关键词:
Lyapunov函数
极限环
势函数
Riemann映射定理
散度
耗散功率
Escher楼梯
摘要:
微分动力系统的稳定性研究是自然科学与工程技术中受人们关心的问题.其中极限环在微分方程定性理论中占有很重要的地位,关于它的研究既有趣而又困难.如,Hilbert于1900年所提出的新世纪数学家应当努力解决的23个数学问题的第16问题涉及平面多项式系统极限环存在和分布的重要数学难题.系统定性分析的研究已经发展了不同的方法,其中Lyapunov函数是最受欢迎的方法之一,但这依赖于它的存在性.本文将围绕极限环系统Lyapunov函数的存在性这一课题进行研究,主要做了三方面的工作:首先,随着人们对微分动力系统研究和应用的不断深入,很多问题都涉及极限环这类重要的吸引子,但是令人惊讶的是,关于极限环系统Lyapunov函数的存在性问题一直困惑着研究者们.在第三章中,我们研究了任何恰好含有一个极限环且极限环外部不存在有限奇点的光滑平面动力系统光滑Lyapunov函数的存在性问题,并通过严格的证明,给出肯定的答案.此过程是基于从力学角度的一种新颖的动力系统分解,和结合一些定义及一些著名的定理而得出的.首先,将光滑平面动力系统的极限环对应于复平面上的光滑简单闭曲线,结合Morse分解的定义,证明了任何恰好含有一个极限环且极限环外部不存在有限奇点的光滑平面动力系统的极限环微分同胚于单位圆,并进一步推导出任何两个恰好含有一个极限环且极限环外部不存在有限奇点的光滑平面系统都微分同胚(或光滑等价).其次,通过势函数的定义,给出了恰好含有一个圆形极限环且极限环外部不存在有限奇点的光滑平面动力系统光滑Lyapunov函数的显式构造.然后,根据以上所得结果,得到以下定理:对于任何恰好含有一个极限环且极限环外部不存在有限奇点的光滑平面动力系统,总是存在一个光滑Lyapunov函数.此外,给出两个例子来验证所得到的结果.最后,关于极限环和Lyapunov函数的共存性,在一个例子中讨论了关于系统耗散的两个准则(散度和耗散功率),发现它们是不一致的,并解释了在极限环上无限重复运动的耗散含义.这一结果可为极限环系统的Lyapunov函数的存在性提供更深入的理解.其次,在第三章最后讨论部分,我们已发现判定系统耗散性的两个准则(散度和耗散功率)不一致,并注意到用散度判定系统耗散性会存在问题和矛盾的现象.更深入地研究在第四章中展开,发现散度既不是判定系统耗散性的充分条件也不是必要条件.第四章结合经典力学知识和敖平所发现的一种新的动力学结构,提出了一个超越散度判断系统耗散性的准则—耗散功率.此外,还推导出了耗散功率与势函数(或称Lyapunov函数)之间的关系.这种关系揭示了动力系统中一个非常有趣、重要和明显新的特征:将动力系统判定为耗散或保守的根据的是”能量函数”或”Hamilton量”的变化,而不是相空间体积的变化.首先,从两个简单的例子开始.它们对应着平面动力系统中的两类吸引子:不动点和极限环.在用散度判定这两个系统的耗散性时,既会产生研究者们所指出的难以捉摸的矛盾,也会产生被我们注意到的新矛盾.然后,结合这两个例子,对这两个准则进行分析和比较,进一步考虑系数矩阵为四类若尔当标准型的平面线性系统,发现当散度存在矛盾时,耗散功率总是起作用.最后,所得到的耗散功率与Lyapunov函数之间的关系为解释为什么有些研究者认为Lyapunov函数与极限环不共存提供了合理的途径.这些结果可以为研究动力系统耗散性提供更深入的理解.最后,对最近的一篇文章[Rodriguez-Sanchez et al.,PLo S ***.,16(4):e1007788(2020)]进行评论.一方面,Rodriguez-Sanchez等使用了”Escher楼梯”来比喻环形吸引子,进而主张极限环不存在势景观.另一方面,他们还基于Helmholtz的思想引入了一个分解,此分解将矢量场分解为保守或梯度部分和非梯度部分.基于艺术的类比和分解,Rodriguez-Sanchez等认为系统的势函数仅由系统的梯度部分决定,进而指出当非梯度项很大时,求不出势函数.关于此点,他们给出了其分解不能求出势景观的例子,如平衡点为中心的线性系统及含有极限环的Lotka-Volterra模型.我们根据敖平等关于动力学的分解,展示了系统的演化是由梯度与Hamilton两种动力学相互作用的结果,揭示了Escher楼梯比喻的误导性以及Rodriguez-Sanchez等仅将梯度确定势函数的分解是不正确的.