Эта статья выставлена на рецензию

Эволюционный процесс (математика) (|fklZenkuudw hjkeyvv (bgmybgmntg))

Перейти к навигации Перейти к поиску

Эволюцио́нный проце́сс (процесс с дифференциальным законом развития[1]) (англ. evolutionary process, от лат. evolutioразвёртывание[2] и processusпродвижение[3]) ― процесс, обладающий свойством детерминированности, конечномерности и дифференцируемости[4].

Основная задача теории дифференциальных уравнений — определение или исследование движения эволюционной системы по векторному полю фазовой скорости. Например, исследуется вопрос о виде фазовых кривых: уходят ли фазовые кривые данного векторного поля в фазовом пространстве на бесконечность или остаются в ограниченной области[5]?

Определения

[править | править код]

Детерминированный процесс

[править | править код]

Детерминированный процесс — процесс, для которого состояние в настоящее время однозначно определяет как весь его будущий ход (то есть будущие состояния), так и всё его прошлое (то есть прошлые состояния)[4].

Фазовое пространство детерминированного процесса — множество всевозможных состояний процесса[4].

Фазовая точкаточка фазового пространства[6].

Примеры. Детерминированные процессы в классической механике суть движение таких механических систем, будущее и прошлое которых однозначно определяются начальными условиями (то есть начальными положениями и начальными скоростями всех точек системы). Фазовое пространство механической системы — множество, элемент которого есть набор положений и скоростей всех точек системы[4].

Недетерминированный процесс — движение частиц в квантовой механике[4].

Полудетерминированный процесс — распространение тепла, для которого будущее определяется настоящим, а прошлое — нет[4].

Конечномерный процесс

[править | править код]

Конечномерный процесс — детерминированный процесс, фазовое пространство которого конечномерно, то есть описывается конечным числом параметров[4].

Примеры. Конечномерный процесс — ньютоновская механика систем из конечного числа материальных точек или твёрдых тел. Фазовые пространства этих систем имеют следующие размерности[4]:

  • систем из материальных точек — ;
  • система из твёрдых тел — .

Бесконечномерные процессы — движение жидкостей и газа в гидродинамике, колебания струны и мембраны, распространение волн в оптике и акустике[4].

Дифференцируемый процесс

[править | править код]

Дифференцируемый процесс — детерминированный процесс, фазовое пространство которого обладает структурой дифференцируемого многообразия, а его динамика, то есть изменение состояния со временем, описывается дифференцируемыми функциями[7].

Примеры. Обыкновенными дифференциальными уравнениями могут быть описаны[7]:

Не дифференцируемы движения, возникающие в теории удара. Обыкновенными дифференциальными уравнениями не описываются квантовая механика, теория теплопроводности, гидродинамика, теория упругости, оптика, акустика и теория удара[7].

Замечание. Как вид дифференциального уравнения процесса, так и факт детерминированности, конечномерности и дифференцируемости процесса устанавливается экспериментальным путём, то есть с некоторой степенью точности. Обычно в теории не различают реальные процессы и идеализированные математические модели[7].

Фазовое пространство

[править | править код]

Задача об автомобилях и возах

[править | править код]
Задача об автомобилях и возах. Начальное положение возов

Задача (Н. Н. Константинов[8])(Задача об автомобилях и возах. В. И. Арнольд). Города и связаны двумя близкими непересекающиеся дорогами. Два автомобиля, связанные верёвкой длины, меньшей , проехали по разным дорогам из в , не порвав верёвки. Могут ли разминуться, не коснувшись, два круглых воза радиуса , центры которых движутся по этим дорогам один из в , а другой из в (см. рисунок справа)[7]?

Задача об автомобилях и возах. Фазовое пространство пары экипажей

Решение. Построим фазовое пространство процесса, описанного в задаче. Пусть одна из дорого будет первой, другая — второй. Обозначим через долю расстояния между городами и по -дороге, лежащую между городом и экипажем (автомобилем или возом) на этой дороге. Тогда положение объекта, состоящего из двух одноимённых экипажей (двух автомобилей или двух возов), находящихся на разных дорогах, можно описать точкой следующего квадрата (см. рисунок справа)[6]:

Итак, фазовое пространство процесса — этот квадрат, а точки квадрата — фазовые точки. Получается, что каждая фазовая точка соответствует определенному положению пары одноимённых экипажей, а движение этой пары изображается движением фазовой точки в фазовом пространстве[6].

Поясним это примерами[6]:

  • начальное положение пары автомобилей (в городе ) отвечает левому нижнему углу квадрата с координатами , а движение пары автомобилей из города в есть кривая, ведущая в противоположный угол с координатами ;
  • начальное положение пары возов отвечает левому верхнему углу квадрата с координатами , а движение возов есть кривая, ведущей в противоположный угол квадрата с координатами — если возы доехали до своих городов.

Остаётся провести рассуждение от противного. Пусть возы разминулись по дороге и доехали до своих городов. Тогда на фазовом пространстве будут две соответствующие кривые (см. рисунок справа вверху). Но любые две кривые в квадрате, соединяющие разные пары противоположных вершин, пересекаются. Следовательно, как бы ни двигались возы, наступит хотя бы один момент, когда пара возов займет то же самое положение в квадрате, в котором была в некоторый момент времени пара автомобилей. Но в этот момент, по условию задачи, расстояние между центрами возов будет меньше , что противоречит предположению, что возы разминулись. Итак, возам разминуться не удастся[6].

Основная задача теории дифференциальных уравнений

[править | править код]

В рассмотренной задаче об автомобилях и возах не присутствуют дифференциальные уравнения, но ход рассуждений близок к их изучению: определение состояний эволюционного процесса точками фазового пространства бывает чрезвычайно полезен[6]. Итак, уже одно построение фазового пространства дало возможность решить трудную задачу[7].

В классической механике[5]:

  • состояние эволюционного процесса движения системы материальных точек в трёхмерном пространстве определяется их значениями координат и скоростей, поэтому фазовое пространство этой системы имеет размерность (по три координаты и три компоненты скорости на каждую точку). Например, фазовое пространство системы трёх точек (Солнце, Юпитер, Сатурн) 18-мерно;
фазовое пространство системы твёрдых тел имеет размерность , поскольку добавляется три координаты, описывающие ориентацию тела в пространстве.

Фазовая кривая — траектория движения фазовой точки в фазовом пространстве[5].

Фазовая скорость — движение фазовой точки по фазовой кривой, которое описывает движение всей системы[5].

Вектор фазовой скорости — вектор, заданный в каждой фазовой точке фазового пространства, определяющий фазовую скорость[5].

Векторное поле фазовой скорости — все векторы фазовой скорости в фазовом пространстве[5].

Дифференциальное уравнение эволюционного процесса — зависимость скорости движения фазовой точки от её положения, определяемое векторным полем[5].

Основная задача теории дифференциальных уравнений — определение или исследование движения эволюционной системы по векторному полю фазовой скорости. Например, исследуется вопрос о виде фазовых кривых: уходят ли фазовые кривые данного векторного поля в фазовом пространстве на бесконечность или остаются в ограниченной области[5]?

Компьютеры приближенно находят решения дифференциальных уравнений на конечном отрезке времени, но не дают ответа на качественные вопросы о поведении фазовых кривых в целом[5].

Благодаря понятию фазового пространства можно свести исследование эволюционных процессов к геометрическим задачам о кривых, которые определяются векторными полями[5].

Интегральные кривые поля направлений

[править | править код]

Поле направлений

[править | править код]
Поле направлений и его интегральная кривая

Поле направлений в области на плоскости — все точки области, причём для каждой точки выбрана проходящая через эту точку прямая, которая называется прямой (направлением) поля направлений, а точка, ей соответствующая — точкой приложения прямой (см. рисунок справа, на котором показана только небольшая часть прямой около точки)[9].

Если две гладкие кривые проходят через одну точку и в ней касаются друг друга, то они задают в этой точке одно и то же направление. Поскольку важна только касательная к кривой в точке (см. рисунок справа, где показана касательная к кривой в точке), прямые в определении поля направлений можно заменить гладкими кривыми, касательные которых в точках суть исходные направления[10].

Непрерывное (гладкое) поле направлений — поле направлений, у которого прямые поля непрерывно (гладко) зависят от своих точек приложения[10].

В дальнейшем все встречающиеся в статье объекты (функции, отображения и так далее) предполагаются гладкими, то есть непрерывно дифференцируемыми нужное число раз, если, конечно, не оговорено противное[10].

Поле направлений в -мерном пространстве и вообще на любом гладком многообразии определяется аналогично[10].

Интегральная кривая

[править | править код]

Интегральная кривая поля направлений — кривая, которая в каждой своей точке касается имеющегося в этой точке направления поля[10].

Термин «интегральная кривая» возник потому, что в некоторых случаях интегральная кривая находится применением операции интегрирования[10].

Поле, инвариантное относительно вертикальных сдвигов

Пример 1. Возможен такой случай, когда непрерывное поле направлений на плоскости переходит в себя при любых сдвигах вдоль некоторой прямой и направления, параллельные этой прямой, отсутствуют (см. рисунок справа, на котором эта прямая вертикальная)[10].

Теорема. Интегральные кривые поля направлений. Поиск интегральных кривых поля направлений, описанного в примере 1, есть отыскание интегралов некоторой непрерывной функции[10].

Доказательство. Рассмотрим систему координат, в которой описанная прямая — вертикальная ось ординат, а ось абсцисс горизонтальна. Получаем, что интегральная кривая данного поля, не имеющего вертикальных направлений, — график некоторой неизвестной функции, производная которой равна тангенсу угла наклона графика функции к оси абсцисс. Но график функции — интегральная кривая тогда и только тогда, когда этот тангенс равен другому тангенсу — угла наклона прямой данного поля направлений к оси абсцисс. Следовательно, этот последний тангенс — известная функция абсциссы (так как поле направлений переходит само в себя при перемещении вдоль оси ординат). Окончательно получаем, что некоторая функция, график которой есть интегральная кривая, имеет производной эту известную функцию абсциссы, то есть является её первообразной, что и требовалось доказать[11].

Перепишем условие этой теоремы в формальном виде. Пусть — абсцисса, а — ордината. Известную функцию — тангенс угла наклона прямой поля направлений — обозначим через , неизвестную функцию, график которой есть интегральная кривая, — через . Кривая есть интегральная кривая тогда и только тогда, когда . По теореме Барроу [12].

Следует иметь ввиду, что а общем случае поиск интегральных кривых не сводится к интегрированию: даже для очень простых полей направлений на плоскости уравнения интегральных кривых не получается представить в виде конечных комбинаций элементарных функций и интегралов[12].

Пример 2. Для поля направлений с тангенсом угла наклона с осью прямой, приложенной в точке , не получается представить уравнения интегральных кривых в виде конечных комбинаций элементарных функций и интегралов (Лиувилль)[12].

Дифференциальное уравнение и его решение

[править | править код]

Решение дифференциального уравнения

[править | править код]
График решения дифференциального уравнения

Геометрический поиск интегральных кривых аналитически выглядит как решение дифференциального уравнения. Пусть поле направлений на плоскости не содержит вертикальных направлений (которые параллельны оси ординат (см. рисунок справа с таким полем). В этих условиях тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой поля направлений, приложенной в точке , конечен, а интегральные кривые — графики функций . Также пусть область определения функции — интервал оси (см. рисунок справа с этими условиями). Тогда достаточно очевидна следующая теорема[12].

Теорема. График функции есть интегральная кривая тогда и только тогда, когда при всех справедливо следующее равенство[13]:

Решение дифференциального уравнения — функция , если она удовлетворяет равенству , то есть уравнение становится тождеством, когда функцию подставляют в него вместо . Другими словами, решение дифференциального уравнения — это функция, заданная на некотором интервале, и график этой функции — интегральная кривая[14].

Начальные условия

[править | править код]

Начальное условие решения — набор фиксированных координат , которому удовлетворяет решение , то есть имеет место равенство . Другими словами, решение удовлетворяет начальному условию , если интегральная кривая проходит через данную точку (см. рисунок вверху справа с точкой )[14].

Пример. Рассмотрим простейшее дифференциальное уравнение с начальным условием . Его решение определяется формулой Барроу[14]:

Поле направлений функции , или поле направлений уравнения — поле направлений на плоскости, определяемое дифференциальным уравнением, поскольку приложенная в точке прямая имеет тангенс угла наклона [14].

Эволюционное уравнение с одномерным фазовым пространством

[править | править код]

Автономное уравнение

[править | править код]

Автономное дифференциальное уравнение — дифференциальной уравнение, которое явно не зависит от независимой переменной . Скорость эволюции автономной дифференциальной системы, то есть системы, не взаимодействующей с другими системами, определяется только самим состоянием этой системы. Это отражает то обстоятельство, что от времени законы природы не зависят[14].

Векторное поле и поле направлений для уравнения

Рассмотрим уравнение, которое описывает эволюционный процесс с одномерным фазовым пространством[14]:

.

Правая часть этого уравнения определяет векторное поле фазовой скорости, то есть в точке приложен вектор (см. левую часть рисунка справа)[14].

Положение равновесия (стационарная точка, особая точка) векторного поля — точка, где фазовая скорость обращается в нуль. Другими словами, если — положение равновесия, то решение уравнения есть , то есть эволюционный процесс, начавшись в состоянии положения равновесия , всегда в нём остаётся[15].

На рисунке справа присутствует только одно положение равновесия — . Это положение равновесия неустойчиво, то есть при небольшом отклонении начального условия от равновесного фазовая точка с течением времени уходит от положения равновесия[15].

На рисунке справа также показано поле направлений уравнения . Поскольку не зависит от , поле направлений переходит в себя при сдвигах вдоль оси абсцисс [15].

Решение автономного уравнения

[править | править код]

Теорема. О решении уравнения . Решение автономного уравнения , у которого:

  • правая часть непрерывна и не обращается в ;
  • начальное условие ,

есть выражение

обратно, функция , определяемая этим выражением, есть решение автономного уравнения , удовлетворяющее начальному условию[15].

Доказательство 1. (доказательство 2 см. ниже.) Интегральные кривые поля направлений автономного уравнения находятся, согласно теореме интегральных кривых поля направлений, одним интегрированием (только в той области, где поле направлений не параллельно оси абсцисс , то есть где отсутствуют равновесия, ). Кроме того, пусть функция непрерывна и нигде не обращается в нуль. Теперь можно выписать явную формулу, которая определит интегральные кривые[15].

Заметим, что тангенс угла наклона поля направлений автономного уравнения к оси ординат равен . Поэтому поле направлений уравнения то же самое, что и поле направлений уравнения . Следовательно, интегральные кривые этих уравнений одинаковые. Наконец, интегральная кривая второго уравнения определяется формулой Барроу, а именно[15]:

Дифференциальная 1-форма

[править | править код]

Существует мнемонический способ запомнить формулу

запишем исходное уравнение в виде и рассмотрим символ как дробь. В этих условиях перепишем уравнение, собрав все слева, а все справа: . Проинтегрируем левую и правую части, получим исходное уравнение: [16].

На самом деле этот метод больше, чем просто мнемоническое правило. Лейбниц ввёл такое сложное обозначение для определения действительно дроби: делённое на . Потому что эти обозначения и — не таинственные «бесконечно малые» величины, а нормальные конечные числа — скалярные функции вектора, точнее, проекции вектора[17].

Числитель и знаменатель дроби

Пусть дан вектор скорости некоторого движения, приложенный в какой-либо точке на плоскости с фиксированными координатами (см. рисунок справа с касательным вектором ). Рассмотрим две скалярные функции этого вектора при этом движении[17]:

  • линейная скорость изменения координаты ;
  • линейная скорость изменения координаты .

Например, значение этих скалярных функции на векторе с компонентами есть соответственно и . Поэтому имеет компоненты . Приходим к следующему предложению[17].

Предложение. Пусть дана гладкая функция . Для любого вектора , который касается её графика в некоторой точке, отношение скалярных функций равно производной функции в этой точке[17].

Другими словами, уравнение есть выражение с линейными скалярными функциями от некоторого приложенного вектора, который касается интегральной кривой[17].

Дифференциальная 1-форма — скалярная функция приложенного вектора, линейная при фиксированной точке приложения[17].

Следовательно, любую дифференциальную 1-форму на плоскости можно записать в следующем виде:

,

где и — некоторые функции на плоскости[17].

Интеграл дифференциальной 1-формы

[править | править код]
Определение интеграла 1-формы.

Рассмотрим интегрирование дифференциальных форм вдоль ориентированных отрезков кривых. Пусть дана кривая на плоскости . Выберем на её отрезке ориентирующий параметр , то есть представим в виде образа гладкого отображения (рис. 8) отрезка вещественной оси в плоскость (см. рисунок справа с кривой и отрезком ). Тогда интеграл 1-формы вдоль кривой определяется как вещественное число следующим образом[18]:

где

Формально, интеграл 1-формы — это предел интегральных сумм со следующими обозначениями (см. рисунок справа с этими обозначениями)[19]:

  • ;
  • — точки, которыми отрезок вещественной оси делится на отрезки с длинами ;
  • вектор касается кривой , причём он отличается от вектора хорды, которая соединяет последовательные точки деления на кривой , только малыми высшего порядка относительно .

Формула замены переменной в определенном интеграле позволяет сформулировать следующие два предложение[19].

Предложение 1. Интеграл 1-формы , взятый по ориентированному отрезку кривой, не зависит от выбора согласованного с ориентацией параметра (при изменении ориентации кривой интеграл меняет знак)[19].

Предложение 2. Интеграл 1-формы , взятый no отрезку кривой, на котором переменная есть параметр, равен обычному определенному интегралу функции [19].

Теперь вернёмся к теореме о решении уравнения [19].

Доказательство 2. Значения дифференциальных 1-форм и на векторах, касающихся интегральной кривой , совпадают. Следовательно, их интегралы вдоль участка кривой равны. Тогда, согласно последнему предложению 2, интеграл 1-формы равен левой, а 1-формы — правой части следующей формулы[19]:

Примечания

[править | править код]
  1. Мышкис А. Д. Эволюционное уравнение, 1985, стб. 923.
  2. Эволюция, 1978.
  3. Процесс, 1975.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 12.
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 15.
  6. 1 2 3 4 5 6 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 14.
  7. 1 2 3 4 5 6 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 13.
  8. Константинов Н. Н. Задача, 1957.
  9. Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 15—16.
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 16.
  11. Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 16—17.
  12. 1 2 3 4 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 17.
  13. Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 17—18.
  14. 1 2 3 4 5 6 7 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 18.
  15. 1 2 3 4 5 6 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 19.
  16. Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 19—20.
  17. 1 2 3 4 5 6 7 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 20.
  18. Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 20—21.
  19. 1 2 3 4 5 6 Арнольд В. И. Обыкновенные дифференциальные уравнения, 2000, § 1. Фазовые пространства, с. 21.