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微分方程的稳定性理论简介一阶方程的平衡点及稳定性设有微分方程()()t f x x •= （1）右端方程不显含自变量t ，称为自治方程。
代数方程()0f x =的实根0x x =称为方程（1）的平衡点（或齐点）它也是方程（1）的解（齐解）。
如果存在某个邻域，使方程（1）的解()x t 从这个邻域内的某个(0)x 出发，满足0lim ()t x t x →∞= （3）则称平衡点0x 是稳定的（稳定性理论中称渐近稳定）；否则，称0x 是不稳定的(不渐近稳定)判断平衡点0x 是否稳定点通常有两种方法。
利用定义即（3）式称间接法。
不求方程（1）的解()x t ，因而不利用（3）式的方法称直接法。
下面介绍直接法。
将()f x 在0x 点做Taylor 展开，只取一次项，方程（1）近似为'00()x t f x x x •=-（）（） （4） （4）称为（1）的近似方程，0x 也是方程（4）的平衡点。
关于0x 点稳定性有如下结论：若'0f x （）<0, 则0x 对于方程（4）和（1）都是稳定的； 若'0f x （）>0，则0x 对于方程（4）和（1）都是不稳定的。
0x 对于方程（4）的稳定性很容易由定义（3）式证明，因为若记'0()f x a =，则（4）的一般解是0()at x t ce x =+其中c 是由初始条件决定的常数，显然，当0a <时（3）式成立。
二阶方程的平衡点和稳定性二阶方程可用两个一阶方程表示为112212()(,)()(,)x t f x x x t g x x ⎧=⎪⎨⎪=⎩gg（6）右端不显含t ，是自治方程。
代数方程组 1212(,)0(,)0f x xg x x =⎧⎨=⎩ （7）的实根011x x =，022x x =称为方程（6）的平衡点，记做00012(,)P x x 。
如果存在某个邻域，使方程（6）的解1()x t ，2()x t 从这个邻域内的某个12((0),(0))x x 出发，满足011lim ()t x t x →∞= ，022lim ()t x t x →∞= （8）则称平衡点0P 是稳定的（渐近稳定）；否则，称0P 是不稳定的（不渐近稳定）。
微分方程的基本理论及稳定性研究摘要：本文利用常微分方程和数学建模二者之间的联系，了解微分方程的一般理论、微分方程解的存在惟一性、微分方程的稳定性问题、通过几个典型的数学模型如人口模型等例子来体现微分方程在数学建模中的应用。
用数学理论解决实际生活中的问题。
微分方程的出现以及微分方程在数学建模中的应用，就是为了更好地使更多的人理解并运用数学理论，更好的解决实际生活中的问题。
努力在各个领域利用并渗透数学知识。
关键词：常微分方程；数学建模；数学模型一、前言常微分方程的发展、形成与许多学科都有着密切的联系，例如几何学、物理学、化学、生物学、经济学甚至电子科技、航天航空等。
计算机的发展为常微分方程的应用及理论研究提供有力的工具。
数学若想解决实际问题，就要通过观察研究实际对象的特征和内在的关系规律，抓住问题的主要矛盾，建立起反映实际问题的数学模型。
而在数学模型求解的问题上，常微分方程是最重要的知识工具，因此继续探讨研究常微分方程在数学建模中的应用依然是有着及其重要的学术价值和及其深刻的现实意义。
目前，已有很多学者对此方面进行了研究，例如，朱美玲在《太远城市职业技术学院报》中简要介绍了常微分方程的发展和数学建模的过程以及常微分方程在数学建模中的一些应用，并对数学建模在数学教学中的地位和作用作了一些展望；王英霞在《才智》2011年12期中介绍常微分方程的发展、数学建模的特点，重点介绍了常微分方程与数学建模相互结合，总结常微分方程在数学建模中的重要性；赵家林在《中国科教创新导刊》2009年第1期中描述了客观是数量关系的一种重要数学模型。
数学领域的中心学科常微分方程至今已有近300年的发展历史，为了寻求、解决类似自由落体下落过程中下落距离和时间的函数关系，研究火箭在空中飞行时的飞行轨道等这类实际性的问题，往往就要求我们找到满足某些特定条件的一个或多个未知数方程，为了解决这类实际问题从而产生了微分方程。
把含有未知函数及未知函数导数或微分的方程称之为微分方程。
常微分方程的定性分析常微分方程是研究自变量只涉及一个变量的微分方程，在科学和工程中具有广泛的应用。
定性分析是常微分方程中重要的一部分，它是指通过分析方程的性质和图像来揭示方程的解的行为。
在本文中，我们将讨论常微分方程的定性分析的基本方法和技巧。
一、平衡点和稳定性分析在进行定性分析之前，首先需要确定方程的平衡点。
平衡点是指微分方程中导数为零的点，即解保持恒定的点。
通过求解方程等于零的情况，我们可以找到方程的平衡点。
确定平衡点后，我们需要分析平衡点的稳定性。
稳定性是指当初始条件接近平衡点时，解是否会趋向于平衡点。
通过线性化的方法可以分析平衡点的稳定性，即在平衡点附近做泰勒展开，然后分析展开式的特征根。
二、相图和相轨线相图是用来描述微分方程解的整体行为的图形表示。
在相图中，自变量通常表示时间，因变量表示微分方程的解。
通过绘制相图，我们可以看到解的轨迹和相位变化。
相轨线是相图中的曲线，表示微分方程解在相空间中的轨迹。
通过绘制相轨线，我们可以直观地了解方程的解的行为。
相轨线可以通过数值方法或者解析方法进行求解。
三、参数分析和稳定性改变在定性分析中，我们可以通过改变微分方程中的参数来观察解的行为的变化。
通过参数的分析，我们可以看到解在不同参数取值下的定性变化。
特别是可以通过稳定性分析，观察参数的改变对平衡点的稳定性有何影响。
四、存在性和唯一性在进行定性分析之前，我们需要先讨论微分方程解的存在性和唯一性问题。
存在性指的是在给定的初始条件下是否存在解。
唯一性指的是解是否是唯一的。
通过利用积分器的理论可以证明微分方程解的存在性和唯一性。
五、应用实例下面通过几个实例来说明常微分方程定性分析的具体应用。
例1：考虑简谐振动方程m*x''+c*x'+k*x=0。
分析方程的解的稳定性和相轨线。
解：首先确定平衡点。
当加速度为零时，m*x''+c*x'+k*x=0，可得平衡点为x=0。
微分方程的稳定性理论简介一阶方程的平衡点及稳定性设有微分方程()()t f x x •= 〔1〕右端方程不显含自变量t ，称为自治方程。
代数方程的实根0x x =称为方程〔1〕的平衡点〔或齐点〕它也是方程〔1〕的解〔齐解〕。
如果存在某个邻域，使方程〔1〕的解()x t 从这个邻域内的某个(0)x 出发，满足0lim ()t x t x →∞= 〔3〕则称平衡点0x 是稳定的〔稳定性理论中称渐近稳定〕；否则，称0x 是不稳定的(不渐近稳定)推断平衡点0x 是否稳定点通常有两种方法。
利用定义即〔3〕式称间接法。
不求方程〔1〕的解()x t ，因而不利用〔3〕式的方法称直接法。
下面介绍直接法。
将()f x 在0x 点做Taylor 展开，只取一次项，方程〔1〕近似为'00()x t f x x x •=-（）（） 〔4〕〔4〕称为〔1〕的近似方程，0x 也是方程〔4〕的平衡点。
关于0x 点稳定性有如下结论：假设'0f x （）<0, 则0x 对于方程〔4〕和〔1〕都是稳定的； 假设'0f x （）>0，则0x 对于方程〔4〕和〔1〕都是不稳定的。
0x 对于方程〔4〕的稳定性很简单由定义〔3〕式证明，因为假设记'0()f x a =，则〔4〕的一般解是其中c 是由初始条件决定的常数，显然，当0a <时〔3〕式成立。
二阶方程的平衡点和稳定性二阶方程可用两个一阶方程表示为112212()(,)()(,)x t f x x x t g x x ⎧=⎪⎨⎪=⎩ 〔6〕右端不显含t ，是自治方程。
代数方程组 1212(,)0(,)0f x xg x x =⎧⎨=⎩ 〔7〕的实根011x x =，022x x =称为方程〔6〕的平衡点，记做00012(,)P x x 。
如果存在某个邻域，使方程〔6〕的解1()x t ，2()x t 从这个邻域内的某个12((0),(0))x x 出发，满足011lim ()t x t x →∞= ，022lim ()t x t x →∞= 〔8〕则称平衡点0P 是稳定的〔渐近稳定〕；否则，称0P 是不稳定的〔不渐近稳定〕。
常微分方程的稳定性常微分方程是研究函数和它的导数之间关系的数学工具。
在科学和工程领域中，我们经常遇到描述自然现象或系统动态演化的问题，而常微分方程正是用来描述这些变化过程的数学语言。
对于一个常微分方程而言，了解和判断它的稳定性是十分重要的，因为它反映了系统的长期行为和演化方向。
一、稳定性的概念稳定性是指系统在经历一定的扰动后，能回归到原来的状态或者逐渐趋向于某一稳定的状态。
在常微分方程的研究中，我们主要关注的是方程解的稳定性。
解的稳定性可以分为以下几种情况：1. 稳定解：如果在解的某个附近，初始条件的微小扰动不会引起解的显著变化，那么我们称这个解是稳定的。
2. 汇合解：如果初始条件的微小扰动会使解趋向于某个特定的解，那么我们称这个解是汇合解，或者吸引解。
3. 不稳定解：如果初始条件的微小扰动会导致解远离原来的状态，那么我们称这个解是不稳定的。
二、线性方程的稳定性对于一阶线性常微分方程$$\frac{dy}{dx} = f(x)y$$线性方程的稳定性可以通过解的特征值来判断。
1. 实特征值：如果特征值的实部为负，则解是稳定的。
如果特征值的实部为正，则解是不稳定的。
2. 复特征值：如果特征值的实部小于零，解是稳定的；如果特征值的实部大于零，解是不稳定的。
而特征值的虚部则决定了解的振荡程度，如果虚部存在，则解是振荡的。
三、非线性方程的稳定性非线性方程的稳定性分析相对复杂，没有统一的判据。
在研究中，我们主要使用的方法有：1. 线性化法：将非线性方程近似为线性方程，然后用线性方程的稳定性条件进行分析。
2. Lyapunov函数法：通过构造Lyapunov函数来判断解的稳定性。
如果能找到一个满足特定条件的Lyapunov函数，那么解是稳定的。
3. 相图法：通过画出相图来观察解的稳定性。
相图可以展示出解的演化轨迹及其吸引子，从而判断其稳定性。
四、稳定性的应用常微分方程的稳定性理论在科学和工程中有广泛的应用。
1. 科学研究：稳定性理论可以用于描述自然现象和生物系统的变化过程，比如描述人口增长、化学反应动力学等问题。
摘要本文给出了微分方程稳定性的概念,并举了一些例子来说明不同稳定性定义之间的区别和联系。
这些例子都是通过求出方程解读解的方法来讨论零解是否稳定。
在实际问题中提出的微分方程往往是很复杂的,无法求出其解读解,这就需要我们从方程本身来判断零解的稳定性。
所以我们讨论了通过Liapunov稳定性定理来判断自治系统零解的稳定性，并用类似的方法讨论了非自治系统零解的稳定性。
在此基础上，讨论了一阶和二阶微分方程的平衡点及其稳定性，这对其研究数学建模的稳定性模型起到很大的作用,并且利用相关的差分方程的全局吸引性研究了具时滞的单种群模型()()()() ().11N tN t r t N tcN t ττ--=--的平衡点1x=的全局吸引性,所获结果改进了文献中相关的结论。
关键词：自治系统平衡点稳定性全局吸引性AbstractIn this paper,we gived the conceptions of differential equationstability.Simultaneously a number of examples to illustrate the difference between the definition of different stability and contact. These examples are obtained by analytical solution equation method to discuss the stability of zero solution. Practical issues raised in the often very complicated differential equations, analytical solution can not be obtained, which requires us to determine from the equation itself, the stability of zero solution. So we discussed the stability theorem to determine through the stability of zero solution of autonomous systems, and use similar methods to discuss the non-zero solution of autonomous system stability. On this basis,we discuss a step and the second-step and the stability, which plays the major role to its stability of the model, and the global attractivity of the positive equilibrium 1x= of the following delay single population model()()()() ().11N tN t r t N tcN t ττ--=--is investigated by using the corresponding result related to a difference equation.The obtained results improve some known results in the literature.Key Words:autonomous system。
常微分方程平衡点在常微分方程的解析中，平衡点是非常重要的一个概念。
平衡点也被称为固定点或者稳定点。
平衡点是指微分方程中，如果取值等于该点，微分方程的解将会保持不变。
也就是说，在该点附近可以观察到系统的稳定性和动力学行为。
因此，对于常微分方程的分析和解决，平衡点也有着至关重要的作用。
本文将着重探讨关于常微分方程平衡点的相关参考内容。
一、平衡点的概念和性质平衡点是常微分方程中的一个重要概念。
在理解平衡点前，需先了解微分方程的解析解。
在微分方程中，解析解是指通过数学分析和运算得到的函数形式解，而平衡点就是在微分方程中，取值为该点时系统处于稳定状态。
在数学上，平衡点可以通过计算微分方程的雅可比矩阵的特征值来判断。
当该点的特征值全部为负实数时，该点为稳定平衡点。
二、平衡点的寻找与计算如何寻找一个微分方程的平衡点？在进行分析求解时，通常会采用数值方法或者解析方法。
其中，解析方法通常采用原函数求解，而数值方法则通过求解微分方程的数值解来确定平衡点。
这里介绍一种基于Jacobi矩阵的求解平衡点的方法。
具体步骤如下：1. 将微分方程转化成矢量形式，并将微分方程写成矩阵的形式，即矢量函数f(x) = (f1(x),…,fn(x))T 以及矩阵形式的微分方程f'(x) = A(x)f(x)。
2. 计算雅可比矩阵J(x) = [∂fi/∂xj]，其中i,j分别表示矢量f(x)的第i行第j列元素。
3. 求解雅可比矩阵J(x)在平衡点处的特征值和特征向量。
如果所有特征值的实部为负数，则平衡点为稳定平衡点。
否则，平衡点为不稳定平衡点。
4. 如果出现了零特征值，则可能需要使用中心流体倍增法（center manifold reduction）对其进行进一步的分析。
三、平衡点和稳定性的物理及实际应用平衡点的概念和寻找方法已经介绍了，下面就来谈谈平衡点和稳定性的物理及实际应用。
一般情况下，系统处于平衡点附近时，其动力学行为将基于平衡点本身的性质。
摘要本文给出了微分方程稳定性的概念,并举了一些例子来说明不同稳定性定义之间的区别和联系。
这些例子都是通过求出方程解析解的方法来讨论零解是否稳定。
在实际问题中提出的微分方程往往是很复杂的,无法求出其解析解,这就需要我们从方程本身来判断零解的稳定性。
所以我们讨论了通过Liapunov稳定性定理来判断自治系统零解的稳定性，并用类似的方法讨论了非自治系统零解的稳定性。
在此基础上，讨论了一阶和二阶微分方程的平衡点及其稳定性，这对其研究数学建模的稳定性模型起到很大的作用,并且利用相关的差分方程的全局吸引性研究了具时滞的单种群模型()()()() ().11N tN t r t N tcN t ττ--=--的平衡点1x=的全局吸引性,所获结果改进了文献中相关的结论。
关键词：自治系统平衡点稳定性全局吸引性AbstractIn this paper,we gived the conceptions of differential equation stability. Simultaneously a number of examples to illustrate the difference between the definition of different stability and contact. These examples are obtained by analytical solution equation method to discuss the stability of zero solution. Practical issues raised in the often very complicated differential equations, analytical solution can not be obtained, which requires us to determine from the equation itself, the stability of zero solution. So we discussed the stability theorem to determine through the stability of zero solution of autonomous systems, and use similar methods to discuss the non-zero solution of autonomous system stability. On this basis,we discuss a step and the second-step and the stability, which plays the major role to its stability of the model, and the global attractivity of the positive equilibrium 1x=of the following delay single population model()()()() ().11N tN t r t N tcN t ττ--=--is investigated by using the corresponding result related to a difference equation.The obtained results improve some known results in the literature.Key Words:autonomous system;equilibrium point;stability;delay;globally asymptotic stability;global attractivity目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (I)第1章引言 (1)第2章微分方程平衡点及稳定性分析 (3)2.1 平衡点及稳定性定义 (3)2.2 自治系统零解的稳定性 (4)2.2.1 V函数 (4)2.2.2 Liapunov稳定性定理 (5)2.3 非自治系统的稳定性 (8)2.3.1 V函数和k类函数 (8)2.3.2 零解的稳定性 (10)2.4 判定一阶微分方程平衡点稳定性的方法 (14)2.4.1 相关定义 (14)2.4.2 判定平衡点稳定性的方法 (14)2.5 判定二阶微分方程平衡点稳定性的方法 (15)2.5.1 相关定义 (15)2.5.2 判定平衡点稳定性的方法 (15)第3章一类时滞微分方程平衡点的全局吸引性 (17)3.1 差分方程(3-7)的全局渐近稳定性 (17)3.2 微分方程(3-1)的全局吸引性 (19)第4章常微分方程稳定性的一个应用 (23)第5章结论 (25)参考文献 (27)致谢 (29)第1章引言20世纪以来，随着大量的边缘科学诸如电磁流体力学、化学流体力学、动力气象学、海洋动力学、地下水动力学等等的产生和发展，在自然科学（如物理化学生物天文）和社会科学（如工程经济军事）中的大量问题都可以用微分方程来描述，尤其当我们描述实际对象的某些特性随时间（空间）而演变的过程，分析它的变化规律，预测它的未来形态时，要建立对象的动态模型，通常要用到微分方程模型，而稳定性模型的对象仍是动态过程，而建模的目的是研究时间充分长以后过程的变化趋势、平衡状态是否稳定。
稳定性模型不求解微分方程，而是用微分方程稳定性理论研究平衡状态的稳定性。
20世纪50～60年代，在美国贝尔曼(R．Bellman)、莱夫谢茨(S．Lefschetz)及拉萨尔(J．P．LaSalle)等的大力介绍和推动下，稳定理论在世界范围内迅速发展起来。
在中国，则在秦元勋、张学铭、许淞庆等的大力提倡下，形成一支可观的研究队伍。
叶鲁金等研究李雅普诺夫第1方法中一次近似系统特征数与稳定性保持问题的关系，并进一步探讨特征数的性质与计算等。
50年代马尔金提出特征数的稳定性问题，贝洛夫等则研究了最大、最小特征数的上、下稳定性和特征数的重合等问题。
对于李雅普诺夫第2方法，切塔也夫等研究李雅普诺夫稳定性条件。
提出了一致稳定性等概念，建立了著名的切塔也夫不稳定定理。
同时研究了李雅普诺夫稳定性条件的必要性。
通过分类并应用微分方程的解构造V函数，基本上解决了各种稳定性定理的逆问题。
关于稳定性定理条件的研究，除了个别条件的削弱，例如dv dt定号性的减弱等条件之外，最有名的是向量李雅普诺夫函数和微分不等式比较方法的引入。
60年代贝尔曼和马特洛索夫通过向量V函数将微分方程稳定性的研究转化为以V 函数为自变量的另一微分方程的正解的稳定性的研究。
李雅普诺夫定义的稳定性原是局部性质的概念，在实际应用中往往要考虑全相空间的情形。
50年代初巴尔巴辛和克拉索夫斯基引进了无限大函数的概念把李雅普诺夫定理推广到全空间，建立了全局稳定性理论。
其结果后来广泛应用于自动调节系统、电力系统和生态系统中。
早在60年代，拉萨尔便应用拓朴动力系统的极限集概念建立了“不变性原理”。
用李雅普诺夫函数刻划微分方程解的极限集位置。
70年代以来，不变性原理用于全局稳定性的各种研究。
从力学问题中还提出了部分变元稳定性概念。
通过对V函数条件的改进也得到了部分变元稳定性的有关定理。
70年代以来，稳定性理论得到了进一步的发展。
除了50～60年代发展起来的控制系统的绝对稳定性、临界情形稳定性、向量李雅普诺夫函数和比较方法等继续得到发展外，在科学技术发展的推动下还提出了若干新的问题和方法。
同时，稳定性理论与方法，已广泛地渗透到其他学科中去。
李雅普诺夫方法已不限于研究稳定性问题，也可应用于研究解的有界性、振动性等。
吉泽太郎(T．Yoshizawa)曾深入研究概周期微分方程的稳定性、有界性。
同时，利用李雅普诺夫函数研究周期解、概周期解的存在性。
李雅普诺夫稳定性理论与方法已渗透到各类学科中去。
对动力系统、泛函微分方程、随机微分方程、微分积分方程、含脉冲系统及偏微分方程建立了相应的稳定性理论。
李雅普诺夫特征数在浑沌(Chaos)和分形(Fractals)研究中也起着重要作用。
今后，稳定性理论将继续在新技术的应用中发挥作用，并在控制理论、偏微分方程、微分积分方程等学科中得到发展。
同时，动力系统理论、非线性科学的发展和电子计算机的应用将为稳定性理论的发展开拓新的方向。
第2章 微分方程平衡点及稳定性分析2.1 平衡点及稳定性定义初始值的微小变化对不同系统的影响不同。
例如初始值问题dx ax dt= 0(0)x x = 0t ≥，00x ≥ (2-1) 的解为0()at x t x e =.0x =是(2-1)的一个解，我们称它为零解。
当0a >时，无论0x 多小，只要0x 0≠，当t →+∞时，总有()x t →∞，即初始值的微小变化会导致解的误差任意大；而当0a <时，0()at x t x e =与零解的误差不会超过初始误差0x ，且随着t 的增加很快就会消失，所以当0x 很小时，()x t 与零解的误差也很小。
这个例子表明0a >时(2-1)的零解是“不稳定的”，而当0a <时(2-1)的零解是“稳定”的。
下面我们就给出微分方程零解稳定的严格定义。
设微分方程(,)d t dt=x f x ，00()t =x x ，n R ∈x (2-2) 满足解的存在惟一性定理的条件，其解00()(,,)t t t =x x x 的存在区间是(,)-∞+∞，(,)t f x 还满足条件(,)t =00f (2-3)(2-3)保证()x t =0是(2-2)的解，我们称它为零解。
定义2.1 若对任意给定的0ε>，都能找到0(,)t δδε=，使得当0δ<x 时(2-2)的解00(,,)t t x x 满足 00(,,)t t ε<x x ，0t t ≥ (2-4)则称(2-2)的零解是稳定的，否则称(2-2)的零解是不稳定的。
注1 (2-2)零解稳定的意义是对任意给定的半径ε，总能在n R 中找到一个以原点为中心、半径为δ的开球B δ，使得(2-2)在0t t =时刻从B δ出发的解曲线当0t t >时总停留在半径为ε的开球B ε内。
注2 (2-2)的零解不稳定的数学描述是至少存在一个00ε>，使得对任意的0δ>，在开球B δ内至少有一个点0x 和一个时刻10t t >，使得00(,,)t t ε≥x x ．注3 对(2-2)的任何一个解都可以定义稳定性。
事实上，若0___0()(,,)t t t =x x x 是(2-2)的一个解，为了考察其他解00()(,,)t t t =x x x 和它的接近程度，我们就可以令()())t t t =-y x x _(，带入(2-2)得__()(,()())(,())d t t t t t t dt=+-y f y x f x (2-5) 这样一来，(2-2)解_()t x 的稳定性就转化为(2-2)零解的稳定性。
