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数学
题目

2.给出由自治微分方程组(dx)/(dt)=-y+1, (dy)/(dt)=x-2所确定的动力系统.

2.给出由自治微分方程组 $\frac{dx}{dt}=-y+1,$ $\frac{dy}{dt}=x-2$ 所确定的动力系统.

题目解答

答案

为了分析由自治微分方程组 \[ \frac{dx}{dt} = -y + 1, \quad \frac{dy}{dt} = x - 2 \] 所确定的动力系统,我们将遵循以下步骤: 1. **找到平衡点:** 平衡点是满足 $\frac{dx}{dt} = 0$ 和 $\frac{dy}{dt} = 0$ 的点 $(x, y)$。因此,我们解方程组: \[ -y + 1 = 0 \quad \text{和} \quad x - 2 = 0. \] 从第一个方程,我们得到 $y = 1$。从第二个方程,我们得到 $x = 2$。因此,平衡点是 $(2, 1)$。 2. **线性化系统:** 为了确定平衡点的稳定性,我们将系统在平衡点附近线性化。我们首先找到向量场 $\mathbf{F}(x, y) = \begin{pmatrix} -y + 1 \\ x - 2 \end{pmatrix}$ 的雅可比矩阵。雅可比矩阵 $\mathbf{J}$ 由下式给出: \[ \mathbf{J} = \begin{pmatrix} \frac{\partial}{\partial x}(-y + 1) & \frac{\partial}{\partial y}(-y + 1) \\ \frac{\partial}{\partial x}(x - 2) & \frac{\partial}{\partial y}(x - 2) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}. \] 由于雅可比矩阵是常数,它在任何点,包括平衡点 $(2, 1)$ 处都是相同的。 3. **分析雅可比矩阵的特征值:** 为了确定平衡点的稳定性,我们找到雅可比矩阵的特征值。矩阵 $\mathbf{J}$ 的特征值 $\lambda$ 是特征方程的解: \[ \det(\mathbf{J} - \lambda \mathbf{I}) = 0, \] 其中 $\mathbf{I}$ 是单位矩阵。代入 $\mathbf{J}$,我们得到: \[ \det\begin{pmatrix} -\lambda & -1 \\ 1 & -\lambda \end{pmatrix} = \lambda^2 + 1 = 0. \] 解 $\lambda^2 + 1 = 0$,我们得到 $\lambda = \pm i$。由于特征值是纯虚数,平衡点 $(2, 1)$ 是一个中心。这意味着解是周期性的,围绕平衡点旋转。 4. **写出最终答案:** 动力系统的平衡点是 $(2, 1)$,它是一个中心。因此,解是周期性的,平衡点是稳定的,但不是渐近稳定的。 平衡点是 $\boxed{(2, 1)}$。

解析

考查要点:本题主要考查自治微分方程组的平衡点分析,包括平衡点的求解、线性化方法以及通过雅可比矩阵的特征值判断平衡点的稳定性。

解题核心思路:

  1. 寻找平衡点:令各微分方程等于零,解联立方程组。
  2. 线性化系统:计算雅可比矩阵,确定平衡点附近的局部行为。
  3. 特征值分析:通过雅可比矩阵的特征值判断平衡点的类型(如中心、鞍点等)及其稳定性。

破题关键点:

  • 平衡点求解的关键是联立 $\frac{dx}{dt}=0$ 和 $\frac{dy}{dt}=0$。
  • 雅可比矩阵的构造需正确计算偏导数。
  • 特征值的性质(纯虚数、实部符号等)直接决定平衡点的稳定性。

1. 寻找平衡点

平衡点满足 $\frac{dx}{dt} = 0$ 和 $\frac{dy}{dt} = 0$,即:
$\begin{cases}-y + 1 = 0 \\x - 2 = 0\end{cases}$
解得 $y = 1$,$x = 2$,因此平衡点为 $(2, 1)$。

2. 线性化系统

构造向量场 $\mathbf{F}(x, y) = \begin{pmatrix} -y + 1 \\ x - 2 \end{pmatrix}$ 的雅可比矩阵:
$\mathbf{J} = \begin{pmatrix}\frac{\partial}{\partial x}(-y + 1) & \frac{\partial}{\partial y}(-y + 1) \\\frac{\partial}{\partial x}(x - 2) & \frac{\partial}{\partial y}(x - 2)\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}.$
由于雅可比矩阵为常数矩阵,平衡点处的雅可比矩阵与任何点处相同。

3. 分析特征值

求雅可比矩阵的特征值:
$\det(\mathbf{J} - \lambda \mathbf{I}) = \det\begin{pmatrix} -\lambda & -1 \\ 1 & -\lambda \end{pmatrix} = \lambda^2 + 1 = 0.$
解得 $\lambda = \pm i$,纯虚数特征值表明平衡点为中心,解呈周期性旋转。

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