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常微分方程
第四篇 一阶二维非线性方程组
附录 Lorenz 方程组
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2025-06-08 11:51
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附录 Lorenz 方程组
附录 Lorenz 方程组 已经看到一阶二维自治微分方程组解的行为比单个方程的解更加有趣,更加复杂.对于一个未知函数的自治微分方程,解依赖于相线,解的渐近行为完全由平衡点的位置和性质决定。对于两个未知函数的方程组的解,它依赖于二维相平面。一个平面比一条线有更多的"房间",因此,解在相平面上能做"更多有趣的事情".这包括形成更多形式的环(周期解)、逐步逼近和远离平衡点. 然而,对于相平面上的图形的类型仍然有几种限制.唯一性定理说明相图中的轨线不能交叉.因此,如果存在一个周期解在相平面上形成一个环,则初值在这个环中的轨线一定所有时间都位于这个环内.进一步,如果两个或三个轨线能够分离相平面,由唯一性定理,解和它们的初值点一定位于同一个区域。 如果未知函数为三个,则情况将变得更加复杂.三个因变量的自治方程组的轨线是三维相空间的曲线.仍然可以应用唯一性定理,因此,轨线也不能相交,但三维空间的这个限制不同于二维空间.这些曲线可以扭结和以非常复杂的方式连接. 首先认识到三维方程组可能的复杂性的是 Poincaré.在1890年,由于研究牛顿三体问题,Poincaré 意识到三个变量的方程组的行为如此复杂,以至于都不能试图画出它们.现在应用计算机能轻松地画出复杂曲线的数值逼近.现在的问题是弄清楚图像的意义,这是目前动力系统研究的活跃领域,现在距离完全弄清楚三个变量的方程组的精确行为还有很远的距离。 本节研究一个被称为 Lorenz 方程组的一阶三维方程组.这个方程组是1963年由 Lorenz 努力模拟天气情况得来的。它之所以重要是因为向量场是由非常简单的方程形成的,然而轨线是非常复杂的。 1.Lorenz 方程组 类似地球上的天气情况这样的物理系统的行为明显是非常复杂的.为了预测天气,许多数学模型得以发展.从气象站和卫星读取的数据被用作初值条件,解的数值模拟常常用来得到预测。
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