7-1二维自律系统与相平面分析.doc

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7-1二维自律系统与相平面分析

7-1二維自律系統與相平面分析 本章將討論非線性聯立方程組 定義: 聯立微分方程組若可以表為 之形式, 則稱之為自律系統 (autonomous system) 本節只考慮二維的自律系統 定義: 若點使得 則稱為自律系統(*)之平衡點(equilibrium point) 例: 求自律系統 解: 自律系統的平衡解滿足 則 且 顯然, 為平衡解 當且時, 由(1)得 當且時, 由(1)得 當且時, 由(1)(2)得 因此, 平衡點為 定義: 設為自律系統 之解, 則 稱為自律系統之解點(solution point), 由解點所構成的軌跡稱為解曲線(solution curve) , 平面稱為相平面(phase plane) , 在相平面上畫有解曲線及平衡點的圖形, 稱為相肖像(phase portrait)。 定義: 設為相平面上任一點, 以為端點, 以與向量同向畫一向量, 由這些向量所構成圖形, 稱為相平面方向場(phase-plane direction field) 例: 自律系統 的相平面方向場如下圖: 例: 自律系統 的相平面方向場如下圖: 例: 自律系統 的相肖像如下圖: 例: 鐘擺方程 的相肖像如下圖: 定義: 點稱為二維自律系統 之穩定平衡點的意義是 任給定, 存在, 使得若, 則, 對所有的都成立, 其中 , . 平衡點若不為穩定的, 則稱為不穩定的(unstable). 例: 證明為自律系統 之穩定平衡點。 證明: 設= 則(*)之解 因此, 令給定, 取, 則 , 即為自律系統 (*) 之穩定平衡點 定義: 平衡點稱為漸近穩定的(asymptotically stable) 的意義是 是穩定的且存在 使得若, 則 , 其中 註:漸近平衡點的意思是當初始點足夠靠近時, 不僅,仍會很靠近 而且當時, 會趨近於 例: 考慮有阻尼的彈簧下掛重物模型 令, 可將上式改寫一階聯立微分方程組 (A) 有為平衡點 解聯立微分方程組(A), 得 則可證明為穩定平衡點 (Exercise !!) 當時, , , 故為一漸近穩定平衡點 其相平面方向場 , 如下圖: 穩定平衡點是否即是漸近穩定平衡點呢? 答案是否定的!! 反例:考慮無阻尼的彈簧下掛模型 其等價的一階聯立微分方程組為 有為平衡點 其解為 設, 則 其中 即為穩定平衡點 但是,當時,不會趨近於,即不為漸近穩定平衡點。 其肖相像,如下圖:

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