Приложения качественной теории дифференциальных уравнений к биологическим задачам

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

°нных трех типов: асимптотически устойчивому, нейтрально устойчивому или неустойчивому.

Дадим строгое определение устойчивой особой точки.

Определение 5. Особая точка системы называется устойчивой, если для любой окрестности V точки существует некоторая меньшая окрестность этой точки такая, что любая траектория, проходящая через , остается в при возрастании t.

Определение 6. Особая точка системы называется асимптотически устойчивой, если она устойчива и, кроме того, существует окрестность V точки такая, что любая траектория, проходящая через V, стремится к при стремлении t к бесконечности.

Замечание. Любая асимптотически устойчивая особая точка устойчива. Но обратное неверно.

Определение 7. Особая точка системы , которая устойчива, но не асимптотически устойчива, называется нейтрально устойчивой.

Определение 8. Особая точка системы , которая не является устойчивой, называется неустойчивой.

Это значит, что существует такая окрестность V особой точки, что для любой окрестности имеется по крайней мере одна траектория, которая проходит через и не остается в . Например, седло неустойчиво, так как существует сепаратриса, содержащая точки, сколь угодно близкие к началу координат, причем при движении по этой сепаратрисе точка стремится к бесконечности при возрастании времени.

Типы устойчивости простых линейных особых точек:

a)Устойчивый узел, вырожденный узел и фокус обладают следующим

свойством: при траектории стремятся к началу координат. Таким образом, удовлетворяет требованиям определения 5, и эти особые точки асимптотически устойчивы.

Центр не является асимптотически устойчивым, но он устойчив. Это следует из определения 6 с

 

 

Таким образом, центр нейтрально устойчив.

Неустойчивые узел, вырожденный узел и фокус, а также седло неустойчивы.

 

4НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ НА ПЛОСКОСТИ

 

В этом параграфе будем рассматривать фазовые портреты систем - непрерывно дифференцируемая нелинейная функция. Такие фазовые портреты не всегда определяются характером особых точек системы.

 

4.1 ЛОКАЛЬНОЕ И ГЛОБАЛЬНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ФАЗОВЫХ ПОРТРЕТОВ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ

 

При исследовании нелинейных систем часто приходится встречаться с сужениями полных, или глобальных фазовых портретов на некоторую окрестность точки , которую мы можем выбирать сколь угодно малой. Такое сужение называется локальным фазовым портретом в точке .

Замечание. Качественный портрет простой линейной системы определяется характером особой точки. Другими словами, локальный фазовый портрет в начале координат качественно эквивалентен глобальному фазовому портрету системы.

Нелинейные системы могут иметь более одной особой точки, и часто можно для каждой из них построить локальный фазовый портрет. Однако, локальные фазовые портреты не всегда определяют глобальный фазовый портрет.

Определение 1. Замкнутая траектория С на фазовом портрете называется предельным циклом, если она изолирована от всех остальных замкнутых траекторий; точнее, если существует трубчатая окрестность С, не содержащая других замкнутых траекторий.

Типы предельных циклов:

Предельный цикл называется

)Устойчивым, если траектории, проходящие

через окрестность V предельного цикла остаются в этой же окрестности при всех ;

)Неустойчивым предельным циклом, если

траектории, проходящие через окрестность V

предельного цикла покидают ее при всех ;

)Полуустойчивым предельным циклом, если

траектории, проходящие через окрестность V предельного цикла, с одной стороны остаются в этой окрестности, а с другой стороны выходят за ее пределы при возрастании .

Признак отсутствия предельных циклов (Бендиксона):

Запишем в виде системы уравнений:

 

 

Если правые части этих уравнений имеют непрерывные частные производные первого порядка в односвязной области D и выражение

 

 

нигде не меняет знак и не равно тождественному нулю, то в области D нет предельных циклов.

 

4.2ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СИСТЕМ В ОКРЕСТНОСТИ ОСОБОЙ ТОЧКИ

 

Рассмотрим нелинейные системы, имеющие особую точку в начале координат.

Определение 2. Допустим, что систему можно записать в виде

 

(4.1)

 

где .

Линейная система

 

(4.2)

 

называется линеаризацией системы (3.1) (или линеаризованной системой, соответствующей (4.1)) в начале координат. Компоненты линейного векторного поля системы (4.2) называются линейной частью (4.1).

Замечание. Определение 2 можно также применить к особым точкам, отличным от начала координат, введя локальные координаты.

Пусть -особая точка нелинейной системы

 

.

 

При замене переменных

 

 

точка перейдет в начало координат. Координаты называются локальными координатами в точке .

В этих координатах система имеет вид

 

(4.3)

 

где - компоненты вектора X.

Если мы положим

 

 

то (4.3) преобразуется в систему

 

(4.4)

 

Для системы (4.4) интересующая нас особая точка находится в начале координат, и в ней можно строить линеаризацию.

Определение 3. Говорят, что начало координат является простой особой точкой системы , если соответствующая линеаризованная система проста.

Теорема о линеаризации. Пусть нелинейная система

 

 

имеет простую особую точку . Тогда в окрест