ф ф

то получаем, что для всех ф € X

а1{ф)Ш= Ш{ф)й+ Ц2{фШ + . а2(Шф] = Ц1{ф)И + Ц2{фЩ +. , а'т{ф)1ф]=т{шт+&тт *

Цк(ф)ск

Цк{ф)&

Цк(Ш,

Рассмотрим линейную комбинацию функционалов а^{ф)[•], г = 1,... ,т

Х1а'х(ф) ['] + Х2а'(ф) ['] + - . + Хтат{ф) ['],

где Хх, Х2,... , Хт те же что и в (6.1). Для всякого ф € X имеем, что

Х1а[(ф)[ф} + Х2а'2{ф)1ф} + . . . + Хтат{ф)[ф] =

= Х1(щ(ф)С1 + Ц2{фШ +... + ц к(ф)ск)+

+ Х2(Ц1(ф)£2 + ^{ф)^2 + . . . + Цк(ф)£,2) + . . . +

+ Хт( Ш(ф)£,т + Ц2Ш1 + -. + ЦкШкт) =

= Ц1(ф)(Х1СХ + Х2С2 + . . . + Хт£,т,) +

+Ц2(ф)(Х1Сх + Х2С2 + . . . + Хт^т) + . - +

+Цк(ф)(Х1£,1 + Х2£,2 + . . . + Хт£,т).

Подставив (6.1), получаем что

Х1а[(ф)[ф] + Х2а'2{ф)[ф} + ... +

+ Хта'т{ ф)[ф] = Ц(# + Ц(ф)0 + ... + Цк(ф)0 = О

для всех ф € X. Следовательно, функционалы а'г{ф)[•], линейно зависимы, что противоречит условию 2 леммы. Таким образом, к = т и, следовательно, 1та'(ф)[•] = Мт.

По теореме Люстерпика [18, с. 41] (выполнены все условия:

аф

а'{ф)[ф] является сюрьективным отображением X ^ Мт) полу-

ф€М

ТфМ = Кега'(ф)[•] = [ф € XI а'(ф)[ф] = 0}.

Это означает, что Тф М состоит из решений системы уравнений

( а[(ф)[ф]=0,

ат ф ф ,

или

( (в[{х) и=ф(о) ,Ф(оЖ 1-г (аX(*,х) 1х=ф{з) ,Ф{«)№ = о,

{ Шх) \х=ф(0) ,Ф(0 Ж 1-г (атХ (вх)\х=ф(в) ,ф{з) )(18 = 0.

Рассмотрим дифференциальное уравнение с последействием

х{г) = Их) (6.2)

и начальное условие

х0 = р, (6.3)

где р € X. Аналогично случаю, когда множество задано одним уравнением, доказывается следующее утверждение, дающее достаточные условия выживания решения задачи (6.2), (6.3) в множестве, заданном конечным чилом уравнением.

Теорема 6.1. Пусть

М = {р € X-. ах{р) ат{р) = 0},

где отображение ai : X ^ М, г = 1,... ,т есть

аДр)=А(р(0)) + / аД8,р{в))(18,

о —Г

функции в%'- Мп ^ М и а^. М х Мп ^ М непрерывно дифференцируемы по х. Пусть далее, во всех точках р € М выполнены

следующие условия:

1) для всех г = 1,... ,т выполнены неравенства

\ 1^1 I

\в1 (х)\х=ф(о) К / |аiX(*,х)\х=ф(з)1 йвф 0;

и —Г

2) функционалы а^р)[•] € X*, г = 1,... ,т линейно независимы, где

аИ р)1ф] = (в (х)\х=ф(0) ,фф^+ / (аЪ {з,х)\х=ф(з) ,ф{з) )(18;

J —Г

3) для всех г = I,... ,т имеют, место равенства

Ш х) \ х=ф(0) ,Ир) И / (а^ {з,х) \ х=ф{з),р^ ^ = 0.

</—г

Тогда для всех точек р € М, с существенно ограниченной производной существуют § > 0 и отображение г ^ х{г) € Мп, г €[—г, 0} являющееся решением задачи (6.2), (6.3) такие, что для всех г € [О, §] выполнено включение

х} € М.

7. Смешанные системы уравнений

Рассмотрим систему уравнений

{ хЦг) = Мх},... ,хп,у1{£),... ,ут{г))

¡п(х},... х,у1т,...,ут{£)) дЛх\,... ,xn,yl{t),... ,ут{¿))

. ут(г) = 9т{х},... ,хп,у1(г),... ,ут{г)),

гДе 1'1, 9з 'С( [—т,0], М)п х Мт ^ М, г = 1,...,и, ¿ = 1,...,т — непрерывные функции.

хп(г) = уЧг) =

x f

xn x = fn,

y y

ym ym

где (fi Є С([—г,0],М), i = 1,... ,n, уд Є М, i = 1,... ,m.

Дле краткости будем записывать эту задачу в векторной форме

Г ±(t) = f(xt,y(t)) . ,

\y(t)=g(xt ,y(t)),

і X° = f (7 2)

I y(o) = rn, 1 j

где f : C([-r,0], Rn) X Rm ^ Rn, g : C{[-r,0], Rn) x Rm ^ Rm,

x Є Rn, у, уо Є Rm, f Є C([—r^], Rn).

Заметим, что в таком виде всегда можно записать неавтономную систему уравнений

x(t) = f(t,xt) x(0) = f.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Определение 7.1. Решением смешанной системы (7.1), (7.2) называются непрерывные функции

t ^ x{t) Є Rn, t Є [-r, її], t ^ y(t) Є Rm, t Є [0, її]

такие, что

1) x(s) = f(s), s Є[-г,0};

2) y(0) = yo;

3) на [0, її) x(t) и y(t) абсолютно непрерывны и обращают

(7.1) в тождество.

Перепишем систему (7.1) в следующем виде

¿^) = ,г?+1 ,...,гП+т)

¿п(*) = ЫА,*Г+1 ,■■■ ,4+т)

хп+1 (¿)

п

п+т\

¿п+т(+\ и ( ¿1 ¿п ¿п+1 ¿п+т\

^ \Ч ~ Пп+т\¿г ,..., ¿г , ¿г , . . . , ¿г ),

где Нг : С([—г,0],Мп+т) ^ М, г = 1,... ,п + т

и (Л ¿п ¿п+1 ¿п+т\

иг{¿г,... , ¿г , ¿г ,... , ¿г ) —

= 1г<Л,г?,гп+1(0),... ,4'+тт,

для г = 1,... ,п и

и (Л ¿п ¿п+1 ¿п+т\

ип+г\¿г ,■■■, ¿г , ¿г , ■ ■ ■ , ¿г ) ~

= дг{,2п+1(0),... ,г?+т(0)), г , . . . , т.

4 ф

¿

пт

0

где

фг{$) = фг{я), в е[-г,0], 1 = 1,..

Фп+г{в) = Уг0, в е [-т,0], г = l,■■ Кратко будем писать

¿(¿) = Цгг),

¿о = Ф,

, п, , т.

(7.3)

(7.4)

где г е Мп+т, Н-. С[-г,0], Мп+т) ^ Мп+т, ф е С([-г,0], Мп+т).

Непосредственно из определения решения задач (7.1), (7.2) и (7.3), (7.4) получаем следующие утверждения.

Лемма 7.1. Пусть $ > О и отображения

г ^ х{г) е мп, г е [-г,$],

и

г ^ у (г) е мт, г е [о, $]

. , . .

Тогда отображение г ^ ¿(г) е Жп+т, где

¿г(г) = хг(г), г е[-г, $], г = 1,...,п ¿п+г{г) = Уг, г е [-г,0], г = !,...,т ¿п+г(г) = уг{г), г е [о,$}, г = !,...,т

. , . .

Лемма 7.2. Пусть г ^ ¿(¿) е Мп+т, где г е [-г,$],

$>0 — решение задачи (7.3), (7.4). Тогда отображения

г ^ х(г) е мп, г е [-г, $], г ^ у(г) е мт, г е [о, $},

хг{г) = ¿г(г), г е[-г, $], г = 1,...,п уг{г) = ¿п+г(г), г е [о,$], г = 1,... ,т . , . .

Согласно этим леммам задачи выживания для смешанных уравнений могут быть исследованы с использованием соответствующих утверждений для уравнений с последействием. Следующая теорема дает достаточные условия выживаемости для смешанных уравнений и одного ограничения.

Теорема 7.1. Пусть

М = {(р,у) е С( [-г,0], Мп) х Мт : а(р, у)= 0}, где отображение а'. С( [-г, 0], Мп) х Мт ^ М есть

а(<р,у) = РЫ0),у) + / а{в,ф))(1з,

о —Г

функция @(х, у) непрерывно дифференцируема, функция а(Ь,х) непрерывно дифференцируема по х. Пусть далее, для множества М выполнены следующие условия:

1) во всех точках (ір, у) Є М выполнено неравенство

і її і Ґ і і

\вХ (х,у) | х=^(0) \ + \ву (Ф),у) К / \аХ (*>х) I х=<р{з)1 ЛвфО]

о —Г

2) во всех точках (<р, у) Є М выполнено равенство

(вх (х, У)|х=^(о) і Иф) ) + ІРУ ЫЩ,у) 1д(у)) +

)

+ / (аХ (в,х) ^ф) ,ф{зУ)<І8 = 0.

7—г

Тогда для всех точек (р>, уо) Є М таких, что

угаіяир |ф(«) | < + ^

«Є[—г,0]

найдутся число $ > 0 и отображения і ^ х{і) Є Мп, і Є [—т, $], і ^ у(Ь) Є Мт, і Є [О,Щ, являющиеся решением задачи (7.1),

(7.2) такие, что для всех і Є [О, $] выполнено включение

(хг,у(г)) Є М.

Доказательство. Рассмотрим задачу (7.3), (7.4),

¿(¿) = к{гг),

¿о = Ф,

г Є Мга+т, и Є С(С([-Т,щ, Мга+т), Мга+т), ф є С([-г,Щ, мга+т), эквивалентную задаче (7.1), (7.2).

Построим функцию а : С{[—0], Мга+т) ^ М, являющуюся продолжением функции а : С{ [—0], М”) х Мт ^ М, по правилу

а{ф) = а{фЪф2Щ,

где

ф е с[-г,о],М^т, ф = ы,^),

р е С([-г,0],Мп), р е С([-г,0],Мт).

а

виям леммы 5.1. Согласно этой лемме, для всех точек ф из С - г, , Мп т ,

а(ф) = О

с существенно ограниченной производной существуют $ > О и отображение г ^ ¿(г) е Мп+т, г е [-г, $] являющееся решением задачи (7.3), (7.4) такие, что для всех г е [0, $] выполнено равенство

а{х^ = 0.

Согласно лемме 7.2 отображения г ^ х(г) е Мп, г ^ у(г) е Мт, г е [0, $], где

хг(г) = ¿г(г), г е[-г, $], г = 1,...,п

уг{г) = ¿п+г(г), г е [о,$], г = 1,... ,т

являются решением задачи (7.1), (7.2). При этом выполнено равенство

а{хиу{г)) = (¿) = 0.

Таким образом доказано, что при выполнении условий леммы найдутся число $ > 0 и отображения г ^ х(г) е Мп, г е [-г, $], г ^ у{г) е Мт, г е [0,$], являющиеся решением задачи (7.1),

(7.2) такие, тоо для всех г е [0, $] выполнено включение

{хг,у{г)) е М.

8. Задача выживания для включений

Напомним некоторые определения.

Пусть (X, || ■ Ух)— фиксированное банахово пространство. Обозначим через сотрХ С 2х— совокупность всех выпуклых компактных подмножеств X. Для двух множеств М\ С X и М С X обозначим

ах(М, М2) = шр рх{х, М2),

х^М\

где рх(х, М) — расстояние от точки до множества рх(х,М)= т£ ||х - уЦх

у£М

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Напомним, что для произвольного множества М С X

Ех[М, е] = {х е X: рх(х, М) ^ е}

означает е-окрестность множества М.

Пусть каждой точке х е О некоторого множества О С X поставлено в соответствие множество Нх) е сотрф- Тогда будем говорить, что на О задана многозначная функция Е{х).

Определение 8.1 (см. [33, с. 52]). Отображение

х ^ Нх) е сотрф, х е О

называется полунепрерывным сверху в точке х е О, если для всякого положиетльного е найдется 5 > 0 такое, что для всех точек у е X таких, ч то ||х - у Ух <5 выполнено включение

Ну) с Щ[р{х),е].

Это включение равносильно неравенству

а®(Пу),Р[х)) < е.

Многозначное отображение х ^ Е(х) е сотрф называется полунепрерывным сверху на множестве О, если оно полунепрерывно сверху во всех точках х е О.

Определение 8.2 (см. [33, с. 53]). Отображение

x ^ F(x) € compY, x € D

называется непрерывным в точке x € D, если для всякого е > О найдется 5 > 0 такое, что для всех точек y € X таких, что ||x — y\\x <5 выполнено неравенство

тах{аф (F(x), F(y)) , а% (F(y), F(x))} < е.

Это включение равносильно неравенству

F(x) С By[F(y),e] и F(y) С BylF{x),e\.

Многозначное отображение называется непрерывным на мно-D, x € D.

Обозначим далее,

||F(x)||y = sup |MIy, ||f(d)\\y = sup||F(x)\\%.

y£F(x) x£D

В этом разделе исследованы условия, при которых для заданных непустого множества M С X и многозначного отображения x ^ Hx) € compY, x € M порождающего включение

5xt € F(xt), (8.1)

найдутся a > 0 и решение t ^ xt включения (8.1), удовлетворяющее при всех t € [0, а включению xt € M.

Напомним, что функция r(t) и последовательность {ti} в

x

элемента касательного конуса h € TXPM. Эту зависимость будем записывать следующим образом r(t,x,h) и t^x,h).

Введем следующие обозначения. Пусть h € TYM, обозначим через

r ti x, h , x, h

c(x, h) = sup

h

ti x, h

X

Если задано многозначное отображение x ^ F(x) € compY, x € M и для всех x € M выполнено включение F{x) С TxpM, то обозначим

c{x) = sup c(x,h).

h&F(x)

Теорема 8.1. Пусть Xu Y удовлетворяют условию A ( см. с. 21) и заданы локально компактное множество Me Xu полунепрерывное сверху многозначное отображение

F : X ^ comр Y •

Пусть далее:

x€M

F(x) С TxpM;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех x € M выполнено неравенство

sup c{x) < с.

x£M

Тогда для всякого р € M существуют число а > 0 и непрерывное отображение t ^ xt € M, t € [0, а] такое, что

x$ = р и 5xt € F(xt) t € , а .

Докажем сначала следующую лемму.

Лемма 8.1. Пусть выполнены условия теоремы. Тогда, для любой точки x € M и всякого целого m существуют число e(x,m) € (0,1/m) и элемент u(x,m) € X т,акие, что имеют место свойства: x, m

x + ^x, m)u(x, m) € M;

x, m

u{x,m) € By F(Bx[x,l/m]),l/m

3) при каждом натуральном m функция x ^ e(x,m) ограничена снизу некоторым положительным числом, то есть

inf eix, m) = §m > 0:

xeM

4) функция x ^ u(x, m) ограничена сверху при всех натуральных m и всех x € M некоторым положительным числом, то есть

sup \\u(x,m) Ух <+ ж.

m€N, x&M

Доказательство. Возьмем m € N, y € M и h € Ну) С TYM. Тогда выполнено неравенство

sup

r(ti( y,h),y,h)

ti{y, h)

= c{y,h) < c{y) < с.

Из включения Н е Т^М и теоремы 1.1 следует, что существуют число 5у е (0,1/т) и элемент Ну е X, удовлетворяющие следующим условиям:

y + Sy hy € M,

(8.2)

h~hh<2^,

(8.3)

\\hyУх <с. (8.4)

hy

hy € By[F{y),l/m}.

Рассмотрим Вх(у,г]у), где у € М, щ = 2{k + l)m'

В силу условия теоремы о локальной компактности пространства M, не ограничивая общности будем считать, что само пространство M компактно (в противном случае будем рассматри-M

дется конечное покрытие [В%(yj,nVj)} множества M. Далее, для каждого x € M найдется j, too x € В%{yj ,nyj). Обозначим

t ч . г t ч . ? У1 - x

е{х,т) = ду., и{х,т) = hy. Н-----------.

syj

Докажем, что пара e{x,m) и u(x,m)— искомая для x и т. Действительно, из определения u(x,m) получаем

х + е(х, т)и(х, т) = х + 5yj (hyj + Vj Х) = yj + 5yjhyj.

dyj

Из включения (8.2) следует, что x + e(x,m)u(x,m) € M. Тем самым доказано, что первое утверждение леммы выполнено. Далее, имеем оценку

pYu(x, m),F(yj)) < \\u{x,m) - hyj\\% + p%(hyj ,F(yj)).

Первое слагаемое в правой части оценим сверху, используя определения u(x, m) и nyj '■

\u(x,m) - hyj\\y ^

; -x||g) < k\\yj-x\\x

Syj Syj

<k%L< к < "" 5yj "" 2(k + 1 )m "" 2m’

Второе слагаемое из неравенства (8.3) ограничено

1

рфу,,рШ) < 2^-

Следовательно,

1

Ря)(и(х, т), F(уj)) < —.

Поэтому из включения yj € ВХx,%j) имеем:

u{x,m) € В^ F(Bx[x,l/m]),l/m

Второе утверждение леммы выполнено.

Пусть вт = min 5yj. Так ка к [В%( yj ,nyj)}— конечное покрытие множества M, и каждое 8yi > 0, то 9т > 0. Поэтому, в силу равенства e{x,m) = 5yi, имеем inf e{x,m) = tfm > 0.

i xGM

Следовательно, третье утверждение леммы выполнено. xm

\\и(х,т)\\х < \\hyjWx ' ^Уз

из неравенства (8.4) следует, что \\и(х,т)\\х ^ с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

$yj

2m(k + 1) ’

откуда получаем неравенство

Бир \\и(х,ш) Ух < +

шбМ X еМ

Таким образом, четвертое утверждение леммы тоже доказано.

Перейдем далее, к доказательству теоремы 8.1. Доказательство. Рассмотрим р € М. Обозначим а = г/с, где г = тах \\х — р\\х-

х£Ы

На основании леммы 8.1, для всякого т € N построим целое число ] и конечный набор чисел ■■■ёт € (вт,1/т) и элементов хт ■ ■ ■ хт € М, где

xm = ^,

4+1

um € В.

F[Bx[xm,1/m}), 1/m , i = l...j,

(8.5)

emum

j-1

причем индекс j определяется го неравенства £Т ^ а.

i=0

Согласно лемме 8.1, для всяких гит имеет место неравенство:

\\uT\h « с.

Тогда xm € Bx[р, г] доя всякого г, так как

i- i- i-

\xm — p\\x « £ 1\*п+1 - xm «x= £ ¿т\к\\* « =г.

q=0 q=0 q=0

Положим rim = ¿m + ■ ■ ■ + ¿m . Ha каждом из отрезков [rim, построим линейную функцию xm = xm+ (t — rnU++. Для всех t € [TimiTi+i} имеет место неравенство

с

IlхТ - xTWx = (t- тП\\иГ\Ы < еТШЫ < -• (8-6)

Для всякого t € [тП, т+i) имеет место равенство 6x+ = um. На основании (8.5), (8.6) имеем, что для всякой точки t € [0,а]

x+ € Bx(M,c/m, (8-7)

bxm € By

F{Bx[xT,c/m]),l/m . (8.8)

Докажем, что последовательность функций хт, т € N удовлетворяет условиям теоремы Арцела. Для всякого т функция £ ^ хт € сотМ, £ € [0, а], где сот М — выпуклая оболочка М, действует из компакта в компакт.

Равномерная ограниченность следует из (8.7).

Докажем теперь, что последовательность равностепенно непрерывна. Рассмотрим произвольную функцию хт. Возьмем произвольное £ > 0. Тогда доя всяких Ь2 € [0,а] таких, что |^1 — ¿21 < £ количество тт € [Ь, ¿2) та превосходит (т + 1)£. Следовательно,

с(т + 1)£

Н2 ПЖ ^-----------•

2 т

\\xm — xm\\x «

По теореме Арцела существует движение t ^ xt € M, где t € [0, а, такое, что \\xt — xTWx ^ 0 равномерно на [0, а]- Из (8.7) следует, что xt € M.

Далее, имеет место следующая оценка

PY5xT, F(xt)) = pYuT, F(xt)) <

< PYuT, F(x?)) + aYF(x?),F(xt)).

Из включения (8.5) получаем pYuT>F(xT)) ^ 0, то есть nep-

t.

Fx

\\xt — xT\\x < \\xt — xTWx-

I xm — rmW*

\'-L,t I 11x5

получаем, что второе слагаемое равномерно по £ стремится к 0. Получаем, что х™ ^ хг и pYЬх^, Р(хг)) равномерно по Докажем, что для всех £ € [0, а) выполнено включение

дхг € Нхг)■

Фиксируем произвольное ¿о € [0,а). Для выполнения включения 5х¿0 € Нхг0) достаточно доказать, что для любого £ > 0 при достаточно малых д£ выполнены неравенства

PY

xto+&t xt0

At

, F(xt0

< e,

xt t — xt

t

< + те.

Так как \\хт — хг\\х ^ 0 равномерно по для выполнения этого

т

имеют место неравенства

PY

mm ■Ltg+At Xto

At

, F(xto

< e,

mm ■Ltg + At Xto

t

< + те.

x

Из полунепрерывности сверху F(p) имеем, что для всяких e > 0 и to найдется число п > 0 такое, что

F(<P) С BYFixt0),е\

для всех \\р — xto Ух <(4с + 1)ц.

Возьмем m достаточно большим, чтобы l/m < ц и \xm — xt\\x <2сц для всех t G [0, а), и возьмем At < ц.

Найдутся номера i\ и ¿2 такие, что

^ -L ^ „.m ^ ^ ^ -L | Л -L ^ _m

Ti\ ^ ^ < Ti|+1 < " " " < Ti2 — 1 < ^0 ""t"" ^t \ TÍ2 '

Докажем, что для всех номеров i\ ^ s ^ г2 выполнено включение

Вх[хШЛ/m] С Bx[xt0,4(с+ 1)ц]. (8.9)

Все тШ, s = ii,... , i2 отличаются от to менее, чем на 2ц. Следовательно,

\\xm — xt0Ух < \\xm — xm\\x+ \\xm — xt0Ух <2сц + 2сц = 4сц.

Таким образом,

xm G Bx[xt0 ,4сц]

и требуемое включение выполнено.

По определению ломанной xm, имеем равенства:

xm — xm = (t — to)um, t G %,тШ+1 ],

xm — xm — (t — T m \u,m t G \т m Tm 1

xt xix+i — \Ь Tii+1 )ип+1, 1 G LTii +l,Tii+2J,

xm — xm^ = (t — Tim_x)um_x, t G [тШ-!,h + At].

По построению um, имеем неравенство

\\um\\x < с,

откуда следует, что для всех t G [tí,tí+i] имеют место неравенства

\\xm — xm\\x ^ ф — Ti),

сложив которые получим

-t

Поделив обе части на t — io и обозначив At = t — to, получаем

< c

„m

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ltp + At

„m

to

t

для всех At < п- Перейдя к пределу m ^ +те, получим неравенство

xto+At xt0

t

< c.

Таким образом, второе неравенство из определения öxt выполнено.

Докажем, что первое неравенство имеет место. Для всех номеров s = i\ ... ¿2 — 1 ПО определеНИЮ um имеем включение

< € By F^Bx^yl/m^l/m

то есть найдется y € BXXm А/m] такое, что

Pyium, F(y)) ^ l/m.

Из включения (8.9) имеем, что y € Bx[xto,4(c+ 1)п] и по построению п получаем

НУ) с By[Hxt0),4

um

py(um,Hxt0)) < py{um,Hy)) + ay{Hy),Fixt0)) < i/m + e.

Следовательно, все неравенства

pY

xm — xm -i- q

t — rQ

FK)) = py{um, F(xto)) < i/m + £

можно сложить и получить, что для достаточно больших т и д£ < п имеет место неравенство

pY

xm — xm

■^to+At ^to

At

Перейдя к пределу по т, получаем требуемое неравенство

f Xto^-At Xt0

РЮ ( -----~t----> F(xto) ) <£-

Аналогично задаче выживания для уравнения, интерес представляет случай, когда правая часть включения

5xt е F{xt)

F : X ^ compY не является непрерывным сверху отображением. Для доказательства теоремы достаточно замкнутости графика отображения F. Сначала, напомним определение замкнутого многозначного отображения.

F

твует из X в comp Y .Отображение F называется замкнутым, F

F

T(F) = {(a,f): а е D(F), f е F(a)},

a D(F) С X— область определения отображения F.

Другими словами, отображение F : X ^ compY является замкнутым, если и только если из условий

||а - а\\х ^0, {ai} С D(F), f - f ||ф ^0, f е F(а)

а, f е F ,

а е D F , f е F а .

XY

,

жение

F : X ^ comр Y

DF.

компактное множество Me D(F) и выполнены условия

1) для каждого x е M имеет место включение

F(x) С TxpM;

2) найдется константа с > 0 такая, что для всех x е M выполнено неравенство

sup c(x) < с.

x£M

Тогда для всякого р е M существуют число а > О и непрерывное отображение

t ^ xt е M, t е [О, а]

такое, что

x0 = <р и Sxt е F(xt) t е , а .

Имеет место следующее утверждение, доказательство которого полностью повторяет доказательство теоремы 8.1.

XY

,

F : X ^ comр Y DF.

компактное множество Me D(F) и выполнены условия

1) для каждого x е M отображение x ^ H{x) е compY, x е M построенное по правилу

H(x) = F(x) П TxpM

является замкнутым;

с > x е M

выполнено неравенство c(x) < с, где c(x) есть

, r{ti{ x,h),x,h) х

с(х) = sup ^sup п Н--------------——------ \.

ti x, h

h£H(x) i

X'

Тогда для всякого р Є М существуют число а > 0 и непрерывное отображение

і ^ Хі Є М, і Є [О, а]

такое, что

х$ = р и 5хі Є Нхі) для почти всех і Є [О,а).

9. Задача выживания для включений с последействием

Введем следующие обозначения. Для произвольной функции т ^ х(т) Є Мп, т Є[-т,Щ, г > О, її>0

обозначим

хДв) = х(і + в), в Є [—г, 0], і Є [0, #].

В дальнейшем будем считать, что

Х = ЛС([-г,0], Мп), % = ¿і([-г,Щ, Мга) х Мп.

Нормы ||- Их и || - Уф соответственно равны

£ = sup |p(s) 1+ I |p(s)Ids,

«ЄІ—r.Ol J—r

r0

ll(<P,b) ||ф = тах{/ Hs)Ids,|b|}.

—r

XY

вию А (см. с. 21), (напомним, что условие А означает включение

I С 3) и выполнение неравенства sup < +°°) будем

НрНх

рассматривать элемент р е X, как пару

(р(•)^(о)) е X,

где

X = {( р( •) ,Ь) е AC{ [—r,0], Rn) х Rn : Ь = ф)}

с нормой

11(Р(0,b)llx = mа^ЦрЦх |b|}.

XX

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

X Y.

Везде в дальнейшем считается, что f : X ^ comp Rn — полунепрерывное сверху отображение.

Пусть имеется задача Коши для дифференциального включения с последействием

x{t) е f{xt), x0 = р, (9.1)

f : X ^compRn.

Определение 9.1. Решением задачи Коши (9.1) называется функция

t ^ x{t) е Rn, t е[—г,д], д>О

непрерывная на интервале [—г,д), абсолютно непрерывная на любом отрезке [0, т], 0 < т < д и удовлетворяющая условиям

x(t) = р, при всех t е [—г, 0],

x(t) е f{xt), при почти всех t е [0, д].

Введем в рассмотрение отображение F : X ^ compY, определенное равенством

F(a) = (а( • )

и вместе с задачей (9.1) будем рассматривать задачу

öxt е F(xt), x$ = p. (9.2)

Определение 9.2. Решением задачи (9.2) называется отображение t ^ xt е X, t е [0, а, а > 0 такое, что Хо = р, отображение xt абсолютно непрерывно на любом отрезке [0, в, в < а и для почти всех t е [О,а) выполнено включение öxt е F(xt).

Как и в случае дифференциальных уравнений с последействием справедливы леммы, устанавливающие взаимно однозначное соответствие между решениями задач (9.2) и (9.1).

Лемма 9.1. Пусть функция

t ^ x(t) е Rn, t е -r, а, а > О .. t ^ xt е х, t е [о,а,

построенное по правилу

xt(s)=x(t + s), t е [0,а, s е [—г, 0], t е , а öxt

..

Доказательство. Пусть движение t ^ xt е X,

t е , а . .

öxt öxt = (а, Ъ) е L [—г, 0] х Rn

такая, что

II Xt+£ — Xt х || л

lim ---------------— oxt m — и,

£—о" e Y

где

II Xt+£ xt ¡- ||

II-------------OXt L =

£

f|| Xt+£ Xt ¡ ч ¡ ч|| | Xt+e(0) Xt(0) ,|^

= max{||—_—-------------------------------------- ----------b\}.

Откуда получаем, что

/ч Xt+e(s) - Xt(s)

a{s) = lim ----------------

£—0+ е

и

b= lim x+M-MQ) _

£^0+ £

Для всех s < 0, начинал с некоторого е, справедливо s + е < 0, поэтому

, ч Xt{s + e) — Xt(s) .

cr(s) = lim -----------------= xt(s).

£—>0+ e

для почти всех s € [—r, 0].

Для b, по определению решения задачи (9.1) имеем

г t-f-£

ít \ XÍt) + / fÍXs) ds — X(t)

X(t + e) — X{t) v 1 Jt M s; w

b = lim —-------------— = lim ----------—------------------- € f(xt)

£—0+ e £—>0+ e

при почти всех t € [0, а).

Таким образом

ÖXt € (Xt(s),f(Xt)) почти всюду на [0, а)- □

Лемма 9.2. Пусть отображение t ^ yt, t € [0,а), а > 0

является решением задачи (9.2). Тогда отображение Ь ^ х(Ь) € Мга, Ь € [—т, а,

где

Ф)=ф), в €[-т,0], х(£) = ш(0), г € [0,а)

..

Доказательство. Пусть почти всюду на интервале [0, а) имеют место включения

дуг € ^уг) = (Уг, ¡Ш) € сотр

По определению вариации 5уг получаем, что для почти всех Ь € [О, а) имеет место равенство

Дт „ Ш =0.

Откуда следует выполнение равенств

Уг+Лв) — Уг{в)

Нш

£—— О

- ш(в)

^в = 0 (9.3)

1пп р«п (Ш+£(0)£ Ш(0), Дш)) = 0. (9.4)

для почти Ь € [0, а).

Рассмотрим отображение Ь ^ х(Ь) € Мга, Ь € [—г, 0], построенное по правилу

х(в) = р(в), в € [—т,0], х{Ь) = уг{0), Ь € [0,а).

Для х{Ь) из равенства (9.4) получаем, что

Для доказательства утверждения леммы требуется доказать, что имеет место включение

x{t) € f(xt),

следовательно, необходимо показать, что yt = xt, то есть для всех s € [—r, 0] выполнено равенство yt(s) = xt(s). По определе-xt

x t s yt s .

xt yt+s(0) = yt{s).

y t, s yt s ,

t € [0, a), s € [—r, 0].

Аналогично случаю, когда правая часть является однознач-

y t, s

вдоль отрезков прямой s + t = const, s € [—r, 0], t € [0, a).

Покажем, что yt+T{s) = yt+s(т) для всех s,t € [—r, 0). Имеют место равенства

• / ч yt+s(т + £) - yt+s(т) . , 4

yt+s(T) = lim ------------------------= yt+T(s).

£

Так как yt+s(т) € AC[—r^], то

yt+s(0)= i yt+s(T)dT + yt+s(s).

s

С другой стороны,

yt{s)= ! yt+т(s)dT + yt+s(s),

s

и поэтому yt+s(0) = ytis). □

Таким образом, на основании теоремы 8.1 и лемм 9.2, 9.1, можно сформулировать достаточное условие выживаемости для включений с последействием.

Теорема 9.1. Рассмотрим некоторое локально компактное множество М С X. Для того, чтобы существовало движение £ ^ хг € М, порожденное дифференциальным включением с последействием

Х(Ь) € ¡(хг)

и начальным условием х§ = р € М, достаточно, чтобы для всякой точки а € М выполнялось включение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ад С Т^М,

где Р(а) = (а(з),Ца)).

Возьмем, теперь, в качестве пространств

Х = С([-г,Щ, Мга), % = £х([-т,0], Мга) х Мп.

Докажем, что отображение а ^ Р(а) € сотр^, а € X, действующее по правилу

Яа) = (аЛа))

является замкнутым.

Лемма 9.3. Пусть отображение

а ^ ¡(а) € Мп, а € X

является полунепрерывным сверху многозначным отображением. Пусть отображение а ^ На) действует из пространства С([—г,0],Мга) в пространство сотр(^([—г,0],Мга)) по правилу

р(а) = (а ¡НК

областью определения является пространство абсолютно непрерывных функций О(Г) = ЛС([—г, 0], Мга). Тогда это отображение является замкнутым.

Доказательство. В параграфе 4 доказана замкнутость оператора дифференцирования

F0(a) = а.

Полунепрерывное сверху многозначное отображение

а ^ Яа)

является замкнутым (см. [33, с. 53]).

Поэтому, многозначное отображение

Fia) = (аЛа))

Из этой леммы, теоремы (8.2) следует утверждение, дающее достаточные условия выживаемости для включений с последействием и множества, заданного в пространстве непрерывных функций.

Теорема 9.2. Пусть M — некоторое подмножество пространства абсолютно непрерывных функций, локально компактное в пространстве непрерывных функций. Для того, чтобы существовало движение t ^ xt € M, порожденное дифференциальным включением с последействием

X{t) € f(xt)

и начальным условием, x$ = р € M, достаточно, чтобы для всякой точки а € M выполнялось включение

F(a) С TYM,

F а а s , f а .

1. Азбелев Н. В., Максимов В. П., Рахматуллина Л. Ф. Элементы современной теории функционально-дифференциальных уравнений. М., 2002. 384 с.

2. Андрианов Д. Л. Целевое управление и краевые задачи для макроэкономических моделей с последействием. Автореф. докт. дисс. Ижевск. 1994. 29 с.

3. Андрианов Д. Л., Полушкина Г. Л. Прогноз — анализ — решение // Банковские технологии, 1997, Г1 8. С. 54-57.

4. Баранов В. Н. Численные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений с разрывной правой частью // Изв. Ин-та матем. и информ. Ижевск, 2000. Г1 3(20). С. 3-30.

5. Баранов В. Н. Об одном численном методе интегрирования дифференциальных уравнений с разрывной правой частью / / Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам ’’Ломоносов”. Вып. 4. М.: Изд-во МГУ, 2000. С. 319.

6. Баранов В. Н. Численные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений с разрывной правой частью / / Труды XXXII региональной молодежной конференции ’’Проблемы теоретической и прикладной математики”. Екатеринбург. 29 января

- 2 февраля 2001 г. С. 87-91.

7. Баранов В. Н. Обобщение теоремы Нагумо для систем дифференциальных уравнений с последействием // Тезисы докладов 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции. Ч. 10. Ижевск, 2001. С. 8.

8. Баранов В.Н. Теорема Нагумо для системы с последействием // Изв. Ин-та матем. и информ. Ижевск, 2002. Г1 2(25). С. 11-14.

9. Баранов В.Н. Теорема Нагумо для систем с последействием // Вести. Удм. ун-та. Ижевск, 2002. Вып 1. С. 29-32.

10. Баранов В. Н. Достаточные условия выживания для систем с последействием // Вестн. Тамбовского ун-та. Тамбов, 2003. Т. 8. Вып. 3. С. 343.

11. Баранов В. Н. Достаточные условия локальной выживаемости для систем с последействием // Дифференц. уравнения. 2003. Т. 39. I" 6. С. 858.

12. Баранов В. Н. Задачи выживания для систем с последействием // Изв. Ин-та матем. и информ. Ижевск, 2003. Г1 2(28). С. 3-114.

13. Благодатских В. И., Филиппов А. Ф. Дифференциальные включения и оптимальное управление // Тр. Мат. ин-та АН СССР. 1985. Т. 169. С. 194-251.

14. Гусейнов X. Г., Субботин А. И., Ушаков В.Н. Производные многозначных отображений и их применение в игровых задачах управления // Проблемы упр. и теории информации. 1985. Т. 14, f. 3. С. 1-14.

15. Гусейнов X. Г., Ушаков В.Н. Об инфинитизимальных конструкциях в теории обобщенных динамических систем. I // Дифференц. уравнения. 1998. Т. 34, f. 2. С. 157-165.

16. Гусейнов X. Г., Ушаков В.Н. Об инфинитизимальных конструкциях в теории обобщенных динамических систем. II // Дифференц. уравнения. 1998. Т. 34, f. 4. С. 457-464.

17. Дубовицкий А.Я., Милютин A.A. Задачи на экстремум при наличии ограничений // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1965. Т. 5, I". 3. С. 395-453.

18. Иоффе А. Д., Тихомиров В. М. Теория экстремальных задач. М., 1974. 478с.

19. Колмогоров A. H., Фомин С. В. Элементы теории функций и функционального анализа. М., 1989. 624с.

20. Красовский H.H. Некоторые задачи теории устойчивости движения. М., 1959.

21. Куржанский А. Б., Филиппова Т. Ф. Об описании множества выживающих траекторий дифференциального включения // Докл. АН СССР. 1986. Т. 289, i" 1. С. 38-41.

22. Куржанский А. Б., Филиппова Т. Ф. Об оптимальном описании пучка выживающих траекторий управляемой системы / / Дифференц. уранения. 1987. Т. 23. I" 8. С. 1303-1315.

23. Куржанский А. Б., Филиппова Т. Ф. Дифференциальные включения с фазовыми ограничениями. Метод возмущений // Тр. матем. инта РАН. 1995. Т. 211. С. 304-315.

24. Незнахин A.A., Ушаков В.Н. Построение ядра выживаемости с ограниченным блужданием для дифференциального включения // Деп. в ВИНИТИ 16.12.00 f. 3083-В00 24с.

25. Незнахин A.A., Ушаков В.Н. Сеточный метод приближенного построения ядра выживаемости для дифференциального включения // Распределенные системы: оптимизация и приложения в экономике и науках об окружающей среде. Сборник докладов к Международной конференции. Научное издание. Екатеринбург: УрО

РАН, 2000. С. 156-158.

26. Никольский М. С. Об одной задаче осуществления заданного движения. Гибкие системы // Докл. РАН. 1996. Т. 350. f. 6 С. 739-741.

27. Рид М., Саймон Б. Методы современной математической физики. Т.1 Функциональный анализ. М., 1977. 357с.

28. Сатимов Н., Азамов А. К задаче избежания столкновений в нелинейных системах // Докл. АН УзССР. 1974. Г1 6. С. 3-5.

29. Тонкое Е.Л. Динамические задачи выживания // Вестник Пермского гос. тех. ун-та. Функцион.-дифференц. уравнения (спец. вып.). 1997. I" 4. С.138-148.

30. Ушаков В.Н. К задаче построения стабильных мостов в дифференциальной игре сближения-уклонения // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика 4. 1980. С. 32-45.

31. Фазылов А.З. Достаточные условия оптимальности для задачи выживания // ПММ. 1997. Т. 61. Вып. 3 С. 535-537.

32. Фазылов А.З. К задаче избежания столкновений // Изв. АН УзССР. Сер. физ.-мат. наук. 1987. Г1 3. С. 30-36.

33. Филиппов А.Ф. Дифференциальные уравнения с разрывной правой частью. М., 1985. 223с.

34. Филиппова Т. Ф. Задачи о выживаемости для дифференциальных включений.: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.01.02. Екатеринбург. 1992. 266. с. /Ин-т математики и механики УрО РАН.

35. Хейл Дж. Теория функционально-дифференциальных уравнений. М.: Мир, 1984. 421с.

36. Aubin J.-P. Viability theory. Boston: Birkhauser, 1991. 326 p.

37. Aubin J.-P. Mutational and Morphological Analysis. Tools for Shape Regulation and Optimization. 1998. 352 p.

38. Aubin J.-P. A survey of viability theory // SIAM J. Contr. and Optim. 1990. V. 28. N 4. P. 749-788.

39. Blagodatskih V. I. Sufficient condition for optimality in problems with state constraints // Appl. Math, and Optim. 1981. V. 7. N 2. P. 149157.

40. Haddad G. Monotone trajectories of differential inclusions and functional-differential inclusions with memory // Israel J. of Math. 1984. 31. P. 83-100.

41. Nagumo M. Uber die Lage der Intergralkurven gewohnliker Differentialgleichungen // Proc. Phys. Math. Soc. Japan. 1942. 24. P. 551-559.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.