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约 789 字大约 3 分钟

2025-02-28

problem

讨论方程组

{dxdt=ydydt=−ay−bsin⁡x(ab≠0)\begin{cases} \frac{d x}{d t}=y \\ \frac{d y}{d t}=-a y-b \sin x \end{cases} \quad(a b \neq 0)

零解的稳定性。

solution

确定平衡点

令 dxdt=0\frac{dx}{dt} = 0 和 dydt=0\frac{dy}{dt} = 0,得:

{y=0−a⋅0−bsin⁡x=0  ⟹  sin⁡x=0  ⟹  x=kπ(k∈Z)\begin{cases} y = 0 \\ -a \cdot 0 - b \sin x = 0 \implies \sin x = 0 \implies x = k\pi \quad (k \in \mathbb{Z}) \end{cases}

平衡点为 (kπ,0)(k\pi, 0)。题目要求讨论 零解 (0,0)(0,0) 的稳定性。


线性化系统

在平衡点 (0,0)(0,0) 附近进行泰勒展开,保留一阶项:

  • sin⁡x≈x\sin x \approx x(线性近似)
  • 原方程组线性化为:

{dxdt=ydydt=−ay−bx\begin{cases} \displaystyle \frac{dx}{dt} = y \\ \displaystyle \frac{dy}{dt} = -a y - b x \end{cases}

对应的系数矩阵为:

A=(01−b−a)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -b & -a \end{pmatrix}


特征值分析

求矩阵 AA 的特征方程:

det⁡(A−λI)=λ2+aλ+b=0\det(A - \lambda I) = \lambda^2 + a\lambda + b = 0

解得特征值:

λ=−a±a2−4b2\lambda = \frac{-a \pm \sqrt{a^2 - 4b}}{2}

参数分情况讨论

情况1:a>0a > 0 且 b>0b > 0

  • 实根情形(a2>4ba^2 > 4b): 两根均为负实数(根和为 −a<0-a < 0,根积为 b>0b > 0)。
  • 复根情形(a2<4ba^2 < 4b): 实部为 −a/2<0-a/2 < 0,虚部非零,系统为稳定焦点。
  • 临界情形(a2=4ba^2 = 4b): 重根 λ=−a/2<0\lambda = -a/2 < 0,系统稳定结点。

结论:零解 渐近稳定。


情况2:a>0a > 0 但 b<0b < 0

  • 特征方程根积 b<0b < 0,必有一正一负实根。
  • 结论:零解 不稳定。

情况3:a<0a < 0

  • 无论 bb 的符号:
    • 实根时至少一个正根(根和为 −a>0-a > 0)。
    • 复根时实部为 −a/2>0-a/2 > 0。
  • 结论:零解 不稳定。

problem

对方程组

{dxdt=y−xf(x,y)dydt=−x−yf(x,y)\begin{cases} \frac{d x}{d t}=y-x f(x, y) \\ \frac{d y}{d t}=-x-y f(x, y) \end{cases}

其中 f(x,y)f(x, y) 有一阶连续偏导数,

(1)证明:(0,0)(0,0) 是其唯一的平衡点。

(2)证明:当 f(x,y)f(x, y) 在原点某领域内恒正时,零解是渐近稳定的;当 f(x,y)f(x, y) 在原点某领域内恒负时,零解是不稳定的。

proof

(1) 证明 (0,0)(0,0) 是唯一平衡点

步骤1:平衡点定义 平衡点满足:

{dxdt=y−xf(x,y)=0dydt=−x−yf(x,y)=0\begin{cases} \displaystyle \frac{dx}{dt} = y - x f(x, y) = 0 \\ \displaystyle \frac{dy}{dt} = -x - y f(x, y) = 0 \end{cases}

步骤2:联立方程求解 由第一式得:

y=xf(x,y)(1)y = x f(x, y) \tag{1}

代入第二式:

−x−yf(x,y)=0  ⟹  −x−x[f(x,y)]2=0  ⟹  x(1+[f(x,y)]2)=0-x - y f(x, y) = 0 \implies -x - x [f(x, y)]^2 = 0 \implies x (1 + [f(x, y)]^2) = 0

由于 1+[f(x,y)]2≥1>01 + [f(x, y)]^2 \geq 1 > 0,唯一解为 x=0x = 0。代入式 (1) 得 y=0y = 0。

结论 唯一平衡点为 (0,0)(0,0)。


(2) 零解的稳定性分析

步骤1:构造 Lyapunov 函数 定义正定函数:

V(x,y)=x2+y2V(x, y) = x^2 + y^2

步骤2:计算沿轨道的导数

dVdt=2x⋅dxdt+2y⋅dydt=2x(y−xf)+2y(−x−yf)=2xy−2x2f−2xy−2y2f=−2f(x2+y2)\begin{aligned} \frac{dV}{dt} &= 2x \cdot \frac{dx}{dt} + 2y \cdot \frac{dy}{dt} \\ &= 2x(y - x f) + 2y(-x - y f) \\ &= 2xy - 2x^2 f - 2xy - 2y^2 f \\ &= -2f(x^2 + y^2) \end{aligned}

步骤3:分情况讨论

  • 当 f(x,y)>0f(x, y) > 0 在原点附近时dVdt=−2f(x2+y2)<0\frac{dV}{dt} = -2f(x^2 + y^2) < 0(除原点外严格负), 零解 渐近稳定。

  • 当 f(x,y)<0f(x, y) < 0 在原点附近时dVdt=−2f(x2+y2)>0\frac{dV}{dt} = -2f(x^2 + y^2) > 0(除原点外严格正), 零解 不稳定。

贡献者: Ming Wei