Lyapunov exponents, stability and information

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毕业设计__基于神经网络的时间序列Lyapunov指数普的计算毕业设计论文

毕业设计__基于神经网络的时间序列Lyapunov指数普的计算毕业设计论文

摘要 (II)Abstract (III)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 Lyapunov计算方法的定义 (2)第二章基于神经网络的Lyapunov指数谱的计算 (3)2.1 相空间重构 (3)2.2 Oseledec矩阵的确定 (3)2.3 QR分解 (5)2.4 小波神经网络 (7)2.5 基于RBF神经网络的Lyapunov指数谱计算方法 (10)2.6 Lyapunov指数实验计算代码 (11)2.6.1确定嵌入维数 (11)2.6.2确定延迟时间 (11)2.6.3计算Lyapunov指数普 (12)2.7 Lyapunov指数仿真实验结果 (14)2.7.1 实验一 (14)2.7.2 实验二 (16)小结 (18)总结 (19)参考文献 (20)致谢 (21)Lyapunov指数是衡量系统动力学特性的一个重要定量指标,它表征了系统在相空间中相邻轨道间收敛或发散的平均指数率。

对于系统是否存在动力学混沌, 可以从最大Lyapunov指数是否大于零非常直观的判断出来: 一个正的Lyapunov 指数,意味着在系统相空间中,无论初始两条轨线的间距多么小,其差别都会随着时间的演化而成指数率的增加以致达到无法预测,这就是混沌现象。

利用RBF 神经网络的非线性函数逼近能力, 由实验观察数据列计算系统的Lyapunov指数谱实例计算表明, 此种方法精度较高且计算量较小, 有重要的实际意义.关键词: Lyapunov 指数谱; 相空间重构; 人工神经网络AbstractLyapunov exponent is an important measure of system dynamics quantitative indicators, It is characterized by the average rate in the phase space between adjacent tracks convergence or divergence. For the existence of chaotic dynamics, can be very intuitive judgment from the largest Lyapunov exponent is greater than zero: a positive Lyapunov exponent, means that the system in phase space, regardless of the initial two-rail line spacing, however small, the difference will cannot predictAs time evolved exponential increase in the rate of so reached, which is chaos. Lyapunov exponents are one of a number of parameters that characterize the nature of a chaotic dynamical system. We calculate the Lyapunov exponents from an observed time series based on the ability thata RBF neural network can approximate nonlinear functions. The results show that this method needs less computing time and has higher precision, soit has practical significance.Keywords: Lyapunov exponents;Reconstruction of phase space;Artificial neural network第一章绪论1.1引言混沌系统的基本特点就是系统对初始值的极端敏感性,两个相差无几的初值所产生的轨迹,随着时间的推移按指数方式分离,Lyapunov指数[1]就是定量的描述这一现象的量。

离散周期lyapunov方程和离散周期riccati方程的迭代算法

离散周期lyapunov方程和离散周期riccati方程的迭代算法

摘要作为线性时变系统的最简单形式,线性周期系统由于其广泛的应用,一直是学者们研究的热点。

线性周期系统,是一类系数矩阵带有周期性的线性系统,在各个领域中都有着广泛的应用。

为了研究离散周期系统的稳定性问题,离散周期Lyapunov方程的求解就显得至关重要。

同样,在进行离散周期系统的线性二次最优状态反馈控制器的设计时,需要用到离散周期Riccati方程的解。

基于这样的研究背景,本文针对离散周期系统下的Lyapunov方程和Riccati方程,给出了其求解的迭代算法。

针对离散周期Lyapunov方程,推导出了相应的迭代算法,分别对零初始条件和任意初始条件的情况给出了严谨的收敛性证明,并通过数值仿真验证了算法的有效性。

并且将最新估计信息的思想引入了迭代算法,得到了新的基于最新估计信息的迭代算法,同样对给出了算法在零初始条件下和非零初始条件下,迭代算法的严谨的收敛性证明,利用数值仿真例子证明了算法是有效并且收敛的。

并且通过对两种算法的数值仿真对比发现,基于最新估计信息的迭代算法的收敛速度要快于原始的迭代算法,从而验证了加入最新估计信息的迭代算法的优越性。

针对推导出的离散周期Riccati方程的迭代算法,给出了其在零初始条件下的收敛性证明,并通过数值仿真验证了算法的有效性,同样,为了改进算法,加入了最新估计信息,得到了新的基于最新估计信息的迭代算法。

同样对该算法的收敛性进行了严谨的证明与数值仿真验证,说明了该算法是有效可用的。

针对两种方程的迭代算法,为了研究最新估计信息对迭代算法的影响程度,引入了加权的思想,得到了带权重因子的新的迭代算法,并进行了收敛性证明。

通过数值仿真,给出了不同权重因子下的收敛性曲线,通过对比可以看出当全部使用最新估计信息时,算法的收敛速度最快,由此可见,加入最新估计信息能有效提高迭代算法的收敛速度。

关键词:离散周期系统;Lyapunov方程;Riccati方程;迭代算法AbstractAs the simplest form of time-varying linear systems, periodic linear systems have been attracting much attention during the past several decades. This is partially because this type of systems has very wide application. To investigate the stabilization problem of the periodic linear systems, it is important to achieve the solution of the periodic Lyapunov matrix equation. Similarly, the design of linear quadratic optimal state feedback controller based on the robust control is related to the stabilizing positive definite solution of Riccati equation. Based on this research background, we propose iterative algorithms for solving discrete-time periodic Lyapunov matrix equation and discrete-time periodic Riccati matrix equation.Iterative algorithms for discrete periodic Lyapunov equations are derived, respectively to the zero initial conditions and arbitrary initial conditions. And the proof of convergence is given. The effectiveness of the algorithm is verified by numerical simulation. And the latest information estimation theory is into the iterative algorithm, the proof of the convergence is also given. The validity of the algorithm is verified by numerical simulations. Finally, the simulation analysis of the two algorithms find that the convergence rate of the iterative algorithm based on the estimation of the latest information is faster than the original algorithm. It proves the superiority of the iterative algorithm adding the latest information of the estimation.Iterative algorithm for discrete periodic Riccati equations is derived, given the zero initial condition of convergence, and the effectiveness of the algorithm is verified through numerical simulation. In order to improve the algorithm with the latest estimate information, a new iterative algorithm based on the information of the latest estimation is given. The convergence of the new algorithm is proved and the validity of the algorithm is verified by numerical simulation. Through numerical simulation, the convergence curves of different weighting factors are given. It found that using the latest estimate information, the convergence speed is the fastest. Therefore, adding the latest estimation information can effectively improve the convergence speed of iterative algorithm.Key words:discrete-time linear periodic system,periodic Lyapunov equations,periodic Riccati equations,iterative algorithms目录摘要 (I)ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)1.1课题的来源及研究的背景意义 (1)1.2国内外在该方向上的研究现状及分析 (2)1.3本文的主要研究内容 (6)第2章离散周期系统Lyapunov方程快速迭代算法 (8)2.1相关的概念与性质 (8)2.2原始迭代算法 (9)2.2.1显式迭代算法 (9)2.2.2数值仿真 (12)2.3基于最新估计信息的迭代算法 (16)2.3.1显示迭代算法 (16)2.3.2数值仿真 (19)2.4本章小结 (24)第3章离散周期Riccati方程的迭代算法 (25)3.1相关的概念与性质 (25)3.2问题的描述 (25)3.3原始迭代算法 (25)3.3.1显示迭代算法 (26)3.3.2数值仿真 (28)3.4基于最新估计信息的迭代算法 (29)3.4.1显示迭代算法 (30)3.4.2数值仿真 (32)3.5本章小结 (34)第4章离散周期Riccati方程的加权最新估计迭代算法 (35)4.1 带加权因子的快速迭代算法 (35)4.2数值仿真 (37)4.3本章小结 (39)结论 (40)参考文献 (41) (45)致谢 (46)第1章绪论1.1课题的来源及研究的背景意义随着对控制系统的研究越来越深入,人们发现,许多生活中的系统是线性周期系统。

MATLAB的一些有用的工具箱

MATLAB的一些有用的工具箱

MATLAB是很多人经常使用的“懒人”编程软件了。

可是大家是不是有时候仍然觉得他的功能不够强大呢?提供给大家一些matlab的软件toolbox,使得大家在做应用的时候更加得心应手吧。

ZSM (zero sum multinomial)/zsmcode.htmlBinaural-modeling software for MATLAB/Windows/home/Michael_Akeroyd/download2.htmlStatistical Parametric Mapping (SPM)/spm/ext/BOOTSTRAP MATLAB TOOLBOX.au/downloads/bootstrap_toolbox.htmlThe DSS package for MATLABDSS Matlab package contains algorithms for performing linear, deflation and symmet ric DSS.http://www.cis.hut.fi/projects/dss/package/Psychtoolbox/download.htmlMultisurface Method Tree with MATLAB/~olvi/uwmp/msmt.htmlA Matlab Toolbox for every single topic !/~baum/toolboxes.htmleg. BrainStorm - MEG and EEG data visualization and processingCLAWPACK is a software package designed to compute numerical solutions to hyper bolic partial differential equations using a wave propagation approach/~claw/Fusetool - Image Fusion Toolboxhttp://www.metapix.de/toolbox.htmTSTOOL is a MATLAB software package for nonlinear time series analysis.TSTOOL can be used for computing: Time-delay reconstruction, Lyapunov exponents, Fractal dimensions, Mutual information, Surrogate data tests, Nearest neighbor stati stics, Return times, Poincare sections, Nonlinear predictionhttp://www.physik3.gwdg.de/tstool/MATLAB / Data description toolboxA Matlab toolbox for data description, outlier and novelty detectionMarch 26, 2004 - D.M.J. Taxhttp://www-ict.ewi.tudelft.nl/~davidt/dd_tools/dd_manual.html。

第4章 Lyapunov稳定性分析

第4章 Lyapunov稳定性分析
1/ 2 1 1 1 det ( 1) 4 2 2 1/ 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 , 1 2 2 0, 2 2 2 0
自主技术与智能控制研究中心
x2 k 2 x2 g x2 半负定。 k m l sin x1 m x2
二、 Lyapunov 稳定性判别
1 x2 x 例 :已知系统 , 用李亚普诺夫函数 2 x1 x2 x 方法判断其稳定性.
2
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二、 Lyapunov 稳定性判别
3、Lyapunov 稳定性判别定理
f ( x),设xe 0为一平衡点. 考虑系统 x 如果存在连续可微的标量函数V ( x)满足 1)V ( x)是正定的; V ( x) 2) V ( x) f ( x)是半负定的; x x 则系统的平衡点xe 0是Lyapunov稳定的。
线性系统理论基础 第四章
Lyapunov稳定性分析
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内容与要点
内容 要点
一.Lyapunov稳定性概念 平衡点,稳定性,渐近稳定性,
全局渐近稳定性 二.Lyapunov稳定性判据 稳定性判据,渐近稳定性判 据,全局渐近稳定性判据 三.连续时间线性系统的 间接法判据,直接法判据
1
V
V ( x(t ))
x2
x(t )
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二、 Lyapunov 稳定性判别
例: 研究单摆在(0,0)点的稳定性
解 : (1) 选择李亚普诺夫函数
2 g x2 V ( x) (1 cos x1 ) l 2 (2) 稳定性判断

第三章 Lyapunov指数的非线性控制

第三章 Lyapunov指数的非线性控制
Attractor) 即:Chaotic Attractor,指相空间中吸引子的集 合,在该集合中混沌轨道在运行。此吸引子不是 平衡点,也不是极限环,也不是周期吸引子,而 是具有分数维的吸引子。 6.流形(Manifold) 指相空间中的一个子空间。凡是具有初始条件的 解位于此子空间中者,在微分或差分方程的作用 下,这个解仍在此空间中,这个子空间就叫流形。
stable. Such systems are conservative and in a steady state mode. They exhibit Lyapunov stability.

<0 - the system is chaotic
and unstable. Nearby points will diverge irrespective of how close they are.

Definition of Lyapunov Exponents



Given a continuous dynamical system in an ndimensional phase space, we monitor the long-term evolution of an infinitesimal n-sphere of initial conditions. The sphere will become an n-ellipsoid due to the locally deforming nature of the flow. The i-th one-dimensional Lyapunov exponent is then defined as following:

L.E.(李雅普诺夫指数 )是1892年提出的, 直到近几年,才认识到它的重要性 —— 它是判断有界非线性系统是否为混沌 系统的一个重要方法。

关于Lyapunov指数计算方法的比较_张海龙

关于Lyapunov指数计算方法的比较_张海龙

混沌从本质上说是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则 、 类似随机的现象. 混沌系统的基本特点 Lyapunov 指数 两个靠近的初值产生的轨道随时间推移按指数方式分离 , 是运动对初值条件极为敏感, ( LE ) 就是定量描述这一现象的量, 是衡量系统动力学特性的一个重要定量指标, 它表征了系统在相空间 [1 , 2 ] . 中相邻轨道间收敛或发散的平均指数率 如何快速、 准确地计算出 LE 是分析混沌系统的关键, 近年来国内学者对 LE 的计算方法做了很多研 [3 ] , Yan Wen logistic lyapunov Liao[4]利用 wolf 法计算出几种 究 利用定义法求解了 模型的最大 指数( LLE ) 、 Wang[5] 在比较 wolf 法与小数据量法后选择采用小数据量法计算出 logistic 模型的 典型混沌系统 LLE 、 LLE 、 Xie[6]在实际应用中又提出改进的小数据量法 . 对于不同系统可以选择不同的计算方法 , 虽然各种方 法均取得了较好的计算结果, 不同的计算方法可以适用于不同的系统中 , 但是目前对多种 LE 计算方法的 综合比较和选择依据的说明很少. 本文讨论混沌吸引子的 Lyapunov 指数计算问题, 主要是对实际应用中 wolf 法、 即定义法、 正交法和小数据量法, 以典型的 Lorenz 系统为例, 分别用各 常用的几种方法进行比较, 种方法计算其 Lyapunov 指数或者最大 Lyapunov 指数, 详细比较出各种求解精度、 求解复杂度和抗干扰能 力的差异, 从而给出各方法的适用范围和选择依据 . 关于其他动力学系统的 Lyapunov 指数计算结果, 由于 这里不再给出. 篇幅的限制,
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张海龙, 等: 关于 Lyapunov 指数计算方法的比较

连续和离散动力系统中两类方程的复杂动态

连续和离散动力系统中两类方程的复杂动态

湖南师范大学博士学位论文连续和离散动力系统中两类方程的复杂动态姓名:***申请学位级别:博士专业:基础数学指导教师:***20100501摘要本文应用连续和离散动力系统中的分支理论、二阶平均方法、Melnik-OV方法和混沌理论,首次研究连续和离散动力系统中两类方程当参数变化时不动点的分支、三频率共振解的分支和混沌动态.对于连续动力系统,首先运用Melnikov方法和二阶平均方法研究受悬挂轴振动和外力作用的物理单摆在周期扰动下与拟周期扰动下的复杂动态,给出在周期扰动下系统产生混沌运动的准则,在拟周期扰动下,仅能给出当Q=伽+E以n=1,2,3,4时平均系统存在混沌的条件,而当Q=gto,;+e%n=5—15时,用平均方法不能给出混沌产生的条件,这里∥和u之比为无理数.同时通过数值模拟,包括二维参数平面和三维参数空间中的分支图,相应的最大Lyapunov指数图,相图以及Poincax色映射,验证了理论结果的正确性,发现了系统的一些复杂动力学行为,其中包括从周期1轨到周期2轨的分支与周期2轨到周期2轨的逆分支;混沌的突然发生:不带周期窗口的全混沌区域,带复杂周期窗口或拟周期窗口的混沌区域;混沌的突然消失,混沌转变成周期1轨;不带周期窗口的全不变环区域或全拟周期轨区域:不变环或拟周期轨突然转变与周期1轨;从一个周期1轨区域到另一个周期1轨区域或从一个拟周期轨区域到另一个拟周期轨区域的突然跳跃;周期1轨的对称断裂:内部危机;发现了许多新颖的混沌吸引子和不变环,等等.数值模拟结果表明:当调整分支参数乜,6,,o与Q的值时,系统动态从全混沌运动或全不变环或全拟周期轨突然转变为周期轨,这有利于控制物理单摆的运动.其次运用二阶平均方法研究受悬挂轴振动和外力作用的物理单摆的三频率共振动解的分支与混沌,运用二阶平均方法研究了当系统的固有频率咖,外力激励频率u与参数频率Q之比:030:u:Q≈1:1:佗,1:2:佗,1:3:佗,2:1:仉与3:1:礼时共振解的存在与分支.运用Melnikov方法,给出了当uo:∽:Q≈1:m:佗时共振解存在的条件,并通过数值模拟进行了验证.通过数值模拟,又发现了系统的许多动态,如:不带周期窗口的全不变环行为,不变环区域的串联,不带周期窗口的纯混沌行为,带复杂周期窗口的混沌行为,全周期轨区域;不变环转变为周期轨,周期轨转变为混沌,一种不变环转变为另一种不变环等动态的跳跃行为;内部危机等动态.这些动态与在周期扰动和拟周期扰动下的动态具有很大的差异,特别发现:当初始点由鞍点改变成中心时,有更多的新的不变环吸引子被找到.首次用Euler方法将细菌培养呼吸过程模型离散化,运用中心流形定理和分支理论,给出映射发生flip分支,Hopf:分支的条件,Marotto意义下的混沌存在的条件,证明映射没有fold分支.运用数值模拟方法(包括分支图,相图,最大Lyapunov指数图,分形维数),不仅验证了理论分析结论的正确性,还发现了该映射的许多动态,如:从周期2轨到周期8轨的逆倍周期分支,从周期l轨到周期4轨的逆倍周期分支,带周期窗口的混沌行为,不带周期窗口的全混沌行为,不带周期窗口的全不变环行为,从混沌转变为不变环,从不变环转变为混沌,从混沌转变为周期轨,从周期轨转变为混沌等动态的跳跃,周期轨与混沌的交替行为等.对这两个动力系统的研究,所得到的动态行为将丰富非线性动力系统的内容,对其它学科,例如,化学、物理、生物学的研究有一定的应用价值.全文共分三章.第一章是关于动力系统的分支与混沌的预备知识.简要介绍连续和离散动力系统中的中心流形定理,二阶平均方法、Mehaikov方法以及混沌的定义、特征和通向混沌的道路.第二章,深入分析与研究受悬挂轴振动和外力作用的物理单摆的复杂动态.第二节至第四节,研究在周期扰动下与拟周期扰动下系统的的动态,运用二阶平均方法与Melnikov方法,给出系统存在混沌的准则,数值模拟不仅验证了理论分析结果的正确性,发现了系统的一些复杂动力学行为,而且显示当Q=no)+姒n=7时系统也存在混沌.本部分的结果发表在ActaMathematicaApplicataeSinaca,EnglishSeries,V01.(26),No.1(2010),55-78.第五节,研究系统的三频率共振动解的分支与混沌,运用二阶平均方法给出了当系统的固有频率Wo,外力激励频率u与参数频率Q之比:wo:u:Q≈1:1:n,1:2:佗,1:3:竹,2:1:n与3:1:n时共振解的存在条件与分支.运用Melnikov方法,给出了当W0:u:Q≈1:仇:n时共振解存在的条件,并通过数值模拟进行了验证.数值模拟又发现了系统的许多动态,显示了与在周期扰动和拟周期扰动下的动态的差异,发现:当初始点由鞍点改变成中心时,有更多的新的不变环吸引子被找到.本部分的结果已被ActaMathematicaApplicataeSinaca,EnglishSeries接收.第三章,研究离散型细菌培养呼吸过程模型.应用欧拉方法将连续型细菌培养呼吸过程模型离散化,运用中心流形定理和分支理论,给出映射发生flip分支,H0p吩支的条件,存在Maxotto意义下的混沌的条件,证明系统不存在fold分支.运用数值模拟,验证了理论分析结果的正确性,发现了该映射的许多动态.关键词:二阶平均;Melnikov方法;分支;混沌;周期扰动;拟周期扰动;三频率共振;Maxotto混沌.ABSTRACTInthisthesis,weinvestigatesthebifurcationoffixedpointsandresonantSO-hitionsandchaosfortwotypesofequationsincontinuousanddiscretedynamicalsystems,whichalenotconsideredyet,asthebifurcationparametersvarybyap-plyingbifurcationtheories,second-orderaveragingmethod,Melnikovmethodandchaostheoryincontinuousanddiscretedynamicalsystems.Forthecontinuoussystem,thecomplexdynamicsforthephysicalpendulumequationwithsuspensionaxisvibrationsareinvestigated.Firstly'weprovetheconditionsofexistenceofchaosunderperiodicperturbationsbyusingMeinikov’smethod.Byusingsecond-orderaveragingmethodandMelinikov’smethod.wegivetheconditionsofexistenceofchaosinaveragedsystemunderquasi-periodicperturbationsforQ=伽+e%n=1—4,wherel,isnotrationaltoo,andcan’tofchaosfor佗=5—15.andcallshowthechaoticprovetheconditionofexistencebehaviorsforn=5bynumericalsimulations.Bynumericalsimulationsincludingbifurcationdiagrams,phaseportraits,computationofmaximumLyapunovexpo-nentsandPoincalgmap,wecheckuptheeffectoftheoreticalanalysisandexposethecomplexdynamicalbehaviors,includingthebifurcationandreversebifurca-tionfromperiod-onetoperiod—twoorbits;andtheonsetofchaos,andtheentirechaoticregionwithoutperiodicwindows,chaoticregionswithcomplexperiodicwindowsorwithcomplexquasi—periodicwindows;chaoticbehaviorssuddenlydis-appearing,orconvertingtoperiod-oneorbitwhichmeansthatthesystemcanbestabilizedtoperiodicmotionbyadjustingbifurcationparameters口,最f0andfl;andtheonsetofinvarianttomsorquasi-periodicbehaviors,theentireinvari-anttomsregionorquasi-periodicregionwithoutperiodicwindow,quasi-periodicbehaviorsorinvarianttorusbehaviorsm:tddenlydisappearingorconvertingtope-riodicorbit;andthejumpingbehaviorswhichincludingfromperiod—oneorbittoantherperiod-oneorbit,fromquasi—periodicsettoanotherquasi-periodicset;andtheinterleavingoccurrenceofchaoticbehaviorsandinvalianttorusbehaviorsorquasi—periodicbehaviors;andtheinteriorcrisis;andthesymmetrybreakingofIVandinvarianttoms.Inperiod-oneorbit;andthedifferentnicechaoticattractorsparticular,thesystemshowntheentirechaoticregionorinvarianttomsregionorentirequasi-periodicregionsuddenlyconvertingtoperiodicorbitbyadjustingthebifurcationparametersQ,正/0andQ,whichisbeneficialtothecontrolofmotionsofthependulum.bifurcationsofresonantsolu—Secondly,weinvestigatetheexistenceandthetionforw0:u:Q≈1:1:佗,1:2:佗,1:3:n,2:1:tland3:1:扎byusingsecond-orderaveragingmethodandgiveacriterionfortheexistenceofresonantsolutionforw0:u:Q≈1:仇:flisgivenbyusingMelnikov’Smethodandverifythetheoreticalanalysisbynumericalsimulations.Bynumericalsimulation,wesomeotherinterestingdynamicalbehaviors,includingtheentireinvariantexposetomsregion,thecascadeofinvarianttorusbehaviors,theentirechaosregionwith—outperiodicwindows,chaoticregionwithcomplexperiodicwindows,theentirewhichincludinginvarianttorusperiod-oneorbitsregion;thejumpingbehaviorsbehaviorsconvertingtoperiod-oneorbits,fromchaostoinvarianttorusbehaviorsorfrominvarianttomsbehaviorstochaos,fromperiod-onetochaos,frominvarianttomsbehaviorstoanotherinvarianttomsbehaviors;andtheinteriorcrisis;andthedifferentniceinvarianttorusattractorsandchaoticattractors.Thenumericalresultssliowthedifferenceofdynamicalbehaviorsinthephysicalpendulumequa-tionwithsuspensionaxisvibrationsbetweenunderthethreefrequenciesresonantandundertheperiodic/quasi—periodicperturbations.Itexhibitsmanyconditionniceinvarianttorusbehaviorsundertheresonantconditionsandwefindalotofchaoticbehaviorswhicharedifferenttothoseundertheperiodic/quasi—periodicperturbations.Forthediscretesystem,thedynamicalbehaviorsofadiscreetmathematicalmodelforrespiratoryprocessinbacterialcultureareinvestigated.TheconditionsofexistenceforflipbifurcationandHopfbifurcationarederivedbyusingcen-termanifoldtheoremandbifurcationtheory,conditionofexistenceofchaosintheSelz.qeofMarotto’8definitionofchaosisproved.Thebifurcationdiagrams,VLyapunovexponentsandphaseportraitsaregivenfordifferentparametersofthemodel,andthefractaldimensionofchaoticattractorofthemodelisalsocalcu-iated.Thenumericalsimulationresultsnotonlyshowtheconsistencewiththetheoreticalanalysisbutalsodisplaythenewandinterestingcomplexdynamicalbehaviorscomparedwiththecontimlousmodel,includingreversebifilrcationfromperiod—twotoperiod-eightorbitsandfromperiod-oneorbitstoperiod-fourorbits,thecascadesofperiod—doublingbifurcationsfromperiod-oneorbitstoperiod—eightorbitsandfromperiod-threeorbitstoperiod—twelveorbits;andtheonsetofchaos,andtheentirechaoticregionwithoutperiodicwindows,chaoticregionswithcoin-plexperiodicwindows,theentireinvarianttormswithoutperiodicwindows;chaoticbehaviorsconvertingtoperiodicorbits;andthejumpingbehaviorsincludingfromchaostoinvarianttoms,frominvarianttomstochaosandfromperiodicorbitstochaos;andtheinterleavingoccurrenceofperiodicorbitsandinvarianttomsbehaviors;andthedifferentnicechaoticattractorsandinvarianttorus.Thestudyforthemisoffundamentalandevenpracticalinterest.ThedynamicalbehaviorsoftheseSystem8willenrichthecontentofnonlineardynamicalsystemsandwillbeusefulinothersubjectssuchaschemistry,physicsandbiology.Thisthesisconsistsofthreechaptersasthefollowing.Chapter1isaboutpreparationknowledge.Abriefreviewofcentermanifoldtheoremsforcontinummanddiscretedynamicalsystemispresented.Atthe8a工netime,somedefinitionsandcharacteristicsofchaosaswell晒someroutestochaosarementioned.Inchapter2,thephysicalpendulumequationwithsuspensionaxisvib胁tionsisinvestigated.Insection2.2,2.3and2.4,theconditionsofexistenceofchaosunderperiodicperturbationsandunderquasi—periodicperturbationsaregivenbyusingMelnikov’Smethodandsecond—orderaveragingmethod.Bynu-mericalsimulationswenotonlycheckuptheeffectoftheoreticalanalysisandexposethecomplexdynamicalbehaviors,butalsoshowthechaoticbehaviorsa8VIQ=删+f%n=7.Insection2.5,weinvestigatetheexistenceandthebifurca-tionsofresonantsolutionfor峋:u:Q≈1:1:佗,1:2:佗,1:3:佗,2:1:nand3:1:,lbyusingsecond-orderaveragingmethodandgiveacriterionfortheexis-tenceofresonantsolutionfor岫:u:Q≈1:仇:礼isgivenbyusingMeinik_ov’smethodandverifythetheoreticalanalysisbynumericalsimulations.Bymlmericalsimulation,weexposesomeotherinterestingdynamicalbehaviors.Themlmericalresultsshowthedifferenceofdynamicalbehaviorsinthephysicalpendulumequa-tionwithsuspensionaxisvibrationsbetweenunderthethreefrequenciesresonantconditionandundertheperiodic/quasi—periodicperturbations.Itexhibitsmanyniceinvarianttorusbehaviorsundertheresonantconditionsandwefindalotofchaoticbehaviorswhicharedifferenttothoseundertheperiodic/quasi·periodicperturbations.Inchapter3,thedynamicalbehaviorsofadiscreetmathematicalmodelfortherespiratoryprocessinbacterialcultureareinvestigated.TheconditionsofexoistenceforflipbifurcationandHopfbifurcationarederivedbyusingcentermaul-foldtheoremandbifurcationtheory,andweprovethatthereisnofoldbifurcation.ThechaoticexistenceinthesenseofMarotto’Sdefinitionofchaosisproved.Thenumericalsimulationresultsdisplaysomenewandcomplexdynamicalbehaviors.Keywords:second-orderaveragingmethod,Melnikov’8method,bifur-cation,chaos,periodicperturbations,quasi-periodicperturbations,Marotto’Schaos.VII湖南师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果.除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果.对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明.本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担.靴论文作者躲槲"年‘且y日湖南师范大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学.同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅.本人授权湖南师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文.本学位论文属于·1、保密口,在——年解密后适用本授权书.2、不保密d(请在以上相应方框内打“ ̄/")作者签名:导师签名:147日瓣纱秘片咱日勘沙年6月∥汨连续和离散动力系统中两类方程的复杂动态1.预备知识1.1动力系统概述及其定义动力系统的研究来源于常微分方程定性理论.考虑舻中的常微分方程(组)圣=,(卫),(1.1.1)其中,z=(z。

拓扑动力系统的预备知识

拓扑动力系统的预备知识

拓扑动力系统的预备知识英文回答:Preparatory knowledge for a topological dynamical system:A topological dynamical system is a mathematical model used to study the behavior of a system that evolves over time. It consists of a topological space, which represents the set of all possible states of the system, and a continuous transformation that describes how the system evolves from one state to another.To understand and analyze topological dynamical systems, there are several key concepts and techniques that one should be familiar with:1. Topology: Topology is the branch of mathematics that deals with the properties of space that are preserved under continuous transformations. It is concerned with the studyof open sets, closed sets, compactness, connectedness, and other topological properties. Understanding basic topology is essential for understanding the underlying space of a topological dynamical system.2. Continuous transformations: A continuous transformation is a function that maps points from one topological space to another in a continuous manner. In the context of topological dynamical systems, it represents the evolution of the system from one state to another. Familiarity with the properties and behaviors of continuous transformations is crucial for analyzing the dynamics of a system.3. Fixed points and periodic points: Fixed points are points in a topological space that remain unchanged under the continuous transformation. Periodic points are points that return to their original position after a certain number of iterations of the continuous transformation. Identifying and studying fixed points and periodic pointsis important for understanding the stability and behavior of a topological dynamical system.4. Bifurcations: Bifurcations occur when the behavior of a topological dynamical system changes qualitatively as a parameter is varied. They can lead to the emergence of new stable or unstable states, and understanding bifurcations is crucial for predicting and analyzing the behavior of a system.5. Attractors: An attractor is a subset of the state space that the system tends to approach over time. It represents the long-term behavior of the system. Different types of attractors, such as fixed points, periodic orbits, and strange attractors, can arise in topological dynamical systems. Understanding attractors is essential for characterizing the behavior and stability of a system.6. Lyapunov exponents: Lyapunov exponents are measures of the rate of exponential divergence or convergence of nearby trajectories in a topological dynamical system. They provide information about the stability and sensitivity to initial conditions of the system. Calculating and analyzing Lyapunov exponents is a fundamental technique for studyingthe dynamics of chaotic systems.中文回答:拓扑动力系统的预备知识:拓扑动力系统是用于研究随时间演化的系统行为的数学模型。

Lyapunov指数在微弱信号检测中的应用

Lyapunov指数在微弱信号检测中的应用

Lyapunov指数在微弱信号检测中的应用刘道文;冯浩【摘要】在基于Duffing混沌振子微弱信号检测中,针对直观观察相图法和Melnikov法在判定系统状态上存在的不足,为提高检测系统状态判定的准确性和信号检测的可靠性,提出了利用Lyapunov指数定量地分析和判定系统的状态.在分析利用Lyapunov指数判定系统状态方法的基础上,结合Lyapunov指数算法,计算出Duffing系统的Lyapunov指数谱,分析了系统内置驱动信号幅值、Lyapunov指数及系统状态之间的关系,结果表明,Lyapunov指数能定量和准确地刻画系统的状态.【期刊名称】《河北工程大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2010(027)004【总页数】4页(P74-77)【关键词】混沌;系统状态;相变;微弱信号【作者】刘道文;冯浩【作者单位】许昌学院,教育技术与信息部,河南,许昌,461000;许昌学院,教育技术与信息部,河南,许昌,461000【正文语种】中文【中图分类】TP14利用Duffing混沌振子对系统参数极其敏感而对噪声免疫的特性,可以检测出引入系统的待测微弱周期信号[1],其实质就是利用待测微弱周期信号实现混沌控制,使系统的输出状态发生跃变。

微弱的周期信号可以使处于大尺度周期临界状态的检测系统的相空间状态由混沌状态向大尺度周期状态跃变,从而检测出微弱信号的存在,这是当前基于混沌理论检测微弱信号的主要依据,因此,基于混沌理论微弱信号检测的一个关键的内容就是判定系统是处于混沌状态还是大尺度周期状态。

当前,判定动力系统的状态主要通过直观观察相图、Melnikov解析计算等方法。

直观观察相图法可以简单、方便的判定系统的状态,但该方法因缺乏严密理论判据而存在一定的主观性;Melnikov法能计算出系统进入混沌状态的阀值,但无法准确地计算出系统进入大尺度周期状态的阀值,文献[2] 利用Melnikov法计算出系统进入混沌状态的阀值后,通过实验法确定系统进入大尺度状态的阀值。

具有共存吸引子的混沌系统及其分数阶系统的镇定

具有共存吸引子的混沌系统及其分数阶系统的镇定

1 引言
混沌是确定的非线性系统产生的伪随机现象, 亦 是非线性系统所特有的一种运动形式, 在保密通 信、电机控制、生物工程等领域有着广泛的应用前 景[1–2].
1963年, Lorenz构建了一个三维自治连续系统, 并 发现了第1个混沌吸引子[3]. 作为第1个混沌系统模型, 其揭示了非线性动力系统中最为基本却又复杂的动
第 36 卷第 2 期 2019 年 2 月
控制理论与应用
Control Theory & Applications
Vol. 36 No. 2 Feb. 2019
具有共存吸引子的混沌系统及其分数阶系统的镇定
鲜永菊1, 夏 诚1†, 钟 德1, 徐昌彪2
(1. 重庆邮电大学 通信与信息工程学院, 重庆 400065; 2. 重庆邮电大学 光电工程学院, 重庆 400065)
力学行为. 1999年, Chen等提出了一种新的三维连续 Chen混沌系统[4]. 2002年, Lu¨等提出了另一种三维连 续混沌系统—–Lu¨系统[5]. 同年, Lu¨等还发现了连接上 述3个混沌系统的统一混沌系统[6]. 近年来, 人们发现 了许多新的混沌系统, 如Qi系统[7]、Bao系统[8]等.
its fractional order system
XIAN Yong-ju1, XIA Cheng1†, ZHONG De1, XU Chang-biao2
(1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2. School of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China) Abstract: A chaotic system with coexisting attractors and the stabilization problem of the corresponding fractional order system are studied. A novel chaotic system with the existence of double-wing and four-wing chaotic attractors is proposed. Its math characteristics are investigated by Lyapunov exponents spectrum and bifurcation diagram. By means of topological horseshoe theory and numerical computation, the topological horseshoe and the topological entropy in the system are obtained. Based on the system, a new 3D fractional order chaotic system is constructed. The fractional order system also has two isolated double-wing attractors and four-wing attractors, and there are not overlaps between the coexisting double wing ion of the fractional order system, a linear feedback scalar controller is designed. The nonlinear terms in the system are not deleted by the controlling method. The theoretical analysis and numerical simulation show the effectiveness of the method. Key words: chaotic system; fractional order system; coexisting attractors; topological horseshoe; chaos control Citation: XIAN Yongju, XIA Cheng, ZHONG De, et al. Chaotic system with coexisting attractors and the stabilization of its fractional order system. Control Theory & Applications, 2019, 36(2): 262 – 270

matlab求最大李雅普诺夫(Lyapunov)指数程序

matlab求最大李雅普诺夫(Lyapunov)指数程序

求解系统的Lyapunov指数谱程序Lyapunov 指数是描述时序数据所生成的相空间中两个极其相近的初值所产生的轨道,随时间推移按指数方式分散或收敛的平均变化率。

任何一个系统,只要有一个Lyapunov 大于零,就认为该系统为混沌系统。

李雅普诺夫指数是指在相空间中相互靠近的两条轨线随着时间的推移,按指数分离或聚合的平均变化速率。

一 chen系统的Lyapunov指数谱function dX = Chen2(t,X)% Chen吸引子,用来计算Lyapunov指数% dx/dt=a*(y-x)% dy/dt=(c-a)*x+c*y-x*z% dz/dt=x*y-b*zglobal a; % 变量不放入参数表中global b;global c;x=X(1); y=X(2); z=X(3);% Y的三个列向量为相互正交的单位向量Y = [X(4), X(7), X(10);X(5), X(8), X(11);X(6), X(9), X(12)];% 输出向量的初始化dX = zeros(12,1);% Lorenz吸引子dX(1) = a*(y-x);dX(2) = (c-a)*x+c*y-x*z;dX(3) = x*y-b*z;% Lorenz吸引子的Jacobi矩阵Jaco = [-a a 0;c-a-z c -x;y x -b];dX(4:12) = Jaco*Y;Z1=[];Z2=[];Z3=[];global a;global b;global c;b=3;c=28;for a=linspace(32,40,100);y=[1;1;1;1;0;0;0;1;0;0;0;1];lp=0;for k=1:200[T,Y] = ode45('Chen2', 1, y);y = Y(size(Y,1),:);y0 = [y(4) y(7) y(10);y(5) y(8) y(11);y(6) y(9) y(12)];y0=GS(y0);mod(1)=norm(y0(:,1));mod(2)=norm(y0(:,2));mod(3)=norm(y0(:,3));lp = lp+log(abs(mod));y0(:,1)=y0(:,1)/mod(1);y0(:,2)=y0(:,2)/mod(2);y0(:,3)=y0(:,3)/mod(3);y(4:12) = y0';endlp=lp/200;Z1=[Z1 lp(1)];Z2=[Z2 lp(2)];Z3=[Z3 lp(3)];enda=linspace(32,40,100);plot(a,Z1,'-',a,Z2,'-',a,Z3,'-');title('Lyapunov exponents of Chen')xlabel('b=3,c=28,parameter a'),ylabel('lyapunov exponents') grid on以上是三个变量的Lyapunov指数谱,下面是最大的Lyapunov指数谱:Z=[];d0=1e-8;for a=linspace(32,40,80)lsum=0;x=1;y=1;z=1;x1=1;y1=1;z1=1+d0;for i=1:100[T1,Y1]=ode45('Chen',1,[x;y;z;a;3;28]);[T2,Y2]=ode45('Chen',1,[x1;y1;z1;a;3;28]);n1=length(Y1);n2=length(Y2);x=Y1(n1,1);y=Y1(n1,2);z=Y1(n1,3);x1=Y2(n2,1);y1=Y2(n2,2);z1=Y2(n2,3);d1=sqrt((x-x1)^2+(y-y1)^2+(z-z1)^2);x1=x+(d0/d1)*(x1-x);y1=y+(d0/d1)*(y1-y);z1=z+(d0/d1)*(z1-z);if i>50lsum=lsum+log(d1/d0);endendZ=[Z lsum/(i-50)];enda=linspace(32,40,80);plot(a,Z,'-');title('Chen 系统最大lyapunov指数')xlabel('parameter a'),ylabel('lyapunov exponents')二模拟 Lorenz 系统最大lyapunov指数谱function ly=jose_ly(b,k)% the largest lyapunov exponent of josephson% k 迭代步数,b 参数% 方程如下:% θ''+G*θ'+sinθ=I+A*sin(ωt)+αsin(βωt) % 变化:% dx=y% dy=-G*y-sin(x)+I+A*sin(w*t)+a*sin(b*w*t) %% Example:% ly=jose_ly(0,800)%% Author:LDYU%Author'semail:*******************.cn%d0=1e-8;ly=0;lsum=0;x=[0;2;b];x1=[d0;2;b];for t=1:k[T1,Y1]=ode45('Josephon',[t-1,t],x);[T2,Y2]=ode45('Josephon',[t-1,t],x1);x=Y1(end,:);x1=Y2(end,:);d1=norm(x-x1);x1=x+(d0/d1)*(x1-x);lsum=lsum+log(d1/d0);endly=lsum/k;。

时变流场的有限时间李雅普诺夫指数(ftle)并行算法研究

时变流场的有限时间李雅普诺夫指数(ftle)并行算法研究

时变流场的有限时间李雅普诺夫指数(ftle)并行算法研究时变流场的有限时间李雅普诺夫指数(Finite-Time Lyapunov Exponents,简称FTLE)是一种用于分析流场中物体运动稳定性和混沌性的重要方法。

在有限时间内,李雅普诺夫指数可以有效地反映物体运动轨迹的敏感性,对于研究流场中物体运动规律具有重要意义。

在研究时变流场的有限时间李雅普诺夫指数时,并行算法是一个重要的研究方向。

并行算法可以将大规模数据处理任务分配给多个计算单元,从而提高计算效率和缩短计算时间。

在研究时变流场的有限时间李雅普诺夫指数并行算法时,主要关注以下几个方面:1. 数据处理:并行算法需要对时变流场数据进行处理,以便计算有限时间李雅普诺夫指数。

这可能涉及到数据预处理、数据分割、数据传输等操作。

2. 计算任务分配:在并行算法中,需要将计算任务分配给多个计算单元。

这需要根据算法的计算需求和计算单元的计算能力,合理地分配计算任务,以确保计算效率和准确性。

3. 数据同步与通信:在并行算法中,计算单元之间需要进行数据同步和通信,以便协调计算任务和共享计算结果。

这可能涉及到数据同步策略、通信协议、同步误差控制等问题。

4. 并行算法性能优化:为了提高并行算法的性能,需要对算法进行优化。

这可能涉及到算法结构优化、计算任务调度优化、数据处理优化等方面。

5. 并行算法应用与验证:将并行算法应用于实际问题时,需要验证算法的有效性和可行性。

这可能涉及到与传统算法进行比较、分析并行算法的计算性能、验证并行算法的计算结果等方面。

通过研究时变流场的有限时间李雅普诺夫指数并行算法,可以提高计算效率,缩短计算时间,为流体力学研究和实际应用提供有力支持。

Lyapunov指数在弱2FSK信号检测中的应用

Lyapunov指数在弱2FSK信号检测中的应用

Lyapunov指数在弱2FSK信号检测中的应用李宏伟;张宏雁【摘要】针对现有基于Duffing振子的2FSK信号检测方法在混沌临界阈值确定与相图判别两方面存在精度低、效率低的问题,提出了利用Lyapunov指数法确定阈值,并定量分析和判别检测系统输出状态的方法。

在分析Duffing系统中Lyapunov指数算法的基础上,进行了仿真实验与分析,结果表明基于Lyapunov 指数的2FSK信号混沌振子检测方法提高了阈值设置的精度,保证了2FSK信号检测的可靠性。

%Concerning the low accuracy and efficiency of the judgment for threshold value and chaos system phase diagram states used in 2FSK signal detection based on Duffing oscillator, the paper adopts the Lyapunov exponents to set threshold value and quantitatively judge states of the Duffing chaos detection system. On the basis of the Lyapunov exponent algo-rithm analysis in Duffing system, the system simulation is carried out. The results show that the FSK signal detection method based on Lyapunov exponent enhances the threshold precision, guarantees the reliability of FSK signal detection.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】5页(P151-155)【关键词】Duffing振子;Lyapunov指数;QR算法;2FSK信号检测【作者】李宏伟;张宏雁【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TN911.23LI Hongwei,ZHANG Hongyan.Computer Engineering and Applications,2016,52(2):151-155.目前数字通信以其抗干扰能力强、通信距离远的优点成为现代通信的主要手段。

非线性局部Lyapunov指数方法在目标观测中的应用初探

非线性局部Lyapunov指数方法在目标观测中的应用初探

非线性局部Lyapunov指数方法在目标观测中的应用初探刘德强;丁瑞强;李建平;冯杰【摘要】本文初步探讨了非线性局部Lyapunov指数方法(NLLE)在目标观测中的应用.首先,在NLLE理论基础上研究了非线性动力系统内局部平均误差相对增长(LAGRE)特征,证明了在误差发展进入随机状态前,LAGRE与初始误差大小无关而是与初始状态有关;在演化进入随机状态后,LAGRE的饱和值由初始误差大小决定这一特征.同时利用三个变量的常微分方程模型Lorenz63验证了这一结论.其次,从非线性局部误差增长理论出发,在局部动力演化相似方法(LDA)的基础上提出向前局部动力演化相似方法(FLDA)的概念,并通过两个混沌个例来说明LDA和FLDA方法能够有效的利用历史资料还原任意初始状态的LAGRE.这些方法的提出为NLLE理论应用于观测资料研究目标观测问题提供了依据.【期刊名称】《大气科学》【年(卷),期】2015(039)002【总页数】9页(P329-337)【关键词】非线性Lyapunov指数(NLLE);局部动力演化相似方法(LDA);向前局部动力演化相似方法(FLDA);目标观测【作者】刘德强;丁瑞强;李建平;冯杰【作者单位】中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京100029;中国科学院大学,北京100049;中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京100029;北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院,北京100875;中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京100029;中国科学院大学,北京100049【正文语种】中文【中图分类】P456自从上世纪1960年代,Thompson(1957)和Lorenz(1963a,1963b)等人最早提出了确定性系统存在可预报性的问题,人们围绕该问题展开了大量的研究,对混沌系统的可预报性理论的认识逐渐深入。

11.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义

11.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义

等复杂系统的稳定性,这正是其优势所在。
11.1 Lyapunov 关于稳定性的定义
系统稳定性是动态系统一个重要的、可以用定量方法研究和 表示的定性指标。
它反映的是系统的一种本质特征。这种特征不随系 统变换而改变, 但可通过系统反馈和综合加以控制。 这也是控制理论和控制工程的精髓。 在经典控制理论中,讨论的是在有界输入下,是否产生 有界输出的输入输出稳定性问题。 从经典控制理论知道,线性系统的输入输出稳定性
要掌握好Lyapunov稳定性理论,重要的是深刻掌握和理 解Lyapunov稳定性定义的实质和意义。
在这里,空间想象力对理解Lyapunov稳定性的实质和意 义非常有帮助。
11.1.1 平衡态 equilibrium state
设我们所研究的系统的状态方程为 x’=f(x,t) 其中x为n维状态变量;
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
但这些经典控制理论中的稳定性判别方法仅限于讨论 SISO线性定常系统输入输出间动态关系,即
线性定常系统的有界输入有界输出(BIBO)稳定性
未研究系统的内部状态变化的稳定性,也不能推广到时变 系统和非线性系统等复杂系统。 再则,对于非线性系统或时变系统,虽然通过一些系统 转化方法,上述稳定判据尚能在某些特定系统和范围内
此外,庞加莱还在1895年证明了“庞加莱 回归定理” ,并开创了动力系统理论。
在Routh和Poincare等工作的影响下,1892年,俄国数学力 学家A.M. Lyapunov(李亚普诺夫,1857–1918) 发表了博士 论文“The General Problem of the Stability of Motion 论运动 稳定性的一般问题”,建立了关于运动稳定性研究的一般性 理论,总结和发展了系统的经典时域分析法。

李雅普诺夫指数谱的研究与仿真

李雅普诺夫指数谱的研究与仿真

收稿日期:2004-08-29 第22卷 第12期计 算 机 仿 真2005年12月 文章编号:1006-9348(2005)12-0285-04李雅普诺夫指数谱的研究与仿真罗利军1,李银山1,李彤2,董青田1(1.河北工业大学工程力学研究所,天津3001302.华东理工大学机械工程学院,上海200237)摘要:李雅普诺夫指数在研究动力系统的分岔、混沌运动特征中起着重要的作用。

该文介绍了李雅普诺夫指数的定义、计算原理及数值计算的实现方法,应用M atlab 软件,编制了计算李雅普诺夫指数的程序,分析了一维、二维和三维非线性动力系统中分岔和混沌与李雅普诺夫指数之间的关系。

绘制了逻辑斯蒂映射、埃农映射和洛仑兹方程的分岔图,并计算了相应的李雅普诺夫指数。

实例的计算机仿真表明李雅普诺夫指数是研究分岔、混沌运动,解决工程实际问题的有效方法之一。

关键词:非线性系统;混沌;李雅普诺夫指数;分岔图;奇怪吸引子中图分类号:O322 文献标识码:AResearch and S i m ula tion of L yapunov πs Exponen tsLUO L i -jun 1,L I Yin -shan 1,L I Tong 2,DON G Q ing -tian1(1.Institute of Engineering M echanics Depart m ent,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Institute of M echanical Engineering ,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China )ABSTRACT:L yapunov πs exponents p lays an i m portant role in researching the characters of bifurcation and chaos motion of dynam ics .In the paper the definition,calculation p rincip le and the method of numerical calculation of Lyapunov exponents are introduced .The p rogram s for calculating the Lyapunov πs exponents are comp iled by the MAT LAB soft w are .The relationship bet ween the bifurcation,chaos and Lyapunov πs exponents are analyzed in nonlinear dynam ical system of one ,t wo and three di mensions .Then as examp les,the bifurcation charts for Logistic mapp ing,Henon mapp ing and Lorenz system are p rotracted and the Lyapunov πs exponents corresponding to these system s are calculated numerically .The examp les of computer si mulation indicate that Lyapunov πsexponent is one of the efficient methods for researching the bifurcation and chaos,as well as for solving thep ractical engineering p roblem s .KEYWO RD S:Nonlinear system;Chaos;L yapunov πs exponents;B ifurcation chart;Strange attractor1 引言[1,2,3,4]Lyapunov 指数是衡量系统动力学特性的一个重要定量指标,它表征了系统在相空间中相邻轨道间收敛或发散的平均指数率。

Cournot-Bertrand双寡头动态博弈模型的复杂性分析

Cournot-Bertrand双寡头动态博弈模型的复杂性分析

Cournot-Bertrand双寡头动态博弈模型的复杂性分析何岩岩;张芳【摘要】提出了一个主从的Cournot-Bertrand双寡头混合博弈模型。

寡头都是在有限理性期望下进行的博弈,并且上级寡头考虑产量,下级寡头考虑价格。

分析了该模型的纳什均衡点和它的局部稳定性。

通过数值模拟,利用稳定域图、分岔图、最大Lyapunov指数图以及奇异吸引子图研究了该模型的复杂动力学性质,且通过分析两寡头的利润分岔图,得出了均衡态是二者都满意状态的结论。

%A master-slave Cournot-Bertrand duopoly game model is presented. The two monopolists carry out the game with the expectation of bounded rationality and the upstream monopolist considers its output while the downstream monopolist considers its price. The existence of Nash equilibrium point and its local stability of the game are investigated. The complex dynamics, such as the graph of stability region, bifurcation diagrams, the maximal Lyapunov exponents diagram and strange attractor figure are displayed. It is found that equilibrium state is satisfaction to them both by analyzing the profits bifurcation diagram of the two oligarchs.【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P80-83)【关键词】主从;Cournot-Bertrand;有限理性;复杂动力学;动态博弈模型【作者】何岩岩;张芳【作者单位】天津工业大学理学院,天津 300387;天津工业大学理学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】O225寡头市场是一个市场被少数几个企业垄断的市场结构.研究寡头竞争的模型一般有考虑产量竞争的Cournot模型和考虑价格竞争的Bertrand模型,目前,已经有很多专家和学者对此进行了大量的研究,参见文献[1-6].Puu[1]把两寡头Cournot 模型推进到了三寡头的情形,发现了比两寡头博弈更多样的分岔现象.也有一部分学者对同时考虑寡头产量和价格的Cournot-Bertrand混合模型进行了研究.Ma等[7]通过对双寡头Cournot-Bertrand混合模型动力学性质的研究,发现产量调整速度和价格调整速度过快都可以引起市场进入对两寡头都不利的混沌状态.以上文献都是致力于研究横向水平的寡头竞争,而对于纵向水平寡头竞争的研究较少,并且这类寡头竞争在经济市场中普遍存在.Xin等[8]以自来水与纯净水厂商为例,建立了一个主从的Bertrand双寡头博弈模型.他们把自来水公司作为上级寡头,纯净水公司为下级寡头,制定了具有同样期望的动态价格决策.通过数值模拟及分析,证明了系统存在分岔和混沌等复杂动力学性质,并且说明了价格的波动会带来一定的价格风险,然而并没有对公司的利润作出分析.本文在该模型的基础上,研究了主从的混合Cournot-Bertrand双寡头模型.在该模型中,上级寡头考虑产量,下级寡头考虑价格.通过对该模型的动力学性质的分析及对这两寡头整体利润的研究,可以对这类寡头市场的运行提供引导的作用.假设市场上有2个异质寡头,公司i生产商品xi,i=1,2.代表上级寡头的公司1在产量方面进行竞争,代表下级寡头的公司2在价格方面进行竞争.在主从寡头博弈中,由于上级公司的产量是下级公司产量决策的主要因素,而作为上级公司产品的一个较小的消费个体,下级公司对上级公司的产量影响很小,可以忽略不计.在该假设下,公司1和2的需求函数可设为式中:p1(t)、p2(t)分别表示公司1、2在t期的价格;d表示产品的差异化指数或产品替代率;且a,b,a2,b2,d>0.根据第一个等式,公司1的价格可以表示成考虑这2个公司的成本函数为线性:这里ci表示公司i的边际成本,且ci>0.则这2个寡头公司的利润为设这2个公司对市场和对手只能获得有限的信息处理能力.在博弈中,两寡头按照有限理性的期望进行调整并根据边际利润制定决策.即如果边际利润为正(负)时,它们将分别增加(减少)下期的产量和价格.这两个公司的边际利润如下:在上述假设下,这个主从博弈的动态模型为将方程组(1)代入到方程组(2)中,则该模型有如下形式:系统(3)有4个非负均衡点:E0=(0,0),E1=(0,其中且为了讨论系统(3)关于状态变量(q1,p2)的稳定性,给出这4个均衡点的Jacobian矩阵J.则E0的Jacobian矩阵为它的特征值λ1=1+α(a1-c1),λ2=1+β(a2-da1+b2c2).要使E0稳定必须有|λ|<1,由于显然λ1>1,λ2>1,均衡点E0是不稳定的结点.E1的Jacobian矩阵J为则λ1=1+α(a1-c1),λ2=1+β(a2-da1+b2c2).在所有均衡点非负的前提下,得到λ1>1.故均衡点E1不稳定.类似地,可证均衡点E2不稳定.E*为纳什均衡点,它的Jacobian矩阵为J(E*)的特征方程为P(λ)=λ2-Tr(J(E*))λ+Det(J(E*))=0,其中Tr(J(E*))和Det(J(E*))分别表示J(E*)的迹和行列式.用研究离散的二位系统稳定性条件的方法来讨论系统(3)的纳什均衡点的稳定性,该条件被称为Jury条件,参见文献[9-10]:以上不等式组确定了纳什均衡点E*的局部稳定域.通过求解以上3个不等式,得到,当且a2>或者,局部稳定域为在这部分用稳定域、分岔图、最大Lyapunov指数、奇异吸引子来探索系统(3)的动力学行为.为了研究纳什均衡点的局部稳定性,取下面的参数值:a1=1,a2=1,b1=1,b2=1,c1=0.1,c2=0.1,d=0.2,初始值取(q1(0),p2(0))=(0.2,0.1).图1为参数取以上值时,纳什均衡点E*的稳定域.从图1可以看出,使得E*稳定的区域是矩形域0≤α<2.222,0≤β<0.02.图2给出了β=1时,公司1的产量及公司2的价格关于α演化的分岔图.其中,q1表示公司1的产量变化图,P2表示公司2的价格变化图.在给定以上参数值得情况下,发现当α>0时,Jury条件的(ii)和(iii)显然满足,随着α的增加,系统(3)会跳出条件(i)确定的范围,故该系统会产生flip分岔,见文献[12].在图2中,当α<2.222时,系统(3)中的点稳定在纳什均衡点Ε*=(0.45,0.495).随着α增加,两寡头的行为变得不稳定并且复杂动力学行为产生.可以看出二倍周期分岔产生在α=2.222,随后两寡头行为进一步复杂,在α>2.855时,系统(3)进入混沌.图3给出了当其他参数不变,α=1时,公司1的产量及公司2的价格关于β演化的分岔图.从图3可以看出,公司1始终处于稳定状态,公司2在β=2.02时,产生分岔行为,在β= 2.596时,进入混沌.比较图2和图3,公司1产量的调整速度对两公司行为均有影响,公司2的价格调整速度对公司1没有影响,并且公司2对β的表现出较强的敏感性.从而可以得到以下结论:①较之于上级寡头公司产量的变动,该系统对下级寡头的价格的变动较为敏感;②上级寡头产量的变动对系统整体的影响较为明显.为了分析倍周期及混沌产生时的参数,给出了系统关于α变化的最大Lyapunov指数及奇异吸引子图,如图4所示.从图4可以看出,在α=2.222时,最大Lyapunov指数为0,此时系统进入二倍周期分岔.而在α=2.855时,指数为正,说明系统开始进入混沌.图5为当其他参数不变,α=3.1,β=1时系统(3)的奇异吸引子图,再次展示了该系统的分形结构.为了更好地分析该模型的实际意义,图6给出了两寡头随α变化的利润分岔图.图6中:π1表示的是公司1的利润;π2表示的是公司2的利润.该分岔图和图2相对应.显然公司1的利润在整体上大于公司2的利润,这说明作为上级寡头的公司比下级寡头公司在竞争中更有优势.当α= 2.222时,即在稳定域内,公司1的利润高于其进入周期分岔及混沌区域的利润,并且进入混沌后,利润变得无法估计,显然均衡态是其满意状态.而公司2在进入混沌后,不能明显看出它是在均衡态还是在混沌状态更有优势,然而由于混沌状态具有很多不确定性,且公司2在混沌状态时的利润整体没有高于它在均衡态的利润,所以参与者一般对均衡态的表现较为满意.总之,均衡态是这2个寡头都较为满意的状态.本文对主从的Cournot-Bertrand双寡头竞争模型进行了分析,研究了该模型的稳定和分岔情况,并且分析了表明系统进入混沌的最大Lyapunov指数及奇异吸引子,最后给出了两寡头的利润随调整参数的演化图,得出了均衡态是两寡头都满意状态的结论.【相关文献】[1]PUU plex dynamics with three oligopolists[J].Chaos,Solitons&Fractals,1996,7:2075-2081.[2]AGIZA H N.On the analysis of stability,bifurcation,chaos and control of Kopelmap[J].Chaos,Solitons&Fractals,1999,10:1909-1916.[3]BISCHI G I,NAIMZADA A.Global analysis of a dynamic duopoly gamewith bounded rationality[C]//Advances in Dynamic Games and Application.Basel:Birkhauser,2000:361-385.[4]AGIZA H N,HEGAZI A S,ELSADANY A plex dynamics and synchronization of duopoly game with bounded rationality[J].Mathematics and Computers in Simulation,2002,58:133-146.[5]TRAMONTANA F.Heterogeneous duopoly with isoelastic demand function[J].Economic Modelling,2010,27:350-357.[6]AGIZA H N,ELSADANY A A.Chaotic dynamics in nonlinear duopoly game with heterogeneous Players[J].Applied Mathematics and Computation,2004,149:843-860.[7]MA Junhai,PU Xiaosong.The research on Cournot-Bertrand duopoly model with heterogeneous goods and its complex characteristics[J].Nonlinear Dyn,2013,72:895-903.[8]XIN Baohui,CHEN Tong.On a master-slave Bertrand game model[J].Economic Modelling,2011,28:1864-1870.[9]PUU T.Attractors,Bifurcations&Chaos:Nonlinear Phenomena in Economics[M].New York:Springer,2003.[10]DU Jianguo,FAN Yueqian.Dynamics analysis and chaos control of a duopoly game with heterogeneous players and output limiter[J].Economic Modelling,2013,33:507-516.。

第三讲Lyapunov稳定性

第三讲Lyapunov稳定性
Question 1: Suppose the set M in LaSalle's theorem consists of a finite number of isolated points. Does the limit lim x(t ) exist? t If it exists, what is it?
Question 2: Consider the Lyapunov equation where the pair (A, C) is observable. If P is positive definite, is A a Hurwitz matrix?
Topic 3 Lyapunov stability
3.2. Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability
3.4. Boundedness
Topic 3 Lyapunov stability
Example
Topic 3 Lyapunov stability
3.4. Boundedness
Topic 3 Lyapunov stability
3.4. Boundedness
3.3. The invariance principle
Topic 3 Lyapunov stability
Topic 3 Lyapunov stability

改进Lyapunov泛函下变时滞系统稳定性分析

改进Lyapunov泛函下变时滞系统稳定性分析

改进Lyapunov泛函下变时滞系统稳定性分析王新伟;张颖;戎玉密【期刊名称】《深圳大学学报(理工版)》【年(卷),期】2017(034)002【摘要】We provide a new delay-range-dependent criterion for interval time-varying delay linear systems.By using Jensen inequality method and reciprocally convex combination technique,the upper bound of the derivative of our improved Lyapunov function can be estimated more tightly.And then newless conservative stability criteria arederived.Numerical examples are given to illustrate the effectiveness and the improvementof the proposed criterion.%针对具有区间变时滞的线性系统,提出一种新的稳定性判据.基于改进Lyapunov泛函,采用Jensen积分不等式和倒数凸组合技术,对Lyapunov泛函导数中的积分项进行界定,获得更紧的时滞上界,从而得到保守性更低的稳定性判据.通过数值实例验证所提出的稳定性判据有效.【总页数】7页(P181-187)【作者】王新伟;张颖;戎玉密【作者单位】深圳信息职业技术学院机电工程学院,广东深圳518172;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TP13【相关文献】1.变时滞不确定Lurie系统的时滞分布依赖鲁棒稳定性分析 [J], MUKHIJA Pankaj;KAR Indra Narayan;BHATT Rajeudra Kumar Purushottam2.基于增广Lyapunov泛函的不确定时滞系统的时滞相关鲁棒H∞控制 [J], 刘小梅;王天成;李圣涛3.时滞系统稳定性分析——齐次多项式Lyapunov泛函方法 [J], 刘兴文4.改进的多时滞Lurie控制系统时滞相关绝对稳定性分析 [J], 白宇;徐兆棣;邓超;刘畅5.基于改进的Lyapunov泛函的时变时滞系统稳定判据 [J], 李佳; 陈刚; 肖会芹因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

遍历论中的一些性质及应用

遍历论中的一些性质及应用

φn(x) n
<
λ, λ

R, x

X ,then
∀ε
>
0,∃N
that
only
rely
on
ε
such
that
φn(x) n
<
λ + ε, n

N, x

X .We
also
apply
this
result
to
get
a
uniform estimation on the growth rate of Lyapunov exponents in the field of
又由 X 的紧性, 可知 φ1(x) 可在 X 上取到最值, 那么对于如上所述的 ε, 存在 N0 使得 n ⩾ N0 时, 有
⩽ . max{N1,N2,...,Np} maxx∈X {|φ1(x)|}
ε
n
2
则需证明 N ′ = max{N0, max{N1, N2, ..., Np}} 就是对所有 x 均一致的 N , 即 ∀ε > 0, ∀n ⩾ N ′, 有
differentiable dynamical systems.
keywords:subadditive Lyapunov exponent
1
苏州大学本科生毕业设计 (论文)
1 论文正文
1.1 知识准备
定义 1.1(拓扑空间) X 上的一个拓扑为 X 的子集的一个族 T , 它满足如下条件: (1)∅ 和 X 在 T 中.
f (Λ) ⊂ Λ, f −1(Λ) ⊂ Λ, 或者等价地:
f (Λ) = Λ.
定义 1.13(次可加数列) 设 {an} 是实数列, 若有 an+p ⩽ an + ap, ∀n, p ⩾ 1, 则称 {an} 为 次可加数列.
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Lyapunov exponents, stability and information
Hugo Touchette Mechanical Engineering Department, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02141
can be readily calculated for any system (linear or not) and can be used as an alternative method
to de ne several stability classes ( xed points, limit cycle, strange attractors). In addition, we shall
what constitutes Lyapunov's direct or second method. Basically, given a dynamical system with
x 2 RD as
that: (i) V
its state-variable, the idea of this has only one minimum located at
htouchet@
Abstract.|This report reviews the theory of Lyapunov exponents and its relevance for the study
of the stability of dynamical systems. The concept of a Lyapunov exponent is rst introduced informally by considering a simple discrete time evolution equation. The de nition of these exponents is then extended to continuous time dynamics and formalized within the density picture of dynamical systems. In addition, we show that these exponents can be systematically calculated and used to determine the stability properties of any systems. They can also be associated with some entropy concepts. In this way, an intuitive connection between stability and information is established and can be extended to an information-theoretical study of control.
distance between two in nitely close points is stretched after each iteration of f. Now, one may be
concerned about the existence of the limit involved in eq.(7) and its uniqueness. For instance, if there
"n = jfn(x0 + "0) ? fn(x0)j
(2)
where fn(x) = f(f( f(x) )) n times, or recursively, fn(x) = f(fn?1(x)). In order to relate "n to the initial separation, we introduce an exponential scaling factor Ln such that
in the next section.
Example 1. Consider the triangular map (also called the tent map):
f(x) = r ?1 ? 2 21 ? x ; x 2 0; 1]
(8)
2.1. Evolution of distances in discrete maps
The starting point of Lyapunov exponent theory is the analysis of the separation in time of in nitesimally close points subjected to an evolution equation. In order to illustrate this concept, let us consider a one dimensional discrete autonomous map of the form
d dx
f
n(x0)
=
f
0(xn?1)
d dx
f
n?1(x0)
=
nY?1 i=0
f
0(xi);
(6)
eq.(5b) may be written as
(x0)
=
nl!im1
1 n
nX ?1 ln
i=0
f 0(xi)
:
(7)
This last expression is of particular signi cance. It de nes e (x0) as a time average factor by which the
following equalities
(x0)
=
nl!im1
"l0i!m0
1 n
ln
fn(x0 + "0) ? fn(x0)
"0
(5a)
=
nl!im1
1 n
ln
df n(x0) dx0
;
(5b)
which de ne the Lyapunov exponent of a map. Furthermore, using the chain rule for the derivative
a locally stable equilibrium point. It is globally stable if is the whole phase space 11, 16].
In theory, the construction of a Lyapunov function is su cient to infer all the stability properties
is a Lyapunov exponent associated with each sample starting point x0, then would appear to be a rather useless quantity. The next example shows that the so-called triangular map possesses only one
"n = Ln"0 = en (x0)"0;

(3)
where
(x0) =
1 n
ln
fn(x0 + "0) ? fn(x0)
"0
:
(4)
2
To make the expression of more precise, we can take the limits "0 ! 0 and n ! 1 to obtain the
xn+1 = f(xn);
(1)
where n is the discrete time (n = 0; 1; 2; : : :). Under the action of this map, the separation of two adjacent points x0 and x0 + "0 becomes after n steps
Since the publication of Lyapunov's monograph \Probleme general de la stabilite du mouvement" in
1892 12], the stability of the xed points of dynamical systems has been extensively analysed using
method is to a xed point
nd a x in
smooth a region
scalar function V RD and (ii)
V(_x
)
such 0 in
. If these requirements are full lled, V is called a Lyapunov function and in this case, x must be
the last section of this work, we argue that this picture can be extended to the study of control from
the point of view of information theory.
2. Lyapunov exponent theory
see that the Lyapunov exponents are closely connected to some information quantities. From this
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