分数阶非保守Lagrange 系统的一类新型绝热不变量*

徐鑫鑫 张毅

1) (苏州科技大学数理学院， 苏州 215009)

2) (苏州科技大学土木工程学院， 苏州 215011)

为了更加准确地描述复杂非保守系统的动力学行为， 将Herglotz 变分原理推广到分数阶模型， 研究分数阶非保守Lagrange 系统的绝热不变量. 首先， 基于Herglotz 变分问题， 导出分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型微分变分原理并进一步得到分数阶非保守Lagrange 系统的运动微分方程； 其次， 引进无限小单参数变换， 由等时变分和非等时变分的关系， 导出了分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型精确不变量； 再次， 研究小扰动对分数阶Lagrange 系统的影响， 建立了基于Caputo 导数的分数阶Lagrange 系统的绝热不变量存在的条件， 得到了该系统的Herglotz 型绝热不变量； 最后， 举例说明结果的应用.

1 引 言

Herglotz 广义变分原理是由Herglotz[1]提出来的， 它的作用量是由微分方程定义的. 与经典的变分原理相比， 它有如下几点特征： 其一， 给出了非保守动力学过程的变分描述. 然而， 经典变分原理不能将非保守系统表示为泛函的极值； 其二， 经典的哈密顿原理是Herglotz 广义变分原理的一个特例. 因此， Herglotz 广义变分原理不仅可以描述所有可以用经典变分原理描述的物理过程， 还可以描述经典变分原理不能应用的问题； 其三， Herglotz广义变分原理将保守过程和非保守过程统一为同一动力学模型， 从而能够系统地处理实际动力学问题. 由于这一优势， Herglotz 广义变分原理被广泛地应用于研究非保守系统和耗散系统的Noether定理. Georgieva 和Gueuther[2]和Georgieva 等[3]基于Herglotz 广义变分原理得到了Noether 定理.Santos 等[4，5]研究了高阶Herglotz 变分问题和含时滞的Herglotz 变分问题的Noether 定理. Zhang和Tian[6-12]基于Herglotz 广义变分原理在非保守非完整系统、Birkhoff 系统、非保守Lagrange 系统、相空间以及分数阶模型上分别研究了Noether对称性与守恒量. 但是关于Herglotz 型绝热不变量的研究还处于起步阶段， 尚未引起重视.

研究非保守或非线性动力学的对称性和不变量具有重要的意义， 也是分析力学的前沿研究领域. 当力学系统受到小扰动时， 系统的对称性和守恒量都会发生改变， 我们称之为对称性摄动与绝热不变量. 近年来， 关于绝热不变量的研究已经取得了许多成果， 包括Noether 型[13-16]、Hojman 型[17-20]和Mei 型[21]的绝热不变量. 最近， 绝热不变量的研究还被推广到了分数阶微积分的框架下[22-24].可以发现这些绝热不变量都是通过研究对称性得到的. 实际上， 绝热不变量也可以通过微分变分原理得到. 本文将基于Herglotz 型微分变分原理， 给出分数阶非保守Lagrange 系统的一类新型绝热不变量， 并证明该绝热不变量存在的条件及其形式.

2 分数阶导数

在这一节中， 回顾本文中所用到的分数阶导数的一些基本定义和性质， 可参考文献[25].

左Riemann-Liouville 分数阶导数定义如下：

右Riemann-Liouville 分数阶导数定义如下：

左Caputo 分数阶导数定义如下：

右Caputo 分数阶导数定义如下：

其中 Γ (∗) 是 Euler-Gamma 函数， 阶α满足k −1 ≤α ＜k. 如果α为整数， 上述分数阶导数成为整数阶导数

假设函数f(ξ)和g(ξ) 在区间 (a,b) 上是连续可积的， 则Caputo 导数下的分数阶分部积分公式为

3 分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型微分变分原理

基于Caputo 导数的分数阶Herglotz 变分问题为： 确定函数qs(t) ， 使由微分方程：

定义的泛函z， 在给定的边界条件：

及初始条件：

下，z(t) 取得极值. 其中可称为Herglotz 意义下的分数阶Lagrange函数；qs(s=1,2,··· ,n) 为系统的广义坐标；qa，qb和za均为固定常数. 考虑到黏弹性体的力学性质是介于弹性体和黏性流体之间， 其本构关系应为σ(t)∼dβε(t)/dtβ(0＜β ＜1)， 而黏性和弹性则为黏弹性的两个极限状态[26]， 因此这里将α的范围取为 ( 0,1) .

可称由(7)式确定的泛函z为Hamilton-Herglotz作用量， 上述变分问题称为分数阶Herglotz 变分原理.

对(7)式取等时变分， 有

由交换关系：

则(10)式可表为

其中

由(9)式， 则δz(a)=0 ， 所以上述初值问题的解为

并考虑到z(t) 在t=b取得极值， 因此有

由于(14)式对任意t∈[a,b] 上都成立， 若取t=b， 则有

将(13)式代入(16)式， 可得到

当 0＜α ＜1 时， 根据Caputo 导数下的分数阶分部积分公式((5)式)、边界条件以及交换关系， 对含的项进行分部积分运算：

由(18)式， 则 (17)式成为

由积分区间的任意性， 得到

(20)式是我们得到的分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz 型微分变分原理.

由δqs的独立性， 则导出系统的运动微分方程为

如果Lagrange 函数不显含z， 即L=L(t,qs(t),则(21)式成为

(22)式是经典分数阶的非保守Lagrange 系统的运动微分方程.

当α→1 时， 则(7)式成为

(21)式成为

(24)式是非保守Lagrange 系统的Herglotz型运动微分方程[2].

4 分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型精确不变量

引进时间t和广义坐标qs的单参数无穷小变换：

或其展开式：

对任意的函数F， 等时变分δF和非等时变分ΔF之间存在如下关系[27]：

则可以得到

其中ε为无限小参数；τ0和称为无穷小变换的生成函数.

值得指出， 在整数阶微积分的框架下， 从理论物理和微分几何的角度， 生成函数一般取为时间和广义坐标的函数， 即τ0(t,qk)和这样的变换构成一个Lie 群， 且变换是保几何结构的[27]. Sarlet和Cantrijn[28]曾详细讨论生成函数的函数依赖性问题. 由于我们现在研究的是分数阶非保守系统及其不变量， 从应用的角度考虑生成函数也依赖于分数阶导数项， 这样拓宽了生成函数的取值范围.

将(28)式代入(20)式， 整理得

由于

定理1对于分数阶非保守Lagrange 系统(21)， 如果存在规范函数G0使无限小生成元τ0和满足如下条件：

则系统存在守恒量

守恒量((33)式)也称作精确不变量. 当α→1 ，(33)式退化为经典非保守Lagrange 系统的Herglotz型守恒量[9]：

如果令

则(21)式可写成

取无穷小变换为

得到如下定理：

定理2对于分数阶非保守Hamilton 系统(37)， 如果无限小变换生成元和规范函数G0满足下列条件：

则存在守恒量：

当G0=0 时， 得到了文献[12]的结果.

5 分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型绝热不变量

根据动力学系统绝热不变量的概念[13]， 我们给出分数阶非保守系统的高阶绝热不变量的定义.

假设分数阶非保守Lagrange 系统(21)受到了一个小扰动νQs的作用， 则(21)式成为

由于小扰动νQs的作用， 该系统原有的对称性和不变量都会发生改变. 假设受扰系统的无限小生成函数可表示为

并满足

其中G为规范函数， 记为

定理3对于受到小扰动作用的分数阶非保守Lagrange 系统(21)， 如果无穷小变换的生成函数满足

则系统存在m阶绝热不变量：

证 明令根 据(45)式和(41)式可得

因此，Im是一个m阶绝热不变量.

(46)式是基于Herglotz 微分变分原理导出的一类新型绝热不变量. 特别地， 当m=0 时， 绝热不变量为精确不变量.

当α→1 ， 绝热不变量(46)式退化为经典非保守Lagrange 系统的Herglotz 型绝热不变量[29]：

类似地， 我们有：

定理4对于受到小扰动作用的分数阶非保守Hamilton 系统(37)式， 如果无穷小变换的生成函数满足：

则系统存在m阶绝热不变量：

6 算 例

作为例子， 研究分数阶线性阻尼振子[30，31]. 分数阶振子是粘弹性阻尼系统的分数阶模型， 其动力学方程含有分数阶导数项. 由于分数阶模型具有记忆效应和空间全域性等， 它能更准确地描述系统的动力学行为， 因而分数阶振子的研究得到了广泛关注[32-38].

首先根据文献[39]的方法， Herglotz 意义下分数阶振子的Lagrange 函数为

其中m为质点的质量，k为弹性系数，c为阻尼系数，m,k,c为常量； 泛函z满足微分方程：

由(21)式， 得到其运动微分方程：

根据(32)式， 则有

方程(55)有解：

由定理1， 该系统的一个精确不变量为

当α→1 时， 得到整数阶线性阻尼振子的精确不变量：

下面研究系统的绝热不变量. 假设系统受到的小扰动为

方程(45)给出

方程(60)有解

由定理2， 则该系统有如下一阶绝热不变量：

当α→1 时， 得到整数阶线性阻尼振子的绝热不变量：

可以进一步地求得系统的更高阶绝热不变量.

7 结 论

Herglotz 广义变分原理为研究非保守系统动力学提供了一种新的思路. 本文建立了分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型微分变分原理， 基于该原理给出了分数阶非保守Lagrange 系统的精确不变量和绝热不变量. 主要结果是文中给出的原理(20)和4 个定理.

当α→1 时， 分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 微分变分原理(20)退化为整数阶的Herglotz 微分变分原理， 其方程(21)退化为经典的Heglotz 型运动微分方程(24)， 与之相应的精确不变量(33)也退化为经典的Herglotz 型精确不变量(34). 当受到小扰动时， 根据高阶绝热不变量的定义， 得到了分数阶非保守Lagrange 系统的Herglotz 型绝热不变量(46). 若Lagrange 函数不显含z， 则问题退化为经典分数阶Lagrange 系统的变分问题， 方程(21)退化为经典分数阶Lagrange系统的运动微分方程(22).

最近， 文献[40]综述了Herglotz 广义变分原理及其Noether 对称性与守恒量理论研究的近期发展， 并提出了有待进一步研究的若干问题. 例如，一般情形下Herglotz 型Lagrange 函数的物理解释；对于一般非保守动力学系统， Herglotz 型Lagrange函数的构建问题等.