ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2022, том 58, № 11, с. 1453-1460
УРАВНЕНИЯ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ
УДК 517.952+517.977
ПРИМЕНЕНИЕ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ В ТЕОРИИ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ. II
© 2022 г. В. И. Елкин
Рассматривается вопрос использования дифференциально-геометрических и алгебраиче-
ских методов теории динамических систем с управлением в теории дифференциальных
уравнений с частными производными.
DOI: 10.31857/S0374064122110024, EDN: LZVOCI
Введение. Рассматривается система дифференциальных уравнений с частными производ-
ными первого порядка
Λν(t,y,p) = 0, ν = 1,l,
после приведения которой к специальному виду в параметрической форме, разрешённой от-
носительно всех производных, получим систему
kyi = gik(t,y,u),
гдеk = ∂/∂tk , i = 1, n, k = 1, s. В результате открывается возможность применения некото-
рых дифференциально-геометрических и алгебраических методов теории динамических сис-
тем с управлением, используя некоторую аналогию данных объектов. Эти методы позволяют
исследовать некоторые вопросы декомпозиции, построения симметрий и др. В статье [1] на
основе понятия первого интеграла с помощью замены координат, в которую входят первые
интегралы, была получена простая декомпозиция вида
kzi = 0, i = 1,q,
kzj = hjk(t,x,u), j = q + 1,n.
В данной работе рассматривается более общая декомпозиция, которая также имеет аналог в
теории динамических систем с управлением под названием агрегирование (факторизация).
1. Агрегирование (факторизация) динамических систем с управлением. Напо-
минаем, что динамической системой с управлением называется система уравнений вида
yi = gi(t,y,u), i = 1,n, (t,y) ∈ M ⊂ Rn+1, u ∈ U ⊂ Rr.
(1)
Предполагается, что функции gi,
∂fi/∂yj,
∂gi/∂uα являются гладкими. Обычно y назы-
вают фазовыми переменными (состояниями), u - управлениями (внешними воздействиями).
Множество M называется фазовым пространством. Управления могут быть кусочно-непре-
рывными функциями u(t), t ∈ [t0, t1], в этом случае они называются допустимыми. Решени-
ем или фазовой траекторией системы (1) называется непрерывная кусочно-гладкая функция
y(t), t ∈ [t0, t1], для которой существует такое допустимое управление u(t), t ∈ [t0, t1], что
функции y(t), u(t) удовлетворяют соотношениям (1).
Под декомпозицией управляемой системы (1) в этом пункте понимается приведение этой
системы с помощью замены фазовых переменных y → z = ϕ(t, y) к виду
Żk = hk(t,z1,... ,zm,u), k = 1,m,
(2)
Żl = hl(t,z1,...,zn,u), l = m + 1,n.
(3)
1453
1454
ЕЛКИН
Представление (2), (3) характеризуется тем, что уравнения (2) образуют замкнутую систе-
му, поэтому любое решение z(t) системы (2), (3) может быть получено следующим образом.
Сначала нужно найти решение z1(t), . . . , zm(t) системы (2) (соответствующее некоторому
допустимому управлению u(t)), а затем, после подстановки z1(t), . . . , zm(t) в систему (3),
которая становится замкнутой, найти оставшиеся функции zm+1(t), . . . , zn(t). Таким обра-
зом, декомпозиция (2), (3) позволяет свести процесс нахождения решения системы к нахожде-
нию решений для двух систем, фазовые пространства которых имеют размерности меньшие,
чем n. Если существует такое представление, то говорят также, что система (1) допускает
агрегирование порядка n - m. При этом среди функций
zi = ϕi(t,y), i = 1,n,
(4)
осуществляющих соответствующую замену фазовых координат
y → z = ϕ(t,y),
первые m функций называются агрегатами.
Для изучения возможностей такой декомпозиции в теории динамических систем применя-
ется так называемый метод полных семейств векторных полей [2; 3; 4, с. 127]. Согласно этому
методу отыскиваются условия, которым должны удовлетворять полные семейства векторных
полей, для которых агрегаты (4) являются интегралами. Этот метод будем применять и для
декомпозиции дифференциальных уравнений с частными производными далее в п. 2, где он
будет подробно описан.
2. Декомпозиция дифференциальных уравнений с частными производными.
Рассматриваются дифференциальные уравнения с частными производными специального ви-
да, причём для упрощения и не ограничивая общности - “автономные”, т.е с правыми частями,
не завиcящими от аргументов t:
kyi = gik(y,u),
(5)
t∈I ⊂Rs, y∈L⊂Rn, u∈U ⊂Rs,
где I, L, U - некоторые области. Речь пойдёт о декомпозиции системы (5) с помощью замены
зависимых переменных y, точнее, о возможности преобразования системы с помощью замены
переменных
zi = ϕi(y), i = 1,n,
(6)
к виду
Żl = hl(z1,... ,zm,u), l = 1,m,
(7)
Żi = hi(z1,... ,zn,u), i = m + 1,n.
(8)
Если такое представление возможно, то будем говорить, что система (5) допускает деком-
позицию по зависимым переменным порядка n - m, причём первые m функций в замене
переменных (6)
zi = ϕi(y), i = 1,m,
(9)
называются агрегатами. Далее рассматривается применение метода полных семейств для ис-
следования возможности декомпозиции (7), (8) для систем (5). Полным семейством векторных
полей или операторов называется семейство полей)
Za = bia(y)
,
a = 1,p,
(10)
∂yi
если:
1) rank ∥bia(y) = p, т.е. векторы Za(y), a = 1, p, линейно независимы в каждой точке
y ∈ M или, как ещё говорят, линейно несвязаны в области M;
) По повторяющемуся индексу здесь и далее проводится суммирование.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022
ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
1455
2) выполняются равенства
[Za, Zc] = hdac(y)Zd, a, c, d = 1, p,
т.е. все коммутаторы [Za, Zc] семейства выражаются линейно с переменными коэффициентами
hdac(y) через остальные поля семейства.
Гладкая функция Φ(y), y ∈ M, называется интегралом поля Za или корнем оператора
Za, если
Φ
Za(Φ(y)) = bia(y)
= 0.
∂yi
Теорема 1 [5, с. 12]. Полное семейство (10), p < n, имеет в окрестности каждой точки
m = n - p функционально независимых интегралов (полный набор)
Φk
k=1,n-m
Φk(y), rank
= n - m,
(11)
∂yi
i=1,n
причём любой интеграл Φ(y) функционально выражается через полный набор
Φ(y) = F1(y), . . . , Φm(y)).
Теорема 2 [5, с. 20]. Пусть в области M заданы независимые функции (11). Тогда в
окрестности каждой точки M найдётся полное семейство (10), p = n - m, для которого
функции (11) составляют полный набор интегралов.
Доказательство. Рассмотрим систему однородных линейных алгебраических уравнений
k
∂ϕ
ξi
= 0, k = 1, m,
(12)
∂yi
относительно компонент векторного поля ξ = ξi∂/∂yi. Для любой точки y найдётся окрест-
ность, в которой некоторый минор m-го порядка матрицы системы уравнений (12) отличен от
нуля. Фундаментальная система решений в этой окрестности определяет линейно несвязанное
семейство векторных полей (10), для которого функции (11) являются интегралами. Любое
поле ξ = ξi∂/∂yi, удовлетворяющее (12), должно линейно выражаться через поля (10). В
частности, так как коммутаторы [ξa, ξb] в силу свойства
[ξ, η](Φ) = ξ(η(Φ)) - η(ξ(Φ))
(13)
удовлетворяют (12), справедливо свойство 2) семейства (10). Следовательно, построенное се-
мейство (10) является полным. Функции (11) составляют максимальный набор независимых
интегралов семейства (10), поскольку в противном случае получилось бы противоречие с тео-
ремой 1. Теорема доказана.
Переходим к условиям существования декомпозиции (7), (8). Введём в рассмотрение опе-
раторы полного дифференцирования системы (5) по переменным tl (без явного дифференци-
рования по tl в силу “автономности”)
Xl = gil(y,u)∂/∂yi, l = 1,s.
(14)
Замена зависимых переменных (6) в системе (5) осуществляется следующим образом: нужно
подействовать операторами (14) на функции (6)
i
Xl(ϕi(y)) = gjl(y,u)∂ϕ
,
i = 1,n,
∂yj
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022
1456
ЕЛКИН
и выразить функционально полученные функции через (6):
i
gjl(y,u)∂ϕ
= hi(ϕ1(y),... ,ϕn(y),u), i = 1,n,
(15)
∂yj
Функции hi(z1, . . . , zn, u) являются новыми правыми частями системы, при этом декомпози-
ция (7), (8) возникает, когда первые m функций (15) функционально выражаются только
через агрегаты (9), т.е.
i
gjl(y,u)∂ϕ
= hi(ϕ1(y),... ,ϕm(y),u), i = 1,m.
(16)
∂yj
Непосредственное применение этого условия не даёт конструктивного метода нахождения аг-
регатов и проверки возможности декомпозиции. Поэтому применяется опосредованный под-
ход, когда сначала с помощью решения некоторых систем дифференциальных уравнений отыс-
киваются полные семейства векторных полей, для которых агрегаты являются интегралами, а
затем находятся агрегаты, т.е. интегралы этих семейств. При этом совместность упомянутых
систем дифференциальных уравнений определяет возможность декомпозиции.
Теорема 3. Система (5) тогда и только тогда локально приводится к виду (7), (8) с
помощью замены переменных (6), когда существует такое полное семейство (10), p = n -
- m < n, что
[Xl, Za] = μbla(y, u)Zb, l = 1, r, a, b = 1, p,
(17)
причём агрегаты (9) составляют полный набор интегралов семейства (10).
Доказательство. Необходимость. Для агрегатов (9) по теореме 2 существует полное
семейство (10). Подействуем коммутаторами
[Xl, Za] на эти функции, используя свойство
коммутатора (13). Получим
[Xl, Za](ϕi(y)) = Xl(Za(ϕi(y))) - Za(Xl(ϕi(y))) = 0.
(18)
Здесь использовано то обстоятельство, что функции Xl(ϕi(y)) согласно формуле (16) функ-
ционально выражаются через полный набор интегралов семейства (10) и поэтому также яв-
ляются интегралами этого семейства. В доказательстве теоремы 2 отмечено, что условие (18)
влечёт за собой выполнение условия (17).
Достаточность. Для семейства (10) возьмём полный набор интегралов ϕi(y), i = 1, n - p,
и рассмотрим выражения (18). Из (18) вытекает, что функции Xl(ϕi(y)) являются интеграла-
ми семейства (10) и по теореме 1 функционально выражаются через полный набор интегралов
и, следовательно, ϕi(y) являются агрегатами для системы (5). Теорема доказана.
Выражения (18) можно трактовать как систему дифференциальных уравнений
Xl(bia) = Za(gi) + μbla(y,u)bic, i = 1,n, a,c = 1,p, u ∈ U,
(19)
относительно неизвестных компонент семейства (10). В (19) выражения Xl, Za представля-
ют собой действия полей Xl, Za на функции bia(y), fi(y, u) как операторов. После решения
этой системы нужно найти полный набор интегралов ϕi(y), i = 1, n - p, полного семейства
(10), что, согласно [5, с. 12], сводится к решению некоторых систем обыкновенных диффе-
ренциальных уравнений. Для нахождения правых частей фактор-системы следует функции
gj(y,u)∂ϕk/∂yj выразить функционально через функции ϕi(y), i = 1,n - p, т.е. представить
их в виде
i
∂ϕ
gj(y,u)
= hp(ϕ1(y),... ,ϕm(y),u).
∂yj
Построенные функции hk и определяют искомую фактор-систему
Żk = hk(z,u), k = 1,m.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022
ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
1457
Система (19) содержит помимо переменных bia(y) неизвестные параметрические перемен-
ные μbla(y, u). Последнее обстоятельство усложняет дело. Кроме того, нужно добавить условие
полноты [Zb, Za] = κcba(y)Zc семейства (10), которое тоже представляет собой систему диф-
ференциальных уравнений, причём с неизвестными параметрическими переменными κcba(y).
Рассмотрим метод исключения параметрических переменных с помощью использования яко-
биевых семейств. Сначала докажем одно утверждение, которое связывает полные семейства и
их интегралы.
Для того чтобы исключить функции μcua из системы (19), следует задать некоторое свой-
ство, которым должны обладать агрегаты (9). Это свойство заключается в определённом рас-
положении базисного минора в якобиевой матрице ∥∂ϕk/∂yi∥.
Теорема 4. Пусть (10) - полное семейство векторных полей, (11) - полный набор ин-
тегралов этого семейства, а I - некоторое подмножество из p элементов множества
индексов {1,... ,n}, I = {1,... ,n} \ I. Тогда следующие условия эквивалентны:
а) |ξia|i∈I
= 0;
a=1,p
∂ϕk
k=1,m
б)
= 0.
∂yi
i∈I
Доказательство. Пусть выполняется условие а). Рассмотрим семейство полей ηb, b ∈
∈ I, которое получается из исходного семейства линейным невырожденным преобразованием:
ηb = μab(y)ξa, b ∈ I. Здесь функции μab составляют матрицу, обратную к матрице ∥ξiai∈I
a=1,p
Построенное семейство полей будет иметь вид
ηb =
+ ηcb(y)
,
b∈I, c∈I,
(20)
∂yb
∂yc
где ηcb - некоторые функции. Очевидно, что функции ϕk являются интегралами и полей
ηb, т.е.
∂ϕk
∂ϕk
=c
∂yb
b ∂yc
Отсюда вытекает, что выполняется условие б).
Пусть теперь выполняется условие б). Рассмотрим систему линейных однородных уравне-
ний относительно неизвестного векторного поля ξ = ξi(y)∂/∂yi :
k
∂ϕ
ξi
= 0, k = 1, m.
∂yi
Очевидно, что поля ξa, a = 1, p, образуют фундаментальную систему решений этой системы
уравнений. С другой стороны, нетрудно видеть, что существует фундаментальная система
решений вида (20). Два семейства (10) и (20) должны быть связаны линейным невырожденным
преобразованием. Отсюда вытекает справедливость условия а). Теорема доказана.
Предположим, что для искомых агрегатов (9) выполняется условие
∂ϕk
k=1,m
= 0, p = n - m.
(21)
∂yi
i=p+1,n
Справедлива
Теорема 5. Для того чтобы система (1) допускала (локальную) факторизацию порядка
p = n-m, характеризующуюся свойством (21), необходимо и достаточно, чтобы была сов-
местной система дифференциальных уравнений относительно неизвестных функций bla(y):
Xl(bla) = Za(fl) - blcZa(fc),
(22)
Za(blc) = Zc(bla),
(23)
2
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022
1458
ЕЛКИН
где
Za =
+ bla(y)
,
u ∈ U, a,c = 1,p, l = p + 1,n.
(24)
∂ya
∂yl
Доказательство. Необходимость. Если система (1) допускает факторизацию со свой-
ством (21), то, согласно доказательству теоремы 4, существует семейство вида (24). Семейство
(24) должно удовлетворять соотношениям (17). Запишем эти соотношения покомпонентно:
ξu(δia) - Za(fi) = hcaδic,
(25)
ξβ(bla) - Za(fl) = hcablc,
(26)
где i, a, c = 1, p, l = p + 1, n, δia - символ Кронекера. Из (25) имеем hia = -Za(fi). Подставив
hia в (26), получим (22). Равенства (23) представляют собой условие полноты семейства (24).
Действительно, согласно доказательству теоремы 1, семейство (24) является полным тогда
и только тогда, когда оно якобиево, т.е. [Za, Zc] = 0, a, c = 1, p, что равносильно равен-
ствам (23).
Достаточность. Если совместна система (22), (23), то семейство полей (24) является пол-
ным. Далее, положив hia = -Za(fi), из (22) получим (25), (26), откуда вытекает (17). Сле-
довательно, система (1) допускает факторизацию порядка p. Свойство (21) вытекает из вида
семейства (24). Теорема доказана.
Уравнения (22) представляют собой систему уравнений относительно bla без параметриче-
ских переменных.
При ином расположении базисного минора в матрице ∥∂ϕk/∂yi условия факторизации
(22), (23) преобразуются очевидным образом. Итак, задача решения системы дифференциаль-
ных уравнений (19) с параметрическими переменными сведена к задаче решения нескольких
систем дифференциальных уравнений вида (22) без параметрических переменных. Решение
системы (22), т.е. набор компонент семейства полей (24), следует подставить для проверки в
уравнения (23), представляющие собой условия полноты семейства (24). Лишь те решения сис-
темы (22), которые одновременно являются и решениями системы (23), определяют семейство,
порождающее факторизацию порядка p.
Система такого вида является частным случаем так называемых уравнений в частных
производных с одинаковой главной частью
i
ajk(x)∂y
= bik(x,y), i = 1,n, j = 1,m, k = 1,r.
(27)
∂xj
Функции ajk, bik гладкие в области V × U, где V ⊂ Rm, U ⊂ Rn.
Замечание. Системы (27) для r = 1 рассматривались в работе [4, с. 146]. Другой частный
случай систем вида
∂yi
= bij(x,y), i = 1,n, j = 1,m,
(28)
∂xj
также хорошо известен (см., например, [4, с. 10]). Для проверки совместности следует рас-
смотреть равенство смешанных производных
2yi
2yi
=
∂xj∂xs
∂xs∂xj
в силу (28).
Если эти уравнения тождественно выполняются, то система (27) вполне интегрируема.
В противном случае получаем систему конечных уравнений, устанавливающих условия на y,
как функций от x. Если каждое из этих уравнений продифференцировать по xi и заменить
производные ∂yi/∂xi их значениями из (28), то данные уравнения либо будут следствиями
полученных уравнений, либо составят новую систему. Продолжив этот процесс, получим ряд
систем, которые должны быть совместны, если уравнения (28) имеют решения. В противном
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022
ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
1459
случае решений у системы (28) нет. Данные рассуждения и выводы можно применять и тогда,
когда заданы какие-либо дополнительные функциональные соотношения между переменными
y и x:
ηα(y,x) = 0, α = 1,q.
В работе [7] автором получен алгоритм проверки совместности и нахождения решений
систем уравнений (27).
Наконец, рассмотрим один весьма общий случай систем, когда можно проверить совмест-
ность системы (22), (23), не решая предварительно (22). Данный случай собственно и назы-
вается случаем системы, находящейся в общем положении. Это такие системы, у которых
отсутствуют нетривиальные первые интегралы. Вопрос о существовании первых интегралов
был рассмотрен в статье [1]. Термин системы, находящейся в общем положении, был введён
для динамических систем с управлением [8, с. 149]
yi = fi(y,u), i = 1,n, y ∈ M ⊂ Rn, u ∈ U ⊂ Rr.
(29)
В определённом смысле почти все системы вида (29) находятся в общем положении [8, с. 149].
Напомним алгоритм нахождения первых интегралов для системы (5) [1], который заключа-
ется в процессе пополнения. Операторы полного дифференцирования (14) после подстановки
в них всевозможных постоянных u ∈ U дают ассоциированное семейство векторных полей в
M, компоненты которых зависят от Y. Далее нужно выделить в ассоциированном семействе
максимальное число линейно несвязанных векторных полей, объединить эти поля и пополнить
в области изменения переменных M. Процесс пополнения заключается в постепенном добав-
лении коммутаторов до тех пор, пока все новые коммутаторы не будут линейно выражаться
через уже полученные. Если число полей s в полученном полном семействе меньше числа пе-
ременных n, то нетривиальные первые интегралы существуют, причём число функционально
независимых интегралов равно n - s. Таким образом, нетривиальные первые интегралы от-
сутствуют, если s = n, т.е. полученное полное семейство состоит из n линейно несвязанных
полей. Следовательно, матрица из компонент этого семейства является квадратной размерно-
сти n×n невырожденной матрицей. Теперь заметим, что ассоциированные поля удовлетворя-
ют соотношениям (17). Прямым вычислением подтверждается, что коммутаторы этих полей
также удовлетворяют (17), а следовательно, и поля построенного полного семейства, которые
также удовлетворяют и соотношениям (22), так как эти соотношения являются следствиями
соотношений (17). Для построенного полного семейства соотношения (22) характеризуются
следующим обстоятельством: левую часть можно трактовать как умножение невырожденной
матрицы на производные от bla. В результате эти производные можно выразить через осталь-
ные члены уравнений и уравнения преобразуются в систему вида (28). После подстановки
производных в равенство (23) эти дифференциальные связи заменяются на конечные связи.
Согласно замечанию, в этом случае при проведении алгоритма исследования на совмест-
ность системы (22) дополнительные дифференциальные связи типа (23) можно заменить на
конечные связи и рассматривать их в рамках проведения данного алгоритма.
Заключение. Рассмотрена возможность применения методов теории управления в теории
уравнений с частными производными.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных ис-
следований (проект 19-01-00625).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елкин В.И. Применение дифференциально-геометрических методов теории управления в теории
дифференциальных уравнений с частными производными. I // Дифференц. уравнения. 2021. Т. 57.
№ 11. С. 1474-1482.
2. Павловский Ю.Н. Групповые свойства управляемых динамических систем и фазовые организаци-
онные структуры. I. Группы, характеризующие динамические системы // Журн. вычислит. мате-
матики и мат. физики. 1974. Т. 14. № 4. С. 862-872.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022
2
1460
ЕЛКИН
3. Павловский Ю.Н. Групповые свойства управляемых динамических систем и фазовые организаци-
онные структуры. II. Фазовые организационные структуры // Журн. вычислит. математики и мат.
физики. 1974. Т. 14. № 5. С. 1093-1103.
4. Елкин В.И. Редукция нелинейных управляемых систем. Декомпозиция и инвариантность по воз-
мущениям. М., 2003.
5. Эйзенхарт Л.П. Непрерывные группы преобразований. М., 1947.
6. Курант Р. Уравнения с частными производными. М., 1964.
7. Елкин В.И. Общее решение систем уравнений в частных производных с одинаковой главной частью
// Дифференц. уравнения. 1985. Т. 21. № 8. С. 1389-1398.
8. Лобри К. Динамические полисистемы и теория управления // Математические методы в теории
систем. М., 1979. С. 134-173.
Федеральный исследовательский центр
Поступила в редакцию 12.05.2022 г.
“Информатика и управление” РАН, г. Москва
После доработки 12.05.2022 г.
Принята к публикации 15.08.2022 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 11
2022