非线性动力学分析方法

1、第一章非线性动力学分析方法（6 学时）一、教学目标1、理解动力系统、相空间、稳定性的概念；2、掌握线性稳定性的分析方法；3、掌握奇点的分类及判别条件；4、理解结构稳定性及分支现象；5、能分析简单动力系统的奇点类型及分支现象。二、教学重点1、线性稳定性的分析方法；2、奇点的判别。三、教学难点线性稳定性的分析方法四、教学方法讲授并适当运用课件辅助教学五、教学建议学习本章内容之前，学生要复习常微分方程的内容。六、教学过程本章只介绍一些非常初步的动力学分析方法，但这些方法在应用上是十分有效的1.1相空间和稳定性一、动力系统在物理学中，首先根据我们面对要解决的问题划定系统，即系统由哪些要素组成。再根据研

2、究对象和研究目的，按一定原则从众多的要素中选出最本质要素作为状态变量。然后再根据一些原理或定律建立控制这些状态变量的微分方程，这些微分方程构成的方程组通常称为动力系统。研究这些微分方程的解及其稳定性以及其他性质的学问称 为动力学。假定一个系统由n个状态变量 , X2, Xn来描述。有时，每个状态变量不但是时 问t的函数而且也是空间位置的函数。如果状态变量与时空变量都有关，那么控制它 们变化的方程组称为偏微分方程组。这里假定状态变量只与时间t有关，即Xi = Xi (t),则控制它们的方程组为常微分方程组。dX 1dtf(，Xi，X2, -Xn)(1.1.1)dX 2=f2( ,Xi,X2, X

3、 dtdX n=fn( ,X1，X2， X dt其中九代表某一控制参数。对于较复杂的问题来说，fi(i = l, 2,口)一般是xJ的非线性函数，这时方程(1.1.1)就称为非线性动力系统。由于f不明显地依赖时间t,故称 方程组(1.1.1)为自治动力系统。若明显地依赖时间t,则称方程组(1.1.1)为非自治动 力系统。非自治动力系统可化为自治动力系统。对于非自治动力系统，总可以化成自治动力系统。例如：X , x = Acos( ，t)x = y,令x = y , z =ot ,上式化为J y =_x + A cos zz = co.上式则是一个三维自治动力系统。又如：fa'v'

4、;t)，V = g(u ,v,t).u = f (u, V, w),令 w =t ,则化为 V = g(u ,v, w), w = 1.它就是三微自治动力系统.对于常微分方程来说，只要给定初始条件方程就能求解。对于偏微分方程，不但要 给定初始条件而且还要给定边界条件方程才能求解。能严格求出解析解的非线性微分方程组是极少的，大多数只能求数值解或近似解析解。二、相空间由n个状态变量xJ=(Xi, X2,*/描述的系统，可以用这n个状态变量为坐标 轴支起一个n维空间，这个n维空间就称为系统的 相空间。在t时刻，每个状态变量都 有一个确定的值，这些值决定了相空间的一个点，这个点称为系统状态的 代表点(

5、相点), 即它代表了系统t时刻的状态。随着时间的流逝，代表点在相空间划出一条曲线，这样 曲线称为相轨道或轨线。它代表了系统状态的演化过程。三、稳定性把方程组(1.1.1)简写如下dXi=fi(% X-X2,俅。)，I = l, 2,n(1.1.2)dt设方程组(1.1.2)在初始条件x i 3) = X i0下的解为x i (t),如果用与原来略有差别的初始条件X：(t0) =Xi0, R是一个小扰动，就会得到方程组的新解 X：(t)。如果对于任(1.1.3)意给定的名0,存在60,并且、6 ,当t2t°时也满足Xi'(t) -Xi(t)| <&, i=l, 2

6、, - n则称方程组(1.1.2)的解Xi (t)是稳定的，否则它就是不稳定的。这样定义的稳定性称为Lyapunov稳定性。如果X i(t)是稳定的，并且满足极限条件l imXi(t) Xj(t)| =0 , i = l, 2, - n(1.1.4)t .1则称Xi (t)是惭近稳定的。上述抽象的数学定义可以直观理解为：方程组(1.2)对于不同的初始条件有不同的解，如果原初始条件XiG)和受扰动后的初始条件Xj(t0)之差限定在一定的范围内，即Xi'(t0)-Xi(t0) <6 ,未扰动解 Xi(t)和扰动解X：(t)之差也不超出一定的范围，即Xj(t) Xi(t) <5则

7、末扰动解Xi (t)就是稳定的；如果X：(t)渐渐趋近于Xi(t),最终变 得和Xi (t) 一致，则称Xi (t)是渐近稳定的；如果X J(t)与X i(t)之差不存在一个有限范围， 即X J(t)远离Xi(t),则称Xi(t)是不稳定的。由上述Lyapunov稳定性的定义可以看到，要对动力系统的解的稳定性做出判断， 必须对动力学方程组求解，然而对于非线性动力系统是很难获得解析解的，即使获得近 似解析解也是如此。那么，我们能否象最小嫡产生原理那样，不用对方程组具体求解就 能对系统的稳定性作出判断。Lyapunov发展了这种判断方法，通常称为Lyapunov第二方法。这种方法主要是寻找(或才造

8、)一个Lyapunov函数，利用这个函数的性质对系统的 稳定性作出判断。1.2线性稳定性分析通过上节对稳定性的定义我们知道，要对非线性微分方程组的解的稳定性作出判 断，最好是求出它的解析解。然而，对于大多数非线性微分方程组很难得到它们的解析 解，甚至求近似解析解都是不可能的。虽然Lyapunov方法避开了这一困难，但寻找一个Lyapunov函数仍存在着相当的困难。那么我们能否不去对非线性方程组去求解，而 采取一种既简单又有效的方法对非线性方程组定态解的稳定性作出定性的判断。这样的方法是存在的，那就是线性稳定性分析方法。它的主要思想是，在非线性微分方程组定 态解的小邻域，把非线性微分方程组线性化

9、，用线性微分方程组来研究定态解对小扰动 的稳定性。因为线性微分方程组是容易求解的，而且在定态解的小邻域，用线性微分方 程组近似取代非线性微分方程组是合理，所以线性稳定性分析方法既简单又有效，是一 种常用的稳定性分析方法。首先通过一个简单的例子来了解线性稳定性分析的思路。设有一非线性微分方程dX2=1 _x= f (X)(1.2.1)dt在定态X0,2=0 ,有 dtf(x0)=1 _X2 =0(1.2.2)由此得到定态解X°1 =1 , X02 = -1(1.2.3)设x(t)是定态附近的小扰动，即X(t) =x0 x(t)(1.2.4)XL|«1(1.2.5)把方程(1.

10、2.4)代入方程(1.2.1),有dx22=1-X0 - 2 X 0x - x(1.2.6)dt考虑到定态方程(1.2.2),并忽略小扰动x的二次项，得dx开=-2 X 0x = () 0 x = x(1.2.7)dtFX其中0 =() 0 =-2X°(1.2.8)FX是线性化系数。方程(1.2.7)是非线性方程(1.2.1)的线性化方程，容易求出它的解为x(t) = x°e 其中x0 =x是初始扰动。讨论：定态解的稳定性取决于 缶的符号。(1)如果8<0,定态解附近的扰动会随时 间指数衰减，最后回到该定态，说明这个定态是稳定的； (2)如果切>0,定态附近的扰

11、 动会随时间指数增加，最后离开这个定态，表明该定态是不稳定的。寸于7H态 X 01 = 1 ,8 =2 X 0 =2< 0 ,X 01 是稳7H 的；寸于7H态 X 02 = -1, 0= -2 X 0= 2> 0 ,X 02 是不17H 的。图1.1方程(1.2.2)的定态解的稳定性我们可以很容易求得方程(1.2.1)的精确解析解(为一双曲函数)X (t) =th (t ' k)1k =th X (0) , X (0)手 ±1(1.2.9)对于不同的初始条件X(0),可以得到一系列的X(t)曲线，它们随时间的演化行为如图1.1所示，曲线族趋于X01 = 1,离开

12、X02 = -1。这证明我们采用线化方程得到的定性结论 是正确的。上述例子虽然简单，但具有一般性，数学家对此作了证明，并形成线性稳定性定理 设有非线性方程组L = fi (九,x j h i, j =1,2,、n dt(1.2.10)并设Xi(t)是定态解Xi。附近的小扰动，即Xi (t) =Xi0 - Xi (t)xi« 1 , i =1,2, , nXi0(1.2.11)非线性方程组(1.2.10)在定态解Xi°附近的线性化方程为dx idt="、() o x jj工区(1.2.12)定理 如果线性化方程组(1.2.12)的零解(8 =X2 .- = Xn =

13、0)是渐近稳定的，则非线性方程组(1.2.10)的定态解xio也是渐近稳定的；如果零解是不稳定的，则定态解 xio也是不稳定的。线性稳定性定理保证了利用线性的方法来研究非线性方程定态解稳定性的有效性。利用线性稳定性定理来研究非线性方程定态解稳定性的过程称为线性稳定性分析。这种分析方法在处理实际问题中经常被用到。值得提及的是，线性稳定性定理只是对线性化方程的零解是渐近稳定的或是不稳定的情形给出了结论，而对于零解是Lyapunov稳定的并不是浙近稳定的情形没有给出任何信息。这在下节会给予讨论。1.3奇点分类和极限环现在我们考虑只有两个状态变量(X, Y)的非线性动力系统，即dX=f1(X ,Y)

14、dt丝=f2(X ,Y) dt(1.3.1)现在相空间变为分别以X和Y为坐标轴的二维相平面。如果方程(1.3.1)的解存在且唯一, 那么它的解在相平面上就表现为一条线。轨线的斜率是dYdXdXdYf2(X ,Y),(f1 =0)f1(X ,Y)f1(X ,Y) ,(f2 = 0)f2(X ,Y)(1.3.2)只要f1(X,Y)和fz(X ,Y)不同时为零且连续可微，轨线的斜率就是唯一的，它意味着轨线不相交。如果轨线在相平面中某一点相交，则这一点的斜率就不是唯一的。换句话说, 数学上的解的存在与唯一性定理要求相空间中的轨线不能相交。如果f1(X,Y)和fz(X,Y)同时为零,即"(X&

15、#176;,Y0) =0J2(Xo，Y0) =0(1.3.3)则有(1.3.4)dY 0dX - 0这表明轨线的斜率不唯一。我们把在相平面中使fi（X,Y）和f2（X ,Y）同时等于零的点（X。,丫0）称为奇点。在相平面上除奇点之外的所有其他点都叫做正则点。根据方程（1.3.3）我们知道，奇点就是非线性方程组（1.3.1）的定态解。因此，我们通过研究相空间 中奇点的稳定性就可以知道定态解的稳定性。只要我们弄清楚奇点附近轨线的分布及其 流向，就能对奇点的稳定性作出判断。为此我们设x（t）和y（t）是奇点（Xo，Yo）附近的小扰动，即X (t) - Xo x(t)(1.3.5)Y(t) =Yo y

16、(t)yYo把非线性方程组（1.3.1）的右边在奇点（Xo，Yo）附近按Taytor级数展开，并保留线性项，有dx苜dy=f1(X0,Yo)十()0x+()°y,工二dt；:X:Ydt产2：叶2f2(XO,Y0) ()°x -()o y(1.3.6)根据定态方程(1.3.3),dx=a11x +a12y , dt其中方程(1.3.6)式变为dx=a11x a12 y dt(1.3.7)a 11 - () 0，a12cX, ：f1、, ：f2、=()0 , a 21 = () 0，a 212二丫二 X(1.3.8)下标o表示在定态取值。方程（1.3.7）可以方便地写为矩阵形式

17、1121a12xa22_y(1.3.9)由方程（1.3.9）的线性结构，它允许有如下的形式解 ty°e(1.3.1。)这样的解称为 简正模。把方程（1.3.1o）代入（1.3.9）可以得到对（xy0）为一阶的齐次代数方程组I x0 I a 11 =:y0 -321(1.3.11)这个方程组具有非零解的条件为a12a 21(1.3.12)2-T 二二0(1.3.13)(1.3.14)其中T = a11 + a22 ， A =311 a 22 a12 a21方程（1.3.13）称为线性化方程组（1.3.9）的特征方程，缶称为线性化方程组的特征值。特征方程（1.3.13）是一个一元二次方程

18、，它允许有两个不同的特征根a和02,即«1 2 =1（T ± Jt2 -4A）（1.3.15）2这时线性化方程组（1.3.9）有两组如下形式的线性无关解x = X01 e酬,y = y01 e/t(1.3.16)x =X02e8 , y = y02et.xX.其中| 01和02分别是万程组（1.3.11）系数矩阵（% ）的特征值以和之对应的特征向J01 1y02 1量。这样，线性化方程组（1.3.9）的一股解应是两个线性无关解的线性组合，即X =c1X01eWt +c2X02e°t(1.3.17)_1t _- 2ty - c1 y 01 ec 2 y 02e其中C

19、1和C2由初始条件确定。从方程（1.3.15）可以看到，特征信 他（i = 1, 2）可能为复数，而奇点（X0, 丫0）的稳定性只取决于特征值实部Re劭的符号。由此可以根据方程（1.3.17）直观地得到如下稳定性判 据：（a）如果两个Re Ci <0（i = l, 2）,则奇点（X。，丫0）是渐近稳定的；（b）如果至少有一个Re 0>0 （a =1或2）,则奇点（X0, Y0）是不稳定的;（C）如果至少有一个Re =0 G =1或2）,而另一个Re 6 P <0 （日=2或1）,则奇 点（X。，Yo）是Lyapunov稳定的，而不是渐近稳定的。我们称这种情况为临界稳定性。所谓

20、奇点就是行为异常的点。虽然这样的点在相空间的分布是极为稀少的，但它们 却是人们关注的热点。通常按 奇点的性质把它分为四类：结点；鞍点；焦点；中心点。 现在分别对它们加以介绍。结点当T2 4A20和A。时，对应的奇点称为结点。此时两个特征根不但都是实的，而且同号（a+切2 =T102 =）,即©1 = （T +、,丁 2 4 ）和 T 同号202 =1（T 52 4A） 也和T同号2因此，可以根据T的符号来判断结点的稳定性：T<0,渐近稳定结点T>0,不稳定结点例若线性化方程（1.3.7）中的 a12 = a21 = 0 , a11 = a22 =a¥0,则 T?

21、 4A = 0 , =a2 >0 ,奇点（X0, 丫0）为结点。这时方程（1.3.7）变为dx=axdt电=ay（1.3.18）dt它们的解为atx = x0eaty = y°e(1.3.19)dydx出=常数 x0(1.3.20)在结点附近轨线的斜率对于不同的初始条件（x°,y°）,会有不同的常数，也就有不同的斜率。同时，因为 T=2a ,所以结点的稳定性取决于a的符号，a <0对应于渐近稳定结点，a >0对应不稳 定结点。这些可用图1.2来表示。图1.3显示另一种结点附近的轨线分布及其流向的状 况。从这些图我们看到，稳定结点是相平面的汇，不稳

22、定结点是相平面的源。（b）图1.3渐近稳定星形结点（a）不稳定星形结点（b）不稳定星形结点（b）（2）鞍点当T2 4之0和A<0时，相应的奇点称为鞍点。这种情形的特征根总是异号的实根，3 十2 =T， 82 =)即/ = 1 (T - T 2 - 4 ：) . 0 2，2 = -(T - .T 2 - 4;)：二 0 2无论T>0或T<0所以鞍点总是不稳定的例 右方程(1.3.7)中的 a12=a21=0, a11<0, a 22 A0,则 T -4A = (an a 22) > 0 , =a"a22 <0,奇点(X。，Y0)为鞍点。这时线性化方程

23、取形式dx=aii xdtdy=a 22 y dt它的形式解为(1.3.21)aiitx = x0ea 22 t y = y°e(1.3.22)鞍点附近轨线的斜率不但与初始条件(x0,y。)有关，而且还与线性化系数a”和a22有关,dy _ a22 y。dxa11 x0(1.3.23)其中已忽略了因子exp(a22 -a11)t),因它不影响我们要讨论的结论。根据斜率在不同象限的符号，可以得到如图1.4所示的轨线分布形式。由于它与马鞍曲面在平面上的投影 相类似，故得鞍点这个名字。0X图1.4鞍点附近轨线的分布情形及流向(3)焦点当T2 4A<0 , T ¥0时，对应的

24、奇点称为 焦点。这时特征根为两个共扼复根2 =- i，(1.3.24)其中T1 -2一=一,s"=74&_t(1.3.25)22分别是共腕复根的实部和虚部。焦点的稳定性取决于实部cT的符号。T<0,渐近稳定焦点T>0,不稳定焦点复根的虚部o ”是周期振荡的频率。例 当 a2i = ai2 =b a。， a“=a22=a 时,点(X0, Yo)为焦点。这时线生化方程(1.3.7)变为dx=ax - by dtdy二 bx ay dt令z = x - iy方程(1.3.26)变为dz 二(a bi )zdt它的解为(a -ib ) tatz = z0e= = (x0

25、- iy 0 )e (cos bt - i sin bt)其中利用了公式ei 口 = cos ,口 - i sin w有 T2 -43 = _4b2 < 0 , T=2a#0 贝 U 奇(1.3.26)(1.3.27)(1.3.28)(1.3.29)(1.3.30)xo和yo是初始条件。通过令方程(1.3.29)两边的实部和虚部相等，得at.x =e (x0 cos bt - y0 sin bt)aty =e (x°sinbt y°cosbt)(1.3.31)x0 = q cos ：yo =qsin ;(1.3.32)at.x = qe cos( bt : )y =

26、qe at sin( bt 一0)由此得到焦点附近的轨线方程22222 atr = x y = q e(1.3.33)(1.3.34)这是一个螺线方程，q与初始条件有关，a的符号决定着螺线的旋转方向。如图 2. 5所示，a <0螺线旋向焦点，它代表一种衰减振荡；a > 0螺线旋离焦点，它代表一种放大 振荡。Y图1.5渐近稳定焦点（a）和不稳定焦点（b）（4）中心点当T2 -4A<0 , t =0时，对应的奇点（Xo, Yo）称为中心点。此条件表明必大于零, 所以两个特征根是异号的纯虚数，即, ,1 =小仁(1.3.35)这种奇点附近的轨线代表无阻尼振荡，因此这些轨线是一些闭合

27、曲线，奇点被这些闭合 曲线围绕在中间，所以把这种奇点称为中心点。中心点附近的轨线既不无限地趋势于它 也不无限地远离它，所以中心点是 Lyapunov稳定的，而不是渐近稳定的。（如图1.6所 示）= b时，有T=0, =b2 >0 ,则相应的奇点是中例 取 a” =a?2 =0 , a21 = a股心点。这时线性化方程(1.3.7)变为dx=-bydtdy .=bxdt(1.3.36)z = x - iy(1.3.37)方程(1.3.36)变为dz=ibz dt其解为(1.3.38)其中ibtz fe=z0 (cos bt - i sin bt)(1.3.39)(1.3.40)xo和y0是

28、初始条件，如果令x0 = q cos :V0 二q sin(1.3.41)我们会得到令y = q sin( bt ：)最后得到中心点附近的轨线方程为222x y 二 q(1.3.42)(1.3.43)这是一个圆方程，圆的半径q依赖于初始条件，初始条件稍有不同，轨线就会表现为一个新的圆。中心点附近的轨线分布如图1.6所示。因此.中心点既不是相平面中的汇也不是它的源，而是一种中介情形，所以又把它叫做临界稳定性。上述四种奇点称为 简单奇点。根据方程(1.3.15),令D =T2 -4.：(1.3.44)它们被总结归纳于图1.7。渐近稳定结点和渐近稳定焦点是相空间的 汇，其周围的轨线 都以它们为极限最

29、后趋于它们，这些奇点好象是它们周围轨线的吸引中心，故把它们称 为吸引子。相应地把不稳定结点和不稳定焦点称为 排斥子。系统的演化一旦达到吸引子 就不会再运动，所以有时把吸引子又称为 不动点。吸引子只有在耗散系统中才可能出现， 因为吸引子是衰减运动的极限状态，而耗散是衰减运动的原因。在耗散系统中，二维相 平面中的各种轨线最后都归并到零维的吸引子上，这称为相空间收缩。相反，对于守恒系统相空间不会收缩，而保持相体积不变。同时，我们也可以看出，耗散是维持系统稳 定的因素。图1.7四种简单奇点的分布上述分析都是针对奇点附近的小邻域而言的，并用线性化方程得到奇点附近的轨线分布及其演化趋势，它们给奇点的性质提

30、供了直观的图象。然而，在远离奇点时线性近 似不再适用，必须考虑完整的非线性方程，这时轨线的演化趋势不外乎如下几种情形; 如果相平面只有一个吸引子，则相平面中所有轨线都流向于它；如果只有一个排斥子,则相平面中所有轨线都会从它出发流向无穷远；如果相平面中不但有吸引子而且还有排 斥子，则大部分轨线会从排斥子出发流向吸引子，一小部分轨线可能自排斥子流向无穷 远，最后一情形是，排斥子附近的轨线向四周流去，而远方的轨线向排斥子流来，两套 流线必然在某个环形区域交锋，交锋的结果是在环形区域中出现一条闭合曲线，这条闭 曲线是内外两套轨线演化的共同极限集，这条闭合曲线称为 极限环。极限环是一条孤立的闭合执线，也

31、就是在它的周围不存在无限接近于它的另一条闭合轨线，这一点是和中心点周围的闭合轨线有着本质差别。如果极限环内外的轨线都渐近地趋于它，则是渐近稳定极限环(图1.8(a),否则，是不稳定极限环(图1.8(b)。如果极限环内部(或外部)轨 线渐近趋于它，而外部(或内部)轨线离开它，则称为 半稳定极限环(图2. 8(c)。半稳定 极限环也是不稳定极限环的一种。图1.8极限环(a)渐稳定极限环；(b)不稳定极限环；(c)半稳定极限环例设有一非线性系统dx22一 =-y . x1 (x ' y ) dtdy22=x - y1 -(x y )(1.3.45)dt不难看出奇点为相平面(x, y)的原点(

32、0, 0)。方程(1.3.45)在奇点附近的线性化方程为dx二x - y dtdy = x y(1.3.46)dt因为T =2 >0 , T2 -4=口 <0 ,所以该奇点(0, 0)为一不稳定焦点，它附近的轨线为外旋的螺线。非线性方程（1.3.45）可以严格求解。为此，令x = r cos 二y = r sin t1(1.3.47)对方程（1.3.45）的两边分别乘x和y ,并利用（1.3.47）式容易把它化为极坐标中的形式21 dr2 dt22=r (1 - r )d 1一 =1 dt利用公式(1.3.48)1122-2r (1 r ) r1+21 - r(1.3.49)容易得

33、到方程（1.3.48）的积分1r =,2t. 1 ce1 - t其中c是由初始条件决定的积分常数。因此(1.3.50)cos t1 - cesin ty 二Y. 2t, 1 - ce(1.3.51)由方程（1.3.50）可知，相平面中所有轨孰线的演化极限是半径r (t)=1(1.3.52)的单位圆。如果c >0 ,初始轨线在单位圆内，如果 -1 <c<0 ,初始轨线在单位圆外。在tT妙时，内外轨线都渐渐地进入单位圆（图2. 9）。这个单位圆就是一个渐近稳定的 极限环，因为它代表一种持续稳定的周期振荡，所以又把它称为周期吸引子。自然界中无外源强迫的持续稳定周期振荡现象都对应一个

34、渐近稳定的极限环。从上面的例子我们看到.极限环不可能在线性系图1.9方程(1.3.45)产生的极限环统中产生，只可能在非线性系统中产生。因此，自然界中的持续振荡是一非线性现象。 但是，并不是每个非线性系统都能产生极限环，即非线性是产生极限环的必要条件，并 不是充分条件。所以，判断一个非线性系统能否产生极限环十分重要。如果能够得到非 线性系统的解析解，就会很容易地作出判断。然而，对于大多数非线性系统获得解析解 是不可能的，所以采用定性的方法推断极限环是否存在及其在什么位置就成为必要的 了。由于非线性的复杂性，目前还没有一种普适的判断方法。这里只对数学上的一些定 性结论作以介绍。(1)如果极限环内

35、只有一个简单奇点，这个苛点绝对不是鞍点。(2)如果极限环内有多个简单奇点，则一定有奇数个，并且鞍点的数目比其他奇点的 数目少一个。 二f. f(3)Bendixson否定判据：对于非线性系统(2. 3. 1)如果1 + 2在相平面区域D内 二 x 二 y不变号，则系统(2. L1)在D内无极限环。根据Bendixson否定判据可以直接证明线性系统不会产生极限环。因为对于线性系 统；:f1歼2T =a" a22 = (1.3.53)；:x :v它是不会变号的。(4)如果系统(1.3.1)的轨线在相平面环形区域 D的边界上总是自外向内(图2. 10),又在D内无奇点，则在D内至少有一个渐

36、近稳定的极限环。图 1.10图 1.11（5）如果系统（1.3.1）的轨线在相平面区域D的边界上总是自外向内，又在D内除有不 稳定焦点或不稳定结点之外无其他奇点，则在 D内至少有一个渐近稳定的极限环（图 2. 11）。由上述讨论我们看到，一个渐近稳定的极限环代表着一种稳定的周期行为。所谓的时空有序结构实际上主要指在系统内部自发形成的在时间或空间上的周期行为。要想知道形成时空有序结构的动力学条件，必须研究极限环的形成条件，这是下一节要讨论的 主要内容之一。1.4结构稳定性与分支现象前几节的讨论都未涉及非线性方程组(1.1)包含的控制参数人对系统行为的影响，换 言之，我们是在假定控制参数不变的前提

37、下讨论了系统的稳定性问题。然而，有时控制 参数的一个微小变化都会对系统的行为引起质的跃变。一个模型往往要包含若干参数， 有的参数起关键作用，有的参数对系统行为没有实质性作用。起关键作用的参数在其临 界值附近的一个微小变化都会使系统的演化行为发生质的改变。如在Benard实验中的温差AT就是一控制参数，当它达到临界值 也葭时，一个微小变化就会使液体由分子热 运动的无序行为突然转变为自组织的有序行为。因此，控制参数对系统稳定性的影响十 分重要，它是本节要讨论的主要内容。1、结构稳定性考虑双变量的非线性动力系统dXdt=fi（ ,X ,Y）（1.4.1）dYf2（ ' ,X ,Y） dt其中

38、九代表某一控制参数，并且把它看作是可变的。这样，方程(1.4.1)的定态解(X。，Yo)（1.4.2）应是九的函数，即Yo =丫0（ £）因为3和f2是X和Y的非线性函数，所以定态解是多重的。但由于九的变化可能使一些原来有物理意义的定态解失去物理意义，因此，儿的变化可能会引起定态解的数目发生变化。根据方程(1.3.8)可知,方程(1.4.1)的线性化系数a”、a12、a21和a22是在定态取 值，因此有T =T(')=囱)(1.4.3)这意味着儿的变化不但会使相平面中奇点的数目发生变化，而且还会引起奇点稳定性的变化，即引起相平面中轨线分布的结构发生变化。定义 如果控制参数人发

39、生一微小变化，方程（1.4.1）的奇点数目及其稳定性不发生 变化，则称系统（1.4.1）是结构稳定的；否则，系统（1.4.1）是结构不稳定的。这样定义的 稳定性称为结构稳定性。2、分支过程由上述分析可见，控制参数 人固定，相空间中奇点的数目及其稳定性就是确定的。 因此，相空间轨线的流型结构（拓朴结构）也是确定的。如果某一参数人发生一个小扰动， 相空间轨线的流型结构未发生变化，我们称这样的参数为 普通参数。如果某一参数儿在 达到九=%时，一个微小的扰动就会使相空间轨线的流型结构发生根本性的改变，这时我们称系统发生了分支现象，九称为分支参数，九称为分支点或临界点。分支现象是参数九在分支点九处引发的

40、，要么它使一种奇点由稳定变为不稳定， 要 么它使一种稳定奇点变为另一种不稳定奇点。这两种作用都会使相空间轨线的流形结构发生质的改变。因此，由稳定奇点变为不稳定奇点的条件就形成了确定分支点 九的基本 条件。根据上节的讨论可知：在实特征根的情形，T < 0和 > 0对应渐近稳定结点， < 0 对应不稳定的鞍点，在复特征根的情形，T <0对应渐近稳定焦点，T A 0对应不稳定焦 点。所以，确定奇点稳定性发生改变的分支点方程为(1.4.4)& 九）=0T（九）=。在详细研究分支点条件之前，先讨论一下分支过程。在参数九达到分支点 儿 时原吸引子 （九院时的渐近稳定奇点）失

41、去稳定性，取而代之的不仅仅是不稳定奇点，而且还会产 生出新的吸引子，如定态吸引子和周期吸引子等。也就是说在分支点附近不稳定奇点和吸引子是成对出现的。这些新产生出来的吸引子和不稳定奇点统称为方程（1.4.1）的新分支解。如果新分支解出现在 区域就称为亚临界分支；如果它出现在九 >、区域 就称为超临界分支（图1.12）。我们把新老分支解与分支参数 九的关系图称为分支图。1.12分支图：超临界分支（a）和亚临界分支（b）（实线：渐近稳定解，虚线：不稳定解）上述是以分支点存在的前提下讨论的，但是满足条件（1.4.4）并不能完全断定 人就一 定是分支点。要能完全确定般是分支点还需要一些补充条件首先

42、讨论一下特征根为重根的情况。为此，令(1.4.5)X = X 0 + x 了 =Y0 +ydzdt其中z = F I是定态解（X0,Y0）上的小扰动。把方程（1.4.5）代入（1.4.1）,得 .y(1.4.6)其中I ()=a 11_a21a 22(1.4.7)是线性化系数矩阵，也可称为线性化算子，而 h （九,z）代表所有的非线性项。线性化方程(1.4.8)的特征方程为I ( ) u = . ( ' )u一一xn其中以九）是算子I（九）的特征值，u = 0是特征值«（?，.）对应的特征向量。其实方程 ，。一（1.4.8）就是方程（1.3.11）的简写。由方程（1.4.8）

43、确定的特征根可能是单根，也可能是重根。 对于重根情形，存在如下定理。定理如果方程（1.4.8）的一个特征值a（i=l或2）在儿=限处具有奇重性，并且劭（%）=0 （i=l或2）,则至少存在一个产生于（x°,y°）的新分文解，鼠为分支点。对于特征值6具有偶重性的情形，在 鼠处可能不产生任何新分支解。例如，有一非线性系统dX=(1 九)X +Y 出dY=(1 ，)Y X.dt(1.4.9)它的定态解为X。=丫。= 0。容易得到确定它的特征值的行列式为(1 - ) - - 00(1->)_，(1.4.10)由此得到特征值 二 1 一(1.4.11)是重很。当九>1时，

44、0 <0 ,定态解（X 0, Y0 ）是渐近稳定的，当九父1时，0>0,定态解（X o, Yo ）是不稳定的。当九=，“ =1时，COc = 0 ,系统处在临界稳定状态，此时能否有新分支解产生出来。为此，我们把（1.4.9）的第一个方程乘以Y ,第二个乘以X ,然后把两 式相减。由此我们得到dXY-XdtdY44=X 4Y4dt(1.4.12)它的定态方程式为X 04 Y04= 0(1.4.13)显然，它除零解之外没有任何实数解换句话说，尽管在人=限=1时，该问题满足条件（1.4.4）,即(，-c )T(？-c)2=(1 - -% ) =0= 2(1 - ',-c ) =

45、0(1.4.14)但没有新分支解产生出来。因此， 鼠不是分支点。对于单重特征值情形，只要满足条件（1.4.4）, Z就是分支点。在实特征值从负变为正时，在分支点%(%) =0)邻近会产生出新的定态分支解，这称为 定态分支；在复特征值的实部Re8(Z)从负变为正时，在九(T (九)=0)邻近会产生时间周期分支解，这称为Hopf分支。它们的特征值在分支点分别满足条件定态分支：嘴一0dRe Hopf 分支：R e6c (4) =0,上述条件示于图1.13中。(a)实特征值,(b)复特征值(1.4.15)此外，能够证明，在九=、的附近，超临界分支解是渐近稳定的，而亚临界分支解是不 稳定的。卜面我们举一

46、些分支的实例。3、叉型分支考虑一单变量X的非线性系统，设它的控制方程为(1.4.16)(1.4.17)dX3=X - X =f(X) dtK是一控制参数。它的定态方程为3Xc -Xo =0对于九取任何值都存在一个零解(1.4.18)方程(1.4.17)还存在着两个非零解X _=_., ,0(1.4.19)当九0时，该解是复值解，没有物理意义，不予考虑。在九=0时，XjfXo重合。由上述分析我们看到，在 九 0时，存在一个定态解X 0 0 ,在人A 0时，存在三个定态解X。=0 , X ±=±。现在讨论它们的稳定性。设X uXo x，x(1.4.20)一«1X则线性

47、化方程为dx df、-()0 x - - (z.)x(1.4.21)dt dX对于单变量系统，特征值就等于线性化系数，即.、,产、一 21( )=()0 - I -3X0(1.4.21)FX容易得到两组定态解的稳定性如下；九0,X0 =0,。=九 0, X 0渐近稳定« 役。=0,8=九 A0,X°不稳定(1.4.23)九0, 二X + = 4九，8=2九 0 , X近稳定由此看到，对于同一个定态解X。= 0 ,由于人从负变为正，在 限=0处就由渐近稳定变为不稳定，并且产生出两支渐近稳定的新解，而且新分支解按4的方式增长。这表明该系统发生了分支现象，九=0是分支点。分支图如

48、图1.14所示，X±是超临界分支。这个分支过程在相空间的表现如图1.15所示。单变量系统的相空间为一维相曲线，在九0时，只有一个吸引子x0 =0 ,在九:0时有一个排斥子X0=0和两个非零的吸引子X 士，相型结构在分支点4 =0处发生了质的改变，即奇点的数目和稳定性在分支点般=0处发生了变化。同时我们也看到吸引子和排斥子是相伴产生的。对于象方程(1.4.16)这样简单的非线性动力系统，我们也可以不用线性近似而引入某一势函数V(X)来讨论它的稳定性。假定方程(1.4.16)的右边等于势函数V(X)的梯度，即dX3dV=xx =f(,x)=(1.4.24)dtdX6x<0图1.15

49、相型结构在分支点 = 0处的变化如果取势函数的参考值V0 =0 ,对上式积分可得14.*12V (X ) =： X 一 X42(b)x>o(1.4.25)由方程(2. 1.4.24)可以看到，定态解(X0=0, X±=±4)是势函数V的极值点，即在定态有dV()o =0dX这些定态解的稳定性可用势函数的二阶导数(1.4.26)d 2V22=3XdX(1.4.27)来判断。势函数V与这些定态解对应的极值行为是2九< 0 X 0 = 0 , d 72 = 一九：> 0V取极小值dX2九 0 X 0 = 0 , d V2 = _九 0 V取极大值dX2一 d V

50、X +=±J 九，一豆=2九 A 0一dXX0图1.16势函数V （X）的极值行为由此看到，渐近稳定的定态解对应 V的极小值，不稳定约定态解对应 V的极大值（图 2. 16）。在九0时，V只有一个极小值点，对应于吸引子 X。= 0 ；在九 0时，X。= 0变为不稳定，这时它对应于 V的极大值，同时V又出现了两个对称的极小值，极小值点是两个等价的吸引子X±=±JT。在九由负变正的过程中，原势谷的小球会处在渐渐 隆起的势脊上.但这是极为不稳定的，稍有扰动小球就会进入两个对称的势谷之一，原 有的对称性就被涨落打破，导致对称性碳缺。在Benard实验中，如果我们令九=At

51、 &Tc ,用X。代表静止的热传导态，X 土分别代表左旋态和右旋态，则图2. 16可形象地说明涨落导致有序的机制。4、Hopf分支对非线性方程（1.3.45）引入控制参数九后变为(1.4.29)dX dt dYkdt显然它的定态解为(0, 0)。如果把方程(1.4.29)线性化，则确定线性化算子1(九)的特征值的行列式有一1 =0(1.4.30)1 九一8其特征根二：二 i(1.4.31)具有单重性。由此可以看出，在 人0时，(0, 0)是渐近稳定焦点，在 九0时，(0, 0)是不稳定焦点，在分支点兀=0(Re«c±(Zc) =0 =0)将从(0, 0)邻近分支出一

52、个渐近稳定的极限环来。如果把方程(1.4.29)化为极坐标形式讨论更为方便。令(1.4.32)(1.4.33)(1.4.34)X = r cos 1Y = r sin r则方程(1.4.29)变为dr2一 =r(，-r2) = f (，r)dtdu=1dt其中r表示轨线与相平面原点(0, 0)之间的距离，由方程一2 -r° ( ' 一 r° ) = 0可以得到与时间无关的解为0 =0 ,入取任何值r + = 4,00(1.4.35)其中已舍弃了没有物理意义的解 /_=-'兄。=0是焦点，十=五是极限环半径。它 们的稳定性讨论如下，令r = r0 r(1.4.36)r'是焦点或极限环附近的小扰动，则有线性化方程(1.4.37)drf.2 .=()0 r = ( .13 r 0 )r = .( /.) rdtjr它们的稳定性分别为九。0=0, (0()。=九00渐近稳止九 A 0 r0 = 0 , (0 (力.)二九 a