稳定状态模型 （一）： 微分方程稳定性理论简介

浅夏110

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。

, N0 P* T7 k/ m3 Q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。

! r" x3 p. ]. a- Y0 W自治系统、动力系统
$ s  v7 y4 I" X: G! `

& ]* H+ F2 e5 O4 Q- \


相平面、相图、轨线
$ N% T& d" |- [1 Q+ ]! s


奇点、孤立奇点
6 @4 \: y- i, M

1 K6 k2 ?3 n7 s- n) d8 J2 |+ T  h8 I


9 Z6 |$ L! L, e: R% y 定义 5         一个奇点不是稳定的，则称这个奇点是不稳定的。
$ i# h9 h: T3 W1 b
8 H% v* l" j0 @3 C7 A' e对于常系数齐次线性系统（3）有下述定理。
8 X" @. F* ~1 @6 w5 |# T7 E0 X4 A
定理2    设 x = x(t)是系统（3）的通解。则

0 |+ p  ?& ?+ ]; o- l（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。
2 s, n( V4 n8 O; c
8 |# B2 Z  J8 _  Z; ]0 C8 f/ O6 K（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。
, c$ {2 O& C3 A& P/ e& 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。
: H* S3 D1 k% {" ~# f
& _+ j2 O+ G: z% }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。
. z( A0 Y6 e5 e: u
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.



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：
, d+ V! \6 R& p' W8 v
1 O! |7 a! D) w$ A' ?0 T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。
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