M08 · 第 6 章 · 第三编 非线性动力学与综合复习

常微分方程与动力系统综合复习

沿着状态建模、初值适定性、结构化解析、相平面、稳定性、参数变化与数值核对组织完整解题路线,并用混合槽、阻尼振子和捕捞模型说明局部结论与模型边界。

预备知识稳定性、Lyapunov 方法与分岔初值问题、存在唯一性与方向场可分离、线性与恰当方程高阶线性方程与常系数方法线性系统、矩阵指数与相平面

本章目标

  1. 从守恒或变化率假设建立带单位的状态方程、参数、初值和有效域。
  2. 按可分离、一阶线性、恰当、高阶常系数与线性系统结构选择解析方法。
  3. 区分局部存在唯一性、最大解区间、长期有界性与渐近行为。
  4. 把矩阵谱、相图、Lyapunov 稳定性和一维分岔组织为连续的定性分析。
  5. 用解析解、极限、守恒量和线性测试方程检查数值结果是否可信。
页面阅读位置0% · 仅保存在此浏览器
章节未开始
本册完成进度0/6 章 · 0%
本页目录

动力问题从状态和时间尺度开始

常微分方程描述有限个状态量随单一时间变量的变化。建模时先选状态 x(t)∈Rnx(t)\in\mathbb R^n,再把流入、流出、回复、阻尼、增长或相互作用写成变化率。一个可检验的初值模型至少包含

x˙=f(t,x;θ),x(t0)=x0,\dot x=f(t,x;\theta), \qquad x(t_0)=x_0,

以及状态定义域、参数 θ\theta 的单位、允许的时间区间和方程成立所依赖的假设。自治系统的 ff 不显含 tt;非自治系统可在必要时加入状态 s′=1s'=1、s(t0)=t0s(t_0)=t_0 改写为更高维自治系统,但这种改写不会消除外部输入的物理含义。

动力模型的闭合账本

一份闭合的常微分方程模型应逐项给出:

  1. 状态量及其单位,哪些量被当作参数或外部输入;
  2. 每个变化率项的来源和量纲;
  3. 初值以及状态允许的区域;
  4. 保证局部解存在唯一的正则性条件;
  5. 所求问题是瞬时值、完整轨线、长期极限、稳定性还是参数阈值;
  6. 解析、定性和数值结论各自的有效范围。

单位检查能迅速发现错误。例如人口 PP 的单位为“个体”,增长率 rr 的单位为 time−1\mathrm{time}^{-1},则 rPrP 与 P˙\dot P 的单位相同;承载量 KK 必须与 PP 同单位。若方程把温度、能量和无单位比例直接相加,即使代数能解,模型仍不成立。

方程结构决定首选解法

同一个模型可能有多种表示,首选方法应匹配可见结构。

方程结构识别形式首选处理必查条件
可分离一阶方程y′=g(t)h(y)y'=g(t)h(y)分离变量并积分除以 h(y)h(y) 前保留其零点解
一阶线性方程y′+p(t)y=q(t)y'+p(t)y=q(t)积分因子系数连续区间、初值所在区间
恰当方程M(t,y)+N(t,y)y′=0M(t,y)+N(t,y)y'=0求势函数My=NtM_y=N_t 及区域单连通性
常系数高阶线性方程L(D)y=g(t)L(D)y=g(t)特征根与特解重根、共振、初值个数
线性系统x′=Ax+b(t)x'=Ax+b(t)矩阵指数、特征分解缺陷矩阵与复特征对
一般非线性系统x′=f(x)x'=f(x)相图、线性化、Lyapunov 方法解域、临界谱与不变集

任何代数变形都要追踪丢失的解。分离变量时除以 h(y)h(y) 可能删去平衡解;求对数后绝对值决定解的区间;隐式关系还需检查能否在初值附近由隐函数定理还原为单值解。解析式不是终点,还应代回方程和初值核对。

混合槽:从单位守恒到稳定极限

一只体积保持为 100 L100\,\mathrm L 的充分混合槽,初始含盐量为 Q(0)=0 gQ(0)=0\,\mathrm g。浓度 2 g/L2\,\mathrm{g/L} 的盐水以 5 L/min5\,\mathrm{L/min} 流入,混合液以同样速率流出。流入盐率为 10 g/min10\,\mathrm{g/min};槽内浓度为 Q/100 g/LQ/100\,\mathrm{g/L},流出盐率为 Q/20 g/minQ/20\,\mathrm{g/min}。守恒方程为

dQdt=10−Q20,Q(0)=0.\frac{dQ}{dt}=10-\frac{Q}{20}, \qquad Q(0)=0.

这是常系数一阶线性方程。平衡含盐量由右端为零得到 Q∗=200 gQ_*=200\,\mathrm g,解为

Q(t)=200(1−e−t/20) g.Q(t)=200\left(1-e^{-t/20}\right)\,\mathrm g.

代入可得 Q′(t)=10e−t/20Q'(t)=10e^{-t/20},而 10−Q(t)/20=10e−t/2010-Q(t)/20=10e^{-t/20},初值也满足。偏差 u=Q−Q∗u=Q-Q_* 满足 u′=−u/20u'=-u/20,所以平衡点指数稳定,时间常数是 20 min20\,\mathrm{min}。解始终位于 0≤Q(t)<2000\le Q(t)<200,符合非负性和流入浓度给出的上界。若流入、流出速率不相等,体积将成为另一个状态,继续使用固定体积方程便会破坏守恒。

这个例子同时给出三种答案:解析式给任意时刻的含盐量,相线给单调方向,特征指数给趋近平衡的速度。三者相互核对,却回答不同问题。

局部唯一不等于解能永远延拓

若 f(t,x)f(t,x) 在初值附近连续,则通常可得到局部存在;若还对 xx 局部 Lipschitz,则局部解唯一。唯一性保证相平面中的两条解轨线不会在同一时刻同一点相交,也允许把平衡轨线当作其他轨线不能穿越的边界。定理只在某个局部矩形内工作,不能自动给出 t→∞t\to\infty 的解。

最大解区间的端点可能来自三个原因:状态趋于无穷、轨线触及向量场未定义的边界,或时间到达系数奇点。例子

y′=y2,qquady(0)=1y'=y^2,qquad y(0)=1

的右端处处光滑,局部解唯一;分离变量却得到

y(t)=11−t,y(t)=\frac{1}{1-t},

其包含 00 的最大区间是 (−∞,1)(-\infty,1)。当 t↑1t\uparrow1 时解爆破,不能越过无穷大继续为同一经典解。局部适定性与全局存在性必须分开证明。常用的全局延拓依据包括先验有界估计、正向不变的紧集和至多线性增长条件。

高阶方程转换为状态空间

nn 阶标量方程需要 nn 个初始条件。令 x1=y,x2=y′,…,xn=y(n−1)x_1=y,x_2=y',\ldots,x_n=y^{(n-1)},可改写成 nn 维一阶系统。这个转换保留了解,却把特征根、相图、数值积分和稳定性分析放进统一的状态空间语言。

阻尼振子:解析解、相图和能量判据相互核对

取质量 m=1 kgm=1\,\mathrm{kg}、阻尼系数 c=2 N s/mc=2\,\mathrm{N\,s/m}、弹簧刚度 k=5 N/mk=5\,\mathrm{N/m},无外力位移满足

x′′+2x′+5x=0,x(0)=1 m,x′(0)=0 m/s.x''+2x'+5x=0, \qquad x(0)=1\,\mathrm m, \qquad x'(0)=0\,\mathrm{m/s}.

特征方程 λ2+2λ+5=0\lambda^2+2\lambda+5=0 的根为 −1±2i-1\pm2i,所以

x(t)=e−t(cos⁡2t+12sin⁡2t) m.x(t)=e^{-t}\left(\cos2t+\frac12\sin2t\right)\,\mathrm m.

令 v=x′v=x',状态系统为

(xv)′=(01−5−2)(xv).\begin{pmatrix}x\\v\end{pmatrix}' = \begin{pmatrix}0&1\\-5&-2\end{pmatrix} \begin{pmatrix}x\\v\end{pmatrix}.

特征值实部为负,相图是向原点旋入的稳定螺旋。能量

E(x,v)=12v2+52x2E(x,v)=\frac12v^2+\frac52x^2

沿轨线满足 E˙=−2v2≤0\dot E=-2v^2\le0。解析解显示振幅按 e−te^{-t} 衰减;谱分类说明局部与全局的线性相图;能量计算说明衰减来自阻尼耗散。若改成外部周期驱动,方程变为非自治系统,长期响应可能趋向非零周期轨道,此时“趋向原点”不再是正确问题。

线性系统 x′=Axx'=Ax 的解为 etAx0e^{tA}x_0。可对角化时,特征向量分解把每个模态分别乘以 eλte^{\lambda t};重根且特征向量不足时,Jordan 链产生 tkeλtt^ke^{\lambda t} 因子。多项式因子会改变瞬态形状,但当所有特征值实部严格为负时仍被指数衰减压过。

非线性长期行为依赖不变区域与局部判据

对自治系统,先求 f(x)=0f(x)=0 得平衡点,再研究零流线、方向场和不变区域。Jacobian 特征值可分类双曲平衡点;出现零实部特征值时,需回到非线性高阶项或 Lyapunov 函数。稳定、吸引和渐近稳定不能混用,局部吸引域也不能凭一张局部相图扩展到全空间。

恒定捕捞模型:平衡阈值与模型失效边界

设种群数量 PP 的单位为“个体”,内禀增长率 r>0r>0 的单位为 time−1\mathrm{time}^{-1},承载量 K>0K>0 的单位为“个体”,恒定捕捞率 H≥0H\ge0 的单位为“个体/时间”。模型为

P˙=rP(1−PK)−H.\dot P=rP\left(1-\frac{P}{K}\right)-H.

增长项是开口向下的抛物线,其最大值在 P=K/2P=K/2 处,等于 rK/4rK/4。平衡方程的根为

P±=K2(1±1−4HrK).P_{\pm}=\frac K2\left(1\pm\sqrt{1-\frac{4H}{rK}}\right).

当 0<H<rK/40<H<rK/4 时有两个正平衡点。因为

f′(P)=r(1−2PK),f'(P)=r\left(1-\frac{2P}{K}\right),

P−P_- 不稳定,P+P_+ 渐近稳定。初值高于阈值 P−P_- 时趋向 P+P_+;低于 P−P_- 时导数为负,模型预测种群继续下降。当 H=rK/4H=rK/4 时两个平衡点在 K/2K/2 合并,发生鞍结分岔;当 H>rK/4H>rK/4 时没有正平衡点。

连续模型允许 PP 穿过零进入负值,但负种群没有物理意义。轨线到达零时应停止模型,或另设灭绝边界和状态约束。分岔计算给出维持正平衡的临界捕捞率,并没有自动构成完整的捕捞政策。

这个案例展示了综合路线:量纲确定参数组合 rKrK 与 HH 可比较;代数给出平衡分支;导数给稳定性;相线给吸引域分界;判别式给分岔阈值;状态约束指出方程的物理终止条件。

数值轨线必须接受结构检查

大多数非线性系统没有初等解析解。给定步长 hh,显式 Euler 法为

xn+1=xn+hf(tn,xn),tn+1=tn+h.x_{n+1}=x_n+h f(t_n,x_n), \qquad t_{n+1}=t_n+h.

它的一步局部截断误差为 O(h2)O(h^2),在常规光滑与稳定条件下固定时间区间的全局误差为 O(h)O(h)。高阶 Runge–Kutta 方法能提高固定区间精度,却不能替代模型定义域、刚性和长期不变量分析。

测试方程 y′=λyy'=\lambda y 给出 Euler 放大因子 1+hλ1+h\lambda。当 Re⁡λ<0\operatorname{Re}\lambda<0 时,连续解衰减;数值解只有在

∣1+hλ∣<1|1+h\lambda|<1

时也衰减。对负实数 λ\lambda,条件化为 0<h<−2/λ0<h<-2/\lambda。步长过大会把稳定平衡点算成振幅增长的假轨线。可靠的数值核对至少包括:减半步长比较、与已知解析特例比较、检查非负性或守恒/耗散量、监测是否接近奇点,并把误差要求限定在明确时间区间。

一条可重复使用的综合路线

处理新的动力问题时,可依次完成以下九步:

  1. 定义状态、参数、单位、初值和有效域;
  2. 从守恒或变化率假设建立方程,并核对每一项量纲;
  3. 判断阶数、线性、自治性和是否可分离、恰当或常系数;
  4. 在初值附近检查连续性与局部 Lipschitz 条件;
  5. 能解析求解时保留特殊解、定义域和最大区间,随后代回核对;
  6. 求平衡点、不变集与零流线,用谱或相线分类非临界平衡点;
  7. 对临界谱使用高阶项或 Lyapunov 方法,对参数族追踪平衡分支;
  8. 需要数值解时选择方法、步长和停止条件,并进行步长与结构检查;
  9. 把结论写成“在什么假设和区域内,哪个量以何种方式变化”。

解析、定性与数值三层应彼此约束。解析解提供精确基准但适用方程有限;定性分析能回答长期趋势却未必给出到达时间;数值方法适用面广,但离散稳定性和有限精度可能制造伪行为。

练习:完成四条闭合推理链

练习

求解 y′+2y=4y'+2y=4、y(0)=1y(0)=1,并判断平衡点及其收敛速度。

查看提示
平衡值是 2,对偏差 u=y−2u=y-2 求解。
查看解答

令 u=y−2u=y-2,则 u′+2u=0u'+2u=0 且 u(0)=−1u(0)=-1。因此

y(t)=2−e−2t.y(t)=2-e^{-2t}.

平衡点为 y∗=2y_*=2,任意偏差满足 ∣u(t)∣=e−2t∣u(0)∣|u(t)|=e^{-2t}|u(0)|,故它全局指数稳定,衰减率为 22。代回得到 y′+2y=2e−2t+4−2e−2t=4y'+2y=2e^{-2t}+4-2e^{-2t}=4。

练习

求初值问题 y′=1+y2y'=1+y^2、y(0)=0y(0)=0 的解及包含 00 的最大存在区间,并说明局部唯一性为何不能排除有限时间爆破。

查看提示
分离变量会得到反正切函数;最大区间由正切函数的相邻奇点决定。
查看解答

分离变量得

arctan⁡y=t+C.\arctan y=t+C.

初值给 C=0C=0,所以 y(t)=tan⁡ty(t)=\tan t,包含零的最大区间为

(−π2,π2).\left(-\frac\pi2,\frac\pi2\right).

右端 1+y21+y^2 在全空间光滑,因而每个有限初值附近都有唯一局部解;但当 t→±π/2t\to\pm\pi/2 时 ∣y(t)∣→∞|y(t)|\to\infty,局部定理没有提供阻止状态无界的先验估计。

练习

在恒定捕捞模型中取 r=0.5 year−1r=0.5\,\mathrm{year}^{-1}、 K=1000K=1000 个体、H=100 individuals/yearH=100\,\mathrm{individuals/year}。求两个正平衡点的近似值并分类稳定性;再给出临界捕捞率。

查看提示
先计算 rK/4rK/4,再代入平衡根公式。
查看解答

有

4HrK=400500=0.8,\frac{4H}{rK}=\frac{400}{500}=0.8,

所以

P±=500(1±0.2)≈276.4, 723.6.P_{\pm}=500(1\pm\sqrt{0.2}) \approx276.4,\ 723.6.

较小根处 f′(P)>0f'(P)>0,故不稳定;较大根处 f′(P)<0f'(P)<0,故渐近稳定。临界捕捞率为

Hc=rK4=125 individuals/year.H_c=\frac{rK}{4}=125\,\mathrm{individuals/year}.

当前 H=100<HcH=100<H_c,因此正平衡点仍存在,但低于约 276.4276.4 的初值不会被高平衡点吸引。

练习

用显式 Euler 法离散 y′=−8yy'=-8y。分别判断 h=0.1h=0.1 与 h=0.3h=0.3 时离散解是否趋于零,并解释与连续系统稳定性的关系。

查看提示
对 y′=−8yy'=-8y,Euler 放大因子是 1−8h1-8h。
查看解答

更新式为

yn+1=(1−8h)yn.y_{n+1}=(1-8h)y_n.

h=0.1h=0.1 时放大因子为 0.20.2,绝对值小于一,离散解衰减到零; h=0.3h=0.3 时放大因子为 −1.4-1.4,绝对值大于一,离散解交替变号并增长。连续解 y(t)=y0e−8ty(t)=y_0e^{-8t} 对任意初值都衰减,第二种增长完全由步长越过 0<h<1/40<h<1/4 的 Euler 稳定区间造成。

前后联系与资料

课程 · 2011

MIT 18.03SC Differential Equations

Arthur Mattuck, Haynes Miller

为傅里叶方法、模态分解及其微分方程应用提供连续课程背景。

打开官方来源

MIT 18.03SC Differential Equations 覆盖一阶模型、二阶方程、线性系统和相平面,可作为本章解析方法与定性路线的连续课程参考。

书籍 · 2016

Calculus Volume 2

Gilbert Strang, Edwin Herman

用于核对数列与级数的收敛条件、积分技巧、反常积分和幂级数例题。

打开官方来源

OpenStax《Calculus Volume 2》提供微分方程建模、方向场、一阶方程及练习材料,适合复核混合问题、增长模型和初值代入步骤。

完成一个动力系统问题,不等于只得到一条公式。完整结论要同时交代解是否唯一、能延拓多久、状态是否留在物理区域、平衡点是否稳定、参数改变会不会重组相图,以及数值轨线是否保持连续模型的关键结构。沿本章路线记录这些条件,解析式、相图和计算结果就能组成相互可核对的同一答案。