考虑一般的二维自治系统
求奇点的位置只要令,也即
同时满足式(2-10)两方程的解就是由这两方程所确定的曲线之间的交点。对于线性系统来讲,方程(2-10)所确定的都是直线,所以只有一个交点。也即,对于线性系统来讲只有一个奇点,所有线性系统在没有外力的情况下平衡点一定在原点(0,0)(见图2.1),它具有全局性质。而对于非线性系统,由这两方程确定的是两条曲线,所以其交点可能不止一个,可以有多个。也就是说,非线性系统可以有多个平衡点。这一点是很重要的,如果一个生态系统满足线性方程,则在这一生态系统中,所有物种最终都将毁灭(回到原点),只有非线性才能使生态系统存在(离开原点)。
要了解非线性系统中各奇点的性质,可采用在奇点附近范围内局部线性化的方法。
例如:求下列系统所描述的相平面图。
该系统的奇点是x=0,=0 和x=-2,=0。这两个奇点的性质可由下述分析得知。先在原点处附近对方程(2-11)线性化,得
它的特征方程为
两个根为
因此这个奇点是稳定焦点。(www.xing528.com)
在奇点(0,-2)附近,可对方程(2-11)做如下改写。
令
y=x+2
可得
在y=0,=0 附近线性化,得
特征方程为
上式的两个根为μ1=1.19,μ2=-1.96。
因此奇点(-2,0)为鞍点。知道了这两个奇点性质,我们就可以画出非线性方程(2-11)的相平面图(见图2.2)。
方程(2-11)所示系统的初始状态如果处在图2.2的阴影线范围内,系统最终都会趋向原点稳定下来,阴影线范围内称为局部稳定区;如果初始状态落在其他区域,则都会趋向无穷远处。非线性系统一般不存在全局的性质,在这里原点是局部稳定点,不是全局稳定点。
图2.2 方程(2-11)的相平面图
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