动力系统模型

2026/1/15 4:41:42

显然在初值a0?3000的情形下,该动力系统的数值解图形如下

图1-11 支付宿舍租金的活期储蓄账户

现在把迄今的观察结果集中起来,按照常数r的值来对三个例子及其长期行为进行分类.

求平衡点并对其进行分类

确定是否存在平衡点并将其分为稳定的或不稳定的,这将有助于分析该动力系统的长期行为.

在例3(地高辛处方)中,怎么知道0.2的起始值会导致常数解或平衡点呢?类似地,怎么知道例4(年金问题)中对于投资100000美元的同样问题的答案呢?

对于形为:an?1?ran?b的动力系统,如果存在平衡点a的话,根据平衡点定义不难看出,平衡点a必将满足

a?ra?b

由此容易求出

a?b1?r,r?1

如果r?1,b?0,那么每个初始值都将导致常数解(平衡点)。因此每个值(起始值)都是平衡点。下面的定理总结了我们的观察。

Th2 动力系统an?1?ran?b,r?1的平衡点就是a?b?0,那么每个数都是平衡点。如果r?1而b?0b1?r,如果r?1而且

,那么平衡点不存在。并且

有:①r?1有稳定平衡点;②r?1有不稳定平衡点;③r?1没有平衡点或者图形是一条直线。

对动力系统an?1?ran?b,r?1的解的猜测 在r?1(有稳定平衡点)情形下,注意到

limr?0,limak?1?limak?a?k??k??kb1?rk??

因此我们猜测该动力系统的解为:

ak?rc?kb1?r

其中c为依赖于初始条件的某个常数(在给定起始值a0的条件下,c??)。请同学们对这个解的正确性加以验证。事实上对于r?1的情形也有类似结论。

Th3 动力系统an?1?ran?b,r?1的解为ak?rkc?b1?r,其中c为依赖于初

始条件的某个常数。

例6 再论投资年金

对于例4中建立过模型的年金问题,需要多少初始投资才能保证20年(240个月)才把它用尽?

解:动力系统an?1?1.01an?1000的平衡点为

a?b1?r??10001?1.01?100000。

设它的解是 ak?1.01kc?100000, 令 a240?0?1.01240c?10000, 解得

c??100000/(1.01)240??9180.58。

所以有

a0?(1.01)c?10000??9180.58?100000?90819.420

因此,初始投资90819.42美元就能使我们在20年里从账户中每月提款1000美元(总的提款额为240000美元)。在20年的年底,账户中的存款就被取尽了。

再次考虑酵母生物量的模型:

pn?1?pn?0.00082(665?pn)pnp0?9.6

做一些代数运算后,该动力系统可以改写为:

an?1?r(1?an)an

其中an?0.0005306pn,r?1.546.由该方程决定的序列an的长期行为对参数r的值是非常敏感的.我们从a0?0.1开始,对不同的r值画出了数值解的图形.


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