微分方程模型建立中的稳定性模型幻灯片.ppt
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1、微分方程模型建立中的稳定性模型第1页,共54页,编辑于2022年,星期六0 0 稳定性问题稳定性问题 在研究许多实际问题时,人们最为关心的也许并非系统与时在研究许多实际问题时,人们最为关心的也许并非系统与时间有关的变化状态,而是系统最终的发展趋势。例如,在研究某间有关的变化状态,而是系统最终的发展趋势。例如,在研究某频危种群时,虽然我们也想了解它当前或今后的数量,但我们更频危种群时,虽然我们也想了解它当前或今后的数量,但我们更为关心的却是它最终是否会绝灭,用什么办法可以拯救这一种群,为关心的却是它最终是否会绝灭,用什么办法可以拯救这一种群,使之免于绝种等等问题。要解决这类问题,需要用到微分方程
2、或使之免于绝种等等问题。要解决这类问题,需要用到微分方程或微分方程组的稳定性理论。在下两节,我们将研究几个与稳定性微分方程组的稳定性理论。在下两节,我们将研究几个与稳定性有关的问题。有关的问题。第2页,共54页,编辑于2022年,星期六一般的微分方程或微分方程组可以写成:一般的微分方程或微分方程组可以写成:定义定义 称微分方程或微分方程组称微分方程或微分方程组 为自治系统或动力系统。为自治系统或动力系统。(3.28)若方程或方程组若方程或方程组f f(x x)=0)=0有解有解X Xo o,X=XX=Xo o显然满足(显然满足(3.28)。)。称点称点X Xo o为微为微分方程或微分方程组(分
3、方程或微分方程组(3.28)3.28)的平衡点或奇点。的平衡点或奇点。第3页,共54页,编辑于2022年,星期六例例 Logistic Logistic模型模型 共有两个平衡点:共有两个平衡点:N=0和和N=K,分别对应微分方程的两两个特,分别对应微分方程的两两个特殊解。前者为殊解。前者为No=0时的解而后者为时的解而后者为No=K时的解。时的解。当当NoK时,则位于时,则位于N=K的上方。从图的上方。从图3-17中不难看出,若中不难看出,若No0,积分曲线在,积分曲线在N轴上的投影轴上的投影曲线(称为轨线)将趋于曲线(称为轨线)将趋于K。这说明,平衡点。这说明,平衡点N=0和和N=K有着极大
4、的有着极大的区别。区别。图3-17 定义定义1 1 自治系统自治系统 的相空间是指以(的相空间是指以(x1,xn)为坐标为坐标 的空间的空间Rn。特别,当特别,当n=2时,称相空间为相平面。时,称相空间为相平面。空间空间Rn的点集的点集(x1,xn)|xi=xi(t)满足满足(3.28),i=1,n称称为系统的轨线,所有轨线在相空间的分布图称为相图。为系统的轨线,所有轨线在相空间的分布图称为相图。第4页,共54页,编辑于2022年,星期六定义定义2 2 设设x x0 0是(是(3.283.28)的平衡点,称:)的平衡点,称:(1 1)x x0 0是稳定的,如果对于任意的是稳定的,如果对于任意的
5、00,存在一个,存在一个00,只要,只要|x x(0)-(0)-x x0 0|,就有,就有|x x(t t)-)-x x0 0|对所有的对所有的t t都成立。都成立。(2 2)x x0 0是渐近稳定的,如果它是稳定的且是渐近稳定的,如果它是稳定的且 。微分方程平衡点的稳定性除了几何方法,还可以通过解析方法来微分方程平衡点的稳定性除了几何方法,还可以通过解析方法来讨论,所用工具为以下一些定理。讨论,所用工具为以下一些定理。(3 3)x x0 0是不稳定的,如果(是不稳定的,如果(1 1)不成立。)不成立。根据这一定义,根据这一定义,LogisticLogistic方程方程的平衡点的平衡点N=KN
6、=K是稳定的且为渐是稳定的且为渐近稳定的,而平衡点近稳定的,而平衡点N=0N=0则是则是不稳定的。不稳定的。第5页,共54页,编辑于2022年,星期六解析方法解析方法定理定理1 1 设设x xo o是微分方程是微分方程 的平衡点:的平衡点:若若 ,则则x xo o是渐近稳定的是渐近稳定的若若 ,则则x xo o是渐近不稳定的是渐近不稳定的证证 由泰勒公式,当由泰勒公式,当x x与与x xo o充分接近时,有:充分接近时,有:由于由于x xo o是平衡点,故是平衡点,故f f(x xo o)=0)=0。若。若 ,则当,则当x x 0)0,从而,从而x x单增;当单增;当x x x xo o时,又
7、有时,又有f f(x x)0)00,可能出现以下情形:,可能出现以下情形:若若q0,120。当当p0时,时,零点不稳定;零点不稳定;当当p p00时,零点稳定时,零点稳定 若若q q00,1 12 200时,零点不时,零点不 稳定稳定 当当p0时,零点稳定时,零点稳定(2)0,零点稳定,零点稳定若若a=0,有零点为中心的周期解,有零点为中心的周期解 综上所述:仅当综上所述:仅当p0时,时,(3.30)零点才是渐近稳定的;当)零点才是渐近稳定的;当p=0且且q0时(时(3.30)有周期解,零点是稳定的中心(非渐近稳定);在)有周期解,零点是稳定的中心(非渐近稳定);在其他情况下,零点均为不稳定的
8、。其他情况下,零点均为不稳定的。非线性方程组(非线性方程组(3.29)平衡点稳定性讨论可以证明有下面定理成立)平衡点稳定性讨论可以证明有下面定理成立:定理定理2 若(若(3.30)的零点是渐近稳定的,则()的零点是渐近稳定的,则(3.29)的平衡点)的平衡点 也是渐近稳定的;若(也是渐近稳定的;若(3.30)的零点是不稳定的,则()的零点是不稳定的,则(3.29)的平衡点也是不稳定的。的平衡点也是不稳定的。第9页,共54页,编辑于2022年,星期六稳定性模型稳定性模型 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
9、平衡状态是否稳定。平衡状态是否稳定。不求解微分方程,而是用微分方程稳定性理论不求解微分方程,而是用微分方程稳定性理论研究平衡状态的稳定性。研究平衡状态的稳定性。第10页,共54页,编辑于2022年,星期六6.1 捕鱼业的持续收获捕鱼业的持续收获 再生资源(渔业、林业等)与非再再生资源(渔业、林业等)与非再生资源(矿业等)生资源(矿业等)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。问题及问题及 分析分析 在在捕捞量稳定捕捞量稳定的条件下,如何控制的条件下,如何控制捕捞使产量最大或效益最佳。捕捞使产量最大或效益最佳。如果使捕捞
10、量等于自然增长量,如果使捕捞量等于自然增长量,渔场鱼渔场鱼量将保持不变量将保持不变,则捕捞量稳定。,则捕捞量稳定。背景背景第11页,共54页,编辑于2022年,星期六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 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)渔场鱼量渔场鱼量第12页,共54页,编辑于2022年,星期
11、六一阶微分方程的平衡点及其稳定性一阶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的根的根x0 微分方程的微分方程的平衡点平衡点设设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(1)的近似线性方程的近似线性方程第13页,共54页,编辑于2022年,星期六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
12、度r固有增长率固有增长率第14页,共54页,编辑于2022年,星期六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第15页,共54页,编辑于2022年,星期六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
13、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.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第16页,共54页,编辑于2022年,星期六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第17页,共54页,编辑于2022年,星期六6.2 军备竞赛军备竞赛 描述双方描述双方(
14、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)由于相互不信任,一方军备越大,另一方军备增加越快;军备增加越快;2)由于经济实力限制,一方军备越大,对自己)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;军备增长的制约越大;3)由于相互敌视或领土争端,每一方都存在增)由于相互敌视或领土争端,每一方都存在增加军备的潜力。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第18页,共54页,编辑于2022年,星期
15、六建模建模军备竞赛的结局军备竞赛的结局微分方程的平衡点及其稳定性微分方程的平衡点及其稳定性x(t)甲方军备数量,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)第19页,共54页,编辑于2022年,星期六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)代数方代数方程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
16、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第20页,共54页,编辑于2022年,星期六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)稳稳定定平衡点平衡点 P0(0,0)不稳不稳定定 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
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