第二章 非线性微分方程动力系统的一般性研究
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非线性动力学理论的研究在物理学中,动力学理论是一个非常重要的领域,它研究事物的运动和变化。
而在动力学领域之中,非线性动力学理论则是一个更为深奥和高级的研究分支。
非线性动力学理论主要研究中微观系统以及宏观系统中的复杂现象,例如混沌现象、分岔现象等等。
而非线性动力学的研究结果不仅可以应用在物理学领域,同样可以应用在生物学、经济学以及气象学等学科领域中。
在非线性动力学的研究中,一个非常重要的问题是这些系统是否可以用简单的数学模型来描述。
在传统的线性动力学理论中,许多物理学家都相信大多数的物理系统都可以用线性方程来描述,但是在非线性动力学理论中,我们发现许多系统都不能用线性方程来描述。
这是因为非线性系统中的运动方程非常复杂,一些微小的变化也可以产生巨大的影响。
这就是非线性系统本身的一个非常重要的特征。
事实上,非线性动力学可以看做是大量相关的、复杂的非线性微分方程的研究。
非线性微分方程比线性微分方程更加复杂。
众所周知,线性微分方程可以通过求解求出一个载波的响应,而非线性微分方程则无法通过解析求解。
这就需要数值计算和数学模型来对其进行研究。
对于非线性系统的研究,数值计算和数学模型是非常重要的手段。
我们需要计算机来解决大量的微分方程,同时还需要适当的建立数学模型来描述这些系统的特征。
这就需要数学家和物理学家、计算机专家之间的紧密合作。
混沌现象是非线性系统中最经典的现象之一。
混沌现象表现为在一个长时间内,一个系统的状态看起来非常随机,但是如果我们观察这个系统的短期动态,我们却可能会发现一些规律。
混沌现象的研究既需要数学工具,也需要物理学的知识。
物理学家需要先建立一个数学模型来描述这样一个非线性系统,并且通过计算机模拟这个系统的演化过程。
此外,非线性动力学理论还包括对相空间的研究。
相空间是一个非常重要的物理概念,其表示系统在物理学空间中的各种状态。
非线性系统的演化过程可以在相空间中进行。
一个初始条件所对应的相空间状态点将演化成随时间变化的轨迹。
数学领域微分方程与动力系统研究微分方程是数学领域中一个重要的研究方向,与动力系统有着密切的关联。
本文将介绍微分方程与动力系统的基本概念和研究内容。
一、微分方程的概念及分类微分方程是描述未知函数及其导数(或微分)之间关系的数学方程。
一般形式为:\[F(x, y, y', ..., y^{(n)}) = 0\]其中,y为未知函数,x为自变量,y'为y对x的一阶导数,y''为二阶导数,以此类推,n为方程的阶数。
根据微分方程中包含的未知函数的最高导数的阶数以及方程所涉及的自变量的个数,微分方程可分为常微分方程和偏微分方程。
常微分方程只涉及一个自变量,而偏微分方程则涉及多个自变量。
微分方程是研究自然科学、工程技术和社会经济等领域中连续变化规律的重要数学工具。
二、动力系统的概念及特点动力系统研究的是随时间演化的数学模型。
动力系统通过一组规则描述了系统在不同时间点的状态之间的转移方式。
动力系统的研究对象可以是连续时间或离散时间。
动力系统的基本特点是确定性和演化规律。
给定初始条件,动力系统的演化可以准确预测未来的状态。
动力系统的演化规律可以用微分方程、差分方程或迭代方程等形式表达。
动力系统研究的一个重要问题是稳定性分析,即研究系统在长时间演化中是否会趋于某种稳定状态。
三、微分方程与动力系统的关联微分方程描述了系统中各个元素之间的关系,而动力系统则研究了这些元素在时间上的演化规律。
微分方程与动力系统的关联使得研究者能够通过分析微分方程来推断系统的长期行为。
微分方程可以用动力系统的观点解释。
例如,对于一阶微分方程y' = f(x, y),可以将其看作是描述了动力系统中在每一个时间点上切线的斜率。
动力系统的稳定性分析也可以通过微分方程进行推导。
通过求解微分方程的稳定点和其线性化矩阵的特征值,可以判断系统在长时间演化中的稳定性。
四、微分方程与动力系统的研究内容微分方程与动力系统的研究内容涵盖了很多方面,下面介绍几个重要的研究内容:1. 相图分析:相图是描述动力系统演化过程中状态变化的可视化工具。
非线性动力学的理论研究与应用随着科学技术的不断发展,人类对于自然和社会现象的理解也在不断变化。
而非线性动力学的出现,让人们对于这些现象的认识更加深入。
什么是非线性动力学?非线性动力学是一门研究一些与线性系统理论不同的、自然界或社会系统中的各种复杂非线性现象的学科。
简单来说,非线性动力学就是研究不规则、混沌的运动系统。
它的理论基础是微分方程、动力系统理论、拓扑学、图论等。
非线性动力学的发展历程非线性动力学的研究历程,可以追溯到19世纪初,当时数学家对于非线性方程的解法就颇感困惑。
1927年,俄国数学家科尔莫哥洛夫提出了一套新的方法来研究非线性系统,称之为“拓扑动力学”。
60年代以后,随着计算机技术和数值模拟技术的发展,人们对于混沌现象的认识更加深入,混沌现象也成为非线性动力学的一个重要研究对象。
应用领域随着对非线性动力学的深入研究,它的应用领域也越来越广泛。
下面列举几个应用领域:1、天体力学:研究太阳系中星体的运动、轨道演化等。
2、材料学:在研究各种材料的性质变化、化学反应、相变等方面得到广泛应用。
3、生物学:研究生物系统的稳定性、非线性反应、遗传进化等问题。
4、社会学:研究社会现象中的复杂非线性变化,如人口增长、城市规模等。
5、经济学:探究经济现象中的不稳定性、市场波动等问题。
非线性动力学的研究方法一般来说,非线性动力学的研究方法有两种:理论分析和数值模拟。
理论分析旨在通过数学模型的构建,从理论上探究系统演变的规律。
数值模拟则是通过计算机进行模拟实验,通过计算机模拟复杂的运动系统来研究其行为特征。
结语非线性动力学的理论研究和应用,对于探寻和解决自然和社会系统的复杂非线性现象,都有着至关重要的作用。
同时,随着科技的进步,我们相信非线性动力学在未来的发展中,将会有更加广泛和深入的应用。
非线性微分
非线性微分是数学中宏伟而深奥的一个课题,它是动力系统,物理系统,生物系统等等许多复杂系统的基础。
当我们解决这些系统的问题时,经常需要去理解非线性微分方程的概念。
非线性微分方程本身是指一类带有一个或多个非线性项的微分
方程。
与线性微分方程不同,非线性微分方程的解往往难以得到,因为它们描述的系统具有更多的不确定性,其解常常是多个变量之间不断变化的复杂函数。
非线性微分方程出现在各种不同的领域,如物理学,化学,机械工程,电子工程,生物技术,经济学,金融学,计算机科学等等,而且在这些领域中的运用也不尽相同。
在物理学中,它可以用来描述量子力学中的多体问题;在化学中,它可以用来描述化学反应程序;在电子学中,它可以模拟复杂电路;在机械工程中,它可以用于计算复杂机械系统;在生物技术中,可以用来模拟复杂的生物系统;在经济学中,可以应用于模拟经济变量之间的复杂关系,而在计算机科学中,可以用它来模拟计算机系统的复杂动态行为。
在理解非线性微分方程的常用方法中,可以分为数学分析和数值分析方法。
数学分析法主要包括解析法,线性化法,系统理论方法,多维分析法,变分法,等等,而数值分析法主要包括常微分方程仿真技术、拟合法,积分法,随机模拟技术,建模方法,机器学习方法等等。
不同的分析方法都有一定的优势和局限性,因此在实际应用中,经常会使用多种方法相结合,以获得更准确的结果。
总之,非线性微分方程是一门宏伟而深奥的数学课题,它在物理学,化学,机械工程,电子工程,生物技术,经济学,金融学,计算机科学等许多领域都有着重要的作用,用来描述各种复杂的系统,理解非线性微分方程要求人们拥有良好的数学基础,在实际应用中,综合使用各种分析方法会更加有效,调整非线性动力系统更容易被解决。
数学中的非线性动力系统在数学领域中,非线性动力系统是一种研究系统中相互作用的复杂现象的分支。
它在探索生物学、物理学、经济学等多个领域中具有广泛的应用。
本文将讨论非线性动力系统的基本概念、数学模型和动力学行为。
一、基本概念非线性动力系统是由非线性微分方程或离散差分方程描述的系统。
相比线性系统,非线性系统的特点在于其输出与输入之间的关系不是简单的比例关系,而是包含更为复杂的非线性函数。
二、数学模型非线性动力系统可以用一组微分方程或差分方程表示。
其中,最常见的非线性微分方程模型之一是洛伦兹方程,它描述了空气流体中对流运动的行为。
洛伦兹方程可以表示为:dx/dt = σ(y - x)dy/dt = x(ρ - z) - ydz/dt = xy - βz其中,x,y,z是系统的状态变量,t是时间,σ,ρ和β是模型中的参数。
三、动力学行为非线性动力系统的动力学行为多样且复杂。
其中最常见的动力学行为包括稳定点、周期解、混沌和吸引子。
1. 稳定点:当系统的状态变量不发生变化时,称之为稳定点。
稳定点有两种类型,分别是吸引性稳定点和不稳定点。
2. 周期解:当系统的状态变量在一定时间范围内以周期性方式变化时,称之为周期解。
周期解与稳定点不同,它们的动态行为是有规律可循的。
3. 混沌:混沌是非线性动力系统中最令人困惑和吸引人的现象之一。
它是指系统的状态变量在长时间内表现出高度的不可预测性和敏感性。
混沌系统具有无限数量的周期解,其轨迹在相空间中像蜿蜒曲折的河流一样。
4. 吸引子:吸引子是非线性系统中的一个重要概念,它描述了系统动力学行为的基本特征。
吸引子是一种在状态空间中具有稳定性的集合,它可以将系统的运动轨迹吸引到其中。
四、应用领域非线性动力系统的研究与实际应用密切相关。
以下是一些应用领域的例子:1. 生物学:非线性动力系统可以用于研究生物体内的神经活动、心脏跳动等生物过程。
2. 物理学:非线性动力系统可以用于描述混沌现象、相变行为以及复杂系统中的粒子运动等。
非线性动力学系统深度研究深度研究非线性动力学系统引言:非线性动力学系统是一类常见的复杂系统,广泛应用于物理、化学、生物学等领域。
与线性系统相比,非线性系统具有更为复杂的行为和动力学特性。
本文将对非线性动力学系统进行深度研究,探讨其定义、模型、稳定性和混沌等关键概念。
一、非线性动力学系统的定义和基本概念非线性动力学系统是指系统中的状态变量和控制参数之间的关系是非线性的系统。
其基本概念主要包括状态变量、动力学方程和相空间等。
1. 状态变量:状态变量是系统的内部变量,它们描述了系统在不同时间的状态。
通常采用向量形式表示,例如(x1, x2, ..., xn)。
2. 动力学方程:动力学方程是描述系统演化规律的数学方程。
对于非线性动力学系统,动力学方程通常是一组非线性微分方程或差分方程。
3. 相空间:相空间描述了非线性动力学系统的所有可能状态的集合。
在相空间中,每个状态被表示为一个点,而系统的演化则对应于在相空间中的运动轨迹。
二、非线性动力学系统的模型与常见例子非线性动力学系统的模型通常采用一组微分方程或差分方程来描述。
下面给出两个常见的非线性动力学系统模型。
1. Lorenz系统:Lorenz系统是一个三维非线性动力学系统,由爱德华·洛伦兹发展而来,主要用于描述大气环流的运动。
Lorenz系统的动力学方程如下:dx/dt = σ(y - x)dy/dt = ρx - y - xzdz/dt = xy - βz其中,x、y、z分别表示系统的三个状态变量,σ、ρ、β分别为控制参数。
2. Van der Pol振荡器:Van der Pol振荡器是一个二阶非线性动力学系统,广泛应用于电子工程和生物学中。
其动力学方程如下:d²x/dt² - μ(1 - x²)dx/dt + x = 0其中,x表示系统的状态变量,μ为控制参数。
三、非线性动力学系统的稳定性分析在研究非线性动力学系统时,稳定性是一个关键问题。
非线性动力学原理及应用随着科学技术的不断发展,非线性动力学已经成为研究各种现象的一种重要方法。
这种方法不仅能够帮助人们更好地理解自然现象,还可以应用到很多领域中。
本文将介绍非线性动力学的基本原理以及它的应用。
什么是非线性动力学?非线性动力学是一种描述非线性系统特征的方法,可以用来研究类似于混沌现象的一些现象。
在非线性动力学中,系统的状态是由一组微分方程来描述的。
这些微分方程的解决方案非常复杂,可能会显示出周期性或无规律的变化。
这种不规则的变化就是混沌所表现出的特征之一。
非线性动力学的应用非线性动力学有着广泛的应用,可以用于很多领域中,以下是其中的几个例子:1、天气预测天气系统是一个典型的非线性系统,其中包含许多不同的因素,如湍流、大气压力、温度、湿度等等。
由于这些因素之间的相互作用比较复杂,根本无法通过简单的线性模型来描述气象现象,因此需要使用非线性动力学方法来进行预测。
2、经济系统经济系统也是一个具有非线性特征的系统。
由于经济活动中涉及到太多的因素,比如价格、货币供应量、利率、税务政策等等,使得经济系统具有不确定的变化和波动性。
使用非线性动力学方法可以更好地理解经济现象,并对未来情况进行预测。
3、生物学研究在生物学领域中,非线性动力学可以用于研究生物系统中的一些现象,比如心脏跳动、神经元在脑中的传递等等。
由于这些现象中涉及到很多的变量和相互作用,因此需要使用非线性动力学方法来处理这些复杂的系统。
总体来说,非线性动力学方法可以用于研究各种不规则的现象,并可以为科学家提供更深入的理解和预测,从而进一步推动科学技术的发展。
总结非线性动力学提供了一种用微分方程来描述和分析复杂系统的方法。
这种方法不仅可以为科学家提供更深入的理解和预测,还可以用于很多领域,如天气预测、经济、生物学等等。
虽然这种方法的应用范围很广,但也有一些问题需要解决,比如系统的精度、数据的质量等等。
通过不断的改进和创新,相信非线性动力学方法将会在更多领域得到应用。
动力学的非线性系统和应用动力学的非线性系统是一种非线性现象,它包括了非线性函数、非线性微分方程和非线性控制等。
这种系统具有很多重要的应用,比如在物理学、化学、工程学、生物学等领域都有着广泛应用。
本文将介绍动力学的非线性系统以及它的一些应用。
一、动力学的非线性系统1、非线性函数非线性函数是指函数的值与自变量不成比例的函数。
它的表达式通常不是一元的,而是多项式的。
比如 y=x^2 就是一个非线性函数。
非线性函数的性质往往比较复杂,这是因为它们的微分方程不能直接求解,需要通过数值计算来实现。
2、非线性微分方程非线性微分方程是指微分方程中的系数是非线性的函数。
这种方程比线性微分方程要难解得多,也更具有挑战性。
非线性微分方程是数学、物理、化学和生物等学科的重要研究对象。
其中最著名的非线性微分方程是洛仑兹方程,它可以模拟风洞、流体力学、固体物理学、生物化学等领域的实际问题。
3、非线性控制非线性控制是指控制系统中的反馈信号是非线性的函数。
这种控制方法通常需要基于模型的预测,而不是单纯的反馈控制。
非线性控制被广泛应用于空间、航空、化工、电力等领域。
二、动力学的非线性系统的应用1、物理学动力学的非线性系统在物理学上有着广泛的应用。
比如,在材料学中,非线性动力学模型可以用来描述材料的变形和断裂。
在传热学和建筑学中,非线性动力学模型可以用来分析建筑物的温度和声波传播。
此外,在天文学、量子力学等领域,非线性动力学模型也有着重要的应用价值。
2、化学动力学的非线性系统在化学上也有着广泛的应用。
比如,在化学反应过程中,非线性动力学模型可以用来描述化学物质的浓度和反应速率。
此外,在化学热力学、表面化学、纳米技术等领域,非线性动力学模型也有着广泛的应用。
3、生物学动力学的非线性系统在生物学上也有着广泛的应用。
比如,在人体生理系统中,非线性动力学模型可以用来描述心脏跳动的过程。
在生态学、免疫学和神经科学等领域,非线性动力学模型也有着重要的应用价值。
非线性微分方程的行为及其动力学研究在数学和物理领域,非线性微分方程一直是研究的焦点之一。
与线性微分方程不同的是,非线性微分方程中的函数关系不满足线性叠加的原理,而是具有高度的复杂性和非可积性。
此类方程广泛应用于自然现象的建模和预测中。
非线性微分方程研究的主要目的是理解这些复杂的现象,为解决实际问题提供必要的工具和方法。
本文将从非线性微分方程的基础知识开始,介绍它的性质和解析技术。
然后,我们将讨论非线性微分方程的一些典型行为及其动力学研究,包括周期解、混沌、吸引子和边界层现象等。
1. 非线性微分方程的基础知识1.1 定义对于一般形式的非线性微分方程,可以表示为:$$\frac{d}{dt}u(t)=f(u(t))$$其中 $u(t)$ 表示未知函数,$f(u(t))$ 表示非线性函数。
该方程的初值条件为$u(0)=u_0$。
1.2 常见的非线性微分方程1.2.1 Lotka-Volterra 方程又称捕食-繁殖方程,由 Lotka 和 Volterra 在20世纪初提出。
描述了生态系统中两个种群之间的相互作用关系。
该方程形式为:$$\begin{aligned} \frac{d}{dt}x(t)&=ax(t)-bx(t)y(t) \\ \frac{d}{dt}y(t)&=-cy(t)+dx(t)y(t) \end{aligned}$$其中,$x(t)$ 和 $y(t)$ 分别表示捕食者和猎物的种群密度,$a$、$b$、$c$、$d$ 是常数。
1.2.2 Van der Pol 方程由荷兰电气工程师 Van der Pol 在20世纪20年代提出。
描述了电路中非线性振荡的现象。
方程形式为:$$\frac{d^2}{dt^2}x(t)-\mu(1-x^2(t))\frac{d}{dt}x(t)+x(t)=0$$其中,$x(t)$ 表示电路中的电量,$\mu$ 是常数。
1.3 动力学系统对于一个非线性微分方程,我们可以将它看作一个动力学系统。
非线性微分
非线性微分方程是数学分析中的重要主题。
它的研究早在17世纪,由英国的拉瓦锡、福尔曼等人提出,一直被认为是数学特色研究的核心内容之一。
它可以在许多现代科学和工程的研究中扮演重要的角色,如复杂的系统的稳定性分析,复杂的介质中的振动和波动研究,围绕传热、传质和非线性光谱等问题的研究中,探究动力系统中的非线性关系,以及特定物理系统的行为等等。
非线性微分方程的主要内容包括基本的概念和定义、微分公式的推导、解的特征、可分解方程、线性化处理方法、级数解法、解析与数值解法,还有泛函分析及一些重要性质的探讨等。
首先,在引言部分,要正确认识非线性微分方程,要介绍它发展的历史,及与线性微分方程的异同。
其次,要讨论求解非线性微分方程的基本方法,如可分解方程法、线性化处理法、级数解法、解析解法和数值解法。
再次,要讨论在非线性微分方程中一些重要问题,如稳定性、鲁棒性、快速稳定、混沌等的研究。
最后,要说明非线性微分方程在现代科学和工程中的实际应用,如结构力学分析、流体动力学、电动力系统研究等。
从总体上来说,非线性微分方程是一个重要和有深度的学科,其中既包括理论的方面,也包括实际应用的方面。
为了满足不同科学研究和工程应用的需求,必须运用多种数学工具,解决多种类型的问题,包括简单的问题和复杂的问题。
因此,非线性微分方程一直是数学发展史上一个重要的研究领域,为我们提供了更深入的理解和更有效的
解决方案。
数学中的非线性偏微分方程研究1. 引言数学中的非线性偏微分方程是当前热门的研究领域之一,其应用涵盖物理、化学、工程、生物学等多个领域。
非线性偏微分方程在研究中的作用是多方面的,包括模拟天气、研究气体动力学、描述流体力学等方面。
本篇文章将从以下几个方面来介绍数学中非线性偏微分方程的研究。
2. 基本概念和基础理论在开始介绍非线性偏微分方程的研究内容之前,首先需要解释一些基本概念和理论。
微分方程是数学中的重要分支,它是描述物理问题中动态变化规律的数学工具。
微分方程根据方程中未知函数与其偏导数的关系,分为常微分方程和偏微分方程两种类型。
其中,偏微分方程描述的是一个函数的各方向上的偏导数与自变量的关系。
偏微分方程可分为线性和非线性两类。
线性偏微分方程能够通过相加和相乘的方式来叠加解,非线性偏微分方程则不能。
在实际应用中,非线性偏微分方程更为普遍和实用。
3. 常见的非线性偏微分方程非线性偏微分方程按照具体应用领域可以分为多种类型,常见的有以下几种:3.1 反应扩散方程反应扩散方程是描述物种在不同地点和时间内扩散和反应的方程,这种方程在环境科学、化学、生物学等领域有着重要的应用。
该方程通常有如下形式:$$\frac{\partial u}{\partial t}=D\nabla^2u+f(u)$$其中,$u$是密度场,$D$是扩散系数,$f(u)$是反应项。
3.2 汉密尔顿–雅可比方程汉密尔顿–雅可比方程是描述动态系统演化的非线性偏微分方程,它在经济学、物理学、控制论等多个领域具有重要的应用。
汉密尔顿-雅可比方程有如下表达式:$$\frac{\partial u}{\partial t}=H(x)\frac{\partial u}{\partial x}$$其中,$H(x)$是哈密尔顿量,即系统的能量。
3.3 斑图方程斑图方程主要用于描述分子扩散过程,该方程中自变量为两维空间坐标和时间。
其形式为:$$\frac{\partial u}{\partial t}=\nabla^2u+au^3-bu$$其中,$u$是密度场,$a$和$b$为常数。
非线性微分方程的动力学特性研究摘要:本文对几类非线性系统的非线性动力学特性进行了深入研究,对系统发生霍普夫分岔的参数条件进行了详细的分析,给出了系统产生霍普夫分岔的参数范围,随后应用中心流行定理对系统进行降维约化,得到了系统平衡点的稳定性。
最后,对一类食饵-捕食者系统的非线性动力学特性进行了详细分析和研究。
关键词:非线性动力学微分方程霍普夫分岔中心流形0.引言随着科学的发展和进步,在自然科学与社会科学的研究领域内出现了很多新的具有挑战性的数学问题,其中动力系统解的性态分析是近年来研究的热点之一。
对非线性动力系统的研究和发展已有一个多世纪,20世纪70年代至今,非线性动力学的分岔理论及混沌现象的研究成为了非线性微分方程新的研究热点。
如今,几乎每个学科领域都出现了动力系统现象,从化学中的振荡Belousov-Zhabotinsky反应到电子中的蔡氏电路,从天体力学中的复杂运动到生态学中的分岔。
尤其在生物数学领域,动力系统被广泛的用来研究系统的稳定性及分岔。
刘翠桃对具有密度制约情况下的HollingⅣ类功能反应的系统,徐胜林和肖东梅对一类扩展的捕食者-食饵系统进行了讨论,讨论了系统的平衡点的性态,并证明了极限环的存在性与唯一性及其全局稳定性。
CananCelik研究了对比率依赖性,系统地分析了时滞对模型稳定性的影响,选取时滞作为参数,利用分岔定理得出Hopf分岔,得到了系统周期解的稳定性,并进行了数值模拟。
本文通过对几类不同非线性系统的非线性现象进行研究,特别是几类系统霍普夫分岔进行详细分析,应用中心流形定理对部分系统进行了降维处理,部分系统应用形式级数法对细焦点进行分析。
1.二维非线性系统的霍普夫分岔分析对式(1.1)所示的二维非线性系统,当f(x,μ)=ax-y+bx(x2+y2)+cx(x+y2)sinπx2+y3x+ay+by(x2+y2)+cy(x2+y2)2sinπx2+y2(1.1)时的情况,进行定性与分岔分析.此时,n=2,m=3,X=xy,μ=abc.显然,O(0,0)为系统的奇点.为了对参数变化时平衡点处的情况进行分析,做极坐标变换x=rcocθy=rsinθ,对时间t求导,dxdt=drdtcosθ-rdθdtsinθ=arcosθ-rsinθ+br3cosθ+cr5cosθsinπr(1.2)dydt=drdtsinθ+rdθdtcosθ=rcosθ+arsinθ+br3sinθ+cr5sinθs inπr(1.3)分别进行(1.2)×cosθ+(1.3)×sinθ,(1.2)×(-sinθ)+(1.3)×cosθ可以得到drdt=ar+br3+cr5sinπr,dθdt=1.(1.4)对参数c分两种情况进行讨论.(1)当c=0时,若a=0,b=0,有drdt=0,此时平衡点O(0,0)为系统的中心,系统零解稳定但不渐近稳定;若a=0,b≠0,有drdt=br3,当b>0,有drdt>0,平衡点O(0,0)为不稳定细焦点,系统零解不稳定;当b<0,有drdt<0,平衡点O(0,0)为稳定细焦点,系统零解稳定.若a≠0,b=0,有drdt=ar,当a>0,有drdt>0,平衡点O(0,0)为不稳定焦点,系统零解不稳定;当a<0,有drdt<0,平衡点O(0,0)为稳定焦点,系统零解稳定.若a>0,b>0,有drdt>0,此时drdt>0,系统零解不稳定;若a>0,b<0,此时系统有闭轨r=r0=-ab,又当r>r0时,drrt<0,t→+∞时,系统的轨线趋向于r=r0;当0因此,系统有唯一的闭轨,即极限环,且极限环稳定.若a<0,b<0,有drdt<0,所有的解都趋于平衡点O(0,0),平衡点O(0,0)为稳定焦点,系统零解稳定;若a<0,b>0,此时系统有闭轨r=r0=-ab,当r>r0时,drdt>0,t→+∞时,r→+∞;当0因此,系统有唯一的闭轨,即极限环,且极限环不稳定.图1给出了c=0时的双参数分岔图.(2)当c≠0时,若a=0,b=0,有drdt=cr5sinπr,当r=1n,(n=1,2,3,…),drdt=0,有一系列的闭轨出现;若a=0,b≠0,有drdt=br3+o(r3),当b>0时,平衡点为不稳定细焦点,零解不稳定;当b<0时,平衡点为稳定的细焦点,零解稳定;若a≠0,b=0,有drdt=ar+o(r),当a>0时,平衡点为不稳定焦点,零解不稳定;当a<0时,平衡点为稳定的焦点,零解稳定.图1时系统的双参数分岔图2.三维非线性系统的霍普分岔分析对式(2.1)所示的三维非线性系统,当f(x,μ)=(λ-1)x-y-axzx+(λ-1)y-ayz-z+x2+y2-2xyz,(2.1)时的情况,进行定性与分岔分析.此时,n=3,m=2,X=xyz,μ=λa.分离非线性项,系统变为dXdt=λ-1-101λ-1000-1X+f1f2f3,(2.2)其中,f1=-axz,f2=-ayz,f3=x2+y2-2xyz为非线性项.显然,非线性项满足定理的条件,则对于双曲奇点非线性系统与线性系统奇点类型相同.且O(0,0,0)为系统的平衡点,对于线性化系统矩阵为A=λ-1-101λ-1000-1,且A的特征值λ1=-1.λ2,3=λ-1±i.当λ<1时,特征值实部都小于零,平衡点为稳定的焦点;当λ>1时,存在特征值实部大于零,平衡点为鞍点,不稳定.则非线性系统的平衡点O(0,0,0)也分别为稳定的焦点和不稳定的鞍点.当λ=1时显然满足中心流形存在条件,故设存在中心流形z=h(x,y)=h20x2+h11xy+h02y2+O(r3)(2.3)其中r=x2+y2.将(2.3)代入hx·dxdt+hy·dydt=-hx2+y2-2xyh,有(2h20x+h11y)(-y+ah20x3+ah11x2+ah02xy2)+(h11x+2h02y)(x-ah20x2y-ah11xy2-ah02y3)+O(r5)=-h20x2-h11xy-h02y2+x2+y2-2xy(h20x2+h11xy+h02y2).比较x2、y2及xy的系数,得到h11=-h20+1-h11=-h02+1-2h20+2h02=h11,解得h02=h20=1,h11=0.故有中心流形z=h(x,y)=x2+y2+O(r3),将其代入系统(2.1)的第一、二式,有dxdt=-y-ax(x2+y2)-aO(r4),dydt=x-ay(x2+y2)-aO(r4),(2.4)由于系统(2.1)与系统(2.4)的零解稳定性相同,故对(2.4)的零解进行稳定性分析即可.在零点处的线性化矩阵=0-110,特征值为λ=±i.当a=0时,平衡点O(0,0)为中心,(2.4)零解为稳定但非渐近稳定的.当a≠0时,取Liapunov函数V(x,y)=12(x2+y2),显然V(x,y)是正定函数,沿系统(2.4)的解求全导数得到dVdt=x(-y-ax(x2+y2))+y(x-ay(x2+y2))=-a(x2+y2)2.故根据Liapunov稳定性判定定理,可以知道,当a>0时dVdt<0,零解渐近稳定,O(0,0)为稳定的细焦点;当a<0时dVdt>0,零解不稳定,O(0,0)为不稳定的细焦点.故对于系统(2.1)的平衡点O(0,0,0),在λ=0时,当a=0时为中心,零解为稳定但非渐近稳定的.由定理知,在原点邻域内的某一曲面上全是闭轨.当a>0时,零解渐近稳定,O(0,0)为稳定的细焦点,当a<0时,零解不稳定,O(0,0)为不稳定的细焦点.由定理知,λ在小范围内变化时,存在极限环.3.食饵-捕食者系统的零解稳定性及霍普夫分岔分析这一部分将对一类正平衡点平移到原点后的两种群非线性食饵-捕食者系统的零解稳定性及霍普夫分岔情况进行讨论.平移后,系统有f(X,μ)=-y+λx+αxy1+x+yx+λy+y2+αxy1+x+y,(3.1)此时,n=2,m=2,X=xy,μ=λα.分离非线性项,系统变为dXdt=λ-11λX+f1f2,(3.2)其中,f1=αxy1+x+y,f2=y2+αxy1+x+y为非线性项.显然,非线性项满足定理的条件,则对于双曲奇点非线性系统与线性系统奇点类型相同.O(0,0)为系统的平衡点.对系统(3.1)的线性化系统进行分析,则A=λ-11-λ,得到A的特征值λ1,2=λ±i.当λ<0时,特征值实部都小于零,平衡点为稳定的焦点;当λ>0时,特征值实部都大于零,平衡点为不稳定焦点;当λ=0时,做变换dτ=dt1+x+y,则系统变为dxdτ=(-y)(1+x+y)+αxy=-y-y2+(α-1)xy,dydτ=(x+y2)(1+x+y)+αxy=x+x2+y2+(a+1)xy+xy2+y3.(3.3)用形式级数法对O(0,0)进行判断.令F(x,y)=x2+y2+F3(x,y)+F4(x,y)+…,沿系统(3.1)的解求全导数得到dFdt=(2x+F3x+F4x+…)[-y-y2+(α-1)xy]+(2y+F3y+F4y+…)[x+x2+y2+(α+1)xy+xy2+y3]令dFdt=0,对三次项进行考察,有-yFx+xF3y=-2y3-2αxy2-2αx2y,(3.4)进行极坐标变换,令F3(x,y)=r3Φ3(θ),对θ进行求导,r3dΦ3(θ)dθ=F3θ=-rsinθF3x+rcosθF3y=-yF3x+xF3y,(3.5)由(3.4)和(3.5)式可以知道dΦ3(θ)dθ=-2sin3θ-2αcosθsin2θ-2αcos2θsinθ,积分有Φ3(θ)=-23αsin3θ+23(α-1)cos3θ+2cosθ,变回直角坐标系,故有F3(x,y)=-23αy3+23(α-1)x3+2x(x2+y2)=-23αy3+2xy2+23(α+2)x3.(3.6)对四次项进行考察,有-yF3x+xF4y=F3x[y2-(α-1)xy]-F3y[x2+y2+(α+1)xy]-2y(xy2+y3)2αy4+(2α2-4)xy3-2αx2y2-2α(α+1)x3y.(3.7)进行极坐标变换可以得到dΦ4(θ)dθ=4αsin4θ-2αsin2θ+(2α2-4)sin3θcosθ-2α(α+1)sinθcos3θ,=α(cos22θ-cos2θ)+(2α2-4)sin3θcosθ-2α(α+1)sinθcos3θ,=α1-cos4θ2-αcos2θ+(2α2-4)sin3θcosθ-2α(α+1)sinθcos3θ,=12α+ψ*(θ).(3.8)其中,ψ*(θ)以2π为周期,且∫2π0ψ*(θ)dθ=0.记ψ(θ)=12α+ψ*(θ)..由于12α≠0,则(3.8)不存在以2π为周期的解.令d(θ)dθ=ψ(θ)-12α,(3.9)则(3.9)不存在以2π为周期的解.故f4(x,y)=r4(θ),(3.10)为4次齐次多项式,且r4(θ)θ=r4ψ(θ)-12αr4,(3.11)将(3.11)式返回直角坐标系,得到-yf4x+xf4y=2αy4+(2α2-4)xy3-2αx2y2-2α(α+1)x3y-12α(x2+y2)2.(3.12)取F*(x,y)=x2+y2+F3(x,y)+f4(x,y),(3.13)则有,dF*dt=12α(x2+y2)2+o(r4),(3.14)所以,由(3.14)知,O(0,0)在的邻域内找到了一正定函数F*(x,y),系统(3.4)对t的导数为(3.14).故,由Liapunov稳定性定理知,当λ=0时,若α>0时,零解不稳定,O为一阶不稳定细焦点;当α<0时,零解渐近稳定,O为一阶稳定细焦点.由定理知,在α>0(α<0)时,对充分小的λ<0(λ>0),在O(0,0)的邻域内有渐近稳定的极限环.由于原系统正平衡点的稳定性与平移后原点的稳定性相同,故当λ<0时,平衡点是稳定的,故当两种群数量在平衡点附近时,两个种群的数量都将趋于这一点.又在α>0时,对充分小的λ<0,在平衡点的邻域内有渐近稳定的极限环,则此时两种群的数量可能会产生周期性的变化.4.结论本文对几类非线性系统的非线性动力学特性进行了深入研究,对两类二维和三维系统发生霍普夫分岔的参数条件进行了详细的分析,应用中心流行定理对系统进行降维约化,给出了系统产生霍普夫分岔的参数范围。
非线性动力学系统理论原理与应用实践综述一、引言非线性动力学是研究自然界和人类社会复杂、混沌、不可预测现象的一个重要分支领域。
随着计算机技术的迅猛发展,非线性动力学的理论和方法在许多领域得到了广泛的应用。
本文将综述非线性动力学系统的理论原理和应用实践,探讨其在科学研究和实际应用中的重要意义和前景。
二、非线性动力学系统的基本原理1. 动力学系统的定义非线性动力学系统是由一组变量和它们之间的关系等式或不等式构成的数学模型。
它可以用方程或微分方程表示,描述系统中变量随时间变化的规律。
2. 非线性系统的特征非线性系统与线性系统相比具有更复杂的特征和行为。
非线性系统的行为可能发生突变、混沌、周期性振荡等现象,并且对初始条件和参数非常敏感。
3. 相空间和相图相空间是描述非线性动力学系统状态的抽象数学概念,它的维度由系统的自由度决定。
相图是相空间在二维平面上的投影,用于直观地表示系统状态的轨迹和演化。
4. 边界条件和吸引子边界条件是指在模拟非线性动力学系统时设定的初始条件和边界约束。
吸引子是描述系统稳定状态的概念,可以是点吸引子、周期吸引子或混沌吸引子。
三、非线性动力学系统的应用实践1. 生物学领域的应用非线性动力学系统在生物学研究中具有重要的应用价值。
例如在神经科学中,非线性动力学系统可以用于模拟和研究神经元网络的活动,揭示神经元之间的相互作用和信息传递机制。
2. 物理学领域的应用非线性动力学系统在物理学领域的应用非常广泛。
例如在流体力学中,非线性动力学系统可以用于模拟和研究流体运动的混沌和涡旋结构。
在物质物理学中,非线性动力学系统可以用于描述和预测分子和原子的运动和相互作用。
3. 经济学领域的应用非线性动力学系统在经济学研究中发挥着重要的作用。
例如在金融市场中,非线性动力学系统可以用于分析和预测股票价格的波动和变化趋势。
在宏观经济学中,非线性动力学系统可以用于模拟和研究经济周期和经济政策的影响。
4. 社会科学领域的应用非线性动力学系统对社会科学领域也具有重要的应用价值。
非线性动力学的研究和应用随着科技迅速发展,动力学理论开始成为一种能够解释多种现象的工具。
其中,非线性动力学是一种非常重要的理论,它能够解释各种复杂的现象,如气候变化、光学现象、生物能量转换等。
最近几十年来,非线性动力学也逐渐应用于各种领域,例如化学、物理、生物、社会科学等。
因此,本文将探讨非线性动力学的研究和应用。
一、非线性动力学的概念非线性动力学是一种可以模拟非线性系统的动力学方法。
它是一种使用微分方程、差分方程、偏微分方程等工具研究复杂系统行为的方法学。
与传统的线性系统不同,非线性系统的关系不是简单的比例关系,而是包含了更为复杂的描述。
这种关系可能包括反馈环路及其相互作用、非线性响应和耗散等。
在这种情况下,系统的稳定性、动态行为和响应机制就往往变得相对复杂。
二、非线性动力学的研究1. 混沌理论混沌理论是非线性动力学的一个研究分支。
它主要研究非线性系统的非周期性动力学行为。
混沌系统是一种既不可预测也不可重复的动力学系统,每个初始状态的小变化都会导致系统的行为发生不可预测的变化。
这种系统主要表现为可延展性、灵敏性和自适应性。
混沌现象在天文学、气象学、生物学、工程等领域都有广泛的应用。
2. 引力波研究引力波是一种可以传递质量和动量的无质量微观物质。
由于其极小的大小和非常微弱的效应,导致其难以观察。
但现在非线性动力学已经被用于引力波的预测和描述。
通过数值模拟和实验模拟,研究人员可以分析引力波的形成及其在太空中的传输、演化和合并等。
3. 轨道动力学轨道动力学是一种研究天体运动规律的学科。
由于天体运动包含许多非线性特征,因此非线性动力学成为轨道动力学中非常重要的工具。
通过研究太阳系中行星的运动、彗星的轨道等,人们可以深入了解太阳系的演化和动力学特征。
三、非线性动力学的应用1. 经济学经济学中的供求关系和市场行为也可以被看作是非线性动力学模型。
例如,研究经济周期、企业行为、股票价格等领域,正逐步引入非线性动力学的研究方法。
非线性动力学的基本原理和应用实例非线性动力学,又称为混沌理论,是一门研究复杂系统行为的学科。
它研究的领域包括物理学、化学、生物学、社会学等多个领域。
本文将介绍非线性动力学的基本原理和应用实例。
一、非线性动力学的基本原理非线性动力学研究的是具有非线性行为的系统。
所谓非线性行为,指的是系统对初始条件的微小变化极其敏感,这种敏感性在系统中表现为不可预测性和不规则性。
一个非线性系统可以用微分方程的形式表示。
因此,非线性动力学的基本原理是微分方程的求解。
非线性系统的微分方程通常较为复杂,无法通过解析方法求解。
因此,在非线性动力学中,常常使用数值计算方法来模拟系统的行为。
另一个非线性动力学的基本原理是混沌理论。
混沌理论表明,在一些非线性系统中,微小的扰动可以引起系统行为的剧烈变化。
这是由于在非线性系统中,不同的初值条件会引起系统的行为非常不同。
这种不确定性被称为“混沌”。
二、非线性动力学的应用实例1. 布朗运动布朗运动是指在液体中漂浮的物质在水分子的撞击下不断做无规则的运动。
这个过程可以用随机游走模型来描述,也可以用布朗粒子模型来描述。
布朗粒子模型是一个非线性系统,在模拟过程中需要使用非线性动力学的方法。
布朗运动在化学动力学、生物化学、统计物理学等领域有广泛应用。
2. 汇流问题汇流问题是指在不同流域中通过河道流动的水汇合到同一个点的问题。
这个问题可以用非线性水力模型来描述。
非线性水力模型是一个非线性系统,在模拟过程中需要使用非线性动力学的方法。
汇流问题在水文学和水资源管理等领域有广泛应用。
3. 神经网络神经网络是一种模拟大脑神经元之间相互作用的数学模型。
神经网络可以看作是一个非线性系统,因为神经元之间的连接是多样的、强弱不一的。
用非线性动力学的方法可以对神经网络模型进行仿真和分析。
神经网络在人工智能、模式识别等领域有广泛应用。
4. 生态系统生态系统是指生物体之间以及生物体与周围环境之间相互作用形成的系统。
生态系统通常是非线性的,因为生物体之间的相互作用和生物体与环境之间的相互作用都是非线性的。
数学中的非线性动力系统知识点数学中的非线性动力系统研究的是非线性方程或微分方程的系统,其涉及的知识点十分广泛且深奥。
本文将从几个方面介绍数学中的非线性动力系统的一些核心概念和应用。
1. 动力系统基础知识动力系统是研究物体在时间和空间中运动规律的数学模型。
非线性动力系统与线性动力系统相比,更具有复杂性和多样性。
在非线性动力系统中,经典的微分方程如非线性常微分方程、偏微分方程等经常被用来描述系统的演化规律。
其中,重要的概念包括相空间、相轨道、相点等。
2. 非线性动力系统的稳定性分析稳定性分析是非线性动力系统研究中的关键问题。
通过分析系统在不同参数条件下的稳定状态,可以判断系统的演化趋势。
常用的方法有线性稳定性分析、非线性稳定性分析、Lyapunov稳定性理论等。
其中,研究系统稳定性的重要工具包括雅可比矩阵、Hessian矩阵、Lyapunov指数等。
3. 混沌理论与非线性动力系统混沌理论是非线性动力系统研究的重要分支。
混沌现象指的是某些非线性系统表现出的极端敏感性依赖于初始条件的性质。
混沌系统具有不可预测性,但具有确定性。
混沌系统的产生需要满足一定的条件,如非线性和正反馈等。
混沌系统的分析方法有Lyapunov指数、Poincaré截面、分形维数等。
4. 非线性动力系统的应用非线性动力系统理论在物理学、生物学、经济学等领域都有广泛的应用。
例如,天体力学中的三体问题、生物学中的生态系统模型、经济学中的经济波动模型等都属于非线性动力系统的应用范畴。
非线性动力系统理论的研究和应用对于深入理解现象背后的规律以及预测未来的发展趋势具有重要意义。
5. 数值模拟与计算方法由于非线性动力系统的复杂性,解析求解往往困难,因此数值模拟与计算方法的应用显得尤为重要。
常用的数值方法有Euler方法、Runge-Kutta方法、共轭梯度法等。
这些方法可以帮助我们模拟和预测非线性动力系统的行为,加深对系统规律的认识。
数学中的非线性动力学数学中的非线性动力学是一门研究非线性系统行为的学科,广泛应用于物理学、生物学、经济学等领域。
在本文中,我们将探讨非线性动力学的基本概念、应用以及发展趋势。
一、非线性动力学的基本概念非线性动力学研究的是复杂系统的行为,这些系统的演化并不满足线性关系。
相对于线性系统,非线性系统的行为更加复杂、多样化。
在非线性动力学中,我们关注系统与时间的关系,即随着时间的推移,系统的状态如何演化。
非线性动力学的研究对象包括非线性微分方程、非线性映射等。
它通过数学模型的构建和分析,揭示了复杂系统中隐藏的规律和现象。
非线性动力学的研究和发展,为我们理解自然和社会现象提供了重要的工具和方法。
二、非线性动力学的应用1. 混沌理论混沌理论是非线性动力学的一个重要分支,主要研究非线性系统中的混沌现象。
混沌现象的特征是系统对初始条件极为敏感,微小的扰动会导致系统演化出完全不同的行为。
混沌理论的应用涉及天气预测、流体力学、经济学等领域。
2. 自组织现象自组织现象是指系统在无外界干预的情况下,通过内部相互作用和调节,呈现出自我组织的性质和结构。
非线性动力学对自组织现象的研究,为我们理解生命系统、城市规划等提供了重要的理论支持。
3. 分岔理论分岔理论研究的是系统在参数改变时的稳定性和突变行为。
通过研究系统的分岔现象,我们可以预测系统在特定条件下的行为和演化趋势。
分岔理论在生物学、化学、经济学等领域有着广泛的应用。
三、非线性动力学的发展趋势非线性动力学是一个充满活力的学科,不断涌现出新的理论和方法。
随着计算机技术的进步,非线性动力学的研究正朝着更深入、更广泛的方向发展。
1. 多尺度建模多尺度建模是非线性动力学的一个重要研究方向,旨在将微观尺度的行为与宏观尺度的行为相联系,构建更加准确和可靠的数学模型。
多尺度建模的研究将有助于我们更好地理解复杂系统的行为。
2. 网络动力学网络动力学研究的是由相互作用的节点组成的网络系统。
非线性动力学的理论和应用研究一、前言非线性动力学作为复杂系统研究的核心领域之一,近年来在物理学、数学、化学、生物学、经济学等各个领域得到了广泛的应用。
随着理论的不断深化和技术的不断发展,非线性动力学的研究范围和应用领域也在不断拓展。
本文旨在介绍非线性动力学的理论和应用研究,希望能对读者对非线性动力学有更深入的了解。
二、非线性动力学的理论基础非线性动力学是研究非线性系统的动力学行为的科学,与传统的线性动力学相对。
线性动力学是研究线性系统的动力学行为的科学,因此线性动力学的研究对象主要是具有线性性质的系统,如简谐振子、LC振荡电路等。
而非线性动力学的研究对象则是具有非线性性质的系统,如混沌系统、自组织系统、耗散结构等。
非线性动力学的理论基础主要来自于微分方程、拓扑学、动力系统等方面的研究。
其中,微分方程是研究非线性动力学的基础,它描述了非线性系统在不同时间、不同状态下的行为。
拓扑学则是研究非线性系统的结构和性质的学科,它能够对非线性系统的稳定性、周期性、奇点等进行分析。
动力系统则是研究非线性系统的演化过程的科学,它能够对非线性系统的轨迹、吸引子、分岔等进行分析。
三、非线性动力学的基本概念1. 相空间相空间是描述非线性系统的一种方法,它是由系统的状态变量构成的高维空间。
在相空间中,每一个点对应于系统在某一时刻的状态,而不同的点则对应于不同的状态。
相空间的几何结构能够反映非线性系统的演化规律及其复杂性质。
2. 态系统的态是指系统的状态在相空间中所对应的点。
系统的态可以是稳定的、周期的、随机的或混沌的。
3. 轨线系统的轨线是指系统在相空间中随时间演化的路径。
系统的轨线能够反映出系统的稳定性、周期性、混沌性等特征。
4. 稳定性稳定性是指系统在经历干扰后是否能够回到原来的状态。
稳定性的分析对于非线性动力学的理论和应用十分重要。
5. 吸引子吸引子是吸引非线性系统所有轨线的一个稳定不动点或稳定不动环。
它能够描述系统的稳定性、周期性和混沌性等特征。
非线性动力学系统的分析与应用研究随着科技的不断进步,许多领域的研究越来越注重系统的非线性描述,包括生物学、天文学、经济学等。
这些领域中的许多问题在传统的线性分析方法中已经无法解决,需要使用非线性动力学系统分析方法。
所谓非线性动力学系统,就是指系统中的各个部分之间不仅存在简单的线性关系,而且还存在着相互作用和反馈机制。
这种系统的行为通常表现出复杂的、难以预测的特性,也就是“蝴蝶效应”。
这就需要我们采用新的数学和物理方法来研究和解决这些问题,非线性动力学就是其中之一。
对于非线性动力学系统的研究,我们需要掌握一些常见的分析方法。
其中,最为常见的是混沌理论,这是非线性动力学中最重要的研究分支之一。
混沌理论主要研究的是非线性系统中的混沌现象及其规律性,是将系统变得更加不可预测的过程。
混沌现象的出现与系统内部结构的复杂性有关,其中有许多的分形特征。
分形几何学是混沌理论中的重要组成部分,分形特征对于非线性系统的特征分析和性质研究具有重要意义。
当然,非线性动力学系统的研究不仅仅局限于混沌理论,还包括动力学系统稳定性的分析、模型偏微分方程的数学分析等。
在生物学中,非线性动力学系统被广泛应用于神经元网络、遗传算法以及心血管系统等领域中;在经济学中,非线性动力学系统被应用于复杂的市场模型中,可以帮助我们更好地理解市场行为和价格的变化规律等。
除此之外,非线性动力学系统的研究还可以带来许多实际的应用价值,如混沌加密、混沌通信、力学系统设计等。
混沌加密已经被广泛应用于保障信息的安全传输,混沌通信则可以实现高速率的通讯,而力学系统设计则可以帮助我们更加有效地设计机械、建筑等结构。
总之,非线性动力学系统的研究对于我们深入理解各种自然现象以及人工系统中的复杂性都是非常重要的。
除了理论研究外,我们还需要深入挖掘其实际应用价值,并加以推广和改进。
相信在不久的将来,非线性动力学系统必将成为科学研究中不可或缺的一环。
第二章 非线性微分动力系统的一般性研究在对一个由非线性微分方程所描述的数学模型设计一个计算格式之前,在对该模型所表示的控制系统进行镇定设计或其他工作之前,人们往往希望对该系统可能呈现的动态特性有一个清楚的了解。
特别是当系统模型包含若干个可变参数时,人们又希望知道,这些参数的变化将如何影响整个系统的动态特性。
本章主要介绍非线性微分方程的一般理论,它将是进一步研究和讨论以下几章的基础。
本章中将研究非线性常微分方程定义的动力系统:()dx x f x dt '== (2.1)其中n x R ∈,()f x 是定义在某个开集n G R ⊂中的一阶连续可微函数。
首先,介绍系统(2.1)的流在任何常点邻域的拓扑结构的共同特征。
然后,分别介绍非线性微分方程的解的动态特性研究中的三个主要的内容,即方程的平衡点、闭轨以及轨线的渐近性态分析。
2.1 常点流、直化定理本节介绍系统(2.1)的流在任何常点邻域的拓扑结构的共同特征,即证明如下的直化定理。
定理2.1 设有定义在开集n G R ⊂上的动力系统(2.1),0x G ∈是它的一个常点,则存在0x 的邻域0()U x 及其上的r C 微分同胚α,它将0()U x 内的流对应为n R 内原点邻域的一族平行直线段。
证明:由于0x 是常点,0()f x 是n R 中的非零向量,通过非奇异线性变换β(坐标轴的平移、旋转和拉伸),可将0x 对应为新坐标系的原点,且0()f x 化为列向量(1,0,,0)T (简记为(1,0)T ),其中T 表示向量的转置,0代表(1)n -维零向量,而微分系统可化为(),(0,0)(1,0)T x f x f ββ== (2.2) 与此同时,0x 的邻域V ,在线性变换β的作用下化为10(),()n V R R x ββ-⊂⨯=原点O参见图2.1(b)。
根据解的存在唯一性定理及可微性定理可知,存在0(0,0)=的邻域10()n I U V β-⨯⊂和包含0的区间J ,使得系统(2.1) 从10n I U -⨯中任何一点出发的解()t ϕ在J 上存在,且关于其变量是r C 连续可微的。
进一步,10:()n J I U V ϕβ-⨯⨯→,即对任意的10(,)n s q I U -∈⨯,其中121(,,,)n q q q q -=,系统(2.1)过(,)s q 点有解曲线(,,):()t s q J V ϕβ→ 满足(0,,)(,)T s q s q ϕ=。
令(,)(,0,)t q t q ψϕ=,则得到映射1:()n J U V ψβ-⨯→。
考察导算子(0,0)D ψ,因 (0,0)(0,0,0)||((0,0,0))(0,0)(1,0)T d f f t dtββψϕϕ∂====∂。
又由于(0,0,)(0,)q q ϕ=,故有(0,0)(0,0,0)10||T n q q E ψϕ-⎛⎫∂∂== ⎪∂∂⎝⎭, 其中1n E -表示(1)n -阶单位方阵。
于是导算子(0,0)n D E ψ=。
由反函数定理知,在(0,0)的一个邻域,ψ为局部微分同胚。
取0x 的邻域011()()n U x J U βψ--=⨯。
由于,βψ均为微分同胚,因而1αψβ-=也是微分同胚,且它将n R 中(2.1)的常点0x 的邻域0()U x 内的流映射为n R 中开集1n J U -⨯内的一族平行于t 轴的直线段(见图2.1)。
证毕。
x 1ψ-V qq()a ()b图2.1 对于离散系统g 的常点,有类似结论。
只需改为:在常点邻近的离散轨道在微分同胚α之下,都相应分布在一族平行直线段上。
2.2 平衡点及其动态特性2.2.1 基本概念考虑以下非线性常微分方程定义的动力系统:定义2.1 假设x 是系统(2.1)的一个平衡点,它是“稳定的”是指:如果对x 的任一个邻域V ,存在—个子邻域,使沿系统(2.1)的任何—个满足初始条件:0(0)x x =的解0(,)x t x 对0t >皆在V 存在且位于V 之中(图2.2)。
进而,如果可选得一个1V ,使得对任何01x V ∈都有 0lim (,)t x t x x →∞= 那么x 被称为是浙近稳定的平衡点或汇(图2.3)。
图2.2 稳定平衡点 图2.3 渐近稳定平衡点定义2.2 假设x 是系统(2.1)的一个平衡点,且()Df x 没有零特征值和纯虚数特征值,那么x 被称为是双曲型的平衡点或非退化平衡点。
显然,对双曲型平衡点而言如果()Df x 所有特征值皆有负实部,那么x 是渐近稳定平衡点,而当()Df x 的特征值中某些具有负实部,另一些却具有正实部时,x 是不稳定的,它被称为鞍点(saddle);进而,如果()Df x 所有持征值皆有正实部,那么x 是不稳定平衡点,此时被称之为源(source)。
例题2.1 (Lienard 方程)考虑(),x y F x y x'=-⎧⎨'=-⎩ 的平衡点及其稳定性。
易推得,Lienard 方程的等价形式为()()0,x f x x g x '''++=其中()g x x =,()()x F x f u du =⎰。
从定义可知,该方程平衡点是(0,(0))F ,同时该系统在平衡点处Jacobian 矩阵为(0)1,10F D '-⎛⎫= ⎪-⎝⎭ 其两个特征值没分别是 21/21[(0)((0)4)],2F F λ±''=-±- 所以,当(0)0F '>时,平衡点(0,(0))F 是汇;而(0)0F '<时,(0,(0))F 是源。
2.2.2 平衡点稳定性分析对于双曲型平衡点而言,其稳定性完全可以由相应的线性化系统来判断。
假设x 是系统(1.1)的一个平衡点,那么在点x 系统的线性化系统定义为(),.n Df x R ξξξ'=∈ (2.3) 其中[/]i j Df f x =∂∂是()f x 的Jacobian 矩阵,,||1x x ξξ=+。
以下定理给出了—个十分有用的结论,即双曲型平衡点的稳定性与其相应的线性近似系统在原点的稳定性—样。
定理2.2 如果()Df x 没有零或纯虚数特征值,那么存在一对一连续可逆变换(称之为同胚),它定义于n R 中x 的某个邻域之内,将非线性方程的解映射为相应线性方程(1.2)的解,并保持解的性态不变。
以上定理的证明可以在Hartman P .在1964年出版的专著中找到。
这里不再引述。
然而,当x 不是双曲型不动点时,就无法应用上述定理,从线性化系统来判断其稳定性,下面的Liapunov 定理给出了—条途径。
定理2.3 假设x 是系统(2.1)的一个平衡点,如果存在一个可微函数V ,它定义于x 的某个邻域U W ⊂内,且①()0V x =,当x x ≠时()0V x >。
②(())0d V V x t dt=≤,在{}U x -中,其中()x t 是(2.1)的轨线。
那么x 是稳定的。
进而,如果0V <在{}U x -中,那么x 是渐近稳定的。
上述定理给出了一个并不需要求解而判断不动点稳定性的方法,但是定理中的函数V (被称为Liapunov 函数)的构造却是一件不容易的事。
上述定理的证明可参见常微分方程有关稳定性理论的部分。
2.2.3 平衡点的稳定流形和不稳定流形定义2.3 系统(2.1)的稳定子空间记作1span{,,}s n s E v v =,不稳定子空间记作1span{,,}u n u E u u =,而中心子空间记作1span{,,}c n c E w w =。
其中1,,s n v v 是对应于具有负实部特征值的广义特征向量,1,,u n u u 是对应于正实部特征值的广义特征向量,而1,,c n w w 是对应于具有零实部的特征值的广义特征向量。
s u c n n n n ++=。
它们分别又称为不变稳定、非稳定和中心子空间。
例题2.2 如果 110()110,002Df x --⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭那么span{(1,0,0),(1,1,0)},span{(0,0,1)},.s u c E E E φ===如图2.4所示。
图2.4 广义特征空间定义2.4 假设x 是(2.1)的一个平衡点,系统(2.1)的流是()t x ϕ,那么x 的局部稳定流形()s locW x 和局部非稳定流形()u loc W x 分别是 (){|()(),(),0},(){|()(),(),0},s loc t t uloc t t W x x U x x t x U t W x x U x x t x U t ϕϕϕϕ=∈→→∞∈≥=∈→→-∞∈≤其中n U R ⊂是x 的一个邻域。
不难看出()s locW x 和()u loc W x 给出了线性化系统(2.1)的稳定子空间s E 和不稳定子空间u E 的非线性的模拟。
以下定理给出了更确切的描述。
定理2.4 (平衡点稳定流形定理) 假设()x f x '=有一个双曲平衡点x ,那么存在局部稳定和不稳定流形()s locW x 和()u loc W x ,其维数为s n 和u n ,分别与线性化系统()Df x ξξ'=的子空间s E 和u E 的维数相等,且与s E 和u E 相切。
同时,()s locW x 和()u loc W x 与f 具有相同的光滑性。
上述结论如图2.5所示,其证明可参阅Hartman[1964]和[7]。
图2.5 稳定流形进而还有如下的中心流形定理。
定理2.5 假设f 是n R 上定义的一个r C 向量场,()0f x =。
让(0)A Df =,其谱分解为0,;Re 0,;0,.s c u λσλλσλσ<∈⎧⎪=∈⎨⎪>∈⎩又设,s c σσ和u σ的广义特征空间分别是,s c E E 和u E 。
那么,存在着r C 稳定的不变流形s W 和不稳定的不变流形u W 分别在x 与s E 和u E 相切和—个1r C -中心流形c W 与c E 在x 相切。
其中s W 和u W 是唯—确定,而s W 并非唯一(如图2.6)。
图2.6 中心流形、稳定流形和不稳定流形定义2.5 全局稳定和不稳定流形分别为 00()(()),()(()).s s t loc t u u t loc t W x W x W x W x ϕϕ≤≥==根据微分方程(2.1)的解的存在性和唯一性可知,两个不同的平衡点的稳定(或非稳定)流形不能相交;()s W x (或()u W x )也不能自我相交;而不同的平衡点或同一个平衡点的稳定流形和不稳定流形却可能相交。
例题2.3 考虑二维系统2,.x x y y x '=⎧⎨'=-+⎩ 原点(0,0)是其唯一的平衡点,其线性化系统为,.x x y y '=⎧⎨'=-⎩ 易得22{(,)|0},{(,)|0},s u E x y R x E x y R y =∈==∈=23(0,0){(,)|/3},(0,0).u s s W x y R y x W E =∈=≡分别如图2.7所示。