非线性动力学讲义02(绪论2)-2-岳宝增.ppt

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非线性动力学讲义02(绪论2)-2-岳宝增

李亚普诺夫与运动稳定性 李亚普诺夫(Александр Михаилович Ляпунов,1857-1918)是俄国的力学家和数学家。他于1876年进彼得堡大学学习,大学期间曾以论文《重体在水中的平衡》一文获金质奖章。1880年毕业后留校任教,1892年被聘为教授,1901年成为彼得堡科学院院士。他1892年提交的博士论文《运动稳定性一般问题》在俄罗斯力学家茹可夫斯基等参加答辩后在1893年通过了莫斯科大学的博士学位。 关于平衡与运动稳定性的问题,从古代起一直是人们所关心的问题。到18世纪,由于天体力学的发展,人们又普遍关心太阳系的运动稳定性问题。但是这个问题的提法一直是含混不清的,因之一直没有解决。李亚普诺夫在他的博士论文中,不仅给出了运动稳定性的严格定义,而且还给出了两种严格的判定方法。这个定义与判定方法至今仍是运动稳定性研究领域的主要内容。它在天文学、微分方程、控制论等领域内一直是关键问题之一。 李亚普诺夫关于运动稳定性的定义可以简述如下:设给定动力系统 ,其中 都是 维向量。若在初始条件 之下的解为 ,在另一初始条件之下 的解为 。我们定义在 时刻这两个解的距离为 对于时刻 显然有 如果对于任意的 都有 ,当 时,恒有 , 则称运动 是稳定的,也称为李亚普诺夫稳定的。李亚普诺夫在给了运动稳定性的定义之后,还给出了两个关于稳定性的判别方法。其第一方法是对于右端不显含时间时,将运动方程的右端线性化,得到一个常矩阵与向量的积。讨论这个常矩阵的特征值,如果全是负实部,则运动是稳定的。其第二方法是对给定的系统,求某个具有一定特点的函数,也称为李亚普诺夫函数,如果这样的函数存在,就是稳定的。 关于运动稳定性的研究,还应当提到一位英国数学家儒斯(Edward John Routh,1831-1907)他是当时剑桥大学有名的数学教师。他写过一系列有名的应用数学的教科书,其中有一本写于1877年的《给定的运动特别是定常运动的稳定性教程》,书中系统地谈到了稳定性的问题。他的结论与李亚普诺夫的结论大致相同,不过没有后者出名。 ▲ 上述稳定与不稳定性定义都是“在Lyapunov意义下的”,然而这不是运动稳定与不稳定的唯一标准,甚至不一定是最合适的标准。(例如:……非线性摆,卫星的轨道稳定等)。 ▲尽管有多种稳定性概念及相应的研究方法,但Lyapunov意义下稳定性的研究是最基本和最重要的。这是因为短暂干扰和初扰情况在实际中是大量的;另外它是稳定性研究的基础,可毫不困难地推广到经常干扰和轨道稳定性问题的讨论。最后需说明:如果在理论上讨论某未扰运动是Lyapunov意义下不稳定,而要求的初扰范围如此之小,以至任何实际初扰都会越出此范围,那么这种未扰运动实际上是不稳定的,称为大范围不稳定。 现定义满足初始条件 的特解 为给定运动或未扰运动——它是将要讨论是否稳定的已知运动。与特解相邻进的方程的其它特解 称为未扰运动 的受扰运动。注意:受扰运动仍是方程的特解,只不过是初始条件不同而已,这个初始条件的差别称为初扰。 定义1( —李雅谱诺夫稳定性定义) :若给定任意小的正数ε,总能找到小正数δ(ε,t0),对于一切受扰运动,只要其初扰满足: ,当t≥t0时均有: ,则称未扰运动 关于状态变量y为稳定的,或简称未扰运动 为稳定。如果δ与t0无关,则称此稳定为一致的。 只要当t= t0时,起始点落在长度为2δ的线段AA内的方程所有的解都不会到达或超出这个带状区的边界AA′,若这个性质对于所有状态变量都成立,则未扰运动 为稳定的。 几何解释 定义1 把对任一特解的稳定性问题转化为零解的稳定性问题 渐进稳定 渐进稳定 Lyapunov意义稳定 不 稳定 1972年12月29日,美国麻省理工学院教授、混沌学开创人之一E.N.洛伦兹在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为《蝴蝶效应》的论文,提出一个貌似荒谬的论断:在巴西一只蝴蝶翅膀的拍打能在美国得克萨斯州产生一个陆龙卷,并由此提出了天气的不可准确预报性。时至今日,这一论断仍为人津津乐道,更重要的是,它激发了人们对混沌学的浓厚兴趣。今天,伴随计算机等技术的飞速进步,混沌学已发展成为一门影响深远、发展迅速的前沿科学。 思考题 3. 采用计算机(Matlab)数值试验平面而体问题轨道特性? 1. 多观察身边的非线性动力学现象并举出

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