非线性微分方程解的稳定性
微分方程中的稳定性与周期解
微分方程中的稳定性与周期解微分方程是数学中的重要概念，用于描述许多自然界和科学问题中的变化与变化率。
在微分方程的解空间中，稳定性与周期解是两个关键概念。
本文将讨论微分方程中的稳定性与周期解，并探讨它们在不同类型微分方程中的应用。
一、稳定性稳定性是指微分方程解中的一个重要特性，它描述了系统在扰动（如初始条件的微小变化）下的行为。
稳定性分为两种类型：有界稳定和渐近稳定。
1. 有界稳定有界稳定是指当系统受到扰动时，解的变化被限制在一个有界的范围内。
换句话说，无论初始条件如何变化，解都在一定范围内波动。
这种稳定性在许多实际问题中非常重要，例如电路中的振荡器系统。
2. 渐近稳定渐近稳定是指当系统受到扰动时，解最终趋于一个稳定的平衡状态。
也就是说，随着时间的推移，解会逐渐接近一个固定的值。
这种稳定性可以帮助我们理解许多自然现象，如天体力学中的行星轨道。
二、周期解周期解是指在一定时间间隔内重复出现的解。
周期解在许多周期性现象中都有应用，例如振动系统和生物节律等。
对于一个周期解，我们需要确定它的周期和振幅。
1. 周期周期是指解重复出现的时间间隔。
在微分方程中，我们可以通过分析解的特征来确定周期。
例如，对于振动系统的微分方程，周期解对应于解的正弦或余弦波动。
2. 振幅振幅是指解在周期内变化的幅度。
在微分方程中，振幅可以通过解的极大值与极小值之间的差值来确定。
振动系统中的振幅通常与初始条件有关。
三、应用稳定性与周期解在许多科学和工程领域中都有重要的应用。
下面将介绍在不同类型微分方程中的具体应用。
1. 非线性方程非线性方程的解通常较为复杂，稳定性和周期解的分析对于理解系统行为非常重要。
例如，Lotka-Volterra方程是用于描述捕食和被捕食物种之间关系的非线性方程，通过分析方程的周期解，我们可以预测种群数量的周期性波动。
2. 线性方程线性方程的解相对较简单，但稳定性分析仍然重要。
例如，热传导方程是描述热量传输的线性方程，在稳定性分析中，我们可以确定热传导系统是否会达到热平衡状态。
非线性微分方程及稳定性
定理 (1) 若矩阵A的全部特征值都具有负实部,则系统 (6.12)的零解是渐近稳定的;
(2) 若矩阵A的全部特征值中至少有一个具有正实部,则系统 (6.12)的零解是不稳定的.
定理(Hurwitz准则) 实系数 n 次代数方程
的所有根具有负实部(包括负实根)的充分必要条件是:
定理 若特征方程
没有零根或零实部的根，则非
就有
则称系统(6.3)的零解
是渐近稳定的; 区域
称为
吸引域;如果吸引域是全空间,则称
是全局渐近
稳定的
. (3) 若
都
与
使
但
则称
是不稳定的。
6.3 相平面
现在讨论二阶微分方程组
（6.5）
它的解
（6.6）
如果把时间t当做参数，仅考虑x，y为坐标的（欧氏）空间， 此空间成为方程组（6.5）的相平面（若方程组是高阶的，则称为 相空间）。在相平面（相空间）中方程组的曲线称为轨线。对一般 的方程组（6.5）在相平面上一个点可能有不止一条轨线经过。但 如果方程组（6.5）是驻定方程组，即其右端函数不显含时间t的情 形，此时（6.5）式变成：
为研究（6.1）的特解
邻近的解的性态，通常先利用
变换: 把方程（6.1）化为：
(6.28) （6.3）
其中 此时显然有：
（6.4）
6.2 稳定性的基本概念
定义6.1 设
是系统(6.3)适合初值条件
的解
(1) 若
使得只要
对一切
恒有
则称系统(6.3)的零解
是稳定的。
(2) 若 1)
是稳定的;
2)
使得只要
）趋近于它时，称此极限圈为
稳定的。如果轨线是负向（即
微分方程的稳定性与全局解的存在性
微分方程的稳定性与全局解的存在性微分方程是数学中的重要概念，广泛应用于物理学、工程学、经济学等领域。
对于微分方程的研究，稳定性与全局解的存在性是两个重要的问题。
本文将针对微分方程的稳定性与全局解的存在性展开讨论，并探讨它们在应用中的意义。
一、稳定性分析稳定性是指微分方程解的行为在微小扰动下是否保持不变。
对于一阶线性微分方程，稳定性可通过特征值的符号来判断。
具体而言，若特征值的实部均小于零，则系统稳定；若存在大于零的实部特征值，则系统不稳定。
对于高阶非线性微分方程，稳定性的分析相对复杂。
一种常用方法是通过线性化系统来研究非线性系统的稳定性。
线性化系统是在非线性系统的稳定点附近对非线性系统进行线性逼近得到的系统。
通过分析线性化系统的特征值，可以判断非线性系统的局部稳定性。
二、全局解的存在性全局解是指微分方程在整个定义域上存在且唯一的解。
对于一阶线性微分方程，全局解的存在性一般能得到保证。
而对于非线性微分方程，全局解的存在性则需要满足一定的条件。
全局解的存在性与定理有关。
例如，一个常用的定理是皮卡-里普丝定理（Picard-Lindelöf Theorem），该定理保证了一阶常微分方程在给定条件下存在唯一的全局解。
另外，拉格朗日平均值定理（MeanValue Theorem）也是分析全局解存在性的有用工具。
除了定理，数值方法也可以用来求解微分方程的全局解。
例如，常用的欧拉方法、龙格-库塔方法等数值方法能够逼近微分方程的全局解。
这些数值方法在实际应用中具有重要意义，特别是对于复杂的非线性微分方程。
三、稳定性与全局解的应用意义微分方程的稳定性和全局解的存在性在科学与工程中具有广泛的应用价值。
以下列举几个具体的应用领域：1. 物理学：微分方程广泛应用于物理学中的运动学、电磁学、热力学等领域。
通过稳定性分析和全局解的存在性可以确定物理系统的稳定性和行为。
2. 工程学：微分方程被应用于工程学中的控制系统、信号处理、电路等领域。
微分方程中的稳定解与周期解
微分方程中的稳定解与周期解微积分中的微分方程是描述自然界中各种变化规律的重要工具。
在微分方程的解中，稳定解和周期解是两种常见而重要的解析形式。
本文将探讨微分方程中的稳定解与周期解的性质和特点。
1. 稳定解稳定解是指在微分方程中的解随时间的推移而趋于一个固定的值。
具体而言，对于一阶常微分方程dy/dt=f(t,y)，如果对于任意的初始条件(y0,t0)，解y(t)在t趋于无穷时都趋于一个固定的极限值y∞，则称该解为稳定解。
稳定解的一个典型例子是指数衰减现象。
考虑一阶常微分方程dy/dt=-ky，其中k>0为常数。
可以求得该微分方程的解析解为y(t)=y0e^(-kt)，其中y0为初始条件。
当t趋于无穷时，指数项e^(-kt)趋近于0，因此y(t)趋于极限值0，这就是一个稳定解。
稳定解的图像通常表现为一条渐近于某个水平线或曲线的曲线。
在控制系统、生态学和经济学等领域中，稳定解常常用来描述系统在长时间内的行为趋势。
2. 周期解周期解是指在微分方程中的解在经过一定时间之后回到初始状态的解。
换句话说，周期解是解在时间轴上以一定周期重复出现的解。
周期解的一个简单例子是谐振子的运动。
考虑一个简谐振动系统，其运动方程可用二阶常微分方程描述。
解析解表达式为x(t)=Acos(ωt+φ)，其中A为振幅，ω为角频率，φ为相位。
由于余弦函数是周期性的，因此x(t)在一定时间间隔内会回到初始位置，这就是一个周期解。
周期解的图像呈现出规则的周期性重复特征。
在物理学、电路和天体力学等领域中，周期解经常出现在周期性运动和周期性现象的描述中。
3. 稳定解与周期解的关系稳定解和周期解是微分方程中两种不同类型的解析形式。
它们在数学性质和物理意义上有着显著的区别。
首先，在数学性质上，稳定解通常是解析解，可以通过数学方法精确求解。
而周期解通常是通过数值方法或近似方法求解，因为周期解往往无法用一般的函数表达式表示。
其次，在物理意义上，稳定解描述的是系统的稳定性，即系统趋于平衡或固定状态的趋势。
关于有限时滞非线性微分方程零解的稳定性的两个结论
Ｒ 关于 ｔ ∈Ｒ 一致满足李普希兹条件， ＋ 李普希兹常数满足一定的条件 ， 便可得到系统 （． ） ０４ 的零解的 稳定性可由系统 （． ）的零解的稳定性来决定 ， ０３ 将李雅普诺夫的传统的定理 Ａ中的零解的渐进稳定性 这一结论推广到有限时滞非线性微分方程 ， 也相应地推广 了定理 Ｂ和定理 ｃ 获得了新的结论。 ，
维普资讯
洛 阳师范学院学报 ２０ ０ ７年微 分 方 程 零 解 的 稳定性 的两个 结 论
倪 华 ， 林发 兴
（ ． 苏大学理学院 ， １江 江苏镇江 ２ ２ １ ； ． １０ ３ ２ 福州大学数学 与计算机 科学学院 ， 福建福州 ３ ０ ） ５（ ￣２
考虑 常系数 非线性微 分方程 ：
＝
Ａ ｔ ） ｘ＋ ，
（．） ０ １
其 中 Ａ是一个 ｎ阶 的常数 矩阵 ， ｔ ｔ连续 ， 函数 ｆ 对 。 而 ， ）对 ｔ 和 在 区域 Ｇ ｔ ｔ， 上 连续 ， ： 。 ｓＭ 对
满足李普希兹条件 ， 并且还满足 ｆ ）－ｏ ｆ ｆ ， ０ （ 。 ）和
・
ｌ ８・
洛阳师范学院学报 ２０ ０ ７年第 ２期
其中Ａ ￡ 是定义在 尺 上的 ｎ× 关于 ｔ （） ＋ ｎ 的连续矩阵函数 ， 是常数， ｔ 是对 ∈Ｒ 关于 ｔ ｒ ０ ２ ， ） ∈
Ｒ＋的一 致连续 向量 函数 ， 且还满 足 ｔ ）三 ０ ｔ∈Ｒ＋ 并 ， ０ （ ）。 本文 主要 考虑 系 统 （．）的 零 解 的稳 定 性 ， 减 弱 了定 理 Ａ、 ０４ 并 Ｂ和 Ｃ 中 当 一 ０时 厂ｔ‘）＝ （， ｐ ｏ ｌ ｌ） （１ １ 这一 条件 ， 在系统 （． ）满足投 影为 ， ０３ 的指 数 型二分性 的前提条件 下 ， 只要求 ｔ ， ）对 ∈
非线性微分方程组解的稳定性
非线性微分方程组解的稳定性
谢大来
【期刊名称】《纯粹数学与应用数学》
【年(卷),期】1992(008)002
【总页数】8页(P117-124)
【作者】谢大来
【作者单位】西北大学
【正文语种】中文
【中图分类】O175.14
【相关文献】
1.一类非线性微分方程组解的稳定性 [J], 李天林
2.一类非线性微分方程组解的稳定性判定方法 [J], 倪郁东;辛云冰
3.n阶非线性微分方程组零解的稳定性 [J], 秦宏立;阎卫平
4.一类非线性常微分方程组的零解稳定性的判别准则 [J], 戴林勋
5.一类非线性微分方程组零解的稳定性准则 [J], 刘磊
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四、李雅普诺夫第二方法
讨论如何应用函数来确定非线性微分方程组的稳定性态
问题，为简单起见，我们只考虑非线性自治微分方程组
其中
dx f (x) dt
（7）
x1
x
x2
xn
f1(x1, x2 ,
f
(x)
f2 (x1,
x2 ,
fn (x1, x2 ,
, xn )
xn
)
xn
)
假设f (0) 0 且 f (x) 在某域G : x A ( A为正常数)内连续的偏导 数，因而方程组（7）的由初始条件x(t0 ) x0 所确定的解在原 点的某个邻域内存在且唯一。显然 x 0 是其特解。
时是定负的。
定理3 如果对微分方程组（7）可以找到一个定正函V数(x) ，其通过（7）
的全导数dV 为常负函数或恒等于零，则方程组（7）的零解为稳定
dt
的。如果有定正函V数(x) ，其通过（7）的全导数dV 为定负的，则方 dt
程组（7）的零解为渐近稳定的。
定理4 （零解稳定判别定理） 对系统
dx F (x), x Rn dt
• 3.线性问题是非线性问题的基础,在一定条件 • 下，非线性问题在局部可以转化为线性问题 • 来讨论。非线性问题的大范围分析仍然是一 • 个难题。
19世纪末20世纪初
Poincare(法国) 创立微分方程定性理论 Liapunov(俄国) 创立微分方程稳定性理论
Logistic方程 Logistic方程
的。
五、结论
本文简述了非线性系统，根据非线性稳定性定理对方 程解的稳定性作了分析，非线性系统主要采用李雅普诺夫 第二方法进行稳定性判断。李雅普诺夫第一方法是将非线 性方程线性化，然后根据线性化后的方程的稳定性就可以 知道原非线性方程在定点邻域内的稳定性。李雅普诺夫第 二方法是构造李雅普诺夫函数不求解方程，用类似能量函 数直接做出判断。
第十一讲 非线性微分方程定性 与稳定性理论(1)
{
}
定义3: 定义3: 若 ∃ε 0 > 0 对 ∀δ > 0 ，∃ x 0尽管 x0 ≤ δ ， 但由初始条件 x (t0 ) = x0 确定的解 x (t ) ,总存在某 个时刻 t1 > t0 使得
x (t1 ) ≥ ε 0
则称（3）式的零解 x = 0是不稳定的。 是不稳定的。 则称（
(a)
A > 0, B > 0
t
0
ε
y′ > 0
(b )
A < 0, B < 0
二、相平面
本节主要讨论二阶线性方程
dx dt = ax + by dy = cx + dy dt
的奇点及其分类
a b ≠0 c d
一般二阶微分方程组的相关概念和性质
dx = X (t; x , y ) dt dy = Y (t; x , y ) dt
0
则称（3）式的零解 x = 0 是稳定的。 是稳定的。 则称（ 若（3）式的零解稳定,且 ∃δ0 >0 使得当 x0 ≤ δ 0时, 式的零解稳定, 由 x (t0 ) = x0 确定的解 x ( t )有 则称零解 x = 0 是渐近稳定的. 是渐近稳定的.
t → +∞
lim x ( t ) = 0
x = y − ϕ (t ) ɺ ɺ ɺ ⇒ x = y − ϕ (t ) = g (t ; y ) − g (t ;ϕ (t )) =g (t ; x + ϕ (t )) − g (t ;ϕ (t )) ≡: f (t ; x )
ɺ x = f (t ; x )
f (t ;0) = 0
非线性微分方程的周期解和极限环
非线性微分方程的周期解和极限环非线性微分方程是数学中的一种重要的研究对象。
在物理学、生物学、经济学等领域中，非线性微分方程也起着不可替代的作用。
其中，周期解和极限环是非线性微分方程的两种重要解法，下面将进行详细介绍。
一、周期解周期解是指在某些非线性微分方程中，存在一种解形式，该解在时间上周期性出现。
周期解的一个经典例子是Van der Pol振荡器模型，该模型描绘了由非线性电感和静电元件组成的电路中的振荡现象。
Van der Pol振荡器的方程可以表示为：$$\frac{d^2x}{dt^2} - \mu (1 - x^2) \frac{dx}{dt} + x = 0$$其中，$x$表示电路中的电荷电流，$\mu$表示系统的某个常数。
该方程的周期解可以表示为：$$x(t) = a \cos(\omega t - \phi)$$其中，$a$、$\omega$和$\phi$为常数。
这种周期解体现了Van der Pol振荡器的周期性特征。
二、极限环不同于周期解的周期性，极限环是指某些非线性微分方程中，解形式不断旋转缩小，最终收敛于一种恒定的形式。
极限环可以解释很多自然现象，例如天体运动、生物进化等。
极限环最早被发现于天体运动中。
开普勒三定律描述了天体间的运动，但是对于多个天体的情况，求解轨道运动并不简单。
在19世纪初，拉普拉斯提出了一个重要的结论，称之为拉普拉斯-杨定理。
该定理认为，只要天体系统具有一些特定的性质，就可以保证其运动形式是稳定的。
这些性质被称为拉普拉斯不变量。
类似地，极限环也可以应用于非线性微分方程的稳定性分析。
对于某些非线性微分方程，如果其极限环是稳定的，那么该方程的解就具有稳定性。
例如，假设存在一个非线性微分方程：$$\frac{d^2x}{dt^2} + \epsilon (1 - x^2) \frac{dx}{dt} + x = 0$$其中，$\epsilon$表示某个常数。
如果该方程的解具有稳定的极限环，那么该方程的解可以表示为：$$x(t) = a \cos(\omega t - \phi) + O(\epsilon^2)$$其中，$a$、$\omega$和$\phi$为常数。
非线性微分方程解的稳定性
非线性微分方程解的稳定性非线性微分方程解的稳定性是数学物理等多个学科面对微分方程解时所要考虑的重要问题。
一、非线性微分方程解的稳定性1. 含有稳定性的概念非线性微分方程求解的稳定性是指改变求解方法或迭代步长时，得到的求解结果的差异是限定的范围，从而确定所使用的解法或迭代过程的可靠性。
2. 非线性微分方程求解的稳定性判断求解非线性微分方程的稳定性主要判断其所使用的解法的收敛性以及使用的迭代步长的可靠性。
二、影响非线性微分方程解稳定性的因素1. 微分方程本身特征由于求解非线性微分方程的过程是多参数的复杂迭代运算，它本身的复杂性也影响了求解的稳定性。
如方程的阶数较高、参数较多等，它们会加大求解过程的难度，影响对结果的准确性及稳定性。
2. 求解方法的限制由于当下的求解方法还不能充分支撑求解非线性微分方程解过程，因而会造成求解结果的不稳定性。
3. 天气因素除了方程本身及求解方法等原因之外，天气因素也会直接影响非线性微分方程求解的稳定性，对天气变化的相关参数实时的监测和分析，及时调整迭代过程的参数设置，也是影响求解稳定性的一个重要因素。
三、维持非线性微分方程解稳定性1. 加强数值分析求解非线性微分方程时可以使用更加先进、准确的数值分析技术，分析问题的不确定性等，进行参数预估，从而可以稳定微分方程求解的结果。
2. 针对性修改求解方法多种求解方法可以在一定程度上修正或调节求解结果的不稳定性，以及减轻重要的误差，从而避免非线性微分方程求解的稳定性出现明显的变化。
3. 建立状态变化分析模型根据各参数的变化和影响，建立状态变化分析模型，可以更好地把握系统的运行情况变化，从而保证非线性微分方程解的稳定性。
四、总结微分方程求解的稳定性是指求解结果随参数变化或求解方法变化的差异，其稳定性的确定及提高是面对此类问题必须认真考虑的，应通过加强数值分析，针对性修改求解方法，建立状态变化分析模型等多种方法，以确保非线性微分方程求解的稳定性及准确性。
几类非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性研究开题报告
几类非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性研究开题报告一、研究背景和意义时滞微分方程是非线性动力系统中重要的研究对象之一。
时滞是一种常见的物理现象，例如化学反应、电路滞后、物理学中的传播过程等都具有时滞特性。
时滞微分方程的研究不仅有助于我们理解复杂动力系统的行为，而且在控制工程、物理学、生物学等方面也有广泛的应用。
现有的对非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性的研究工作主要集中在以下几个方面：1. 基于Lyapunov方法的稳定性研究。
利用Lyapunov函数来判断系统解的稳定性，这种方法常用于研究非线性时滞微分方程的稳定性。
2. 基于Laplace变换的稳定性研究。
利用Laplace变换将时域微分方程转换为复平面的代数方程，可通过求解代数方程的根来判断系统的稳定性。
3. 基于两参数扰动法的稳定性研究。
利用误差函数扰动原解，通过求解新的微分方程来分析解的稳定性。
4. 基于数值模拟的稳定性研究。
通过数值模拟求解微分方程，分析解的稳定性和有界性。
虽然已经有了很多关于非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性的研究成果，但是这些方法在一些复杂的系统中难以应用，而且精度有限。
因此，我们需要探索新的研究方法来更好地分析非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性。
二、研究目标和内容本课题旨在研究非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性。
主要目标是在已有的理论基础上，探索新的分析方法来更深入地研究非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性。
具体内容包括：1. 探讨非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性的理论基础，分析各种方法的优缺点。
2. 阐述新的分析方法的原理和具体实现方法，并进行数学证明。
3. 针对某些具体的非线性时滞微分方程，进行稳定性和有界性分析，并得出相应的结论。
三、研究方法和步骤本论文将采用总结分析、数学证明、计算机模拟等方法来达到研究目的。
具体步骤如下：1. 搜集并综合各种相关文献、资料，总结归纳各种非线性时滞微分方程解的稳定性和有界性研究方法。
江苏大学-常微分方程-6.2 非线性方程组零解稳定性判定-V函数法
h(x,y,z) x (x y) z 定负函数：若 - V(x)为定正函数， 则称V( x)为定负函数。
2 2 4
例子：f(x) x 2; g(x,y) x 2 - y 4; h(x,y,z) x 2xy y x y
2 2 2 2
2. 2 常号函数
常正函数：若V( x) 0, x , 则称V( x)在{ x }上为常正函数。
例子：f(x) x ; g(x,y) x ;
2 2
h(x,y,z) x (x y) z 常负函数：若 V(x)为常正函数， 则称V( x)为常负函数。
2 2 4
第二节 稳定性判定-V函数方法
Yuhai Wu
yuhaiwu@
Faculty of Science, Jiangsu University
提纲
1. 引例 2. 定号函数定义和V函数定义 3. 渐近稳定性判定定理 4. 稳定性判定定理 5. 不稳定性判定定理
1. 一个由线性化方法无法判定稳定性 例子
dx dy 2 2 3 例子： 考察方程组 -x xy , -2x y - y . dt dt 零解的稳定性。
4. 1 稳定性判定--V函数方法
dx dy 考察方程组 P(x,y), Q(x,y). dt dt 若P(0,0) Q(0,0) 0,即方程组存在 零解 ， 且存在V(x, y)为 V函数 ，使得V(x, y)沿方程解曲线的 全导数 为 常负函数 或 恒等于零 ， 则方程组的零解为 稳定的 。 dx dy 3 例子： 考察方程组 -x 2y , -2xy 2 dt dt 零解的稳定性。
dx dy 考察方程组 P(x,y), Q(x,y).若 V(x,y) dt dt dV V dx V dy 为V函数，称 为 dt x dt y dt V(x,y)沿方程解曲线的 全导数 。
常微分方程6.1非线性微分方程的稳定性
• 如果方程组(6.7)的零解x=0稳定，且存在0，使当 ||x0||≤ 0时，满足初值条件x(t0)= x0的解x(t)均有
•
t
lim
x(t
)
0
,则称零解是渐近稳定的。
10:27
6.1 非线性微分方程的稳定性
12
(续) 稳定性定义 稳且定仅性当定x义0如D0果时零，解满x足=0初渐值近条稳件定x，(t0且)= 存x0的在解域xD(0t，)均当有
因此，这样不稳定的特解将不宜作为设计的依据， 而稳定的特解才是我们想要的。微分方程的解的表达 式一般来讲是不容易得到的，我们现在就是要研究在 不求出解的表达式的情况下判断方程的解的稳定性态。
• 为了方便研究(6.1) d y g(t; y) 的解的性态，对方
dt
• 程组（6.1）作如下变换：
10:27
的解的性态，即存在唯一性、解的延拓和解对初值 的连续性、可微性等。
下面给出相应的概念和定理：
考虑(6.1)在初值y(t0 ) y0 (6.2) 所在点(t0；y0 ) (t0; y10, y20, , yn0 )的某区域 R : t t0 a, y y0 b上初值问题的解.
10:27
6.1 非线性微分方程的稳定性
6.1 非线性微分方程的稳定性
8
设
d y g(t; y) dt
的某一特解是y= φ(t),作变换 x=y-φ(t)
则上面方程组化为方程组
dx dt
f (t; x),
的零解，即
上方面程关 组于d xy的 f方(t;程x) 的组零的特解解。y= φ(t)变为关于x的
dt
注：上面 f (t; x) g(t; y) d φ(t) g(t; x φ(t)) g(t;φ(t))
非线性微分方程解的稳定性研究
作者简介淳 坤（ １ ９ ８ １ 一 ） ， 男， 山东临沂人， 淮北师范大学数学科学学院讲师， 理学博士， 研究方 向： 微分方程与动力系统。 基金项 目： 安徽高校省级 自然科学研究项 目（ 基金号 ： Ｋ Ｊ ２ ０ １ ３ Ｂ ２ ４ ５ ） 。
１ ５ ０
㈩
二
（ ２ ） 老 一 ＝ 一 鲁＝ （ 口 为 参 数 ） ，
（ 淮北师范大学数学科学学
要： 文章从非线性微 分方程 解的稳 定性 一些判定方 法入手 ， 结合 一些典型例题 来研 究非线
性微分方程解 的稳定性。 关键词 ： 非线性微分 方程 ； 稳 定性 ； Ｖ 函数
中图分类号 ： ０１ ９ ３
文献标识码 ： Ａ
方 程组 的零解 是稳 定 的 ； 当ａ ＞ Ｏ时 ， 方 程组 的线
性 近似 方程 组具 有 正实 部 的特 征 根 ： 入 Ｊ ＝ ０ ， ｋ ２ ＝ ａ ＞ 二、 利 用 构 造 函数 方 法 来 判 定 解 的 稳 定 性 ０ ， 因而方程组 的零解是不稳定的 。
注： 寻找 的 Ｖ函数 只要在零解 的某 一邻域 内 通 过讨论 函数 过方 程 的全导 数 的符号 可 满足条件 即可， 只考虑局部稳定性 。 判定解 的稳 定性， 但如何构 造满足特定 性质 的 三、 按 线 性 近 似 决 定 稳 定 性 函数 是一 个有 趣 而复 杂 的问题 。有 一定 的技 巧 性 。下面给 出 函数 的存在性结论 。 定理 １ ： 若一 阶线性方 程组 ｘ 的特征 按 线 性 近 似 决 定 稳 定 性 对 非 线 性 项 要 求 比 根 均不 满 足关 系 ＋ ｋ ｊ ＝ Ｏ （ ｉ ， ｊ ＝ ｊ ， ２ …， ， １ ） ， 则对 任 较 高 ，需要非 线性项是线性项 的高 阶无穷小 ， 并 何 负定 （ 或正定 ） 的对称矩 阵 Ｃ ， 均 有唯一 的二次 且 还依赖 于一 次近似 系统初 级 因子 的次数 ， 这在 型 ＝ Ｂ ｘ ｒ － 使其通 过方程组 的全导数 定程度 上限制 了该方 法的使用 。 ｔ ｌ ｖ ＝Ｘ ｒ Ｃ Ｘ ｒ Ｃ ｒ ＝ ，且 对称 矩 阵 口满 足 Ａ ｒ Ｂ ＋ Ｂ Ａ ＝ Ｃ， 这里 Ａ ｒ ， Ｂ ｒ ， Ｃ ｒ ， Ｘ ｒ 分别表示 Ａ Ｊ Ｂ ， Ｃ ， Ｘ的转 置 。 解： 令 ｙ ＝ 五 ｚ ＝ ， 则原方程化为 若 Ａ的特 征根 均具有 负 实部 ， 则 ｘ Ｊ 定正 （ 或定
微分方程的稳定性分析
微分方程的稳定性分析稳定性分析是微分方程研究中的重要内容，它关注的是系统解的长期行为。
通过稳定性分析，我们可以了解系统解的极限情况，以便更好地理解和预测系统的行为。
一、什么是微分方程的稳定性分析微分方程的稳定性分析是通过研究方程解的渐进行为来确定方程的稳定性质。
在稳定性分析中，我们需要关注解的局部和整体行为，包括解的收敛性、周期性和渐近性等。
二、稳定性分析的方法稳定性分析有多种方法，常见的包括线性稳定性分析、李雅普诺夫稳定性分析和拉普拉斯变换等。
下面我们将介绍其中的两种方法。
1. 线性稳定性分析线性稳定性分析是一种常用的稳定性分析方法，适用于线性微分方程或非线性微分方程的线性化问题。
该方法通过分析线性近似方程的特征值来判断系统的稳定性。
线性稳定性分析的基本步骤如下：1）求出线性近似方程；2）求解线性近似方程的特征值；3）根据特征值的实部和虚部判断系统的稳定性。
2. 李雅普诺夫稳定性分析李雅普诺夫稳定性分析是一种适用于非线性微分方程的稳定性分析方法，主要用于判断解的渐进稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析的基本思想是引入李雅普诺夫函数或李雅普诺夫方程，通过研究该函数或方程的性质来判断系统的稳定性。
常见的李雅普诺夫稳定性定理有李雅普诺夫第一定理和李雅普诺夫第二定理。
三、稳定性分析的应用稳定性分析在很多领域中有广泛的应用，以下举两个例子说明。
1. 电路分析在电路分析中，稳定性分析可以用来判断电路的稳定性和输出响应的稳定性。
通过对微分方程进行稳定性分析，可以预测电路的稳态工作点和响应特性，为电路设计和优化提供指导。
2. 生态学研究在生态学研究中，稳定性分析可以用来分析种群的演化和稳定性。
通过建立动态方程，研究种群数量随时间的变化规律，可以评估种群的稳定性和系统的可持续性。
四、总结稳定性分析是微分方程研究中的重要内容，它通过分析方程解的渐进行为来确定系统的稳定性质。
常用的稳定性分析方法有线性稳定性分析和李雅普诺夫稳定性分析。
二阶非线性微分方程的稳定性
二阶非线性微分方程的稳定性：一阶非线性微分方程的稳定性是指该方程在特定条件及其解的未来行为，尤其是其稳定性（也称为收敛性）方面的性质，这种性质也称之为稳定性。
二阶非线性微分方程也有着这种稳定性，但由于它的非线性性质，其稳定性也不同于一阶方程。
首先要明确，什么是一阶微分方程？它是指函数y(t)的一个或多个关于时间t的副导数的函数。
这种方程最常见的情况是变量具有线性关系，这时，只要通过解方程就可以求解变量的值。
通常，解一阶微分方程的稳定性可以用来确定系统的未来状态，这与一阶微分方程有关。
了解了一阶微分方程，那么就可以讨论二阶微分方程的稳定性。
它也可以用来表示变量的线性关系，不过它包含一个变量的二阶导数，而不是一阶导数。
由于二阶导数的概念，二阶微分方程的非线性性质比一阶方程更为明显。
这意味着给定任何解，可以观察系统的稳定性的行为如何变化。
了解了二阶微分方程的非线性性质，我们将进一步讨论其稳定性。
根据本原定理，二阶微分方程的收敛性取决于其动力学特性，而动力学特性又受到变量的相互作用以及外部条件的影响。
比如，假设存在一个复杂的非线性系统，由于外部条件的不同，其变量的相互作用会导致该系统的动力学行为而发生变化，从而影响到系统的稳定性。
因此，可以得出结论，二阶非线性微分方程的稳定性取决于变量的相互作用和外部条件，这一结论也反映了非线性性质对二阶微分方程的影响。
两阶微分方程的收敛性可以通过分析变量的相互作用及其外部条件来确定或分析，以便实现系统的及时稳定。
综上，二阶微分方程的稳定性取决于变量的相互作用及其外部条件的影响，这使得系统的动力行为可以不断变化，影响到其未来的收敛稳定性。
因此，要想得出安全稳定的解，必须要精确到位地分析和研究变量的动力学行为。
微分方程稳定性
微分方程稳定性微分方程是数学中重要的工具，用于描述自然界中的现象和规律。
研究微分方程的一个重要问题是确定其解的稳定性，即在不同条件下方程解的行为。
本文将探讨微分方程稳定性的一些基本概念和方法。
一、稳定性的概念在研究微分方程稳定性之前，我们首先要了解什么是稳定性。
在微分方程中，稳定性意味着方程解在初始条件发生微小变化时，解的行为是否保持不变或者趋于某种平衡状态。
稳定性分为三种类型：稳定、不稳定和半稳定。
稳定解是指当初始条件发生微小变化时，方程解的行为保持不变。
不稳定解是指在微小变化下，方程解的行为发生显著变化。
半稳定解则介于稳定和不稳定之间，当初始条件发生微小变化时，方程解可能保持不变，但也可能有一些微小的变化。
二、线性系统的稳定性对于线性微分方程（形如dy/dt=Ay，其中A为常数矩阵），我们可以通过特征值来判断其稳定性。
特征值决定了系统的稳定性和解的行为。
如果所有特征值的实部都小于零，系统为稳定。
如果存在一个或多个特征值的实部大于零，系统为不稳定。
而当特征值的实部既有小于零的也有大于零的时候，系统为半稳定。
三、非线性系统的稳定性对于非线性系统，判断稳定性要更加复杂一些。
常用的方法之一是通过线性化来近似分析非线性系统的稳定性。
线性化是将非线性系统在某一平衡点附近进行线性近似，然后通过线性系统的方法来分析其稳定性。
通过计算线性化矩阵的特征值，可以得到非线性系统的稳定性信息。
除了线性化方法外，还有其他方法可用于分析非线性系统的稳定性，例如：拉普拉斯变换、极限环理论、李雅普诺夫稳定性理论等。
具体选择哪种方法要根据具体问题的特点来决定。
四、例子分析考虑一个简单的非线性系统：dy/dt=−y^3+2y。
对于这个系统，我们可以通过线性化研究其稳定性。
首先计算平衡点，令dy/dt=0，得到y=0和y=±√2。
将这些平衡点代入方程，计算线性化矩阵的特征值。
在y=0附近线性化，得到线性化方程为dη/dt=−3y^2η，其中η是线性化误差。
非线性微分方程及稳定性
如果向量函数 g (t; y ) 在某域 G 内连
续，且关于 y 满足局部里普希茨条件，则方程组（6.1）的满足初始
条件 y(t0 ) y0 的解 y (t; t0 , y0 )((t0 , y0 ) G) 可以延拓，或者延拓 到 (或 - ); 或者使点 (t , (t; t0 , y0 )) 任意接近区域 G 的边界。
则n阶微分方程可以用一阶方程组
dy 写成向量形式： g (t ; y ) dt
（6.1）
设给定方程组（6.1）的初始条件为 y(t0 ) y0 考虑包含点(t0 , y0 ) (t0 ; y10 ,, yn0 ) 的某区域 R :| t t0 | a, y y0
b
所谓 g (t; y0 ) 在域 G 上关于 y 局部满足利普希茨条件是指对于 G
6.2 稳定性的基本概念
定义6.1 设 的解 (1) 若
x(t; t0 , x0 )
是系统(6.3)适合初值条件 x(t0 ) x0
使得只要 x0 , 对一切
0, ( ) 0,
t t0
恒有
x(t; t0 , x0 ) ,
则称系统(6.3)的零解 (2) 若 1) 2)
R 上连续且关于
y 满足利普希茨条件，则方程组（6.1）存在唯一解 y (t; t0 , y0 ),
它在区间 t t0 h 上连续，而且 (t0 ; t0 , y0 ) y0 b 这里 h min( a, ), M max g (t ; y ) . ( t , y )R M 解的延拓与连续性定理
内任意点 (t0 , y0 ), 存在闭邻域 R G, 而 g (t; y0 ) 与
非线性随机延迟微分方程半隐式Milstein方法的均方稳定性
０ 引 言
由于考虑 了噪声 环境 及 时问滞后 对 系统 的影响 ， 随机 延迟 微 分方 程 往往 能够 更 真 实地 描 述 科 学实 际 中 的问题． 已经 被广 泛地 应用 于诸如 经济 学 、 械控 制 、 物和人 口动 力学 等研究 领域 ． 而除 了少数 的线 性 它 机 生 然
考虑非线性标量随机延迟微分方程其中常数r0为延迟量埘t是一维标准wiener过程初值函数妒tec一r0r是凡可测的且满足eii妒02其中ii妒sup嘲ol妒1lji表示足空间中向量的范数如果函数fg充分光滑且满足lipschitz条件和线性增长条件则方程1有唯一强解xt
第 ２ 第 ９期 ６卷 ２ １ 年 ９ 月 ００
稳定 的条件 ．
本 文主要 针对 一般 的非线 性 随机延 迟微分 方程 ， 明 了如 果系 统本 身 的理 论解 满 足均方稳 定性 条件 ， 证 那
么当方程的漂移项和扩散项满足一定 的条件时， 半稳式 Ｍ ｌ ｅ ｉ ｔｎ方法也是均方稳定 的． ｓｉ
究 了 Ｅ ｌｒ ｕｅ —Ｍａｕａ 方 法和半 隐式 Ｅ ｌ 方法 的均 方稳定 性并 对 Ｆ ｋ ｅ —Ｐａｃ 方 程 ， 到 了 Ｍｉｔｉ方 ｒｙｍａ ｕｅ ｒ ｏｋ ｒ ｌｎｋ 得 ｌｅｎ ｓ 法的稳 定性结 论 ．０ ８年 ， 志勇 和张诚 坚 针对 一般 的非 线性 随机延 迟微 分方 程 ， 出 Ｍｉｔｉ 法 均方 ２０ 王 给 ｌｅｎ方 ｓ
王 梅 真
（ 福州大学 数学与计算机科 学学院 ， 福建 福州 ３ ０ ０ ） ５ １８
摘
要： 针对一般的非线性随机延 迟微 分方程 ， 明了如果 系统本身的理 论解 满足 均方稳定性 条件 ， 么当方 证 那
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容易得到满足初值条件的特解为
y
A
B
A y0
B
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微分方程解的稳定性严格定义:
考虑微分方程组
y&1 g1(t; y1, y2 ,L , yn )
y&2 L
L
g2 L
(t; L
y1, L
y2 ,L LL
, L
对一切 t t成0 立，则称微分方程
dx f (t, x)
(3)
dt
的解是稳定的，否则是不稳定的。
定义1 如果对任意给定的 0，存在 ( ) 0（ 一 般与 和t0 有关）,使得当任一 x0
满足 x0 时，方程组（3）满足初始条件x(t0) x0 的 x(t)解，均有 x(t) 对
• 3.线性问题是非线性问题的基础,在一定条件 • 下，非线性问题在局部可以转化为线性问题 • 来讨论。非线性问题的大范围分析仍然是一 • 个难题。
19世纪末20世纪初
Poincare(法国) 创立微分方程定性理论 Liapunov(俄国) 创立微分方程稳定性理论
Logistic方程 Logistic方程
四、李雅普诺夫第二方法
讨论如何应用函数来确定非线性微分方程组的稳定性态
问题，为简单起见，我们只考虑非线性自治微分方程组
其中
dx f (x) dt
（7）
x1
x
x2
L
xn
f1(x1, x2 ,L , xn )
f (x)
f2 (x1, x2 ,L
xn
)
M
fn (x1, x2 ,L
xn
)
假设f (0) 0 且 f (x) 在某域G : x A ( A为正常数)内连续的偏导 数，因而方程组（7）的由初始条件x(t0 ) x0 所确定的解在原 点的某个邻域内存在且唯一。显然 x 0 是其特解。
定义4 假设V (x)为在域 x H内定义的一个实连续函数，V (0) 0 如果在此域内恒有 V (x) 0，则称函数 V 为常正的。如果对一 切 x 0 都有V (x) 0，则称函数 V 为定正的。如果函数是 V 定正（或常正）的，则称为 V 定负(或常负）。
yn L
)
y&n gn (t; y1, y2 ,L , yn )
或其向量形式
yv& gv(t; yv)
(1)
其中
yv y1 y2 L yn T
gv g1 g2 L gn T
注: 对n阶方程
z(n) g(t; z, z ',L , z(n1) )
(2)
可取变换 y1 z, y2 z,L , yn z(n1)
一切 t t0 成立，则称方程组（3）的零解 x 0 为稳定的。
定义2 如果方程组（3）的零解 x 0稳定，且存在这样的 0 0 ，使当 x0 0时，
满足初始条件x(t0) x0
的解x(t) 均有lim x(t) 0 ,则称零解 x 0 t
为渐近稳定的。
定义3 如果 x 0 渐近稳定，且存在域 D0 ,当且仅当 x0 D0 时满足初始条件x(t0 ) x0
的。
三、按线性近似决定微分方程的稳定性
考虑n维常系数线性方程组 dx Ax
(4)
dy
其中为n阶常数矩阵。
它的任意解均可表现为形如：
li
cit em it
m0
的线性组合，这里i 为方程组的系数矩阵A 的特征方程
det(A E)
（5）
的根，为零或正整数，由根的初级因子的次数决定。
定理1 若特征方程（5）的根均具有负实部，则方程组（4）的零解是渐近 稳定的.若特征方程具有正实部的根，则方程组（4）的零解是不稳定的.若 特征方程（5）没有正实部的根，但有零根或具零实部的根，则方程组（4） 的零解可能是稳定的也可能是不稳定的。这要看零根或具有零实部的根其 重数是否等于1。
两个常数解(平衡解):
ห้องสมุดไป่ตู้
dy Ay By2 dt
dy Ay By2, dt
y(0) y0
A y1(t) 0, y2 (t) B
问题：该方程的其它解与这两个平衡解有何关系？具体地说，初值在两个平 衡解附近的解的长期行为怎样？这就是解的稳定性问题。
现在假设 y 0, A , 那么 B
dy dt y(A By)
化为（1）式的特殊形式
y&1 y2 Ly&2LLy3
y&n1
yn
y&n g (t; y1, y2 ,L , yn )
问题:（1）式的解存在唯一吗？解能延拓吗？解对初值、参数有连续依赖性和 可微性吗？
当向量值函数gv(t; yv) 满足下面的Lipschitz条件时，上述问题 的回答是肯定的。这一点从前面的基本定理可以推得。
考虑非线性方程组 其中,R(0) 0 且满足条件
dX AX R( X ) dt
R(X ) 0
X
（6） (当 x 0时）
显然是方程组（6）的解，亦是方程组的奇点。
定理2 若特征方程（5）没有零根或零实部的根，则非线性微分方程组（6） 的零解的稳定性态与其线性近似的方程组（4）的零解的稳定性态一致，这就 是说，当特征方程（5)的根均具有负实部时，方程组（6）的零解是渐近稳定 的，而当特征方程具有正实部根时，其零解是不稳定的。
本论文内容提要
• 一、非线性方程的基本概念 • 二、李雅普诺夫函数的稳定性 • 三、按线性近似决定微分方程的稳定性 • 四、李雅普诺夫第二方法 • 五、结论
一、非线性微分方程的基本概念
• 1.自然界绝大部分现象是非线性现象，非线 • 性现象是一种非常复杂的现象。
• 2.绝大部分微分方程不能用初等积分法来解。
的解x(t)
均有
lim x(t) 0
t
，则称域
D 0 为（渐近）稳定域或吸引域。若稳定域为全空
间，即0 ，则称零解 x 0 为全局渐近稳定的或简称全局稳定的。
当零解 x 0 不是稳定时，称它为不稳定的。即是说：如果对某个给定的 0 不管 0 怎样小，总有一个x0 满足 x0 ，使得由初始条件 x(t0) x0 ,所确定的 解 x(t) ，至少存在某个 t1 t0 使得 x(t1) 则称方程组（3）的零解x 0 为不稳定
gv(t; yv%) gv(t; yv) L yv% yv
L 称为利普希茨常数，范数定义为
yv
n
yi 2
i 1
二、李雅普诺夫函数的稳定性
如果对于任意给定的 0， 和 t0都存在 （，t0 ) 0,只要使得 x0 - x1
就有
x(t,t0 , x0 ) -(t,t0 , x1)