ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2022, том 58, № 4, с.470-476
ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 517.926.4
О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ МИЛЛИОНЩИКОВА
С НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ
ОТ ВЕЩЕСТВЕННОГО ПАРАМЕТРА
© 2022 г. А. В. Липницкий
В однопараметрических семействах линейных дифференциальных систем Миллионщикова
с непрерывной зависимостью от вещественного параметра, содержащих неправильные по
Ляпунову системы с квазипериодическими коэффициентами, доказано наличие неустой-
чивых систем.
DOI: 10.31857/S0374064122040033, EDN: BZILIN
Рассмотрим однопараметрическое семейство двумерных линейных дифференциальных
систем
x = Aμ(t)x, x ∈ R2, t 0
(1μ)
{
(
)
dk(μ)diag [1,-1],
2k - 2 t < 2k - 1,
0
1
с матрицами Aμ(t) :=
где k ∈ N, J =
,
(μ + bk)J,
2k - 1 t < 2k,
-1
0
и вещественным параметром μ; условия, которым удовлетворяют числа bk R и функции
dk(·): R R, будут указаны ниже.
В работе [1] доказано, что старший показатель Ляпунова системы (1μ), рассматриваемый
как функция параметра μ, положителен на множестве положительной меры Лебега в случае,
когда функции dk(·) не зависят от μ, положительны и равномерно по k ∈ N отделены от нуля,
т.е. если выполнено условие dk(μ) ≡ dk d > 0, k ∈ N. В доказательстве этого результата
существенно используются комплексные матрицы специального вида. В [2] приводится другой
способ доказательства теоремы из [1], основанный на применении равенства Парсеваля для
тригонометрических сумм.
Пусть an R, n ∈ N, - произвольные числа. Положим
dk(μ) ≡ d(μ) > 0, b2n-1(2k-1) := an, k ∈ N, μ ∈ R.
(2)
Обозначим через XAμ (t, s), t, s 0, матрицу Коши системы (1μ). Для любого ϕ ∈ R
(
)
cos ϕ sin ϕ
матрицу поворота на угол ϕ по часовой стрелке обозначим через U(ϕ)
- sin ϕ cos ϕ
Несложно убедиться, что в случае, когда матрица Aμ(·) определяется условиями (2), для
любого k ∈ N справедливо равенство XAμ (2k+1, 0) = U(ak+1 - ak)X2 (2k, 0).A
μ
Системы с коэффициентами, выбранными согласно (2), обладают рядом свойств, позволяю-
щих строить однопараметрические семейства с различными асимптотическими характеристи-
ками. В частности, если последовательность {an}∞n=1 сходится, то матрица Aμ(·) является
равномерным по t 0 пределом последовательности периодических матриц. В.М. Милли-
онщиков использовал такие системы в работах [3-5] (см. также [6]) для доказательства су-
ществования неправильных по Ляпунову линейных дифференциальных систем с предельно
периодическими и квазипериодическими коэффициентами.
Предложенные в этих работах методы требуют получения оценок собственных значений
и векторов матрицы Коши системы (1μ). Критерий Барабанова [7] правильности линейной
системы, состоящий в точности её сингулярных показателей, инициировал другой подход, со-
стоящий в применении сингулярного представления матрицы Коши (см. формулу (5n) ниже).
470
О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ
471
В работе [2] при выполнении условий (2), в которых d(μ) > 220, и в случае непрерывной
функции d(·) доказано существование такого значения параметра μ ∈ R, при котором соот-
ветствующая система (1μ) неустойчива. В настоящей работе аналогичный результат получен
при любой непрерывной d(μ) > 0.
Положим η1(μ) = ed(μ), ψ1(μ) := 0. Для любых k ∈ N, μ ∈ R определим рекуррентно
вещественные числа ηk 1 и ψk следующим образом. Обозначим ξk := 2ψk + ak + μ. Так
как ηk 1 и, следовательно, sh (2 ln ηk) 0, найдутся единственные 1 ηk+1 R и ϕk
[-2-1π, 2-1π) такие, что выполнены равенства
sh ln ηk+1 = (sh (2 ln ηk))| cos ξk|,
(3)
ctg ϕk = (ch (2 ln ηk))ctg ξk, если sin ξk = 0, и ϕk = 0, если sin ξk = 0.
(4)
Наконец, полагаем ψk+1 = ψk + ϕk/2 + π(1 - sgn cos ξk)/4. В дальнейшем вместо ξk, ϕk и ηk,
поскольку они зависят от μ, будем также писать ξk(μ), ϕk(μ) и ηk(μ) соответственно.
Лемма 1 [2]. Для любых n ∈ N, μ ∈ R при выполнении условий (2) имеет место пред-
ставление
(
)
ηn
0
Yn := XAμ(2n - 1,0) = U(ψn)
U (ψn).
(5n)
0
η-1n
Пусть E(a, b; c, d), где a < b и c < d, обозначает прямоугольник {(x, y) : a x b,
c y d} на плоскости R2.
Лемма 2 [8]. Пусть h(t) = (h1(t), h2(t)) и u(t) = (u1(t), u2(t)) (-1 t 1) - непрерывные
пути в E(a,b;c,d), удовлетворяющие условиям
h1(-1) = a, h1(1) = b, u2(-1) = c, u2(1) = d.
Тогда эти два пути пересекаются, т.е. h(s) = u(t) для некоторых s, t из [-1, 1].
Для любого множества M ⊂ R обозначим через int M и cl M соответственно его внут-
ренность и замыкание в R, а через C(M) - множество всех непрерывных функций из M в
R (топология в M индуцирована из R).
Теорема. Для любых an R, n ∈ N, и любой непрерывной функции d(·) при выполнении
условий (2) найдётся μ ∈ R такое, что система (1μ) неустойчива.
Доказательство. Обозначим α1 := 0, β1 := π, V1 := [0, π],
V1 := V1, ω1(μ) := μ, μ ∈ V1;
ζ1(ν) := ξ1 ◦ ω-11(ν) - a1, ν ∈ [0].
Зафиксируем какое-либо k ∈ N.
Очевидно, в случае k = 1 выполняются сравнение
ζk ◦ ωk(μ) (ξk(μ) - ak)(mod π), μ ∈ Vk,
(6k)
равенство
ζk(αk) = + ζk(βk)
(7k)
и включения
ζk C
Vk),
(8k)
ηk ◦ ω-1k C
Vk).
(9k)
Предположим, что существуют множество Vk R, числа αk < βk R, биекция ωk(·) :
Vk
Vk := [αkk] и функция ζk(·) :
Vk R такие, что справедливы включения (8k),
(9k) и соотношения (6k),
(7k). Предположим также, что для любого μ ∈ Vk справедливо
неравенство
sh ln ηk(μ) ≥ κk := (
2)k-1 min sh ed(μ).
(10k)
μ∈[0]
Пусть nk,μ Z таково, чт
ξk(μ) := ξk(μ) + nk,μπ ∈ (-π/2,π/2].
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№4
2022
472
ЛИПНИЦКИЙ
Возьмём произвольное μ ∈ Vk, для которого выполняется условие
k(μ)
ξk(μ)| < π/2.
(11)
В силу соотношений (4) ϕk
ξk одного знака. Поэтому
k(μ)| +
ξk(μ)| =k(μ)
ξk(μ)|
(11)< π/2.
(12)
Тогда вследствие монотонного возрастания функции tg (·) на промежутке [0, π/2) имеем
в случае
ξk(μ) = 0 оценки
|tg ϕk(μ)| = tgk(μ)|
(12)< tg (π/2 -
ξk(μ)|) = ctg
ξk(μ)| = |ct
ξk(μ)|.
(13)
Таким образом, для любого μ ∈ Vk, удовлетворяющего условию (11) и неравенству ϕk(μ) = 0,
справедливы неравенства
|tg ξk(μ)|
= (ch (2 ln ηk(μ)))|ctg ξk(μ)|,
(14)
откуда следуют соотношения
cos-2 ξk = 1 + tg2ξk
(14)< 1 + ch (2 ln ηk) = 2ch2 ln ηk.
(15)
Тогда выполняются оценки
sh (2 ln ηk)
sh ln ηk+1
>
=
2sh ln ηk, если ϕk(μ) = 0.
(16k)
2|ch ln ηk|
Если ж
ξk(μ) = 0, то cos ξk = 1, поэтому в силу равенства (3) справедливы соотноше-
ния sh ln ηk+1
(3)=(sh (2 ln ηk))| cos ξk| = 2 sh ln ηk ch ln ηk >√2 sh ln ηk. Отсюда и из неравенства
(16k), применяя оценку (10k), получаем для всех μ ∈ Vk, удовлетворяющих условию (11),
неравенства
(16k )
(10k )
sh ln ηk+1(μ)
>
2 sh ln ηk(μ)
(
2)k shδ = κk+1.
(17)
Обозначим Ω1 :=
Vk : ζk(ν) 2-1π - ak(mod π)}. Из непрерывности функции ζk(·)
на отрезке
Vk в силу равенства (7k) следует существование γ0 := inf Ω1 и γ1 := supΩ1. В
случае, когда ζk(γ0) = ζk(γ1), положим Wk := [αk, γ0]
[γ1, βk).
Определим функцию ωk+1 : ω-1k(Wk) R равенствами ωk+1(μ) := ωk(μ) для всех μ =
= ω-1k([αk0]), ωk+1(μ) := ωk(μ) + αk - βk в случае, если μ ∈ ω-1k([γ1k)).
Обозначим γ0 := γ1 + αk - βk,
γ1 := γ0,
Wk := [γ0, γ1] = ωk+1 ◦ ω-1k(Wk). Очевидно, что
функция ωk+1 : ω-1k(Wk)
Wk биективна, поэтому на отрезке
Wk определено обратное к
ней отображение ω-1k+1(·).
Определим функци
ζk :
Wk R равенствам
ζk(ν) := ζk ◦ωk ◦ω-1k+1(ν)k(γ0)-ak +2-1π,
если ν ∈ [αk, γ0],
ζk(ν) := ζk ◦ ωk ◦ ω-1k+1(ν) - ζk(γ1) - ak - 2-1π, если ν ∈ [γ1k). В силу
равенств
= ζk(βk) - ζk(γ1) - ak - 2-1π = lim
ζk(ν)
Wk∋ν→βk
функци
ζk(·) непрерывна на отрезке
Wk.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№4
2022
О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ
473
Если имеет место оценка ζk(γ0) π + ζk(αk), то из непрерывности функции ζk(·) на от-
резке
Vk следует существование v0 [αk0), для которого выполняется равенство ζk(v0) =
= ζk(γ0) - π. Из него следует сравнение ζk(v0) 2-1π - ak(mod π), т.е. ζk(v0) Ω1, что в
совокупности с неравенством v0 < γ0 противоречит определению числа γ0. Поэтому справед-
лива оценка ζk(γ0) < π + ζk(αk).
Аналогично доказывается неравенство ζk(βk) < π + ζk(γ1). Тогда имеют место соотно-
(7k )
шения ζk(γ0) < π + ζk(αk)
= ζk(βk) < π + ζk(γ1). Поэтому в случае, когда ζk(γ0) = ζk(γ1),
выполняется неравенство ζk(γ0) ζk(γ1) - π. Следовательно, существует γ1 := inf0 < ν ∈
Vk : ζk(γ0) = ζk(ν) - π}.
Положим γ0 := sup1 > ν
Vk : ζk(γ0) = ζk(ν)}. В этом случае обозначим
Wk
=
= Wk := [γ0, γ1] и определим функции ωk+1 : ω-1k(Wk) R,
ζk : Wk R равенствами
ωk+1(μ) := ωk(μ),
ζk(ν) := ζk(ν) - ζk(γ0) - ak - 2-1π для всех μ ∈ ω-1k(Wk), ν ∈ Wk.
Очевидно, имеют место включения
ζk C(Wk)
(18)
и вследствие соотношения (8k)
ζk(intWk) (-ak - 2-1π,-ak + 2-1π).
(19)
Определим функцию ηk+1(·) :
Wk [1,+) равенством
ηk+1(·) := sh ln ηk+1 ◦ ωk+1(·).
В силу верных для любого μ ∈ ω-1k+1(Wk) сравнений
(6k )
ζk ◦ ωk+1(μ) ≡ ζk ◦ ωk(μ)
(ξk(μ) - ak)(mod π)
(20)
получаем, что
(3),(20)
ηk+1(ν)
= sh (2ln ηk(ν))|cos
ζk(ν) + ak)|, ν ∈
Wk.
(21)
Так как co
ζk(ν) = 0, ν ∈ intWk, согласно (19), то справедливо равенство
= arctg ((ch-1(2 ln ηk(ν))) tg
ζk + ak)), ν ∈ intWk.
(22)
Из соотношений (9k), (18) и (21) следует включение
ηk+1 C
Wk),
(23)
а из соотношений (9k), (18) и (22) - включение
ϕk ◦ ωk+1 C (in
Wk).
(24)
В силу включения (19) и непрерывности на отрезке
Wk функци
ζk(·) существуют числа
γ2, γ2
Wk, определяемые соотношениями γ2 := inf{ν ∈
Wk
ζk(ν) = -ak},
γ2 := sup{ν ∈
Wk
ζk(ν) = -ak}.
Согласно неравенству (17) выполняются оценки
ηk+1(γ2) > κk+1,
ηk+1(γ2) > κk+1, а
согласно формуле (3) - равенства ηk+1(γ0) = ηk+1(γ1) = 0. Отсюда вследствие вытекающей
из включения (23) непрерывности функции ηk+1(·) на отрезках [γ0, γ2] и [γ2, γ1] заключаем,
что существуют v1 (γ0, γ2), v2 (γ2, γ1), для которых ηk+1(vi) = κk+1, i = 1, 2.
Обозначим Ω2 := {ν ∈
Wk :
ζk(ν) [-ak - 2-1π,-ak],
ηk+1(ν) = κk+1}, Ω3 := {ν ∈
Wk
ζk(ν) [-ak,-ak + 2-1π],
ηk+1(ν) = κk+1}.
Из включений (18), (19) и равенств
ζk(γ0) = -ak - 2-1π,
ζk(γ1) = -ak + 2-1π вытекают
соотношения
ζk([γ02]) = [-ak - 2-1π,-ak],
(25)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№4
2022
474
ЛИПНИЦКИЙ
ζk([γ2, γ1]) = [-ak,-ak + 2-1π].
(26)
Отсюда следует включение v1
(25) Ω2.
Тогда найдётся γ3 := sup(Ω2
[v1, v2]). В силу очевидного неравенства γ3 v2 и, как
следствие, непустоты множества [γ3, v2] получаем включение v2
(26) Ω3 [γ3, v2]. Поэтому су-
ществует γ4 := inf(Ω3
[γ3, v2]).
Из непрерывности функци
ζk(·) на отрезке
Ŵk := [γ34] [v1,v2] intWk и вытекаю-
щих из соотношения (19) включений
ζk(γ3) (-ak - 2-1π,-ak],
ζk(γ4) [-ak,-ak + 2-1π)
(27)
следует, чт
ζk(Ŵk)
ζk(γ3)
ζk(γ4)] ∋ -ak. Поэтому множество Ω4 := {ν ∈Ŵk
ζk(ν) = -ak}
не пусто. Следовательно, найдутся γ5 := inf Ω4 и γ6 := sup Ω4.
Обозначим M-1 := [γ3, γ5], M1 := [γ6, γ4]. В силу непрерывности функции ηk+1 на отрез-
ках M-1 и M1 найдутся j ∈ {-1, 1} и γ7 ∈ Mj такие, что ηk+1(γ7) = sup
ηk+1(ν).
ν∈M-1
M1
Обозначим
M-1 := [γ37],
M1 := [γ74],
L-1 := [-2-1π,2-1π + ζk+1(γ3)) × {κk+1}, L1 := (-2-1π + ζk+1(γ4),2-1π] × {κk+1},
ζk+1(ν) :
ζk(ν) + ϕk ◦ ω-1k+1(ν) + ak,
hik(ν) := (ζk(ν) - i2-1π,sh ln ηk(ν))т R2, i ∈ {-1,1}, ν ∈Ŵk,
Cjk := {hjk+1(ν) : ν ∈
Mj}, C3-jk := {h3-jk+1(ν) : ν ∈ M3-j}.
Вследствие неравенства (17) выполняется оценка ηk+1(γ5) > κk+1. Отсюда, поскольку для
любого γ ∈ (γ3, γ4) имеет место неравенство ηk+1(γ) = κk+1, в силу непрерывности на отрезке
[γ3, γ4] функции ηk+1(·) верна оценка
ηk+1(ν) > κk+1, ν ∈ (γ3, γ4).
(28)
Положим h := Cjk, u := C3-jk
L3-j, a := κk+1, b := sh ln ηk(γ7), c := -π/2, d := π/2.
Из включений (19) и (27) следуют соотношения
ζk(M-1) (-ak - 2-1π,-ak],
ζk(M1) [-ak,-ak + 2-1π).
(29)
Отсюда в силу сравнения (20) вытекает равенство
ζk(ν) = -ak
ξk ◦ ω-1k+1(ν), ν ∈ M-1
M1.
(30)
Тогда вследствие включений (29) и равенства (22) получаем соотношения
ϕk ◦ ωk+1(M-1) (-2-1π, 0], ϕk ◦ ωk+1(M1) [0, 2-1π).
(31)
Включения (29) и (31) в свою очередь влекут за собой соотношения ζk+1(M-1) [-π, 0],
ζk+1(M1) [0]. Отсюда имеем включения Cjk,C3-jk [-2-1π,2-1π] × R. Из них в силу
неравенства (27) получаем, что h, u ⊂ E(a, b; c, d). При этом вследствие включений (18), (23)
и (24) h и u - непрерывные кривые. Кроме того, очевидно, выполняются все равенства в
условиях леммы 2. Тогда в силу неё существует вектор r = (r1, r2)т ∈ h
u.
Для любого l ∈ {3, 4} из непрерывности на отрезке
Wk функци
ζk(·) и ηk+1(·) следует
замкнутость множеств Ω2 и Ω3. Поэтому верны включения γl Ωl-1, откуда вытекает
равенство ηk+1(γl) = κk+1. Таким образом, в случае, если μ = ω-1k+1(γl), оценка (17) не верна.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№4
2022
О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ
475
Следовательно, для таких μ не выполняется неравенство (11). Отсюда в силу равенства (30)
имеем соотношения
k+1(γl)|
(30)=k ◦ ω-1k+1(γl) +
ξk ◦ ω-1k+1(γl)| π/2, l ∈ {3,4}.
(32)
Из них вытекают включения
L-1 [-2-1π,0) × R, L1 (0,2-1π] × R.
(33)
Если r2 = κk+1, то, поскольку r ∈ Cjk, из включений (27) следует соотношение r ∈
∈ {h-1k+1(γ3), h1k+1(γ4)}. Поэтому в силу неравенств (32) выполняются оценки
jr1 =k(γ(7+j)/2) - 2-1π 0.
Отсюда вследствие включений (33) получаем, что r ∈ L3-j . Это же соотношение верно и в
случае, когда r2 = κk+1.
Таким образом, в обоих случаях справедливо включение r ∈ C3-jk. Поэтому найдутся
такие γ8 [γ3, γ5] и γ9 [γ6, γ4] , для которых справедливо равенство
h-1k+1(γ8) = h1k+1(γ9).
(34)
Положи
Vk+1 := [γ89], Vk+1 := ω-1k+1
Vk+1).
Тогда вследствие включений (18) и (24) функция ζk+1 непрерывна на
Vk+1. Кроме того,
из равенства (30) вытекает сравнение (6k+1), а в силу равенства (34) справедливо сравне-
ние (7k+1). При этом из оценки (28) следует неравенство (10k+1).
По индукции с учётом вытекающего из включения (23) соотношения (9k+1) получаем, что
оценка (10k) справедлива при всех k ∈ N.
Предположим, что для некоторого k ∈ N и любого отрезка M
Vk найдутся отрезки
fk,i(M)
V1, i = 1,2k-1, такие, что
ω1 ◦ ω-1k(M) =
fk,i(M).
(35k)
i=1
Для любого отрезка M
Vk+1 существуют отрезки gk,i(M)
Vk, i = 1,2, для которых
ωk ◦ ω-1k+1(M) = gk,i(M).
(36)
i=1
Положим fk+1,i(M) := fk,i(gk,1(M)), fk+1,2k-1+i(M) := fk,i(gk,2(M)), i = 1, 2k-1.
Тогда из равенств (35k) и (36) следуют соотношения
=
fk+1,i(M).
i=1
i=1
Таким образом, равенство (35k+1) выполняется. По индукции, учитывая очевидное равенство
(351), получаем, что равенство (35k) справедливо для любого k ∈ N.
Поэтому, поскольку Vk+1 ⊂ Vk, k ∈ N, имеют место соотношения
(2k-1
)
(35k )
V :=
Vk = Lim
Vk
= Lim
ω-1
fk,i
Vk)
1
k→+
k→+
k∈N
i=1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№4
2022
476
ЛИПНИЦКИЙ
Следовательно, ω1(V) является пределом последовательности вложенных друг в друга за-
мкнутых множеств, что влечёт за собой его не пустоту.
Тогда в силу леммы 1 для любого μ ∈ V справедливы оценки
(10n)
= ηn
> exp(2n/2-1) + при n → ∞.
Теорема доказана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Липницкий А.В. Оценки снизу старшего характеристического показателя в однопараметрических
семействах систем Миллионщикова // Тр. сем. им. И.Г. Петровского. Вып. 30. М., 2014. С. 171-177.
2. Липницкий А.В. О неустойчивости линейных дифференциальных систем Миллионщикова, завися-
щих от вещественного параметра // Докл. НАН Беларуси. 2019. Т. 63. № 3. С. 270-277.
3. Миллионщиков В.М. Доказательство существования неправильных систем линейных дифференци-
альных уравнений с почти-периодическими коэффициентами // Дифференц. уравнения. 1968. Т. 4.
№ 3. С. 391-396.
4. Миллионщиков В.М. Доказательство существования неправильных систем линейных дифференци-
альных уравнений с квазипериодическими коэффициентами // Дифференц. уравнения. 1969. Т. 5.
№ 11. С. 1979-1983.
5. Миллионщиков В.М. Доказательство существования неправильных систем линейных дифференци-
альных уравнений с квазипериодическими коэффициентами // Дифференц. уравнения. 1974. T. 10.
№ 3. C. 569.
6. Липницкий А.В. О решении В.М. Миллионщиковым проблемы Еругина // Дифференц. уравнения.
2000. Т. 36. № 12. С. 1615-1620.
7. Барабанов Е.А. Сингулярные показатели и критерии правильности линейных дифференциальных
систем // Дифференц. уравнения. 2005. Т. 41. № 2. С. 147-157.
8. Maehara R. The Jordan curve theorem via the Brouwer fixed point theorem // The American Math.
Monthly. 1984. V. 91. № 10. P. 641-643.
Институт математики НАН Беларуси,
Поступила в редакцию 13.12.2021 г.
г. Минск
После доработки 07.03.2022 г.
Принята к публикации 09.03.2022 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№4
2022