第六章 非线性微分方程
第六章 非线性微分方程
来源:课堂讲义《第六章-1 / 第六章-2》 笔记由课堂 PDF 整理,公式按数学含义重建;模糊处标
[?]待校对。
章节结构
- §6.1 稳定性
- 6.1.1 李雅普诺夫稳定性
- 6.1.2 按线性近似决定稳定性
- 6.1.3 V 函数方法(李雅普诺夫第二方法)
- §6.2 定性
- 6.2.1 奇点
- 6.2.2 极限环
- 6.2.3 平面图貌
- §6.3 哈密顿系统、孤立子和混沌
§6.1 稳定性
引入例:一阶非线性方程的解的图貌
求 的解的图貌,其中 为常数且 ,初值 。
解:,平衡解 。满足初值的解:
- (a) :( 稳定);(发散)
- (b) :;( 稳定)
约定:当 时 稳定、 不稳定;当 时 稳定、 不稳定。
化为零解稳定性的平移:一般非线性方程组 的特解 ,用平移变换 化为
其中 。原特解稳定 变换后零解 稳定。
驻定方程与平衡解:右端不含自变量的微分方程称为驻定(自治)微分方程;右端为零得到的代数方程的解即常数特解,称为驻定解或平衡解(如 的解 )。
6.1.1 李雅普诺夫稳定性
考虑 (5),假设 在包含原点的域 内具有连续偏导数(满足存在唯一性、延拓性、连续可微性)。
- 稳定:若对任意 ,存在 ,使对任意初值 ,只要 ,则解 在一切 上都有 ,称零解 稳定(Lyapunov 稳定)
- 渐近稳定:零解稳定,且存在 ,使当 时对应解满足
- 稳定域(吸引域):若零解渐近稳定,且存在区域 ,当且仅当 时解满足
- 全局渐近稳定:稳定域为整个空间()
- 不稳定:存在 ,无论 多小,总可找到 使解在某个 满足
平面上三种稳定性态:
- (a) 稳定:轨线始终保持在 邻域内
- (b) 渐近稳定:轨线不仅不离开小邻域,且最终收敛到原点
- (c) 不稳定:任意小扰动都会使轨线最终离开 邻域
例(logistic 型):
- 情形一 :零解 渐近稳定,稳定域为 , 不稳定
- 情形二 : 渐近稳定,稳定域为 ,零解不稳定
常系数线性微分方程组的稳定性
(8),特征方程 (10),一般解 。
定理 1(稳定性判据):
- 若全部特征根 ,零解渐近稳定
- 若存在特征根 ,零解不稳定
- 若无正实部根,但存在零根或 的根,零解可能稳定也可能不稳定,需根据零根的重数与结构进一步判断
6.1.2 按线性近似决定稳定性
考虑 (11),假设 (非线性项为高阶小量,即微小非线性扰动)。
定理 2(线性化稳定性定理):
- 若特征方程 (10) 无零根或零实部特征根,则非线性系统 (11) 与线性系统 (8) 的零解稳定性完全一致:
- 所有特征根实部 ⇒ 零解渐近稳定
- 存在特征根实部 ⇒ 零解不稳定
- 若存在零根或零实部特征根,则为临界情形:线性系统 (8) 不能决定 (11) 零解的稳定性,必须进一步分析高阶项 的作用
例 1:有阻力的数学摆
令 ,化为一阶方程组:
- 原点 为零解。分解线性 + 非线性:,非线性项
- 线性近似 (6.17) 的特征方程 ,
- 因 ,,由定理 2 原点零解渐近稳定
其他驻定解:。对代表性驻定解 平移 ,线性化得 ,特征根 ,一正一负,为鞍点,不稳定。
无阻力情形():线性系统特征根 为纯虚根,线性系统零解稳定;非线性系统在原点的稳定性属临界情形,不能仅靠线性化判定。但平衡解 依然不稳定。
霍维茨(Hurwitz)判别法
次方程 (),定义 Hurwitz 行列式:
其中 ()。
定理 3(Hurwitz 判据):方程全部根具有负实部的充要条件:。
例 1:三维系统
线性化 Jacobian ,特征方程 。,,。由 Hurwitz 判据全部特征根实部为负,故原系统零解渐近稳定。
例 2:三次方程 ()根均具负实部的条件:
由 得参数区域:;或 ,其中 。
6.1.3 V 函数方法(李雅普诺夫第二方法)
考虑 (14), 在 内有连续偏导数。
V 函数的定义: 在 内连续可微,。
- 称为常正
- 时 称为定正
- 若 为定正(常正),则 为定负(常负)
沿解的全导数:
例: 常正; 定正; 在 上定正、全平面变号;二次型 当 时定正。
定理 4(Lyapunov 稳定与渐近稳定):
- 若存在在原点邻域定正的函数 ,且沿系统 (14) 的全导数 为常负函数或恒为零,则零解稳定
- 若存在定正函数 ,其全导数为定负函数,则零解渐近稳定
不稳定判据:若存在函数 及常数 ,使得 ,且满足:
- 时, 为定正函数
- 时, 为常负函数或恒为零
- 在 的任意小邻域内至少存在一点 使
则系统 (14) 的零解不稳定。
证明思路:
- 稳定性:任取 ,因 定正,环带 上 有正下界 ;又 连续,存在 使 。沿解 ,故 ,反设 则 矛盾
- 渐近稳定性: 沿解严格递减且有下界,。若 则轨线在环带内,,积分得 矛盾;故 ,进而
- 不稳定性:由 ,乘 积分得 , 时 与 下有界矛盾
几何解释:等值面 是围绕原点的闭曲面。零解稳定 ⇒ 轨线停留在某个闭曲面内;渐近稳定 ⇒ 轨线沿一族闭曲面逐层向原点收缩。
例 4:。线性化 ,特征根 属临界,线性化无法判定。取 ,沿解 :
- : 定负,零解渐近稳定
- : 定正,零解不稳定
- :, 保持常数,零解稳定但非渐近稳定
定理 5(Lyapunov 推广):若存在定正 ,其全导数 为常负,但使 的点集除 外不包含整条正半轨线,则零解渐近稳定。
直观:虽然 允许某些点 ,但因这些点不含任何完整正半轨线,轨线不能"停在"某个闭曲线 上。
例 3:含阻力数学摆(V 函数法): 原点附近定正,沿解 。
- :, 为第一积分,零解稳定(临界情形)
- : 常负,但 的集合是直线 ,除 外不包含整条正半轨线,由定理 5 零解渐近稳定
李雅普诺夫稳定性理论概述:第一方法(线性化/特征值判别)与第二方法(V 函数)。第二方法不依赖解的显式表达,是非线性系统研究最重要的工具。核心难点是临界情形(零实部特征值),需依赖非线性高次项判定。后续推广:全局稳定性(无限大 Lyapunov 函数)、时滞/泛函微分方程、脉冲系统、时标动态方程。
作业(6.1):p157-158:1(2)、3(2、3、5)、4(1、2、3)、5(1、2、3)、6
§6.2 定性理论
考虑平面一阶方程组 (6.15), 对 有连续偏导数。解 在三维空间 中形成积分曲线;平面 称为相平面,积分曲线在相平面上的投影称为轨线(轨道)。
若 不恒为零,可化为一阶方程 ()或 ()。相平面上轨线不能相交(同一初始点只对应唯一一条轨线)。
6.2.1 奇点
若常数 同时满足 ,则 给出方程组的一个驻定解,相平面上对应点称为奇点(平衡点、平衡态)。通过平移可将奇点移到原点。
在奇点邻域取线性项,得线性近似方程组
设 ,则原点是 (6.18) 的唯一奇点。特征方程
通过非奇异实线性变换可将系数矩阵化为四种标准形之一:、、、,对应不同类型奇点。
五种情形的奇点分类
- 情形 I(结点,):同号相异实根 。标准形式 ,通解 。若 ,轨线斜率 ,轨线在原点切 轴。特征方向上的轴为轨线。稳定结点(,渐近稳定);不稳定结点()
- 情形 II(鞍点,):异号实根 。仅沿两条特征方向的四条轨线趋于/离开原点,其他轨线"穿过"原点附近,为典型不稳定平衡点
- 情形 III(重根,):
- 一般情形( 或 ):标准形式 ,通解 ,轨线切 轴,为退化结点( 稳定, 不稳定)
- ():通解 ,所有轨线均为通过原点的半射线,为奇结点( 稳定, 不稳定)
- 情形 IV(焦点,):共轭复根 。极坐标下 ,通解 ,轨线为对数螺旋线。 稳定焦点(渐近稳定); 不稳定焦点
- 情形 V(中心,):纯虚根 ,轨线为同心圆,原点为中心,零解稳定但非渐近稳定
定理 6(线性奇点定理):若 ,则奇点类型完全由特征方程 的根决定:
- 两个非零实根 : 为结点( 稳定、 不稳定); 为鞍点(不稳定)
- 重根 :一般情形退化结点; 为奇结点; 稳定、 不稳定
- 共轭复根 : 为焦点( 稳定、 不稳定); 为中心(稳定但非渐近稳定)
平面划分:分界曲线为抛物线 ,把结点、鞍点、焦点、中心等类型的区域分割开来。
例 1:。令 得 ,特征根 为同号相异实根,原点为稳定结点,特征方向对应直线 与 。
6.2.2 极限环
例 1:,极坐标下 :
- :原点奇点
- :单位圆轨道(周期 的闭轨线,顺时针),是候选极限环
- :,轨线从内向外穿出;:,轨线从外向内穿入
- 取环域 :轨线从两侧边界均流入 , 内无奇点,故 为吸引型(稳定)极限环
极限环的稳定性:稳定(吸引型,邻域内轨线均向其靠拢)、不稳定(排斥型)、半稳定(一侧靠拢另一侧远离)。极限环必须是孤立闭轨线。
定理 7(环域定理):设 为方程组 (6.15) 的定义域,若 内存在一个有界的环形闭域 ,满足:① 内不含奇点;② 经过 上任一点的解轨线在 (或 )时始终不离开 。则必有二者之一成立:该解本身是周期解(闭轨线),或该解在正向(负向)时间上趋于 内的某个周期解。
定理 8(Bendixson 判据):若在单连通区域 中 (散度)不变号,且在 任何子域内不恒为零,则系统在 内不存在周期解,也不存在极限环。
证明(反证):假设存在周期轨 围成区域 ,由 Green 公式 ,但散度不变号且不恒为零时该积分 ,矛盾。
例 2:阻尼摆 ,散度 不变号,由 Bendixson 判据无周期解、无极限环。
Liénard 系统与 van der Pol 方程:范德波尔方程 属于更一般的 Liénard 系统 。定义 ,令 ,化为一阶系统 。
定理 9(Liénard 方程定理):假设
- 对一切 连续, 满足局部 Lipschitz 条件
- 为偶函数,; 为奇函数,当 时
- 当 时 , 有唯一正零点 ,且当 时 单调增加
结论:Liénard 方程有唯一周期解,即方程组有一个(稳定的)极限环。
van der Pol 方程: 等价于 ,满足定理 9 条件,故存在一个极限环。随着 由小变大,其极限环由接近圆形逐渐变为复杂形状。
6.2.3 平面图貌
- 等倾斜线法:曲线 (垂直等倾斜线)上 ,轨线方向垂直;曲线 (水平等倾斜线)上 ,轨线方向水平。两曲线交点为奇点。两条曲线之间的区域内 不变号,轨线方向在 范围内保持不变,有 四种走向。利用等倾斜线可基本确定轨线在全相平面上的走向。
两种群模型:
- :竞争系统; 异号:被捕食-捕食系统;:共生系统
- 因 表示种群数量,方程仅在第一象限有意义;坐标轴由整条轨线和奇点组成,由唯一性第一象限轨线不能穿过坐标轴
- 竞争系统四种结果:① :轨线趋于 轴上 点, 种群绝灭;② :趋于 轴上 点, 种群绝灭;③ :趋于 点(结点),两种群按比例共存;④ :视区域趋于 、 或 点, 点为鞍点
- Volterra 被捕食-捕食模型:相平面上可能出现极限环、焦点或中心;通解由分离变量法得首次积分式 ,轨线是一族围绕奇点 的闭轨线
分界线、同宿、异宿环(轨):
- 分界线:从奇点到奇点的轨线
- 同宿环(轨):一条分界线与一个奇点构成的环
- 异宿轨:分界线两端是不同奇点
- 异宿环:多条分界线与多个奇点构成的环
- 定义中奇点可换为极限环
全局图貌:通过庞加莱变换将无穷远化为原点,分析无穷远处的轨线图貌,与有限区域分析结合得到全局图貌。
作业(6.2):p169-170:1(1、2)、2、3、4(1)、5(1、2)、6(1)、7(3)
§6.3 哈密顿系统、孤立子和混沌(概述)
- 哈密顿系统:以 Hamilton 函数为第一积分的保守系统
- 孤立子:非线性方程具有粒子性的稳定行波解
- 混沌:Lorenz 方程等表现出对初值的敏感性(蝴蝶效应,见第一章)
相关笔记
- ODE常微分方程
- 第一章 绪论
- 第五章 线性微分方程组