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武大-金融工程-常微分方程讲义(十)-马理
常微分方程讲义(十)
定性解;近似系统;奇点与极限环的稳定性:
二维自治系统
例:
法1,,圆柱螺线
法2,,园
二维自治系统的积分曲线、相平面,轨线,闭轨,开轨,奇点
轨线的均衡:奇点与闭轨
近似系统:
线性非齐次微分方程组
线性齐次微分方程组
分析方程组的奇点的性质,用特征方程:
特征方程的根有3种情况:相异实根、相异复根、相同实根。
第一种情况:相异实根,
(一),鞍点,图像
(二),稳定结点,图像
(三),不稳定结点,图像
第二种情况:相异复根,,
(一),中心,图像
(二),稳定焦点,图像
(三),不稳定焦点,图像
第三种情况:相同实根,
(一)同时为0
1、当时,不稳定临界结点,图像
2、当时,稳定临界结点,图像
(二)不同时为0
1、当时,不稳定退化结点,图像
2、当时,稳定退化结点,图像
例:求各系统的奇点类型
奇点在经济学中的应用
我们事实上在讨论两个问题:
在一个经济体系中,若存在着稳定状态(奇点),那么随着时间t的变化,一个非均衡的动点 (x,y) 是否会趋向于稳态?
若非均衡动点会趋向于稳态,那么它趋向于稳态的过程(时间路径)是什么样子?
Perron定理:自治系统与近似系统的奇点性质一致
意味着要考察的奇点性质,只需考察它的近似系统的奇点性质即可。
例:
解:由得到奇点为P(0,0),Q(0,-1),R(-2,-1),S(-2,-2)。
近似系统为
所以系数矩阵
当P(x=0,y=0),得到,不稳定焦点;
当Q……,鞍点;
当R……,鞍点;
当S……,稳定焦点。
但是,有时候轨线不一定会稳定于特定的点,这时候就必须分析自治系统极限环的性质
极限环的稳定性共有四种情况:
1、内侧稳定,图像
2、内侧不稳定,图像
3、外侧稳定,图像
4、外侧不稳定,图像
例:
解:引入极坐标
应用二元一次方程组的消元法,可以得到:
具体推导是这样的:
由,利用分离变量的方法推出
初值条件:假设当时,有与(事实上就是设了个一般值而以)
当时,是闭轨;
因为,所以事实上有个临界点,令,可以推出,此时的可取正也可取负,意味着三维坐标中的纵轴可取正方向也可取负方向。
于是得到:
当时,随着,有;极限环外侧不稳定,图像;
当时,随着,有;极限环内侧不稳定,图像。
为什么该题没有考虑的变化?
若需严格的推导出的变化,过程应该是这样:
把初值条件代入,得到,于是可以得到变量相对于的函数表达的一般式为。
但是以上过程,个人窃以为没啥含义。因为从宏观上看,作为极坐标当中的极角变化,在没有间断点的前提下,终究是从0到360度变化的。过了360度,可以把极角看成为一个周期函数,那还是在0到360度之间变化的,只不过其变化的幅度与频率发生了改变而以。例如,本题中,是与变量挂勾的,当变化后,确实会发生改变,但其从0变化到360度的宏观特性没有发生变化。所以,在极限环中一般没有考虑的变化。
课后还有同学问到,同样是趋向极限环,为什么讲义中是顺时针方向,为什么不能是反时针方向。当方向不同时,到底是稳定还是不稳定将会产生迥异的结果,如何理解?
回答:这是由t的取值决定的
以本讲义的第一个例题为例:,其解为,是一条圆柱螺线,这条圆柱螺线为什么是顺时针,而不是反时针呢,见下面的数据表。
T x=-sint+cost y=cost+sint -10 -1.38309 -0.29505 -9 -0.49901 -1.32325 -8 0.843858 -1.13486 -7 1.410889 0.096916 -6 0.680755 1.239586 -5 -0.67526 1.242586 -4 -1.41045 0.103159 -3 -0.84887 -1.13111 -2 0.493151 -1.32544 -1 1.381773 -0.30117 0 1 1 1 -0.30117 1.381773 2 -1.32544 0.493151 3 -1.13111 -0.84887 4 0.103159 -1.41045 5 1.242586 -0.67526 6 1.239586 0.680755 7 0.096916 1.410889 8 -1.13486 0.843858 9 -1.32325 -0.49901 10 -0.29505 -1.38309 该数据表是我利用Excel做的一个简单模拟,可以看到一定的趋势。
取C1=C2=1,而t的取值是从-10到10,每次递增1个单位,随着t的变化,我们综合x与y的变化,会发现该螺线确实是顺时针方向的。这个模拟做得非常粗造,若能把步长设为0
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