在实际力学系统中,柔性梁(柔性结构)的镇定和稳定是一个十分重要的控制问题. 基于梁、弦、板等系统在空间科学及机器人学中的广泛应用, 由智能材料制成的补钉黏贴在或嵌入到基底结构中作为主动或被动的阻尼器, 为了获得最优配置(最佳控制)结果,往往需要知道系统能量衰减与系统参数之间的定量关系, 许多实际系统的控制作用往往取决于系统的这一指标. 为了满足科技日益发展的需要, 因此对各类系统模型进行稳定性分析是一件十分有意义的事情.
近二十年来,随着应用的发展和技术要求的不断提高, 驱使国内外许多数学和力学工作者研究各种具有不同类型阻尼的Euler-Bernoulli 梁, Timoshenko梁,Rayleigh梁以及Petrovsky板等系统(耦合系统)的稳定性. 例如: 文献[1, 2]研究的是非线性阻尼耦合振动的Petrovsky系统, 文献[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]考虑的是各种具有不同阻尼的弦、梁及波系统的稳定性. 然而局部阻尼在阻尼器的边缘往往会发生骤变(不连续)现象,在数学上, 这种不连续现象会对系统的稳定性分析产生许多困难. 这些困难往往会激发学者对这些问题的研究兴趣. 文献[11] 研究的是具有全局阻尼Petrovsky 系统稳定性, 本文将文献[11]的结果推广到更一般的局部记忆阻尼情形. 我们研究的是一类具有局部记忆阻尼弱耦合梁-弦系统的能量估计. 更精确地说,考虑如下的初边值问题
本文首先假设
(H1) 弱耦合系数a(x)∈L∞(0,L).
(H2) 局部阻尼系数b1(x)∈C2(0,L),b2(x)∈C1(0,L). 且满足: 对于 i=1,2, 当x∈(0,α) 时,bi(x)=0; 当x∈(α,L)时, bi(x)≥C>0,其中C为正常数.
(H3) 松弛函数gi(s),i=1,2 满足如下条件
(g1)~ gi(s)∈C2(0,+∞)∩C[0,+∞)和 gi(s)∈L1(0,+∞);
(g2)~ 在(0,+∞)上,gi>0,gis<0,giss>0;
(g3)~ 在(0,+∞)上,存在k2>k1>0使得$-k_{1}g_{is} (g4)~ gi(∞)=0.
本文的方法源于文献[5]和[9]. 在合适的假设下,应用经典结果[12]和C0-半群生成元的预解式 在虚轴上的有界性频域结果[13],并且运用线性算子半群理论、分片乘子技巧以及矛盾的讨论 得到了系统(1)的适定性和能量是一致指数衰减性质.
为了研究系统(1)的能量衰减性质,我们进一步假设
(H4)
(H5)
引入函数空间 H20(0,L)={u|u∈H2(0,L),u(0)=u′(0)=u(L)=u′(L)=0}, H10(0,L)={u|u∈H1(0,L),u(0)=u(L)=0}, 其中Hk(0,L)是k阶Sobolev空间(参见文献[14]). V=H20(0,L)×H10(0,L),H=L2(0,L)×L2(0,L), 赋予范数 ‖(u1,u2)‖2V=∫L0(|u″1|2+|u′2|2)dx+∫L0a(u1¯u2+¯u1u2)dx, ‖(v1,v2)‖2H=∫L0(|v1|2+|v2|2)dx. 同时,记 W1={v|v,v′,v″∈L2(δ,L),∀δ∈(α,L),√b1v″∈L2(α,L),v(L)=0}, W2={v|v,v′∈L2(δ,L),∀δ∈(α,L),√b2v′∈L2(α,L),v(L)=0}, Y=L2(0,+∞;W1)×L2(0,+∞;W2), ‖(y1,y2)‖2Y=∫+∞0|g1s|∫L0b1|y″1|2dxds+∫+∞0|g2s|∫L0b2|y′2|2dxds. 因此V,H,Y均为实(复) Hilbert空间,且具有范数‖(⋅,⋅)‖V,‖(⋅,⋅)‖H,‖(⋅,⋅)‖Y.
设H=V×H×Y,赋予范数 ‖Z‖2H=‖(u1,u2,v1,v2,y1,y2)‖2H=‖(u1,u2)‖2V+‖(v1,v2)‖2H+‖(y1,y2)‖2Y, 那么H也是实(复) Hilbert空间.
接下来,设Z=(u1,u2,v1,v2,y1,y2),在 H中定义线性算子A如下
现在我们叙述本文的主要结果.
bf定理2.1 如果假设(H1)-(H5)成立, 那么A生成H上压缩C0 -半群eAt. 进一步,\\ 若(u01,u02,v01,v02,0,0)∈D(A), 则系统(1)存在唯一的强解; 若(u01,u02,v01,v02,0,0)∈H, 则系统(1)存在唯一的弱解.
bf定理2.2 如果假设(H1)-(H5)成立, 那么系统(1)的能量是一致指数衰减的.
本节我们先给出系统(1)的适定性,进一步给出线性算子A的谱性质.
类似文献[5]的定理2.1,我们先证明一个有用的引理.
引理3.1 假设g1(⋅),g2(⋅)满足条件(g1)-(g4), (l,τ)∈Y,Reλ>−k12, 若记 y1(x,s)=∫s0e−λ(s−t)l(x,t)dt,y2(x,s)=∫s0e−λ(s−t)τ(x,t)dt, 则 (y1,y2)∈Y∩C([0,+∞);W1)×C([0,+∞);W2),(y1s,y2s)∈Y. 且对某个δ∈(0,2Reλ+k1),有
证 首先由文献[5,定理2.1]知: 当s↓0或者s↑∞时,
由条件(g2)和(g3)得,对T>ε>0,
定理2.1的证明 对于任意的Z=(u1,u2,v1,v2,y1,y2)∈D(A). 由分部积分并应用引理3.1得到
对∀Z1=(f1,f2,f3,f4,l,τ)∈H,我们考虑方程
因为
注意到
由(H4)得
因此A−1∈L(H),0∈ρ(A)(A的预解集), 且A是闭的. 同时,容易验证kerA={0}. 且对足够小的λ>0,有 R(λI−A)=H(R(A)表示A的值域), 故由文献[12]中定理1.4.6知¯D(A)=H. 那么应用Lumer-Phillips定理, 这就证明了A生成H上压缩C0 -半群eAt.
进一步,若(u01,u02,v01,v02,0,0)∈D(A),则系统 (1) 存在唯一的强解 (u1(⋅),u2(⋅))∈C1((0,+∞);V)∩C2((0,+∞);H); 若(u01,u02,v01,v02,0,0)∈H,则系统(1)存在唯一的弱解 (u1(⋅),u2(⋅))∈C((0,+∞);V)∩C1((0,+∞);H). 这就证明了定理2.1.
性质3.1 假设(H1)-(H3)成立, 那么iR⊂ρ(A).
证 易证A具有紧的预解式,因此用 文献[15引理4.1]类似的方法可得 {λ∈σ(A)|Imλ≠0}⊂σP(A). 这里σP(A)意指算子A的点谱. 接下来要证iR⊂ρ(A), 只需要证明iω¯∈σP(A) (\forall\omega\in{\Bbb R}). 采用反证法, 假设结论不成立,则存在\omega\in {\Bbb R},\omega\neq0满足 i\omega\in\sigma_{{\rm P}}({\cal A}), 故存在(u_{1},u_{2},v_{1},v_{2},y_{1},y_{2})\in D({\cal A}), (u_{1},u_{2},v_{1},v_{2},y_{1},y_{2})\neq0使得
综上得: 在(0,L)上,恒有(u_{1},u_{2},v_{1},v_{2},y_{1},y_{2})=0 与假设矛盾. 性质3.1得证.
本节我们证明本文的主要结果.
\bf 定理2.2的证明 假设(H1)-(H3)成立,如果u_{1}(x,t),u_{2}(x,t)是系统(1)的解. 那么有 (u_{1},u_{2},v_{1},v_{2},y_{1},y_{2})={\rm e}^{At}(u_{1}^{0},u_{2}^{0},v_{1}^{0},v_{2}^{0},0,0), 和 \|(u_{1},u_{2},v_{1},v_{2},y_{1},y_{2})\|_{{\cal H}}^{2}=2E(t),\quad t>0. 众所周知: 系统(1)的能量E(t)的一致指数衰减性等价于C_{0} -半群{\rm e}^{{\cal A}t}的一致指数稳定性. 由性质3.1和频域结果[13]知,要证明C_{0} -半群{\rm e}^{{\cal A}t}的一致指数稳定性,只需证明
\bf 引理 4.1 由(36)-(37)式所定义的序列 (u_{1n},u_{2n},v_{1n},v_{2n},y_{1n},y_{2n})有如下性质
接下来,由(40),(41),(43)和(44)式可以推出 \left\|\left(\frac{1}{{\rm i}\beta_{n}}(1-{\rm e}^{-{\rm i}\beta_{n}s})v_{1n}, \frac{1}{{\rm i}\beta_{n}}(1-{\rm e}^{-{\rm i}\beta_{n}s})v_{2n}\right)\right\|_{Y}\longrightarrow0, 即
接下来继续证明定理2.2. 由假设(H4)和(38)式得 \begin{eqnarray*} \|(f_{1n},f_{2n})\|_{V}^{2} &=&\int_{0}^{L}(|f''_{1n}|^{2}+|f'_{2n}|^{2}){\rm d}x +\int_{0}^{L}a(\overline{f}_{1n}f_{2n}+f_{1n}\overline{f}_{2n}){\rm d}x\\ &\geq &\int_{0}^{L}(|f''_{1n}|^{2}+|f'_{2n}|^{2}){\rm d}x -\sqrt{c_{1}c_{2}}\|a\|_{\infty}\int_{0}^{L}(|f''_{1n}|^{2}+|f'_{2n}|^{2}){\rm d}x\\ &=&(1-\sqrt{c_{1}c_{2}}\|a\|_{\infty}) \int_{0}^{L}(|f''_{1n}|^{2}+|f'_{2n}|^{2}){\rm d}x\longrightarrow0. \end{eqnarray*} 上式结合(39)式得: 在L^{2}(0,L)中有
为了得到矛盾的讨论,由引理4.1知,接下来只需运用分片乘子法证明
结合(36),(38)式可得: 在L^{2}(0,L)中有
由(38)和(39)式得: 在L^{2}(0,L)中有
现取q=\gamma({\rm e}^{\eta x}-1),这里的\eta是一个给定的正常数, 对于某个足够小的\varepsilon_{0},选择\gamma使得 \left\{\begin{array}{lll} \gamma=1,\quad x\in [0,\alpha],\\ \gamma=0,\quad x\in [\alpha+\varepsilon_{0},L], \end{array}\right. 这里0\leq\gamma\leq1,且\gamma\in C^{2}[0,L].
记\alpha_{1}=\alpha+\varepsilon_{0}, 并用q\overline{u}'_{1n}乘(54)式, 在[0,L]上积分,且分部积分并取实部得
同理,用q\overline{u}'_{2n}乘(55)式, 在[0,L]上积分,且分部积分并取实部得