第六章 非线性微分方程
第六章 非线性微分方程和稳定性
第六章 非线性微分方程和稳定性研究对象二阶驻定方程组（自治系统）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==),(),(y x Y dtdy y x X dtdx1 基本概念 1）稳定性 考虑方程组),(x f xt dtd = （6.1） 其中 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n x x x21x ，⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=dtdxdt dx dt dx dt d n 21x ，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=),,,;(),,,;(),,,;()(21212211n n n n x x x t f x x x t f x x x t f x f 。
总假设),(x f t 在D I ⨯上连续，且关于x 满足局部李普希兹条件，R I ⊂，区域nR D ⊂,00=),(t f ，∑==ni ix12x 。
如果对任意给定的0>ε，存在0)(>εδ（一般ε与0t 有关），使得当任一0x 满足δ≤0x 时，方程组（6.1）满足初始条件00)(x x =t 的解)(t x ，均有εx <)(t 对一切0t t ≥成立，则称方程组（6.1）的零解0=x 为稳定的。
如果方程组（6.1）的零解0=x 稳定，且存在这样的00>δ，使当00δ<x 时，满足初始条件00)(x x =t 的解)(t x 均有0=+∞→)(lim t t x ，则称零解0=x 为渐近稳定的。
如果0=x 渐近稳定，且存在域0D ，当且仅当00D ∈∀x 时满足初始条件00)(x x =t 的解均有0=+∞→)(lim t t x ，则称域0D 为（渐近）稳定域或吸引域；如果稳定域为全空间，即+∞=0δ，则称零解0=x 为全局渐近稳定的或简称全局稳定的。
当零解0=x 不是稳定时，称它为不稳定的。
即就是说：如果对某个给定的0>ε，不论0>δ怎样小，总有一个0x 满足δx ≤0，使得由初始条件00)(x x =t 所确定的解)(t x ，至少存在某个01t t >使得εt =)(1x ，则称方程组（6.1）的零解0=x 为不稳定的。
非线性微分方程和稳定性
第六章 非线性微分方程和稳定性在19世纪中叶,通过刘维尔的工作,人们已经知道绝大多数的微分方程不能用初等积分方法求解.这个结果对于微分方程理论的发展产生了极大影响,使微分方程的研究发生了一个转折.既然初等积分法有着不可克服的局限性,那么是否可以不求微分方程的解,而是从微分方程本身来推断其解的性质呢?定性理论和稳定性理论正是在这种背景下发展起来的.前者由法国数学家庞加莱(Poincar é,1854-1912)在19世纪80年代所创立，后者由俄国数学家李雅普罗夫(Liapunov,1857-1918)在同年代所创立.它们共同的特点就是在不求出方程的解的情况下,直接根据微分方程本身的结构和特点,来研究其解的性质.由于这种方法的有效性,近一百多年以来它们已经成为常微分方程发展的主流.本章对定性理论和稳定性理论的一些基本概念和基本方法作一简单介绍.§6.1 引言考虑微分方程(,)d f t dt=xx (6.1)其中函数(,)f t x 对n D R ∈⊆x 和t ∈(-∞,+∞)连续，对x 满足局部李普希兹条件. 设方程(5.1)对初值(t 0,x 1)存在唯一解01(,,)x t t x ϕ=，而其它解记作00(,,)x x t t x =.现在的问题是：当01x x -很小时，差0001(,,)(,,)x t t x t t x ϕ-的变化是否也很小?本章向量1(,...,)Tn x x =x 的范数取1221()nii x ==∑x .如果所考虑的解的存在区间是有限闭区间，那么这是解对初值的连续依赖性，第2章的定理2.7已有结论.现在要考虑的是解的存在区间是无穷区间，那么解对初值不一定有连续依赖性(见下面的例3)，这就产生了李雅普诺夫意义下的稳定性概念.如果对于任意给定的0ε>和00t ≥都存在0(,)0t δδε=>，使得只要0x 满足01δ-<x x就有0001(,,)(,,)t t t t ϕε-<x x x对一切t ≥t 0成立，则称(6.1)的解01(,,)t t x ϕ=x 是稳定的.否则是不稳定的.假设01(,,)t t ϕ=x x 是稳定的，而且存在11(0)δδδ<≤，使得只要0x 满足011δ-<x x就有0001lim((,,)(,,))0t t t t t ϕ→∞-=x x x则称(6.1)的解01(,,)t t ϕ=x x 是渐近稳定的.为了简化讨论，通常把解01(,,)t t ϕ=x x 的稳定性化成零解的稳定性问题.下面记00()(,,)t t t =x x x ,01()(,,)t t t ϕϕ=x 作如下变量代换.令()()y t t ϕ=-x (6.2) 则d dt y =()()(,())(,())d t d t f t t f t t dt dtϕϕ-=-x x (,())(,())(,)df t t f t t F t ϕϕ=+-=y y于是在变换(6.2)下，将方程(6.1)化成(,)d F t dt=yy (6.3)其中(,)(,())(,())F t f t t f t t ϕϕ=+-y y .这样关于(6.1)的解()t ϕ=x 的稳定性问题就化为(6.3)的零解y =O 的稳定性问题了.因此，我们可以在下文中只考虑(6.1)的零解x =O 的稳定性，即假设(,)f t O O ≡，并有如下定义:定义6.1 若对任意0ε>和00t ≥，存在0(,)t δδε=，使当0δ<x 时有 00(,,)t t ε<x x (6.4)对所有的0t t ≥成立，则称(6.1)的零解是稳定的.反之是不稳定的. 定义6.2 若(6.1)的零解是稳定的，且存在δ1>0, 使当01δ<x 时有00lim (,,)0t t t →∞=x x则称(6.1)的零解是渐近稳定的.例1 考察系统⎪⎩⎪⎨⎧-==x dtdyydt dx的零解的稳定性.解 对于一切0t ≥，方程组满足初始条件0(0)x x =,22000(0)(0)y y x y =+≠的解为 0000()cos sin ()sin cos x t x t y ty t x t y t=+⎧⎨=-+⎩ 对任一0ε>，取δε=，则当12220()x y δ+<时，有112222220000122200[()()][(cos sin )(sin cos )]()x t y t x t y t x t y t x y δε+=++-+=+<=故该系统的零解是稳定的.然而，由于112222220lim[()()]()0t x t y t x y →∞+=+≠所以该系统的零解不是渐近稳定的.例2 考察系统dxx dtdy y dt⎧=-⎪⎪⎨⎪=-⎪⎩ 的零解的稳定性.解 在0t ≥上，取初值为00(0,,)x y 的解为：00()()ttx t x e y t y e--⎧=⎨=-⎩ 其中22000x y +≠对任一0ε>，取δε=，则当12220()x y δ+<时，有1122222222122200[()()]()()(0)t t x t y t x ey ex y t δε--+=+≤+<=≥故该系的零解是稳定的. 又因为1122222222lim[()()]lim()0t t t t x t y t x ey e --→∞→∞+=+=可见该系统的零解是渐近稳定的.例3 考察系统dxx dtdy y dt⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩ 的零解的稳定性.解 方程组以00(0,,)x y 为初值的解为00()()ttx t x e y t y e ⎧=⎨=⎩(0)t ≥ 其中2200x y +≠. 111222222222220[()()]()()t t t x t y t x e y e x y e +=+=+由于函数e t 随t 的递增而无限地增大. 因此,对于任意0ε>，不管12220()x y +取得怎样小，只要t 取得适当大时，就不能保证1222[()()]x t y t +小于预先给定的正数ε，所以该系统的零解是不稳的.例4 考虑常系数线性微分方程组dxAx dt= (6.5)其中n x R ∈,A 是n ×n 阵.证明，若A 的所有特征根都具严格负实部，则(6.3)的零解是渐近稳定的.证明 不失一般性，我们取初始时刻00t =,设Φ(t )是(6.5)的标准基本解矩阵，由第3章内容知满足0(0)x x =的解()x t 可写成0()()x t t x =Φ (6.6)由A 的所有特征根都具负实部知lim ()0t t →∞Φ= (6.7)于是知存在t 1>0，使t >t 1时()1t Φ<.从而对任意0ε>，取0δε=则当00x δ<时，由(6.6)有00()()x t t x x ε≤Φ≤<, 1t t >(6.8)当t ∈[0,t 1]时, 由解对初值的连续相依性, 对上述0ε>，存在δ1 >0，当01x δ<时()x t O ε-<, 1[0,]t t ∈取01min{,}δδδ=，综合上面讨论知，当0x δ<时有()x t ε<, [0,]t ∈+∞即0x =是稳定的.由(6.7)知对任意0x 有0lim ()0t t x →∞Φ=，故0x =是渐近稳定的.。
非线性偏微分方程
应用
研究方向
突破
1.变分不等式理论与能量泛函的凸性密切相关，由于现代科学技术的需要，特别是研究自由边界和固体力学 问题的需要，传统的方法往往都无法解决这类问题，人们对H-半变分不等式进行研究，研究涉及现代分析及应用、 偏微分方程以及科学计算等众多领域中亟待解决和发展的重要课题。
2．该研究是现代数学与电力生产的交叉学科研究课题，它对电力生产及管理有着十分重要的理论指导意义和 实际应用价值，为控制系统设计、分析和计算都可提供一些重要的理论依据。在应用数学学科的这一研究领域中 本课题属于国内外前沿性研究工作。
发展情况
目前微分方程研究的主体是非线性微分方程，特别是非线性偏微分方程(NLPDE)。很多意义重大的自然科学 和工程技术问题都可归结为非线性偏微分方程的研究。现实生活的许多领域内数学模型都可以用NLPDE来描述， 很多重要的物理、力学等学科的基本方程本身就是NLPDE。另外，随着研究的深入，有些原先可用线性微分方程 近似处理的问题，也必须考虑非线性的影响，所以对NLPDE的研究，特别是NLPDE求解精确解的研究工作就显示出 了很重要的理论和应用价值，但是数学研究的结果，在目前还未能提供一种普遍有效的求精确解的方法.20世纪 50年代以来，人们对非线性现象的研究中提出了“孤子”的概念，进而使得对NLPDE求解的研究成为非线性科学 中的热点。
3．应用现代数学所获得的理论，研究最有控制系统的微分方程，为控制系统设计、分析和计算提供一些重要 的理论依据和方法。
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定义
非线性偏微分方程(NLPDE)，又称非线性数学物理方程、非线性演化方程。它是描述现代诸多科学工程领域 如物理化学、生物，大气空间科学等中的非线性现象的数学模型。
函数是一个广义的偏微分方程，如果 u，v是此微分方程的两个解，而（au+bv)也是此微分方程的解，则此 偏微分方程则为线性偏微分方程，否则为非线性偏微分方程 。
非线性微分方程的稳定性和相图
非线性微分方程的稳定性和相图非线性微分方程的稳定性与相图是研究非线性微分方程的关键问题。
非线性微分方程具有很强的复杂性和多样性，其解的行为可能十分复杂，我们需要通过一些稳定性和相图的方法，来研究其性态，从而揭示方程的性质和行为。
一、非线性微分方程的稳定性稳定性是指解相对于一定条件的微弱变化是否保持不变。
在非线性微分方程中，稳定性主要包括两个方面：渐进稳定性和渐进周期性。
1. 渐进稳定性在一般情况下，我们关注的是非线性微分方程的渐进稳态解。
渐进稳定性是指对于一定的初值条件，当时间趋于无穷大时，解趋向于一个稳定的状态。
这里的“稳定状态”是指，无论初值条件的微小扰动都会被抑制。
具体来讲，假设有一个非线性微分方程：$ \frac{d^2y}{dt^2} +f(y) = 0 $，其中 $f(y)$ 是关于 $y$ 的非线性函数。
我们可以通过线性化的方法，将$f(y)$ 在一个平衡点$y_0$ 处展开成泰勒级数：$ f(y) = f(y_0) + f'(y_0)(y-y_0) + \frac{1}{2}f''(y_0)(y-y_0)^2 + \dots $。
这个展开式类似于 $y-y_0$ 的二阶微分方程，因此我们可以得到一个线性化的微分方程：$ \frac{d^2 (y-y_0)}{dt^2} + f'(y_0)(y-y_0) = 0 $，这是一个二阶常系数线性微分方程。
我们知道，关于一个线性微分方程，其解形式是可以解析地求出的。
因此，通过求解线性化的微分方程，可以得到原非线性微分方程的“近似解”，即在 $y_0$ 处的一阶梯度和二阶曲率信息。
这个信息可以告诉我们，当 $y$ 离开 $y_0$ 越远，$y$ 的变化越剧烈，即非线性力会越来越大，从而影响解的行为。
对于渐进稳定性，我们需要考虑两点：平衡点的存在及其稳定性。
具体来说：（1）平衡点的存在：如果 $f(y)$ 对于某个 $y_0$ 满足 $f(y_0)= 0$，那么 $y(t) = y_0$ 是原非线性微分方程的一个平衡解。
《常微分方程》第六章 非线性微分方程
定理6.1 (稳定性的Liapunov判别法) 设有定义在 D Rn
上的定正(定负)函数 V (x), dV dt
(6.2)
表示 V (x) 沿系统(6.2)的轨线
的全导数
dV (1) 若 dt (6.2)
dV (2) 若 dt (6.2)
在 D 上是常负(常正)的,则 x 0 是稳定的; 在 D 上是定负(定正)的,则 x 0 是渐近稳定的;
称为 x 0 吸引域;如果吸引域是全空间,则称 x 0 是全局渐近
稳定的.
(3) 若 0 0, 0, 都 x0 与 t1 t0 , 使 x0 ,
但 x(t;t0, x0 , 则称 x 0 是不稳定的;
例如, 微分方程 dx ax
dt
满足初值条件 x(t0 ) x0 ,
(a)
(b)
又知,对任意常数,函数x cos(t ), y sin(t ), 也是方程组的解,它的积分曲线是经过(,1, 0)的螺旋
线,但是它们与解x cos t, y sin t有同一条轨线 x2 y2 1.
同是,我们也可以看出, x cos(t ), y sin(t )
(6.1)称为非自治系统, (6.2)称为自治系统,
6.1.1 非自治系统与自治系统的主要区别
自治系统不论是在相空间还是增广相空间,轨线匀不相交. 而非自
治系统在增广相空间积分曲线不相交,但在相空间轨线可能相交.
定义6.1 若存在 x* D 使 f (x*) 0, 则点 x* 称为系统(6.2)
的解为
x x0ea(tt0 ) .
6.3 判定稳定性的Liapunov函数法
定义6.3 设 D x x H Rn,V C(1) (D).
非线性微分方程的周期解和极限环
非线性微分方程的周期解和极限环非线性微分方程是数学中的一种重要的研究对象。
在物理学、生物学、经济学等领域中，非线性微分方程也起着不可替代的作用。
其中，周期解和极限环是非线性微分方程的两种重要解法，下面将进行详细介绍。
一、周期解周期解是指在某些非线性微分方程中，存在一种解形式，该解在时间上周期性出现。
周期解的一个经典例子是Van der Pol振荡器模型，该模型描绘了由非线性电感和静电元件组成的电路中的振荡现象。
Van der Pol振荡器的方程可以表示为：$$\frac{d^2x}{dt^2} - \mu (1 - x^2) \frac{dx}{dt} + x = 0$$其中，$x$表示电路中的电荷电流，$\mu$表示系统的某个常数。
该方程的周期解可以表示为：$$x(t) = a \cos(\omega t - \phi)$$其中，$a$、$\omega$和$\phi$为常数。
这种周期解体现了Van der Pol振荡器的周期性特征。
二、极限环不同于周期解的周期性，极限环是指某些非线性微分方程中，解形式不断旋转缩小，最终收敛于一种恒定的形式。
极限环可以解释很多自然现象，例如天体运动、生物进化等。
极限环最早被发现于天体运动中。
开普勒三定律描述了天体间的运动，但是对于多个天体的情况，求解轨道运动并不简单。
在19世纪初，拉普拉斯提出了一个重要的结论，称之为拉普拉斯-杨定理。
该定理认为，只要天体系统具有一些特定的性质，就可以保证其运动形式是稳定的。
这些性质被称为拉普拉斯不变量。
类似地，极限环也可以应用于非线性微分方程的稳定性分析。
对于某些非线性微分方程，如果其极限环是稳定的，那么该方程的解就具有稳定性。
例如，假设存在一个非线性微分方程：$$\frac{d^2x}{dt^2} + \epsilon (1 - x^2) \frac{dx}{dt} + x = 0$$其中，$\epsilon$表示某个常数。
如果该方程的解具有稳定的极限环，那么该方程的解可以表示为：$$x(t) = a \cos(\omega t - \phi) + O(\epsilon^2)$$其中，$a$、$\omega$和$\phi$为常数。
非线性微分方程
• 微分方程（4）右端不含自变量，其右端为零得到的代数 方程Ay-By2=0的解y1(t)= 0 ,y2(t)= A/B是微分方程（4）的 常数解，称为平衡解。
• 微分方程（7）右端不含自变量时为驻定微分方程。
• 驻定微分方程右端为零得到的代数方程的解
是微分方程的常数解，也是特解，称为驻定解或平衡解。
9 第六章 非线性微分方程§6.1
按线性近似的稳定性 dx Ax (8) dt
现考虑非线性驻定微分方程组 d x Ax R(x), R(0) 0 (11)
右端函数满足条件
dt R(x)
lim
0
x 0 x
显然，方程组有零解x=0。 可以按(11)的线性近似方程组
(8)零解的稳定性态决定非线性驻定微分方程组(11)的稳定性 态。即
• 二维情形零解的稳定性态在平面上的示意图如图(6.2)。
6 第六章 非线性微分方程§6.1
稳定性态在平面上的示意图
7 第六章 非线性微分方程§6.1
稳定性态在平面 上的示意图
d y Ay By2 (4) dt
例 对微分方程(4)，当 A<0,B<0时，其零解y=0 为渐近稳定，稳定域为 y<A/B。特解y2(t)=A/B 为不稳定。
4 第六章 非线性微分方程§6.1
稳定性定义 d x f (t, x), dt
f (t,0) 0. (5)
假设 方程组(5)的右端函数f(t,x)在包含原点的域G内有连续的 偏导数，从而满足方程组的解的存在唯一性、延拓、连续 性和可微性条件。
稳定性定义 如果对任意给定的 >0，存在 = ( ,t0)，使 当任一x0满足||x0||≤ 时，方程组(5)的由初值条件x(t0)= x0确 定的解x(t)对一切t≥t0均有||x(t)||≤ ，则称方程组(5)的零解 是稳定的。
非线性偏微分方程
非线性偏微分方程（Nonlinear Partial Differential Equation，简称NPDE）是数学中一个研究领域，它被广泛应用于物理、工程和生物等领域。
NPDE不同于线性偏微分方程，因为它们的解不仅取决于初边值条件，还会受到问题本身的非线性特性所影响。
本文将探讨NPDE的概念、应用以及在科学研究领域中的重要性。
一、NPDE的概念NPDE是描述自然现象中非线性变化的方程，它们的解不能通过将其分解为一系列线性的模式来求得。
在实际情况中，由于问题本身的复杂性以及各种因素的相互作用，NPDE被广泛用于模拟和分析自然现象中的非线性行为。
二、应用场景NPDE在物理、工程、生物和社会科学等领域中都有广泛的应用。
例如，在物理学中，研究可以用于描述液体和气体的流动，气体的化学反应和平衡力学系统中的非平衡行为；在工程学中，NPDE被用于模拟机械结构中的应力和变形，以及电磁场和声波等现象；在生物学中，NPDE可以用于研究生物系统的动态行为，例如癌细胞扩散和神经元的活动；在社会科学中，NPDE被用于描述人口增长、经济增长和文化传播等过程中的非线性行为。
三、研究的意义NPDE是自然现象中非线性行为的数学描述，因此其研究具有重要的意义。
首先，NPDE研究将帮助我们更好地理解和预测自然现象中的非线性行为。
例如，在物理学中，研究可以帮助我们更好地理解复杂流体中的湍流现象，从而提高空气动力学和海洋动力学的模拟精度。
其次，NPDE研究也可以为工程设计提供更加精确的方法，以避免由于非线性效应失效造成的问题。
例如，在电力系统设计中，由于线性偏微分方程无法满足电力系统中的非线性特性，因此已成为研究电力系统稳定性的重要工具。
最后，研究也可以为新材料的研究提供理论基础。
例如，在材料科学中，能够描述复杂的物理和化学反应，以预测材料的性能和行为。
总结：尽管为数学中的高阶领域，但其在物理、工程、生物和社会科学等领域中有着广泛的应用。
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x(t;t0, x0) ,
则称系统(5.2)的零解 x 0 是稳定的; (2) 若 1) x 0 是稳定的; 2) t 0, 1 0, 使得只要 x0 1, 就有
lim
t
x(t;
t0
,
x0
)
0,
则称系统(6.2)的零解 x 0 是渐近稳定的; 区域 x x 1
a0
(6.5)
6.4 由线性近似系统判定稳定性
dx f (x), f : D Rn Rn , dt
(6.10)
设 x 0 为(6.10)的解, 利用TayLor公式 可将(6.10)化为
dx Ax (x), dt
称系统(6.11)的线性近似系统为
dx Ax, dt
(6.12)
是圆族.如图(b)
特别,x=0,y=0也是方程组(6.3)的解,它的轨线 就是原点O(0,0).
6.2 稳定性的基本概念
定义6.2 设 x(t;t0 , x0 ) 是系统(5.2)适合初值条件 x(t0 ) x0
的解
(1) 若 0, ( ) 0, 使得只要 x0 , 对一切
内除x 0 外不含有系统(6.2)的整条轨线,
则 x 0 是渐近稳定的.
附注2 若 V (x)
在 x0
的邻域内是变号函数,而
dV dt
(6.2)
定号,则 x 0 是不稳定的.
例5.2 讨论系统
dx dt
y,
dy
dt
x
ay(1
y)2,
的零解 x y 0 的稳定性.
的一个平衡位置, 也称为此系统的一个奇点.
轨线只可能与奇点无限接近, 但不可能通过奇点, 否则与解的 唯一性相矛盾. 对于一给定的自治系统来说, 奇点或平衡位置是人 们关心的重要问题, 在奇点附近轨线的分布情况是多种多样的, 这 也是对自治系统进行研究的重要内容之一,本书对此不作进一步讨 论,有兴趣的同学可参考常微分方程教材,我们在此主要讨论奇点的 的稳定性.
的解为
x x0ea(tt0 ) .
6.3 判定稳定性的Liapunov函数法
定义6.3 设 D x x H Rn,V C(1) (D).
若 V (0) 0 且当 x D /0 时, V (x) 0( 0), 则称 函数 V 在 D 上是常正(常负)的;若 V (0) 0 且当 x D /0
的积分曲线可以由x cost, y sin t的积分曲线向
下平移个单位而得到,由于的任意性,可知轨线
x2 y2 1对于着无数多条积分曲线.
为了画出方程组在相平 面上的相图,我们求得 方程组的通解为
x Acos(t )
y
A
sin(t
)
其中A,为任意常数.于是方程组的轨线就
时, V (x) 0( 0), 则称 函数 V 在 D 上是常正(常负)的;常
常正或常负的函数统称为常号函数;定正或定负的函数统称为
定号函数. 若 V (0) 0 且在 x 0 的任意领域内均既有使 V (x) 0 的点, 也有使 V (x) 0 的点, 则称函数 V 在 D
上是变号的.
第六章 非线性微分方程
6.1 自治系统与非自治系统 6.2 稳定性的基本概念 6.3 判定稳定性的 Liapanov 函数法 6.4 由线性近似系统判定稳定性
为什么要研究微分方程的定性理论?
由于大多数微分方程,即使是低阶线性方程,它的解一般也难以求 得对于非线性微分方程(组),除了极少数特殊情况之外,要想用衽初等 方法去求解,往往是不可能的.这就迫使人们去寻找其它的研究途径, 本章4.3节中所介绍的幂级数解法就是途径之一,另一种重要的途径 是利用数值计算方法通过计算机去求其近似解,这是一种很实用的方 法,我们将在后续课程中专门学习.本节即将介绍的重要方法,就是不 通过求解而直接从微分方程的系数去研究其解的主要特征和性态,这 就是所谓的定性分析方法.这种方法在利于人们掌握解的最终趋势,了 解全部解的分布特征和相互关系.在理论分析和实际应用中,定性分析 法和数值计算法两者若能相互结合、相辅相成。将会产生更好的效 果。限于篇幅，本节我们主要介绍定性分析方法中稳定性理念的初 步知识，而且局限于对自治系统进行讲解。
定理 6.2 (1) 若矩阵A的全部特征值都具有负实部,则系统 (6.10)的零解是渐近稳定的;
(2) 若矩阵A的全部特征值中至少有一个具有正实部,则系统 (6.10)的零解是不稳定的.
定理 6.3 (Hurwitz准则) 实系数 n 次代数方程
a0n a1n1 an1 an 0
称为 x 0 吸引域;如果吸引域是全空间,则称 x 0 是全局渐近
稳定的.
(3) 若 0 0, 0, 都 x0 与 t1 t0 , 使 x0 ,
但 x(t;t0, x0 , 则称 x 0 是不稳定的;
例如, 微分方程 dx ax
dt
满足初值条件 x(t0 ) x0 ,
6. 1 自治系统与非自治系统
dx f (t, x), f : G (a,b) D R Rn Rn, dt
(6. 1)
dx f (x), f : D Rn Rn , dt
(6. 2)
把t理解为时间,x理解为相空间 Rn 内动点的坐标, 那末(6.1) 确定了一个向量场(速度场), (6.2)确定一个定常场.
(a)
(b)
又知,对任意常数,函数x cos(t ), y sin(t ), 也是方程组的解,它的积分曲线是经过(,1, 0)的螺旋
线,但是它们与解x cos t, y sin t有同一条轨线 x2 y2 1.
同是,我们也可以看出, x cos(t ), y sin(t )
例6.dt
y
z
2 sin
x,
dy
dt
x
2y
(sin
y
z 2 )ex ,
dz dt
x
y
z 1
z
,
下面通过一个例子来说明轨线与积分曲线的关系
dx dt
y
dy
dt
x
很明显方程(6.4)有一个特解x cost, y sin t, 它在三维空间(t, x, y)的积分曲线是一条螺旋 线如图(a),它经过(0,1,0),当t增大时, 螺旋线向 上盘旋. 上述积分曲线在xoy平面上的投影是 一个圆x2 y2 1,这个圆正是上述特解在xoy 上的相轨线.
的所有根具有负实部(包括负实根)的充分必要条件是:
1
def
a1
0,
2
def
a1 a0
a3 0, a2
a def 1 3 a0
a3 a2
a5 a4
0,
a1
,
n
def
a0
a3 a2
a2n1 a2n2 0,
0 a1 a3
0 0 an
其中当 k n 时, ak 0.
dV (3) 若 dt (6.2)
在 D 上是定正(定负)的,则 x 0 是不稳定的;
用来判定稳定性的这种函数 V (x, y) 称为Liapunov函数,也称为 V
函数.
附注1
若 V (x) 定正(定负),
dV dt (6.2)
常负(常正), 但集合
x
dV dt
(6.2)
0
6.1.2 相平面、相轨线与相图
dx
dt dy
dt
P(x, Q(x,
y) y)
(6.3)
我们把平面xoy称为(6.3)的相平面,而把(6.3)的解在平面 上的轨迹称为(6.3)的轨线或相轨线.轨线族在相平面上 的图像称为(6.3)的相图.
容易看出,解x x(t), y y(t)在相平面中的轨线正是这 个解在(t, x, y)三维空间中的积分曲线在相平面上的投 影.由相轨线来研究方程(6.3)的通解比用积分曲线要方 便得多.
(6.1)称为非自治系统, (6.2)称为自治系统,
6.1.1 非自治系统与自治系统的主要区别
自治系统不论是在相空间还是增广相空间,轨线匀不相交. 而非自
治系统在增广相空间积分曲线不相交,但在相空间轨线可能相交.
定义6.1 若存在 x* D 使 f (x*) 0, 则点 x* 称为系统(6.2)
定理6.1 (稳定性的Liapunov判别法) 设有定义在 D Rn
上的定正(定负)函数 V (x), dV dt
(6.2)
表示 V (x) 沿系统(6.2)的轨线
的全导数
dV (1) 若 dt (6.2)
dV (2) 若 dt (6.2)
在 D 上是常负(常正)的,则 x 0 是稳定的; 在 D 上是定负(定正)的,则 x 0 是渐近稳定的;