微分方程的稳定性模型.ppt

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1、微分方程的稳定性模型现在学习的是第1页，共47页稳定性模型稳定性模型的特点的特点 对象仍是动态过程，而建模目的是研究时间充对象仍是动态过程，而建模目的是研究时间充分长以后过程的变化趋势分长以后过程的变化趋势 平衡状态是否稳平衡状态是否稳定。定。不求解微分方程，而是用微分方程稳定性不求解微分方程，而是用微分方程稳定性理论研究平衡状态的稳定性。理论研究平衡状态的稳定性。现在学习的是第2页，共47页目目 录录6.1 捕鱼业的持续收获捕鱼业的持续收获6.2 军备竞赛军备竞赛6.3 种群的相互竞争种群的相互竞争6.4 种群的相互依存种群的相互依存6.5 种群的弱肉强食种群的弱肉强食现在学习的是第3页，共

2、47页6.1 捕鱼业的持续收获捕鱼业的持续收获 再生资源应适度开发再生资源应适度开发在持续稳产前提在持续稳产前提下实现最大产量或最佳效益。下实现最大产量或最佳效益。背景背景资资源源分分为为再再生生资资源源（林林业业、渔渔业业等等）和非再生资源（矿业等）。和非再生资源（矿业等）。现在学习的是第4页，共47页考察一个渔场，其中的鱼量在天然环境下按一定规律增长，考察一个渔场，其中的鱼量在天然环境下按一定规律增长，如果捕捞量恰好等于增长量，那么渔场鱼量将保持不变，如果捕捞量恰好等于增长量，那么渔场鱼量将保持不变，这个捕捞量就可以持续。这个捕捞量就可以持续。希望建立在捕捞情况下渔场鱼量遵从的方程，分析鱼

3、希望建立在捕捞情况下渔场鱼量遵从的方程，分析鱼量稳定的条件，并且在稳定的前提下如何控制捕捞使持续量稳定的条件，并且在稳定的前提下如何控制捕捞使持续产量或经济效益达到最大？产量或经济效益达到最大？问题问题及及 分析分析 在在捕捞量稳定捕捞量稳定的条件下，如何控制捕捞使产的条件下，如何控制捕捞使产量最大或效益最佳。量最大或效益最佳。如果使捕捞量等于自然增长量，如果使捕捞量等于自然增长量，渔场鱼量将渔场鱼量将保持不变保持不变，则捕捞量稳定。，则捕捞量稳定。实实际际问问题题现在学习的是第5页，共47页产量模型产量模型假设假设 无捕捞时鱼的自然增长服从无捕捞时鱼的自然增长服从 Logistic规律规律

4、单位时间捕捞量与渔场鱼量成正比单位时间捕捞量与渔场鱼量成正比建模建模 捕捞情况下渔捕捞情况下渔场鱼量满足场鱼量满足 不需要求解不需要求解x(t),只需知道只需知道x(t)稳定的条件稳定的条件r固有增长率固有增长率,N最大鱼量最大鱼量h(x)=Ex,E捕捞强度捕捞强度x(t)渔场鱼量渔场鱼量现在学习的是第6页，共47页实实质质上上，我我们们并并不不需需求求解解上上面面的的微微分分方方程程以以得得到到x(t)的的动动态态变变化化过过程程，只只希希望望知知道道渔渔场场的的稳稳定定鱼鱼量量和和保保持持稳稳定定的的条条件件，即即时时间间 t 足足够够长长以以后后渔渔场场鱼鱼量量 x(t)的的趋趋向向，并

5、并由由此此确确定定最最大大持持续续产产量量。为为此此可可以以直直接接求求上上面面常常微微分分方方程程的的平衡点并分析其稳定性平衡点并分析其稳定性。现在学习的是第7页，共47页一阶常微分方程的平衡点及其稳定性一阶常微分方程的平衡点及其稳定性一阶非线性（自治）方程一阶非线性（自治）方程F(x)=0的的根根x0 微微分分方方程程的的平平衡衡点点(或或奇奇点点)。它它也也是是方方程程(1)的解的解.设设x(t)是方程的解，若从是方程的解，若从x0 某邻域的任一初值出发，某邻域的任一初值出发，都有都有称称x0是方程是方程(1)的的稳定平衡点稳定平衡点一阶微分非线性方程一阶微分非线性方程现在学习的是第8页

6、，共47页不求不求x(t),判断判断x0稳定性的方法稳定性的方法直接法直接法由于由于讨论方程讨论方程(1)的稳定性时，可用的稳定性时，可用来代替来代替.即即(1)的近似线性方程的近似线性方程易知易知 x0也是方程也是方程(2)的平衡点的平衡点.(2)的通解为的通解为关于关于x0是否稳定有以下结论：是否稳定有以下结论：现在学习的是第9页，共47页产量模型产量模型平衡点平衡点稳定性判断稳定性判断x0 稳定稳定,可得到稳定产量可得到稳定产量x1 稳定稳定,渔场干枯渔场干枯E捕捞强度捕捞强度r固有增长率固有增长率平衡点分别对应微分方程的两个特殊解。平衡点分别对应微分方程的两个特殊解。现在学习的是第10

7、页，共47页产量模型产量模型在捕捞量稳定的条件下，控在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使产量最大制捕捞强度使产量最大图解法图解法P的横坐标的横坐标 x0平衡点平衡点y=rxhPx0y0y=h(x)=ExxNy=f(x)P的纵坐标的纵坐标 h产量产量产量最大产量最大f 与与h交点交点Phmx0*=N/2P*y=E*x控制渔场鱼量为最大鱼量的一半控制渔场鱼量为最大鱼量的一半现在学习的是第11页，共47页效益模型效益模型假设假设 鱼销售价格鱼销售价格p 单位捕捞强度费用单位捕捞强度费用c 单位时间利润单位时间利润在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使效益最大度使效益最大

8、.稳定平衡点稳定平衡点求求E使使R(E)最大最大渔场渔场鱼量鱼量收入收入 T=ph(x)=pEx支出支出 S=cE现在学习的是第12页，共47页EsS(E)T(E)0rE捕捞捕捞过度过度 封闭式捕捞封闭式捕捞追求利润追求利润R(E)最大最大 开放式捕捞开放式捕捞只求利润只求利润R(E)0R(E)=0时的捕捞强度时的捕捞强度(临界强度临界强度)Es=2ER临界强度下的渔场鱼量临界强度下的渔场鱼量捕捞过度捕捞过度ERE*令令=0现在学习的是第13页，共47页6.2 军备竞赛军备竞赛 描述双方描述双方(国家或国家集团国家或国家集团)军备竞赛过程军备竞赛过程 解释解释(预测预测)双方军备竞赛的结局双方

9、军备竞赛的结局假设假设 1）由于相互不信任，一方军备越大，另一方军备）由于相互不信任，一方军备越大，另一方军备增加越快；增加越快；2）由于经济实力限制，一方军备越大，对自己军）由于经济实力限制，一方军备越大，对自己军备增长的制约越大；备增长的制约越大；3）由于相互敌视或领土争端，每一方都存在）由于相互敌视或领土争端，每一方都存在增加军备的潜力。增加军备的潜力。进一步进一步假设假设 1）2）的作用为线性；）的作用为线性；3）的作用为常数）的作用为常数目的目的现在学习的是第14页，共47页建模建模军备竞赛的结局军备竞赛的结局常微分方程常微分方程组组的平衡点及其稳定性的平衡点及其稳定性x(t)甲方军

10、备数量，甲方军备数量，y(t)乙方军备数量乙方军备数量,本方经济实力的制约；本方经济实力的制约；k,l 对方对方军备数量的刺激；军备数量的刺激；g,h 本方本方军备竞赛的潜力。军备竞赛的潜力。t 时的时的x(t)，y(t)现在学习的是第15页，共47页线性常系数线性常系数微分方程组微分方程组的平衡点及其稳定性的平衡点及其稳定性平衡点平衡点P0(x0,y0)=(0,0)代数方程代数方程的根的根若从若从P0某邻域的任一初值出发，都有某邻域的任一初值出发，都有称称P0是微分方程的是微分方程的稳定平衡点稳定平衡点记系数矩阵记系数矩阵特征方程特征方程特征根特征根现在学习的是第16页，共47页线性常系数线

11、性常系数微分方程组微分方程组的平衡点及其稳定性的平衡点及其稳定性特征根特征根平衡点平衡点 P0(0,0)微分方程一般解形式微分方程一般解形式平衡点平衡点 P0(0,0)稳定稳定平衡点平衡点 P0(0,0)不稳定不稳定 1,2为负数或有负实部为负数或有负实部p 0 且且 q 0p 0 或或 q kl 下下 x(t),y(t)0,即友好邻国通过裁军可达到永久和平。即友好邻国通过裁军可达到永久和平。模型模型,本方经济实力的制约；本方经济实力的制约；k,l 对方对方军备数量的刺激；军备数量的刺激；g,h 本方本方军备竞赛的潜力。军备竞赛的潜力。现在学习的是第19页，共47页3）若）若 g,h 不为零，

12、即便双方一时和解，使某时不为零，即便双方一时和解，使某时x(t),y(t)很小，但因很小，但因 ，也会重整军备。，也会重整军备。4）即使某时一方）即使某时一方(由于战败或协议由于战败或协议)军备大减军备大减,如如 x(t)=0，也会因也会因 使该方重整军备，使该方重整军备，即存在互不信任即存在互不信任()或固有争端或固有争端()的单方面的单方面裁军不会持久。裁军不会持久。模型的定性解释模型的定性解释,本方经济实力的制约；本方经济实力的制约；k,l 对方对方军备数量的刺激；军备数量的刺激；g,h 本方本方军备竞赛的潜力。军备竞赛的潜力。模型模型现在学习的是第20页，共47页6.3 种群的相互竞争

13、种群的相互竞争 一一个个自自然然环环境境中中有有两两个个种种群群生生存存，它它们们之之间间的的关系：相互竞争；相互依存；弱肉强食。关系：相互竞争；相互依存；弱肉强食。当当两两个个种种群群为为争争夺夺同同一一食食物物来来源源和和生生存存空空间间相相互互竞竞争争时时，常常见见的的结结局局是是，竞竞争争力力弱弱的的灭灭绝绝，竞竞争争力力强的达到环境容许的最大容量。强的达到环境容许的最大容量。建建立立数数学学模模型型描描述述两两个个种种群群相相互互竞竞争争的的过过程程，分分析析产生这种结局的条件。产生这种结局的条件。现在学习的是第21页，共47页模型假设模型假设 有甲乙两个种群，它们独自生存时有甲乙两

14、个种群，它们独自生存时数量变化均服从数量变化均服从Logistic规律规律;两种群在一起生存时，乙对甲增长的阻滞作用与两种群在一起生存时，乙对甲增长的阻滞作用与乙的数量成正比乙的数量成正比;甲对乙有同样的作用。甲对乙有同样的作用。对于消耗甲的资源而言，对于消耗甲的资源而言，乙乙(相对于相对于N2)是甲是甲(相对相对于于N1)的的 1 倍。倍。对甲增长的阻滞对甲增长的阻滞作用，乙大于甲作用，乙大于甲乙的竞争力强乙的竞争力强模型模型现在学习的是第22页，共47页模型模型分析分析(平衡点及其稳定性平衡点及其稳定性)(二阶二阶)非线性非线性(自治自治)方程方程的平衡点及其稳定性的平衡点及其稳定性平衡点

15、平衡点P0(x10,x20)代数方程代数方程的根的根若从若从P0某邻域的任一初值出发，都有某邻域的任一初值出发，都有称称P0是微分方程的是微分方程的稳定平衡点稳定平衡点模型模型现在学习的是第23页，共47页判断判断P0(x10,x20)稳定性稳定性的方法的方法直接法直接法(1)的近似线性方程的近似线性方程平衡点平衡点 P0稳定稳定(对对2,1)p 0 且且 q 0平衡点平衡点 P0不稳定不稳定(对对2,1)p 0 或或 q 0现在学习的是第24页，共47页仅当仅当 1,2 1时，时，P3才有意义才有意义模型模型现在学习的是第25页，共47页平衡点稳平衡点稳定性分析定性分析平衡点平衡点 Pi 稳

16、定条件：稳定条件：p 0 且且 q 0现在学习的是第26页，共47页种群竞争模型的平衡点及稳定性种群竞争模型的平衡点及稳定性不稳定不稳定平平 衡点衡点 21,11,P1,P2 是一个种群存活而另一灭绝的平衡点是一个种群存活而另一灭绝的平衡点P3 是两种群共存的平衡点是两种群共存的平衡点 11,21P1稳定的条件稳定的条件 11?11 21,11P1,P2都不都不(局部局部)稳定稳定0(3)11,21,21,21加上与加上与(4)相区别的相区别的 11 P2 稳定稳定 P3 稳定稳定P1全局稳定全局稳定现在学习的是第29页，共47页结果解释结果解释对于消耗甲的资源而言，对于消耗甲的资源而言，乙乙

17、(相对于相对于N2)是甲是甲(相对相对于于N1)的的 1 倍。倍。对甲增长的阻滞对甲增长的阻滞作用，乙小于甲作用，乙小于甲乙的竞争力弱乙的竞争力弱 P1稳定的条件：稳定的条件：11 21 甲的竞争力强甲的竞争力强甲达到最大容量，乙灭绝甲达到最大容量，乙灭绝 P2稳定的条件：稳定的条件：11,21 P3稳定的条件：稳定的条件：11,21通常通常 1 1/2，P3稳定条件不满足稳定条件不满足现在学习的是第30页，共47页6.4 种群的相互依存种群的相互依存甲乙两甲乙两种群的相互依存有三种形式种群的相互依存有三种形式1)甲可以独自生存，乙不能独自生存；甲乙甲可以独自生存，乙不能独自生存；甲乙一起生存

18、时相互提供食物、促进增长。一起生存时相互提供食物、促进增长。2)甲乙均可以独自生存；甲乙一起生存甲乙均可以独自生存；甲乙一起生存 时相时相互提供食物、促进增长。互提供食物、促进增长。3)甲乙均不能独自生存；甲乙一起生存时甲乙均不能独自生存；甲乙一起生存时相互提供食物、促进增长。相互提供食物、促进增长。现在学习的是第31页，共47页模型模型假设假设 甲可以独自生存，数量变化服从甲可以独自生存，数量变化服从Logistic规律规律;甲甲乙一起生存时乙为甲提供食物、促进增长。乙一起生存时乙为甲提供食物、促进增长。乙不能独自生存；甲乙一起生存时甲为乙提供食乙不能独自生存；甲乙一起生存时甲为乙提供食物、

19、促进增长；乙的增长又受到本身的阻滞作用物、促进增长；乙的增长又受到本身的阻滞作用(服从服从Logistic规律规律)。模型模型乙为甲提供食物乙为甲提供食物是甲消耗的是甲消耗的 1 倍倍甲为乙提供食物是甲为乙提供食物是乙消耗的乙消耗的 2 倍倍现在学习的是第32页，共47页种群依存模型的平衡点及稳定性种群依存模型的平衡点及稳定性P2是甲乙相互依存而共生的平衡点是甲乙相互依存而共生的平衡点稳定条件稳定条件不稳定不稳定平衡点平衡点现在学习的是第33页，共47页平衡点平衡点P2稳定稳定性的相轨线性的相轨线0 11,1 21 P2稳定稳定现在学习的是第34页，共47页 1 21 前提下前提下P2存在的必

20、要条件存在的必要条件结果结果解释解释 21 甲必须为乙提供足够的食物甲必须为乙提供足够的食物甲为甲为乙提供的食物是乙消耗的乙提供的食物是乙消耗的 2 倍倍 11,1 21条件下使条件下使 1 21 成立成立 P2稳定条件：稳定条件：11,1 2 0P:临界状态临界状态 q 0P 不稳定不稳定 现在学习的是第38页，共47页tx(t)y(t)020.00004.00000.100021.24063.96510.200022.56493.94050.300023.97633.92695.10009.616216.72355.2000 9.017316.20649.500018.47504.0447

21、9.600019.61363.99689.700020.83113.9587用数学软件用数学软件MATLAB求求微分方程数值解微分方程数值解xy 平面上的相轨线平面上的相轨线现在学习的是第39页，共47页计算结果（数值，图形）计算结果（数值，图形）x(t),y(t)是周期函数，相图是周期函数，相图(x,y)是封闭曲线是封闭曲线观察，猜测观察，猜测x(t),y(t)的周期约为的周期约为9.6xmax 65.5,xmin 6,ymax 20.5,ymin 3.9用数值积分可算出用数值积分可算出 x(t),y(t)一周期的平均值：一周期的平均值：x(t)的平均值约为的平均值约为25,y(t)的平均值

22、约为的平均值约为10。食饵食饵-捕食者模型捕食者模型(Volterra)现在学习的是第40页，共47页 消去消去dt用相轨线分析用相轨线分析 点稳定性点稳定性c 由初始条件确定由初始条件确定取指数取指数现在学习的是第41页，共47页x0fmf(x)x0g(y)gmy0y0在相平面上讨论相轨线的图形在相平面上讨论相轨线的图形用相轨线分析用相轨线分析 点稳定性点稳定性相轨线相轨线时无相轨线时无相轨线以下设以下设现在学习的是第42页，共47页y2y1xQ3Q4qy1y2x1x2pyy0 xx0P0 x1x2Q1Q2Q1(x1,y0),Q2(x2,y0)Q3(x,y1),Q4(x,y2)相轨线相轨线退

23、化为退化为P点点 存在x1x0 x2,使f(x1)=f(x2)=p存在y1y0y2,使g(y1)=g(y2)=q相轨线是封闭曲线族相轨线是封闭曲线族xQ3Q4f(x)xx0fm0g(y)gmy0y0相轨线相轨线P中心中心现在学习的是第43页，共47页相轨线相轨线是封闭曲线是封闭曲线x(t),y(t)是周期函数是周期函数(周期记周期记 T)求求x(t),y(t)在一周期的平均值在一周期的平均值轨线轨线中心中心用相轨线分析用相轨线分析 点稳定性点稳定性现在学习的是第44页，共47页T2T3T4T1PT1 T2 T3 T4x(t)的的“相位相位”领先领先 y(t)模型解释模型解释初值初值相轨线的方向

24、相轨线的方向现在学习的是第45页，共47页模型解释模型解释r 食饵增长率食饵增长率d 捕食者死亡率捕食者死亡率b 食饵供养捕食者能力食饵供养捕食者能力捕食者捕食者 数量数量食饵食饵数量数量Pr/ad/ba 捕食者掠取食饵能力捕食者掠取食饵能力捕食者数量与捕食者数量与r成正比成正比,与与a成反比成反比食饵食饵数量与数量与d成正比成正比,与与b成反比成反比现在学习的是第46页，共47页模型模型解释解释一次大战期间地中海渔业的捕捞量下降，但一次大战期间地中海渔业的捕捞量下降，但是其中是其中鲨鱼的比例却在增加，为什么？鲨鱼的比例却在增加，为什么？rr-1,dd+1捕捞捕捞战时战时捕捞捕捞rr-2,dd+2,2 1xy食饵食饵(鱼鱼)减少，减少，捕食者捕食者(鲨鱼鲨鱼)增加增加自然环境自然环境 还表明：对还表明：对害虫害虫(食饵食饵)益虫益虫(捕食者捕食者)系统，系统，使用灭两种使用灭两种虫的虫的杀虫剂杀虫剂,会使害虫增加，益虫减少。会使害虫增加，益虫减少。现在学习的是第47页，共47页