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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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