線性穩定

在微分方程和动力系统中,非線性系統的穩態線性不穩定(linearly unstable)的意思是其解線性化後,有dr/dt = A r的形式,而r為相對穩態的擾動,而A是線性算子,其谱的特徵值有正的實部。若所有的特徵值都為負,則此解即為線性穩定(linearly stable)。線性穩定的其他名稱有指數穩定(exponential stability)或一階近似穩定(stability in terms of first approximation)。若其中有特徵值的實部為零,無法求解一階接似的穩定性,會稱為centre and focus problem。

例子
常微分方程
微分方程
\frac{dx}{dt} = x - x^2
有兩個靜止(非時變)解:x = 0和x = 1.
x = 0的線性化為
\frac{dx}{dt}=x。線性算子是A0 = 1。唯一的特徵值為\lambda=1。此方程的解會指數成長;the 靜止點x = 0是線性不穩定的。

若要推導的線性化,可以使用下式
\frac{dr}{dt} = (1+r)-(1+r)^2 = -r-r^2,其中。線性方程為\frac{dr}{dt} = -r;線性算子為,唯一的特徵值為\lambda=-1,因此此靜止點為線性穩定。

非線性水丁格方程
i\frac{\partial u}{\partial t}
= -\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - |u|^{2k} u,其中,且,有孤波解\phi(x) e^{-i\omega t}。
要推導孤波的線性化,考慮以下形式的解
u(x,t) = (\phi(x)+r(x,t)) e^{-i\omega t}。線性化方程r(x,t)可以用下式求得 is given by

\frac{\partial}{\partial t}\begin{bmatrix}\text{Re}\,r\\ \text{Im} \,r\end{bmatrix}=
A
\begin{bmatrix}\text{Re}\,r \\ \text{Im} \,r\end{bmatrix},

其中A = \begin{bmatrix} 0 &L_0 \\ -L_1 & 0 \end{bmatrix},
而L_0 = -\frac{\partial}{\partial x^2} - k\phi^2-\omega
且L_1 = -\frac{\partial}{\partial x^2} - (2k+1) \phi^2-\omega
微分算子.
根據,當時,A的譜有正的點狀特徵值,因此線性化方程是線性(指數)不穩定,若,其譜A是純虛數,因此對應孤波為線性穩定。

需要說明線性穩定不一定表示系統穩定。
特別,在時,其孤波不穩定。另一方面,在時,孤波不但是線性穩定,也是軌道穩定性。

相關條目
*李雅普诺夫稳定性
*線性化
*李雅普诺夫稳定性
*軌道穩定性
*穩定性理論
*

參考資料

评论 (0)

  • 还没有评论,来抢沙发吧。