Приложения качественной теории дифференциальных уравнений к биологическим задачам

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

отличного от постоянного, то не может быть тождественно равна нулю и, следовательно, в разложении функции по степеням будут отличные от нуля члены.

Таким образом, мы можем написать

 

 

где (так как разложение по степеням и начинается с членов не ниже второй степени и ). Число характеризует красность общей точки кривых

 

Теорема 2. Особая точка , для которой , может иметь следующий качественный характер:

а) характер седла ( при нечетном и );

б) характер узла ( при нечетном и ); причем при узел устойчивый, а при неустойчивый.

в) особая точка с одним узловым сектором и двумя седловыми ( при четном и любом знаке ). При узловой сектор устойчивый, при неустойчивый. Кроме того, если , то траектории узлового сектора стремятся к (при в зависимости от знака ) слева от оси (рис. 4.3 (а)), а если , то справа оси (рис. 4.3 (б)).

В случае, когда рассматриваемая система не имеет канонического вида, направления, в которых траектории стремятся к началу координат, могут быть отличны от направления осей. .Теперь рассмотрим случай, когда .

В этом случае оба характеристических корня особой точки равны нулю.

Систему (4.6) можем привести к виду:

 

 

где аналитические функции, разложения которых по степеням начинаются с членов не менее чем второго порядка.

Рассмотрим следующие функции:

)функцию , являющуюся решением уравнения

 

)функцию , определяемую формулой

 

 

эта функция тождественно не равна нулю (в силу предположения об отсутствии общих множителей, отличных от постоянных у правых частей рассматриваемой системы), поэтому в разложении по степеням будут отличные от нуля члены, и мы можем написать

 

 

3)функцию

 

 

Функция , в отличие от , может тождественно обращаться в нуль.

Рассмотрим сначала случай, когда , так что при некотором Числа и коэффициенты характеризуют качественную структуру особой точки.

Теорема 3. Пусть четное,

Тогда: 1) в случае, если , особая точка имеет качественный характер седло-узла;

) в случае, когда , существует одна полутраектория, стремящаяся к при , и одна полутраектория, стремящаяся к при , все остальные траектории и при возрастании, и при убывании выходят из окрестности (т.е. окрестность особой точки состоит из двух седловых секторов). Такая особая точка называется вырожденным седло-узлом.

Теорема 4. Пусть нечетное число и и пусть

Тогда: 1) если то особая точка имеет качественный характер седла (рис. 4.6);

) если , то особая точка имеет:

а) характер фокуса или центра при , о также при

б) характер узла, если четное и при этом или ;

в) одну замкнутую узловую область, две сопровождающие ее узловые области и одну седловую область (рис 4.7), если нечетное число и при этом и

Рисунки 4.4 - 4.7 выполнены при условии ; в случае на рисунках 4.6 и 4.7 расположение траекторий получается симметричным относительно оси . Все стремящиеся к особой точке с определенным направлением траектории стремятся к ней, касаясь оси . Однако если особая точка является фокусом или центром, то нет траекторий, стремящихся к особой точке, а все траектории в достаточно малой окрестности являются спиралями или замкнутыми траекториями.

 

4.4ОБЫКНОВЕННЫЕ ТОЧКИ

 

Определение 5. Любая точка фазовой плоскости, которая не является особой точкой системы , называется обыкновенной точкой этой системы.

Таким образом, если - обыкновенная точка, то , и в силу непрерывности функции X существует некоторая окрестность точки , содержащая только обыкновенные точки. Это означает, что локальный фазовый портрет в обыкновенной точке не содержит особых точек. Существует важный результат относительно качественной эквивалентности таких локальных фазовых портретов-теорема о выпрямлении векторного поля или теорема о трубке траекторий .

На рис. 4.8- 4.11 показаны локальные фазовые портреты в типичных обыкновенных точках . Для каждой из рассмотренных точек выделена некоторая специальная окрестность, называемая трубкой траекторий. Траектории системы входят в окрестность на одном ее конце и выходят на другом; ни одна траектория не может покинуть эту окрестность через ее боковые стороны. Для каждого из фазовых портретов, изображенных на рисунках, можно найти такие новые координаты на плоскости,

Типичной трубкой траекторий. В полярных координатах это

 

 

При замене переменных и гарантирует существование системы

она имеет вид координат, в которой локальный фаз

. вый портрет в точке принимает вид, изображенный на рис. 4.8.

Например, на рис. 4.9 надо перейти к полярным координатам r, q. На плоскости( r, q), окружности (r = const) превратятся в прямые, параллельные оси q, а радиальные прямые (q = const) станут прямыми, параллельными оси r. Таким образом, трубка траекторий на рис. 4.9 примет в полярных координатах такой вид, как на рис. 4.8.

На рис. 4.10 траектории в окрестности точки лежат на гиперболах . Если мы введем переменные , то трубка траекторий будет ограничена координатными линиями ,

и на плоскости локальный фазовый портрет снова имеет такой вид, как на рис. 4.8.

Теорема о трубке траекторий или о выпрямлении векторного поля. В достаточно малой окрестности обыкновенной точки системы х = Х(х) существует дифференцируемая взаимно однозначная замена переменных у = у(х), переводящая исходную систему в систему .

Теорема о трубке траекторий гарантирует существование новых коор