穩定極限環

在數學中,特別是在動態系統理論里,一個二維平面或二維流形上的的極限環是相空間裡的一個閉合的軌跡。 若系統在其極限環Γ外側(內側)足夠小鄰域內的軌線均以Γ為Ω極限集,則稱Γ為外(內)穩定極限環。

簡介

在數學中,特別是在動態系統理論里,一個二維平面或二維流形上的極限環是相空間裡的一個閉合的軌跡,使得至少另一個軌跡會隨自變數變化而逐漸逼近它(在自變數趨於正無窮或負無窮的時候)。

如果當自變數(或者說時間): t趨於正無窮時,所有的鄰近軌跡都趨近於極限環,那么所在的流形被稱為穩定的,或者稱極限環是穩定的(吸引的)。反之,如果 t趨於負無窮時,所有的鄰近軌跡都趨近於極限環,那么稱流形是不穩定的或者極限環是不穩定的(非吸引的)。在所有其它情況下,流形既不是穩定也不是不穩定的。

穩定的極限環會導致持續振盪的情況:若一開始軌跡是極限環,則關於軌跡的任意的小擾動都會導致系統重新回到極限環的狀態。

基本概念

定義1:

對於平面自治系統(1):

穩定極限環 穩定極限環
穩定極限環 穩定極限環

有閉軌線Γ,若存在δ>0使系統(1)在Γ的兩側鄰域S(Γ,δ)內的一切軌線均以Γ為其Ω或A極限集,則稱Γ為系統(1)的一個極限環。

容易看出,這樣定義的極限環實際上就是一條孤立的閉軌線。

定義2:

若系統(1)在其極限環Γ外側(內側)足夠小鄰域內的軌線均以Γ為Ω極限集,則稱Γ為外(內)穩定極限環;

若均以Γ為A極限環,則稱Γ為外(內)不穩定環;

若Γ既外穩定(不穩定)又內穩定(不穩定),則稱Γ為穩定(不穩定)極限環;

若Γ的一側穩定另一側不穩定,則稱Γ為半穩定極限環。

定義3:

對於系統( 1) 而言,均設

穩定極限環 穩定極限環

設函式 F( x, y) ∈C (G),易知曲線族 F( x, y) =C 與軌線相切點的軌跡方程是:

穩定極限環 穩定極限環

我們稱曲線( 2) 為系統( 1) 的切性曲線。同時,注意到 F( x,y) 沿系統( 1) 的軌線關於 t 的全導數為:

穩定極限環 穩定極限環

判斷極限環的穩定性的方法

穩定極限環 穩定極限環
穩定極限環 穩定極限環

(1)一種是根據 的符號結合 的表達式

(2)如果沿著系統的極限環Γ有

穩定極限環 穩定極限環

則Γ是穩定(不穩定)的,其中T是Γ的周期。

舉例

考察系統

穩定極限環 穩定極限環
穩定極限環 穩定極限環

在全平面極限環的存在性及穩定性。

取曲線族:

穩定極限環 穩定極限環

求得:

穩定極限環 穩定極限環

所以該系統的切性曲線對應於原點O和單位圓周x +y =1。在單位圓周內,除點O外不含切性曲線上的點,由定理知,單位圓內系統不存在閉軌;同樣單位圓外系統也不存在閉軌。容易驗證,單位圓周是系統的軌線,並且它是唯一穩定的極限環。

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