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方法Method

周期常微分方程的平均法

Periodic averaging for ordinary differential equations · First-order averaging theorem

对小幅周期向量场取周期平均,用零均值原函数控制振荡积累,并证明长度为参数倒数的时间窗上的误差界。

一个周期内,系统时而被推快、时而被拉慢;若每一圈状态只改变一点,长期运动可能主要由平均推动决定。平均法要证明的是:丢掉的周期振荡虽然持续出现,却不会在 1/ε 个时间单位里累积成数量级 1 的错误。

形式陈述 ​

固定周期的一阶平均定理 ​

考虑常微分方程

x˙=εf(t,x),x(0)=x0∈Rd,

其中 f 对时间具有固定周期 P>0,这个周期不随 ε 改变。定义逐分量的周期 Riemann 平均

(1)f¯(x)=1P∫0Pf(s,x)ds,y˙=εf¯(y),y(0)=x0.

先给一个方便使用的充分条件版本:f 对 t 连续、对 x 连续可微,且在全部 R×Rd 上有

‖f(t,x)‖≤M,‖Dxf(t,x)‖≤L.

范数取欧氏范数及其诱导算子范数。导数界给全局 Lipschitz 性,速度界保证两条解不在有限时间逃向无穷,因而它们全局存在且唯一。

固定慢时间长度 T>0,令 U=2PM、V=2PL。则对 0<ε≤1,

(2)sup0≤t≤T/ε‖x(t)−y(t)‖≤ε(U+VMT)eLT.

全局有界是简洁的充分条件,不是必要条件。在局部版本中,只要已证明两条解存在于 [0,T/ε],并留在一个凸的共同状态区域,而且这些界在其邻域统一成立,同一个证明仍有效。若只知道平均解存在,尚需不逃出的延拓论证,不能把另一条轨道的存在省略。

直觉

零均值让原函数每圈回到原位 ​

令

g(t,x)=f(t,x)−f¯(x),u(t,x)=∫0tg(s,x)ds.

对固定 x,g 在每个完整周期上的积分为零,因此 u 也以 P 为周期。只需在一圈上估计,便有

‖u‖≤U=2PM,‖Dxu‖≤V=2PL.

若不利用零均值,只用 ‖g‖≤2M,会把积分估成 2Mt,在 t=T/ε 时完全失去小量。周期相消是本方法获得长窗口的核心。

状态在移动,相消还剩多少 ​

真实解中的 g(s,x(s)) 不是固定状态下的周期函数,不能直接说每圈积分为零。沿轨道应用链式法则:

ddtu(t,x(t))=g(t,x(t))+εDxu(t,x(t))f(t,x(t)).

因此

∫0tg(s,x(s))ds=u(t,x(t))−ε∫0tDxu(s,x(s))f(s,x(s))ds,

这里 u(0,x0)=0。在 t≤T/ε 时,右端范数至多 U+VMT。它不再随 1/ε 爆长。

两条方程积分相减后,用平均场的 Lipschitz 常数 L,得到

‖x(t)−y(t)‖≤ε(U+VMT)+εL∫0t‖x(s)−y(s)‖ds.

Grönwall 不等式给放大因子 eεLt≤eLT,便证明式(2)。这次稳定系数本身含有 ε,所以长窗口上仍受控。

例子与边界

一个相对误差也能精算的周期模型 ​

取

x˙=ε(1+cos⁡t)x,x(0)=1.

周期 P=2π,平均场为 f¯(x)=x,因此

x(t)=eεt+εsin⁡t,y(t)=eεt.

于是 t≥0 时都有

|x(t)y(t)−1|≤eε−1,

而在 0≤t≤T/ε 上有绝对误差界

|x−y|≤eT(eε−1)≤eT+1ε(0<ε≤1).

本例的 f 在全空间不有界,但精确解已经证明两条轨道都留在 [0,eT+1] 内,可以使用前述局部版本。全时间上的相对界来自特殊的精确公式;绝对误差随 eεt 放大,不应宣称全时间绝对误差一致为 O(ε)。

当周期也变长 ​

若改成 x˙=εcos⁡(εt)、x(0)=0,按它自己的周期求平均仍为零,但解是 x(t)=sin⁡(εt)。在 t=π/(2ε),与零解的差为 1。

这里周期是 2π/ε,不满足固定周期条件,原函数的界也变为 O(1/ε)。失败可以直接定位到证明中的 U,而不是说“平均法有时不准”。

推论与应用

弱扰动振子常先消去无扰动的旋转,再对缓慢变化的振幅坐标应用式(1)。多重尺度法通过无长期增长项的条件找出同样的慢演化;本页则提供一个明确的轨道误差定理。

一次周期积分必须包含 1/P。若用数值积分得到近似平均场,还要计入平均场误差:若其统一误差为 δ,在 T/ε 上,经稳定性传播通常贡献 O(TδeLT),不会额外自动多一个 ε。要维持总体 O(ε),周期积分误差也应控制到相应精度。

这里平均的是确定向量场的一个周期,不是随机迭代输出的算术平均,也不是一条随机轨道的无限时间统计极限。终点脚本同时检验精确例子和变长周期反例,避免混淆适用窗口。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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