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1、常微分方程与运动稳定性第三篇 1你现在浏览的是第一页，共78页第一第一节节 常点与奇点常点与奇点研究二维方程组(5.1)(5.2)点P(x0,y0）称为(5.1)的奇点奇点，若:反之,如 X(x0,y0),Y(x0,y0)中至少有一个不等于零，则此点称为(5.1)的常点。性质:过常点有唯一解，但奇点处解至少不唯一你现在浏览的是第二页，共78页 由于任何奇点都可借助坐标平移而将它化为原点，因而总认为原点是（5.1）的奇点。在原点邻域内将 X,Y 展为泰劳级数，得：(5.3)X2，Y2-所有二次项以上的全体.则此奇点称为一次奇点,反之称为高次奇点。(5.4)如果第二节第二节 一次奇点一次奇点你现在
2、浏览的是第三页，共78页(5.5)研究以下线性系统特征方程是(5.6)其特征根为(5.8)(5.7)其中你现在浏览的是第四页，共78页(5.9)通过非奇异线性变换，可将(5.5)化为：(1)q 0，2 0,则其轨线在原点领域的分布情况如图所示，这样的奇点为鞍点。根据特征根的各种可能情况，对奇点进行分类：oxy图5.1p16p17p30你现在浏览的是第五页，共78页ox图5.2 y 1，2 为 相异负实根 若210，则积分曲线在原点与 x 轴相切，如图示。反之，若12 0，p 0，1、2为相异正实根，积分曲线方向远离原点。奇点为不稳定结点p17p20p16你现在浏览的是第六页，共78页(3)q0
3、，p0，p24q0,v0，将(5.5)化为：(5.10)x图5.3 yo再变换 x=r cos,y=r sin(5.10)(5.11)其解为r=r0 e-ut，=0+v t，相应的轨线如图 奇点为稳定焦点 q0,p0,p2-4q0,p0,p2-4q=0,12为一对负重根。这又可分为两种情况；y图(5.4)x0其轨线形状如图-稳定临界结点.其解为(b)初等因子是重的。(5.5)可化为：p17(5.13)p16你现在浏览的是第八页，共78页 所有轨线在原点均与轴相切，如图所示。稳定退化结点 yxoxoy图5.5当当q 0,p0,p0:1-2 vi,为一对共轭纯虚根将(5.5)化为：(5.14)其解
4、为r=r0,=0+vt,其轨线如图-奇点称为中心图5.6xoy你现在浏览的是第十页，共78页奇点分类如下：1.q0,p0,p2-4q0,两根相异负实根稳定结点;3.q0,p0,p2-4q=0,两根为相等负实根临界结点或退化结点。4.q0,p0,两根为相异正实根不稳定结点;5.q0,p0,p0,p0,p2-4q0,p0,两根为共轭纯虚根中心.你现在浏览的是第十一页，共78页稳定临界结稳定临界结点或退化结点或退化结点点po图5.7q不稳定不稳定焦点焦点稳定稳定焦点焦点中心中心不稳定临界结不稳定临界结点或退化结点点或退化结点不稳定结点不稳定结点稳定结点稳定结点鞍鞍 点点高次奇点高次奇点高次奇点高次奇
5、点p24q=0汇源你现在浏览的是第十二页，共78页第三节第三节 非线性项对奇点的影响非线性项对奇点的影响(A1)X2，Y2-所有高于二次项的全体.研究以下非线性系统相应的线性系统(A2)则原点（零解）若是(A2)的鞍点,正常结点、焦点，也是(A1)的鞍点,正常结点、焦点（解的结构相同），且稳定性保持不变；但(A2)的临界或退化结点，对(A1)来说其结构可能发生变化。若满足：(A3)你现在浏览的是第十三页，共78页定义2：设O(0,0)为孤立奇点，若点列 An(rn,n)，当n时，rn0,n0,且n0，n为An点的方向场向量与向径夹角的正切，称=0为特征方向。显然，若=0为固定方向，则必为特征方
6、向ArO3.1 奇点的性质定义1：设 L 为轨线,其上的点 A(r,),当r0时,0（t），称L沿固定方向进入奇点O(0,0).鞍 点：0，/2,3 /2，结 点：0，/2,3 /2，焦 点：无退化结点：/2,3 /2 或 0，临界结点：任意方向p7p8p9p10p110你现在浏览的是第十四页，共78页定义3：轨线L与=0相交于P,若P点向径与方向场夹角为:0 p p ,则为正侧相交；p p 2 ,则为负侧相交。/2 p p 3/2,则为正向相交；-/2 p p /2,则为负向相交。O正侧正向正侧负向负侧负向负侧正向你现在浏览的是第十五页，共78页定义4：O为奇点，扇形域 由OA,AB与弧AB
7、围城，称为正常区域，上满足：1.除点O外没有其他奇点,OA,AB为无切线段;2.任意点的向径与方向场向量不垂直；3.最多包含一个特征方向,但OA,AB不是特征方向.结论：轨线L与OA(或OB)相交只能是同侧同向：即：0 或 2 。因此有三类正常区域：OABOABOABIIIIII你现在浏览的是第十六页，共78页OABOABOAB结论：轨线L与OA(或OB)相交只能是同侧同向：即：0 或 2 。因此有三类正常区域：IIIIII引理：若为正常区域 I，从 OA,AB与AB上出发的轨线都进入O（当t时）;若为正常区域 II,AB上有一点或一段闭弧，从其上出发的轨线都进入O（当t时）;若为III,有两
8、种情况:(1)没有轨线进入O;(2)P OA或 AB:P OA时,OP上出发的轨线都进入O;P AB时,Q OA AP,从Q出发的轨线都进入O你现在浏览的是第十七页，共78页其中F2，G2 是 x,y 二次以上的函数,且满足(A3)。令 x=rcos,y=rsin，运算可得:(A5)(A6)(A4)考虑结点为稳定时，非奇异变换，将(A1)化为：1.结点情况p7d/dt=0 =0,/2,3 /2-特征方向你现在浏览的是第十八页，共78页oxy1,2 微小量；21 0 r 0 dr/dt 0.12,-正常区域 II;,-正常区域 I 结论：当1 0,内只有一对轨线当t 时沿y轴方向趋于原点；其余轨
9、线则均沿x方向趋于原点。原点为稳定结点。p8总之，若线性奇点为结点，加上非线性项之后仍为结点，并且稳定性保持不变。p8你现在浏览的是第十九页，共78页2.鞍点情况两特征根均为实根：设10(A7)(A8)xyI,III象限内II,IV象限内 =0,/2,3 /2 特征方向你现在浏览的是第二十页，共78页2.鞍点情况两特征根均为实根：设10 xyI,III象限内II,IV象限内=0,/2,3 /2-特征方向,-正常区域 II(t),-正常区域 II(t-)oxy结论：当0,内只有一对轨线沿y轴趋于原点(当t-时);,内只有一对轨线沿x轴趋于原点(当t时).原点为鞍点你现在浏览的是第二十一页，共78
10、页3.焦点与中心的情况焦点情况与结点、鞍点相似：线性部分为焦点时，加上非线性项仍为焦点且稳定性不变;对于线性部分为中心的情况，加上非线性项后，可能依然为中心，但也可能变为（不）稳定焦点;例：线性部分为中心x=r cos y=r sin 可见：中心稳定焦点 不稳定焦点你现在浏览的是第二十二页，共78页引理：系统(A1)的原点为中心的充分必要条件：存在与时间无关的正则积分：Fi i 次齐次多项式 若满足:X(-x,y)=X(x,y)Y(-x,y)=-Y(x,y)对于：(A8)(8)的轨线对称于y轴若满足:X(x,-y)=-X(x,y)Y(x,-y)=Y(x,y)(8)的轨线对称于 x 轴yx(A1
11、)你现在浏览的是第二十三页，共78页能否给出判断稳定性的依据?-问题实质:如何确定奇点的性质与（A9）系数之间的关系。(A9)4.Arnold 问题（1976年）对于方程组：齐按照线性部分特征根的不同情况进行讨论.你现在浏览的是第二十四页，共78页 分为以下几个方面：(1)两特征根为实根或共轭负根，此时奇点将为稳定或不稳定结点，焦点或不稳定鞍点;(2)两特征根为一对纯虚根，线性奇点为中心，加上高次项后，为中心或焦点;(3)两特征根一是零根，另一个正实根，奇点为不稳定;(4)两特征根一是零根，另一个负实根，这是所谓Lyapunov第一临界情况;(5)两特征根全为零根，又可分为两种情况:初等因子是
12、简单的，化为齐次方程研究;初等因子是非简单的，奇点为不稳定。你现在浏览的是第二十五页，共78页 第一节第一节 保守系统的基本性质保守系统的基本性质 第二第二节节 带有参数的保守系统带有参数的保守系统 第三第三节节 耗散系统耗散系统 第四第四节节 轨线的作图法轨线的作图法第六章第六章 相平面法相平面法你现在浏览的是第二十六页，共78页 第一第一节节 保守系保守系统统的基本性的基本性质质一、保守系统 -能量（机械能）保持守恒的系统。单自由度系统的运动微分方程：其积分曲线方程(轨线方向):(6.3)p32由(6.2.),系统的奇点为：y=0，f(x)=0 (6.4)系统奇点（若有的话）分布在 x 轴
13、上 你现在浏览的是第二十七页，共78页由(6.3)，当 f(x)=0,y0时，有 0，即轨线切线水平。由（6.3）求得积分曲线的方程：h 为常数-其力学意义为机械能守恒(6.5)在 h V(x)0 的 x 区间内才有积分曲线（6.6）（6.5）V(x0)=f(x0)=0-系统奇点x0对应势能的极值其积分曲线方程(轨线方向):(6.3)你现在浏览的是第二十八页，共78页在奇点x0邻域内将V(x)展开为泰劳级数(取到二次项):积分曲线方程（6.5）化为(6.8)(6.7)V(x0)0 V(x0)极小值(6.8)椭圆方程奇点 x0 为中心；V(x0)0,x0;y0,x0)V(x)oxV(x)图 6.
14、2 yp28你现在浏览的是第三十一页，共78页方程中不含速度项，为保守系统(机械能守恒)；方程中含有速度项，而速度项前的系数为常数或定号函数，为非保守系统；方程中含有速度项,而速度项前的系数是变号函数，则不能确定是否保守系统。zxo图 6.3Mz=f(x)例：质点M沿绕铅直轴z以角速度旋转的导轨 z=f(x)滑动，由Lagrange 方程推得质点运动方程(6.10)-速度项系数是变号函数。但是(6.10)有能量积分(6.11)m-质量，h-常数。(6.10)为一保守系统。你现在浏览的是第三十二页，共78页其运动微分方程一般为(6.12)（6.13）的奇点：(6.14)(6.13)第二节 带有参
15、数的保守系统你现在浏览的是第三十三页，共78页 f(x,)=0,在平面内为一曲线，如图(6.4)xo图 6.4假定阴影区:f(x,)0可看出，当参数增大时，奇点数目随之变化。f(x,)0你现在浏览的是第三十四页，共78页如令(6.15)则得(6.13)的积分曲线方程为：(6.16)由于Vxx”(x,)=fx(x,),因而在奇点x处：Vxx”(x,)0(fx(x,)0)时，V-极小 中心；Vxx”(x,)0(fx(x,)0aa-中心(=1)沿 x增加方向看f(x,)的变化，判断fx(x,)的符号的符号bb-中心;c-中心鞍点(=2)cded-中心鞍点;e-中心(=3)hgf f,h-中心;g-鞍
16、点(=4)i ji-中心;j-中心鞍点(=5)25:中心2,3,5 分岔点(奇点数目变化)f(x,)0你现在浏览的是第三十六页，共78页OMZmgr图6.5解:由质点的动量距定理，可得小球的运动微分方程为例1.一质量为m的小球，可沿一半径为 r 的大环滑动，此大环以匀角速度绕铅直轴而转动。设小球与大环之间无摩擦，试研究小球的运动.(6.17)(6.18)你现在浏览的是第三十七页，共78页曲线如图(6.6):阴影区-f(,)0。O1-1图6.6-平衡位置:=0,=(0,),当|1时;=0,=(0,cos-1),当|1时。(6.19)令cos=sin=0你现在浏览的是第三十八页，共78页相平面内轨
17、线的分布情况（：-）：1O-1-A同宿轨道异宿轨道B中心鞍点|0,g()在-,上连续，且为2 的周期函数，g(0)0，g(0)0,当0时g()0，g()=0。显然，这是较例2更为一般情况，此时系统由三个奇点:=0，=0，而且0为稳定焦点或结点，为鞍点。你现在浏览的是第四十四页，共78页(1)等倾线法第四节第四节 轨线作图法轨线作图法(6.27)(6.28)令(6.29)等倾线令k等于一系列不同的数值，得出一系列等倾线，在每一等倾线上画出相应的dy/dx的方向，然后用欧拉折线法便可大致描出轨线的图形。你现在浏览的是第四十五页，共78页例:令k1k2k3你现在浏览的是第四十六页，共78页(2)Li
18、nard作图法作图法适用于有以下形式的微分方程(6.34)(6.34)在相平面上积分曲线方程为(6.35)为了得到坐标为（x,y）的任意点A处积分曲线的切线方向，先在相平面上做出曲线(6.36)A(x,y)B(-(y),y)C AE(AC)你现在浏览的是第四十七页，共78页直线CA的斜率为yxyxBODCA(x,y)E图6.11它与(6.35)dy/dx的乘 积 等 于-1,因 而(6.35)积分曲线在A点的切线方向应与CA垂直。A(x,y)B(-(y),y)C AE(AC)你现在浏览的是第四十八页，共78页 例4 受有干摩擦力与线性恢复力的振动系统，其运动微分方程为为了应用Linard作图法
19、，需使x的系数等于1。为此，作变换 ，即可将上式化为:yxo然后，利用Linard作图法，可以证明它的积分曲线为一系列半圆所组成，这些半圆在x轴上相连接，其圆心为 如图所示。你现在浏览的是第四十九页，共78页第七章第七章 极限环极限环 第一节第一节 前前 言言 第二第二节节 极限环的存在性极限环的存在性 第三第三节节 极限环的唯一性极限环的唯一性 第四第四节节 极限环的稳定性极限环的稳定性第五第五节节 判断极限环不存在的定理判断极限环不存在的定理你现在浏览的是第五十页，共78页第一节前言第一节前言对于微分方程的积分曲线而言，它存在一条孤立的单闭曲线，而在其领域内的其他积分曲线，均以螺旋线形式向
20、该闭曲线无限逼近，则这条闭曲线称为极限环。力学意义：孤立周期解例1(7.1)极坐标形式(7.2)你现在浏览的是第五十一页，共78页由此可见，r=0即x=y=0是一个奇点;而r=1即x2+y2=1是一个周期解.而其它积分曲线都是螺线，即：当t时.对于r1，有：故r单调减少而趋于1;xyO因而闭曲线 x2+y2=1 是稳定的极限环(7.2)故r单调增加而趋于1,对于r1有:你现在浏览的是第五十二页，共78页例2(7.3)其积分曲线形状见图;单闭曲线x2+y2=1是不稳定极限环。(7.4)xyO你现在浏览的是第五十三页，共78页 对于yOx其积分曲线形状见图。单闭曲线是半稳定极限环(即一侧不稳定另一
21、侧不稳定)解的稳定性（Liapunov）轨道稳定性？未扰扰动t0t1你现在浏览的是第五十四页，共78页图7.4环域定理 设在x-y平面上有两个单闭曲线C1及C2在C1内部。并满足下面两个条件(图7.4)：(1)C1上之点的矢量场由C1的外部指向内部,C2上之点的矢量场由C2的内部指向外部;(2)C1及C2所围成的环行区域内无奇点;则在该环域内至少存在一个稳定极限环C:C1 C C2第二节第二节 极限环的存在性极限环的存在性（Poincar-Bendixson环域定理）C1一个C:稳定;二个C:一个稳定，一个半稳定；三个C:中间稳，两边半稳；或中间不稳，两边半稳你现在浏览的是第五十五页，共78页
22、(7.7)以van der Pol方程为例说明环域定理的应用。方程的形式为令则上式可化为：(7.8)(7.9)再令x=y1,y=-x1,(7.8)你现在浏览的是第五十六页，共78页或去掉下标将上式写为(7.10)(7.11)可见，它与(6.35)完全相同，所以其轨线方向可以用Linard作图法求出。先在相平面上做出曲线:x=-(y)你现在浏览的是第五十七页，共78页为应用环域定理证明van der Pol方程存在稳定的极限环,先做环域的内境界线2:由此得：如果取r2充分小,可使y20你现在浏览的是第五十八页，共78页xy图7.5下页下下页你现在浏览的是第五十九页，共78页环域的外境界线2的构造
23、：1.画曲线为极值点上页为中心的圆弧：A1B1,C1D1-B1C1，B2C2则为二水平直线段为中心的圆弧：A2B2,C2D22.画以3.现证明，当中的y充分大时，这样作出的2可使只证明一个不等式(2-原点对称):你现在浏览的是第六十页，共78页C2D2圆弧半径当y充分大时-只要|y|足够大，总可以满足用Linard作图法容易得出，在1上的轨线均是自外部指向内部。又(7.10)只有唯一的奇点原点，因而2，2构成的环域内无奇点：vdP方程在该环域内至少存在一个稳定极限环。上页你现在浏览的是第六十一页，共78页 考虑Lienard方程 第三第三节节 极限极限环环的唯一性的唯一性定理1.(7.12)有
24、唯一的稳定极限环，若满足：Lienard方程是指下形方程(7.12)g(-x)=-g(x),当x0时：xg(x)0(2)对一切x，f 及 g 连续,且g满足Lipschicz条件(3)设当x时F;(4)在x正半轴上F有唯一的零点 x=a(当0 xa时，F(x)a时F(x)单调增加)。你现在浏览的是第六十二页，共78页(7.13)证：(1)引入变换,则(7.12)化为(2)首先证(7.13)对一切(x,y)满足Lipschitz条件事实上,对|x|A,|y|0,因而取(7.14)则V是定正函数又(7.15)根据g,F的性质,可知当0|x|0,故原点不稳定.你现在浏览的是第六十五页，共78页 (4
25、)(7.13)的积分曲线满足方程(7.16)由此，在y轴上轨线具有平行于x轴的切线，而在曲线L：y=F(x)上，轨线具有平行于y轴的切线。(5)设轨线 lb 与曲线 L 相交于B点,以 b表示B点的横坐标。由于在0 xb内有:故当t减少时lb之值将增加而进入曲线L的上方，从而同时有你现在浏览的是第六十六页，共78页xyADPBL:y=F(x)bQKMaCEO图7.6你现在浏览的是第六十七页，共78页这表明当t减少时x也减少。综上所述可知当t减少时，由B出发之轨线lb必与y轴的正半轴相交，否则将在y轴附近出现无限大斜率：与在y轴轨线具有水平切线相矛盾。设上述交点为A。同理可证当t增加时lb必与y
26、轴的负半轴相交设相交点为C(参看图7.6)。(6)现证|OA|=|OC|是lb为闭轨的充要条件。事实上以(-x,-y)代(x,y)方程(7.13)不变,故其积分曲线对原点对称。因此，如|OA|=|OC|，则lb必闭，反之，如lb为必轨但却有|OA|OC|则由于积分曲线对原点对称性，故必存在另一闭轨lb，且lb 与lb必相交，而这与(7.13)解的唯一性相矛盾。由此可见,如为闭轨,则必有|OA|=|OC|。你现在浏览的是第六十八页，共78页此外，由(7.14)知因而条件|OA|=|OC|就与V(A)=V(C)等价。拘此可得结论如下：lb为闭轨的充要条件是V(A)=V(C)。(7)现研究沿(7.1
27、3)的轨线V的改变情况。由(7.15)知：(7.17)因而有令:(7.18)你现在浏览的是第六十九页，共78页则：如果则F及dy均小于零,因而有(b)0V(C)V(A)因此 lb 不可能是闭的。下面研究的情况，如令由(7.17)知当dV=Fdy。当x0与dy0,因而2(b)a时F0与dy0,因而2(b)0，故 y 增加时将使|y-F(x)|增加，对于弧AC 而言，y-F(x)0 由此得出结证,对于同一x而言,当|y|之值增大时,dV之值将减小,注意到当b增大时对1(b)的积分限是不变的,因而当b1(b)增加时,将减小。你现在浏览的是第七十一页，共78页可见,|2(b)|是B*D*E*与Y轴之间
28、的面积,当b增加时这个面积增大并注意到|2(b)|0并且由图可知此时(b)为一有限数|2(b)|因为当b时,因而从而由上述可知,当b由a变到时,(b)由有限的正数单调减小到-,因而必有且仅有一点b=b0,使(b0)=V(C0)-V(A0)=0,这表明(7.13)必有且只有一闭轨存在(极限环的存在与唯一性)。你现在浏览的是第七十三页，共78页(9)当时b0,由此得|yC|yA|,可见,lb0两侧的轨线当t时均以螺旋形状向lb0无限逼近,正如图(7.8)所示那样就证明了lb0是稳定的。Oy图7.8x你现在浏览的是第七十四页，共78页第四节第四节 极限环的稳定性极限环的稳定性给定方程(7.19)(7
29、.20)设它在域G上有一周期为的极限环l:此外,设(7.19)右端的X,Y在G上有连续一阶偏导数你现在浏览的是第七十五页，共78页对上述极限环的稳定性，有下面的判别定理:定理2 如果沿(7.19)的极限环(7.20)有则l是稳定(不稳定)的。yxAkBk证明要点：稳定不稳定闭轨你现在浏览的是第七十六页，共78页第五节第五节 极限环不存在定理极限环不存在定理定理3(Poincar)设 F(x,y)=C 为一曲线族，F在域G上有一阶连续偏导数，并且在G上保持常号,此外沿(7.19)的整条轨线有则(7.19)在G上不存在极限环。你现在浏览的是第七十七页，共78页证：用反证法。设(7.19)在G内有闭轨l，设D是l所包围的区域，由Green公式得定理4(Bendixson)设在单连通域中(7.19)右侧的函数 X,Y,有保持常号的一阶连续偏导数,且在任何子域中不恒等于零,则(7.19)在G中无极限环。因沿l有Xdy-Ydx0,故上式左端等于零,但由假设知保持常号,故上式右端不等于零,于是得出矛盾,从而定理得证。你现在浏览的是第七十八页，共78页