Анализ устойчивости по Якоби динамической системы Лоренца
Авторы: Шкапов П.М., Сулимов В.Д., Сулимов А.В.
Опубликовано в выпуске: #7(151)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-7-2368
Раздел: Механика | Рубрика: Теоретическая механика, динамика машин
Рассмотрены задачи анализа устойчивости по Якоби, а также восстановления свободных параметров динамической системы Лоренца по косвенной, приближенно заданной информации. В контексте теории Косамби — Картана — Черна введено геометрическое описание эволюции системы во времени и определены пять геометрических инвариантов. Собственные значения второго инварианта (тензора кривизны отклонения) дают оценку устойчивости системы по Якоби. Подобное исследование представляет интерес в приложениях, где требуется установить области, в которых имеют место одновременно устойчивость по Ляпунову и устойчивость по Якоби. Сформулирована обратная задача восстановления параметров системы по заданным приближенно собственным значениям второго инварианта. Решение регуляризованной обратной задачи определено с использованием оптимизационного подхода. Скалярные критериальные функции предполагаются непрерывными, многомерными, многоэкстремальными, локально липшицевыми, не обязательно всюду дифференцируемыми. При поиске глобальных решений применен новый гибридный алгоритм, интегрирующий стохастический алгоритм сканирования пространства переменных и детерминированный метод локальной минимизации. В фазе локального поиска введены двухпараметрические сглаживающие аппроксимации критериальных функций. Приведен численный пример восстановления параметров системы Лоренца.
EDN TDERNS
Литература
[1] Böhmer C.G., Harko T., Sabau S.V. Jacobi stability analysis of dynamical systems – applications in gravitation and cosmology. Advances in Theoretical and Mathematical Physics, 2012, vol. 16, no. 4, pp. 1145–1196.
[2] Harko T., Pantaragphong P., Sabau S.V. Kosambi–Cartan–Chern (KCC) theory for higher order dynamical systems. International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, 2016, vol. 13, no. 2, art. ID 1650014. DOI: 10.1142/S0219887816500146.
[3] Abolghasem H. Liapunov stability versus Jacobi stability. Journal of Dynamical Systems and Geometric Theories, 2012, vol. 10, no. 1, pp. 13–32.
[4] Ye K., Hu S. Inverse eigenvalue problem for tensors. Communications in Mathematical Sciences, 2017, vol. 15, no. 6, pp. 1627–1649.
[5] Benning M., Burger M. Modern regularization methods for inverse problems. Acta Numerica, 2018, vol. 27, pp. 1–111.
[6] Wang Y., Yagola A.G., Yang C. Optimization and regularization for computational inverse problems and applications. Berlin; Heidelberg, Springer-Verlag, 2010, XVIII+351 pp.
[7] Hu S., Ye K. Multiplicities of eigenvalues of tensors. Communications in Mathematical Sciences, 2016, vol. 14, no. 4, pp. 1049–1071.
[8] Квасов Д.Е., Сергеев Я.Д. Методы липшицевой глобальной оптимизации в задачах управления. Автоматика и телемеханика, 2013, т. 74, № 9, с. 1435–1448.
[9] Xu Y.T., Zhang Y., Wang S.-G. A modified tunneling function method for non-smooth global optimization and its applications in artificial neural network. Applied Mathematical Modelling, 2015, vol. 39, issue 21, pp. 6438–6450. https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.01.059
[10] Lorenz E.I. Deterministic nonperiodic flow. Journal of the Atmospheric Sciences, 1963, vol. 20, no. 2, pp. 130–141.
[11] Harko T., Ho C.Y., Leung C.S., Yip S. Jacobi stability analysis of the Lorenz system. International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, 2015, vol. 12, no. 7, art. ID 1550081. https://doi.org/10.48550/arXiv.1504.02880
[12] Sulimov V.D., Shkapov P.M., Sulimov A.V. Jacobi stability and updating parameters of dynamical systems using hybrid algorithms. IOP Conference Series: Material Science and Engineering, 2018, vol. 468, art. ID 012040 DOI: 10.1088/1757-899X/468/1/012040
[13] Chen Y., Yin Z. The Jacobi stability of a Lorenz-type multistable hyperchaotic system with a curve of equilibria. International Journal of Bifurcation and Chaos, 2019, vol. 29, no. 5, art. ID 1950062. DOI: 10.1142/S0218127419500627
[14] Torres R.H., Campos Velho H.F., da Luz E.F.P. Enhancement of the Multi–Particle Collision Algorithm by mechanisms derived from the opposition-based optimization. Selecciones Matemáticas, 2019, vol. 06 (2), pp. 156–177.
[15] Шкапов П.М., Сулимов А.В., Сулимов В.Д. Вычислительная диагностика неустойчивых по Якоби динамических систем с использованием гибридных алгоритмов глобальной оптимизации. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2021, № 4 (97), с. 40–56.
[16] Сулимов В.Д., Сулимов А.В., Шкапов П.М. Программа для ЭВМ, реализующая гибридный алгоритм глобальной недифференцируемой оптимизации QOM-PCALMSI. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022664841. Заявка № 2022663517. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 05 августа 2022.