3.7稳定性问题 数学建模

⎛ N 1 (1 − σ 1 ) N 2 (1 − σ 2 ) ⎞ P3 ⎜ ⎜ 1 − σ σ , 1 − σ σ ⎟ , P4 ( 0 ,0 ) ⎟ 1 2 1 2 ⎝ ⎠
⎝
N1
N2 ⎠
⎝
N1 N2 ⎠
仅当σ1, σ2 < 1或σ1, σ2 > 1时，P3才有意义
平衡点稳 定性分析
⎧ ⎛ x1 x2 ⎞ ⎟ −σ1 ⎪ f ( x1 , x 2 ) ≡ r1 x1 ⎜ 1 − ⎜ N1 N2 ⎟ ⎝ ⎠ ⎪ ⎨ ⎪ g ( x , x ) ≡ r x ⎛ 1 − σ x1 − x 2 ⎞ ⎜ ⎟ 1 2 2 2⎜ 2 ⎪ N1 N 2 ⎟ ⎝ ⎠ ⎩
模型假设 • 有甲乙两个种群，它们独自生存
时数量变化均服从Logistic规律;
x1 & x1 (t ) = r1 x1 (1 − ) N1
x2 & x2 (t ) = r2 x2 (1 − ) N2
• 两种群在一起生存时，乙对甲增长的阻滞作 用与乙的数量成正比; 甲对乙有同样的作用。
模型
⎛ ⎛ x1 x2 ⎞ x2 ⎞ x1 & x1 (t ) = r1 x1 ⎜1 − ⎜ ⎟ ⎜ N −σ1 N ⎟ x2 (t) = r2 x2 ⎜1−σ2 N − N ⎟ ⎟ & 1 ⎝ ⎝ 1 2 ⎠ 2⎠
x & x ( t ) = F ( x ) = rx (1 − ) − Ex N
• 不需要求解x(t), 只需知道x(t)稳定的条件
x & x ( t ) = F ( x ) = rx (1 − ) − Ex N E F ( x) = 0 x 0 = N (1 − ), x1 = 0 r 平衡点

一般的微分方程或微分方程组可以写成：
dx f (t , x ) dt
定义 称微分方程或微分方程组 为自治系统或动力系统。 若方程或方程组f(x)=0有解Xo，X=Xo显然满足（3.28）。称点 Xo为微分方程或微分方程组（3.28)的平衡点或奇点。
dx f ( x) dt
（3.28）
例 Logistic模型
考察（3.2Байду номын сангаас）的线性近似方程组: 其中：
dx1 ax1 bx2 dt dx2 cx dx 1 2 dt
' d gx (0,0) 2
（3.30）
' a f x'1 (0,0) b f x'2 (0,0) c gx (0,0) 1
a b 讨论特征值与零点稳定的关系 记 A λ1、λ2为A的特征值则λ1、λ2是方程： c d >0，可能出现以下情形： （1 ）若△ det（A-λI）=λ2- (a+b) λ+ (ad – bc )=0的根 ① 若q>0，λ1λ2>0。 1 2 2 当 p >0 时，零点不稳定； ( p p 4 q ) p 4q。 1,2 令p=a+d, q=ad-bc=|A|，则 ，记 2 当p<0时，零点稳定 ② 若q<0，λ 1λ2<0 当c1=0时，零点稳定 当c1≠0时,零点为不稳定的鞍点 ③ q=0，此时λ1=p，λ2=0，零点不稳定。
解析方法 定理1 设xo是微分方程
dx 的平衡点： f ( x) dt
若 f ' (xo ) ,则 xo是渐近稳定的 0
0 若 f '( xo ),则 xo是渐近不稳定的

x (t ) F ( x) rx(1 ) Ex x N E F ( x) 0 x0 N (1 ), x1 0 r 平衡点
产量模型
稳定性判断
F ( x0 ) E r, F ( x1 ) r E
E r F ( x0 ) 0, F ( x1 ) 0
捕鱼业的持续收获
• 再生资源（渔业、林业等）与 非再生资源（矿业等） • 再生资源应适度开发——在持续稳 产前提下实现最大产量或最佳效益。
问题 及 分析
• 在捕捞量稳定的条件下，如何控 制捕捞使产量最大或效益最佳。 • 如果使捕捞量等于自然增长量，渔 场鱼量将保持不变，则捕捞量稳定。
产量模型 假设
稳定平衡点 x0 N (1 E / r )
捕捞 • 封闭式捕捞追求利润R(E)最大 过度 • 开放式捕捞只求利润R(E) > 0
令 E R( E ) T ( E ) S ( E ) pNE(1 ) cE =0 r
ER
r c (1 ) 2 pN
c Es r (1 ) pN
R(E)=0时的捕捞强度(临界强度) Es=2ER 临界强度下的渔场鱼量
c Es xs N (1 ) p r
S(E)
p , c
Es , xs
0
ER E*
T(E) Es r E
捕捞过度
• 鱼销售价格p
• 单位捕捞强度费用c 收入 T = ph(x) = pEx 支出 S = cE
单位时间利润
R T S pEx cE
E R( E ) T ( E ) S ( E ) pNE(1 ) cE r r c r E ( 1 ) E* 求E使R(E)最大 R 2 pN 2 2 rN c 渔场 x N (1 E R ) N c hR (1 2 2 ) R 4 p N 2 2p 鱼量 r

有下述结论：
（i） λ1 < λ2 < 0 ， O 是稳定结点； （ii） λ1 = λ2 < 0 ， O 是稳定退化结点； （iii） λ1 > λ2 > 0 ， O 是不稳定结点； （iv） λ1 = λ2 > 0 ， O 是不稳定退化结点； （v） λ1 < 0 < λ2 ， O 是不稳定鞍点； （vi） λ1,2 = α ± βi,α < 0 ， O 是稳定焦点；
⎧ dx(t )
⎪⎪ ⎨ ⎪
dt dy(t)
⎪⎩ dt
= =
ax cx
+ +
by dy
（3）
当 ad − bc = 0 时，有一个连续的奇点的集合。当 ad − bc ≠ 0 时， (0,0) 是这个系统的
1
定理 1 设 F ( x) 是实解析函数，且 x0 系统（2）的奇点。若 F ( x) 在点 x0 处的 Jacobian
（2）当 E > r 时， x&(t) < 0 ，渔场鱼量将逐渐减少至 x1 = 0 ，这时的捕捞其实是
“竭泽而渔”，当然谈不上获得持续产量了。
如何才能做到渔资源在持续捕捞的条件下为我们提供最大的收益？从数学上说，就
是在 x&(t) = 0 或 rx(t)(1− x(t) ) = Ex(t) 的条件下极大化所期望的“收益”，这里的“收 N
x&(t) = − x( x − x2 )
（8）
易知，当 0 < x < x2 时， x&(t) > 0 ； x > x2 时， x&(t) < 0 ，即平衡解 x1 是不稳定的，而
x2 是稳定平衡解。即在捕捞强度 E < r 的情况下，渔场鱼量将稳定在 x2 的水平，因此