穩定狀態模型 (一) 微分方程穩定性理論簡介

2021-09-20 10:32:53 字數 2098 閱讀 6114

穩定狀態模型系列博文

穩定狀態模型 (一): 微分方程穩定性理論簡介 :自治系統、動力系統、相平面、相圖、軌線 、  奇點、孤立奇點;

穩定狀態模型 (二):再生資源的管理和開發:資源增長模型 、資源開發模型 、經濟效益模型、 種群的相互競爭模型

穩定狀態模型 (三):volterra 模型

目錄

自治系統、動力系統

相平面、相圖、軌線

奇點、孤立奇點

雖然動態過程的變化規律一般要用微分方程建立的動態模型來描述,但是對於某些 實際問題,建模的主要目的並不是要尋求動態過程每個瞬時的性態,而是研究某種意義下穩定狀態的特徵,特別是當時間充分長以後動態過程的變化趨勢。譬如在什麼情況下 描述過程的變數會越來越接近某些確定的數值,在什麼情況下又會越來越遠離這些數值 而導致過程不穩定。為了分析這種穩定與不穩定的規律常常不需要求解微分方程,而可以利用微分方程穩定性理論,直接研究平衡狀態的穩定性就行了。

本章先介紹平衡狀態與穩定性的概念,然後列舉幾個這方面的建模例子。

定義 5乙個奇點不是穩定的,則稱這個奇點是不穩定的。

對於常係數齊次線性系統(3)有下述定理。

定理2設 x = x(t)是系統(3)的通解。則

(i)如果系統(3)的係數矩陣 a 的一切特徵根的實部都是負的,則系統(3)的 零解是漸近穩定的。

(ii)如果 a 的特徵根中至少有乙個根的實部是正的,則系統(3)的零解是不穩 定的。

(iii)如果 a 的一切特徵根的實部都不是正的,但有零實部,則系統(3)的零解 可能是穩定的,也可能是不穩定的,但總不會是漸近穩定的。

定理2 告訴我們:系統(3)的零解漸近穩定的充分必要條件是 a 的一切特徵根的 實部都是負的。

對於非線性系統,一般不可能找出其積分曲線或軌跡,也就不可能直接匯出奇點的 穩定性。為克服這一困難,在奇點附近用乙個線性系統來近似這個非線性系統,用這個 近似系統的解來給出這個奇點的穩定解.

稱為系統(2)的線性近似。一開始,人們以為總可以用線性近似系統來代替所研究的原系統。但後來人們發現,這種看法是不對的,或至少說是不全面的,非線性系統中的 許多性質,在它的線性近似中不再保留。即使象零解穩定性這樣乙個問題,也要在一定 條件下,才可用它的線性近似系統代替原系統來研究。關於這個問題,我們有下述定理:

定理 3如果系統(4)的零解是漸近穩定的,或不穩定的,則原系統的零解也是 漸近穩定的或不穩定的。然而,如果系統(4)的零解是穩定的,則原系統的零解是不 定的,即此時不能從線性化的系統來匯出原系統的穩定性。

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