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标题: 稳定状态模型 (一): 微分方程稳定性理论简介 [打印本页]

作者: 浅夏110    时间: 2020-6-11 09:33
标题: 稳定状态模型 (一): 微分方程稳定性理论简介
虽然动态过程的变化规律一般要用微分方程建立的动态模型来描述,但是对于某些 实际问题,建模的主要目的并不是要寻求动态过程每个瞬时的性态,而是研究某种意义下稳定状态的特征,特别是当时间充分长以后动态过程的变化趋势。譬如在什么情况下 描述过程的变量会越来越接近某些确定的数值,在什么情况下又会越来越远离这些数值 而导致过程不稳定。为了分析这种稳定与不稳定的规律常常不需要求解微分方程,而可以利用微分方程稳定性理论,直接研究平衡状态的稳定性就行了。: T5 y+ F- G- D5 v

- \6 O* s- J! A( Z本章先介绍平衡状态与稳定性的概念,然后列举几个这方面的建模例子。" h9 n( ~5 k: W+ O8 z6 q% k- w

7 p0 R5 \6 c  h+ w; c, q* o6 Q自治系统、动力系统
7 K9 ]4 G* \' j( S$ j, U0 y
; |) ^( e. r% p( e; D5 F% `% e7 [% p/ P2 r# R0 X5 R( b3 V
; b/ i% y7 U& \1 y  X$ O
" v# R0 r" n1 F" F# e3 v
0 R$ C2 w, i+ Y  e3 l( j8 {
相平面、相图、轨线  b8 V4 ]1 V; X" T6 ?

/ S- C/ s  m/ e) Y
) Y8 _4 H( W/ n+ t( g/ p3 R/ O+ Z! Y& @
奇点、孤立奇点
4 Z, F" @$ r1 K' ]1 d& E3 |5 I/ y; J& a

7 Q2 q. J9 w: p3 F4 C
* n3 c# `. n* L$ @) [. Y, ]' g
3 h1 g8 z2 E- z* \3 t1 _( k  y; v. d: e8 S, R
定义 5         一个奇点不是稳定的,则称这个奇点是不稳定的。+ a2 q& F9 V/ R
9 ^' u" Z9 H; b: Q( O' w
对于常系数齐次线性系统(3)有下述定理。) q0 E; Z7 Z+ z1 b! n% t$ s9 k0 P

9 r# h; f3 n! U' X5 Z定理2    设 x = x(t)是系统(3)的通解。则, m- i! x: B: S7 j, z9 T$ ~

- Q9 \3 D( T6 f0 F& _(i)如果系统(3)的系数矩阵 A 的一切特征根的实部都是负的,则系统(3)的 零解是渐近稳定的。
: k3 H2 X% z' P/ S' B6 b0 K( {" o
2 O* _  j; K0 {% O6 ^$ B0 Q& e* P(ii)如果 A 的特征根中至少有一个根的实部是正的,则系统(3)的零解是不稳 定的。
; ?! L3 r; h6 j+ n8 L, w& [5 f0 V, ~: l
(iii)如果 A 的一切特征根的实部都不是正的,但有零实部,则系统(3)的零解 可能是稳定的,也可能是不稳定的,但总不会是渐近稳定的。/ G% t+ m* h! Y/ @6 Q* _# D" e
/ o8 i$ E# }" L3 ?) C( B# L% m
定理2 告诉我们:系统(3)的零解渐近稳定的充分必要条件是 A 的一切特征根的 实部都是负的。& N/ l: j6 R8 {* C+ V$ x

. ?2 C+ m; u, G对于非线性系统,一般不可能找出其积分曲线或轨迹,也就不可能直接导出奇点的 稳定性。为克服这一困难,在奇点附近用一个线性系统来近似这个非线性系统,用这个 近似系统的解来给出这个奇点的稳定解.
6 f  F! v( V5 C) O1 C
" E0 _% W$ N" O7 C. i$ V/ Z) K$ a6 n4 s
; b' i3 {7 J2 t( Y  H
称为系统(2)的线性近似。一开始,人们以为总可以用线性近似系统来代替所研究的原系统。但后来人们发现,这种看法是不对的,或至少说是不全面的,非线性系统中的 许多性质,在它的线性近似中不再保留。即使象零解稳定性这样一个问题,也要在一定 条件下,才可用它的线性近似系统代替原系统来研究。关于这个问题,我们有下述定理:) |# p1 U( ]. Q, ^  b" z
1 w' p. Q% g  t( \+ h; {; c: B4 O: G
定理 3   如果系统(4)的零解是渐近稳定的,或不稳定的,则原系统的零解也是 渐近稳定的或不稳定的。然而,如果系统(4)的零解是稳定的,则原系统的零解是不 定的,即此时不能从线性化的系统来导出原系统的稳定性。0 T6 u" X8 o! A$ m6 f2 P4 d

$ q' v- S/ {% \6 |; j& z$ [
* ~4 b) P  h; v$ c$ T' j  {% e5 L. z: E" o
7 r  V1 g: S3 q% B2 ~1 l
6 _$ J* m  _8 m. p
————————————————4 N- h+ f0 x4 c* n9 ~
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