第三章微分方程建模.ppt

微分方程模 型 徐海学院数学建模 §3.1 微分方程的几个简单实例 §3.2 Malthus模型与Logistic模型 例5 赝品的鉴定 例6 新产品的推广 §3.3 为什么要用三级火箭来发射人造卫星 §3.4 药物在体内的分布 §3.5 传染病模型 §3.6 糖尿病的诊断 §3.7 稳定性问题 §3.8 捕食系统的Volterra方程 §3.9 较一般的双种群生态系统 §3.10 分布参数法建模 例8 人口问题的偏微分方程模型 例9 交通流问题 解析方法 定理1 设xo是微分方程 的平衡点： 若 ,则xo是渐近稳定的 若 ,则xo是渐近不稳定的 证 由泰勒公式，当x与xo充分接近时，有： 由于xo是平衡点，故f(xo)=0。若 ，则当xxo时必有f(x)0，从而x单增；当xxo时，又有f(x)0，从而x单减。无论在哪种情况下都有x→xo，故xo是渐进稳定的。 的情况可类似加以讨论。 高阶微分方程与高阶微分方程组平衡点的稳定性讨论较为复杂，大家有兴趣可参阅微分方程定性理论。为了下两节的需要，我们简单介绍一下两阶微分方程组平衡点的稳定性判别方法。 考察两阶微分方程组： （3.29） 令 ，作一坐标平移，不妨仍用x记x’，则平衡点xo的稳定性讨论转化为原点的稳定性讨论了。将f(x1,x2)、g(x1,x2)在原点展开，（3.29）又可写成: 考察（3.29）的线性近似方程组: （3.30） 其中： 记 λ1、λ2为A的特征值则λ1、λ2是方程： det（A-λI）=λ2- (a+b) λ+ (ad – bc )=0的根 令p=a+d, q=ad-bc=|A|，则 ，记 。 讨论特征值与零点稳定的关系 （1）若△0，可能出现以下情形： ① 若q0，λ1λ20。 当p0时，零点不稳定； 当p0时，零点稳定 若q0，λ1λ20 当c1=0时，零点稳定 当c1≠0时,零点为不稳定的鞍点 ③ q=0，此时λ1=p，λ2=0，零点不稳定。 （2） △=0，则λ1=λ2: λ有两个线性无关的特征向量 当p0时，零点不 稳定 当p0时，零点稳定 ② 如果λ只有一个特征向量 当p≥0时，零点不 稳定 当p0时，零点稳定 （2） △0，此时 若a0，零点稳定 若a=0，有零点为中心的周期解 综上所述：仅当p0且q0时， （3.30）零点才是渐近稳定的；当p=0且q0时（3.30）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。 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: 定理2 若（3.30）的零点是渐近稳定的，则（3.29）的平衡点 也是渐近稳定的；若（3.30）的零点是不稳定的，则（3.29） 的平衡点也是不稳定的。 问题背景： 意大利生物学家D’Ancona曾致力于鱼类种群相互制约关系的研究，在研究过程中他无意中发现了一些第一次世界大战期间地中海沿岸港口捕获的几种鱼类占捕获总量百分比的资料，从这些资料中他发现各种软骨掠肉鱼，如鲨鱼、鳐鱼等我们称之为捕食者（或食肉鱼）的一些不是很理想的鱼类占总渔获量的百分比。在 1914~1923年期间，意大利阜姆港收购的鱼中食肉鱼所占的比例有明显的增加： 年代 1914 1915 1916 1917 1918 百分比 11.9 21.4 22.1 21.2 36.4 年代 1919 1920 1921 1922 1923 百分比 27.3 16.0 15.9 14.8 10.7 他知道，捕获的各种鱼的比例近似地反映了地中海里各种鱼类的比例。战争期间捕鱼量大幅下降，但捕获量的下降为什么会导致鲨鱼、鳐鱼等食肉鱼比例的上升，即对捕食者有利而不是对食饵有利呢？他百思不得其解，无法解释这一现象，就去求教当时著名的意大利数学家V.Volterra，希望他能建立一个数学模型研究这一问题。 Volterra将鱼划分为两类。一类为食用鱼（食饵），数量记为x1(t)，另一类为食肉鱼（捕食者），数量记为x2(t)，并建立双房室系统模型。 1、模型建立 大海中有食用鱼生存的足够资源，可假设食用鱼独立生存将按增长率为r1的指数律增长（Malthus模型），既设：