О разрешимости и построении решения задачи Валле – Пуссена для матричного уравнения Ляпунова второго порядка с параметром

Abstract

Рассматриваются вопросы конструктивного анализа краевой задачи Валле – Пуссена для линейного матричного дифференциального уравнения Ляпунова второго порядка с параметром и переменными коэффициентами. Исходная задача сведена к эквивалентной интегральной задаче, для исследования разрешимости которой применяется модификация обобщенного принципа сжимающих отображений. Установлена связь используемого подхода с методом функций Грина. Получены коэффициентные достаточные условия однозначной разрешимости этой задачи. С помощью метода малого параметра Ляпунова – Пуанкаре разработан лгоритм построения решения. Исследованы сходимость, скорость сходимости этого алгоритма и дана конструктивная оценка области локализации решения. В качестве иллюстрации применения полученных результатов рассмотрена линейная задача стационарной теплопроводности для цилиндрической стенки, а также двумерная матричная модельная задача. С помощью разработанного общего алгоритма построены аналитические приближенные решения этих задач, и на основе их точных решений проведен сравнительный численный анализ. The paper considers the issues of constructive analysis of the de la Vallee – Poussin boundary-value problem for the second-order linear matrix differential Lyapunov equation with a parameter and variable coefficients. The initial problem is reduced to an equivalent integral problem, and to study its solvability a modification of the generalized contraction mapping principle is used. A connection between the approach used and the Green’s function method is established. The coefficient sufficient conditions for the unique solvability of this problem are obtained. Using the Lyapunov – Poincaré small parameter method, an algorithm for constructing a solution has been developed. The convergence and the rate of convergence of this algorithm have been investigated, and a constructive estimation of the region of solution localization is given. To illustrate the application of the results obtained, the linear problem of steady heat conduction for a cylindrical wall, as well as a two-dimensional matrix model problem is considered. With the help of the developed general algorithm, analytical approximate solutions of these problems have been constructed and on the basis of their exact solutions a comparative numerical analysis has been carried out.