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.
题目解答
答案
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:
- 寻找平衡点:令各微分方程等于零,解联立方程组。
- 线性化系统:计算雅可比矩阵,确定平衡点附近的局部行为。
- 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。