2.5-6随机微分方程
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一、一维分岔 考虑一维随机微分方程()()()()()()()()()dX = m X dt +X dB t =m X +X X /2dt +X dB t 6.141σσσσ'-⎡⎤⎣⎦ 生成的连续动态系统()()()()()()tt00t x =x +m s x dx + s x dB s 6.142ϕϕσϕ-⎰⎰ () 它是以 x 为初值的(6.1-41)之唯一强解。
假定()()m 0 = 00 = 0 6.143σ-,()从而0是ϕ的一个固定点。
对此固定点,dB(t)是随机参激。
设m(x)有界,对所有x 0≠满足椭圆性条件 ()0 6.144x σ≠-()这保证最多只有一个平稳概率密度。
求解与(6.1-41)相应的平稳FPK 方程得平稳概率密度()()()()122m u p x C x exp[ ] 6.145u xdu σσ-=-⎰() 于是,上述动态系统有两种可能的平稳状态:不动点(平衡状态)与非平凡平稳运动。
前者的不变测度0δ的密度为()x δ,后者的不变测度ν的密度为(6.1-45)。
为研究 D-分岔,需计算这两个不变测度的Lyapunov 指数。
为此,考虑(6.1-41)的线性化方程()()()()dV =m X Vdt +X V dB t =[m (X)((X)(X))/2]Vdt VdB t 6.146σσσσ''''''++- ()利用(2.5-6)之解(2.5-11),得(6.1-46)之解()()()()()ttV t =V 0exp[(m +/2)X ds +X dB s ] 6.147 σσσ''''-⎰⎰()动态系统ϕ关于测度μ的Lyapunov 指数定义为()()1lim ln V t 6.148t tϕλμ→∞=-()(6.1-47)代入(6.1-48),注意()00σ=,得不动点Lyapunov 指数()()()()()()()()001()lim [ln 000]00 lim0(6.1-49)?t tt t B t V m ds dB s m m ttϕλδσσ→∞→∞'''''=++=+=⎰⎰对以(6.1-45)为密度的不变测度ν,(6.1-47)代入(6.1-48), 假定σ'有界,m /2σσ'''+可积,得Lyapunov 指数()01 lim (m /2)(X)ds [m (x)(x)(x)/2]p(x)dx 6.150tt Rt ϕλνσσσσ→∞''''''=+=+-⎰⎰()进行分部积分,并利用(6.1-45),最后得()2m(x) -2p(x)dx 0 6.151(x)R ϕλνσ⎡⎤=<-⎢⎥⎣⎦⎰() 随机跨临界分岔考虑(6.1-41)的特殊情形()()2dX X X dt X dB t 6.152ασ=-+- ()生成的动态系统族αϕ()0exp[()] 6.1531[()]tx t B t t x x s B s dsαασϕασ+=-++⎰ ()(6.1-53)是以 x 为初值的(6.1-52)之解。
我们要解决的是一个慢快随机微分方程问题。
首先,我们需要理解什么是慢快随机微分方程。
慢快随机微分方程是一种描述两个不同时间尺度的变量的微分方程。
通常,一个变量变化快,另一个变量变化慢。
这种方程在物理、化学、生物等许多领域都有应用。
假设我们有两个变量x 和y,其中x 变化快,y 变化慢。
我们可以用以下的微分方程来描述这两个变量:dx/dt = f(x, y)dy/dt = g(x, y)其中 f 和g 是关于x 和y 的函数。
但是,如果y 是随机的,那么上面的方程就需要修改。
修改后的方程为:dx/dt = f(x, y) + σ(x) dWtdy/dt = g(x, y)其中dWt 是Wiener 过程,σ 是x 的函数,表示x 的噪声强度。
现在我们要来解这个慢快随机微分方程,找出x 和y 的值。
解这个慢快随机微分方程需要使用数值方法,例如Euler-Maruyama方法。
假设我们有一个初始条件(x0, y0),我们可以从这一条件开始,逐步迭代方程来找到x 和y 的值。
使用Euler-Maruyama方法,我们可以得到以下的迭代公式:x_n+1 = x_n + f(x_n, y_n) Δt + σ(x_n) ΔW_ny_n+1 = y_n + g(x_n, y_n) Δt其中Δt 是时间步长,ΔW_n 是Wiener 过程在时间步长内的增量。
通过反复迭代上面的公式,我们可以得到x 和y 的近似值。
需要注意的是,慢快随机微分方程的解可能会表现出不同的动力学行为,例如快变量的瞬态行为、慢变量的长期行为等。
因此,在解这类方程时,需要仔细选择数值方法和参数,以确保结果的准确性和可靠性。