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定理Theorem

Bendixson–Dulac判据与闭轨排除

Bendixson–Dulac criterion · Bendixson-Dulac theorem · Bendixson criterion · Dulac判据

用加权散度与周期边界零通量排除平面闭轨,明确单连通和严格符号条件,并在有孔环域上比较两条闭轨、证明扰动振子周期轨唯一。

一条周期轨道的速度始终沿着自己的边界走,不会从边界法向流入或流出。如果它围住的区域内部处处有净流出,这两件事就冲突。Dulac权函数让我们先重新分配向量场的大小,再利用这个通量矛盾。

形式陈述 ​

设 U⊂R2 为开连通集,f=(P,Q)∈C1(U,R2),方程 x′=f(x) 具有唯一局部流。设 B∈C1(U,R),定义加权散度

(1)DB(x,y)=∂(BP)∂x+∂(BQ)∂y.

若U单连通,即每条闭路都能在U内连续缩成一点,并且

(2)DB>0 在U上处处成立,或DB<0 在U上处处成立,

则U中没有完全包含于U的非平凡周期轨道。这是 Bendixson–Dulac判据;取 B≡1 就得到普通散度的Bendixson判据。

一个较弱但仍有效的符号合同是:DB≥0,且它在U的任何非空开子集中都不恒为零;或者整体反号。此时每个候选闭轨围成的非空内域仍有严格正或严格负的积分。仅要求“在整个U上不恒为零”不足以替代这一条件。

对某一条候选闭轨,其实不必要求整个U单连通;只需确认它围成的闭区域全部包含在U中。权B不必处处非零或同号,因为证明只积分向量场Bf,没有把它当成与原系统等价的时间重参数化。

直觉

散度定理把区域内的净产生量与边界净通量相等。沿周期轨Γ,f与边界相切,乘以任意有限的B后仍相切,所以边界通量为零。如果式(2)成立,内部积分却严格有符号,无法同时成立。

选B的目的,是把难判断符号的 Px+Qy 变成容易判断的式(1)。它可能除去共同的x、y因子,也可能引入奇点。后者决定了能使用判据的区域,不能先简化表达式,再忘记被除掉的位置。

简单闭轨与被围住的区域 ​

非平凡周期轨上没有平衡点,且一个最小周期内不重复经过同一点;否则唯一性给更短周期。因此它是一条C1简单闭曲线。Jordan曲线定理给有界内域D及边界Γ。

单连通条件保证 D―⊂U。说明这个常用平面事实:若某个 a∈D 不属于U,Γ绕a一圈;把Γ在U内缩成一点,就得到在 R2∖{a} 中的收缩。但径向投影到圆周后,其绕行整数在连续变形中不变:连续提升角度后,终角减初角是 2π 的整数倍。Jordan曲线绕内部点的整数为正一或负一,常值闭路则为零,矛盾。Γ本身紧且在U内,故内域加边界整个落在U后是可用的紧区域。

对于一条C1简单闭曲线,内部绕行整数为正负一可用横向射线复核:从内点走向无穷远时,穿越边界的进入、离开交替出现,净穿越为一次;方向由曲线定向决定。这个整数只负责检查孔是否被圈入,不是对所有穿越次数取无符号和。

零通量与严格积分的矛盾 ​

Γ为正则C1闭曲线,其内域具有局部单侧的C1边界。Bf在闭区域邻域为C1,因此可使用散度定理的二维C1版本:

(3)∫DDBdxdy=∫ΓBf⋅νds=0.

最后一个等号因为 f⋅ν=0。若 DB>0,任选内点,连续性给一个小圆盘上正的统一下界,且全域积分没有负项,所以左侧严格正。负号情形同理。

若采用形式陈述中的弱化合同,就先在D内找到 DB≠0 的一点,再用相同的小圆盘论证。这里需要D内出现非零值;U中很远处有一个非零值并无帮助。

例子与边界

竞争模型:权函数消去状态因子 ​

在正象限 U={x>0,y>0} 考虑

(4)x′=x(a−bx−cy),y′=y(d−ex−fy),b>0, f>0.

a、c、d、e为任意实常数。普通散度可能随位置变号;选 B=1/(xy) 后却得到

(5)BP=a−bx−cyy,BQ=d−ex−fyx,DB=−by−fx<0.

正象限凸,因而单连通,B在其中C1。故没有完全位于正象限中的周期轨。B在坐标轴上的奇性不影响这个域内结论,也不允许把同一证明跨过坐标轴使用。式(5)本身尚未判定哪些轨道趋于平衡点、哪些逼近边界或逃向无穷。

有孔时,严格负散度仍可容许一个周期圈 ​

在 U=R2∖{0} 上取

f=(−y+x(1−r2), x+y(1−r2)),B=1r2,r2=x2+y2.

直接展开

(6)Bf=(−yr2+xr2−x,xr2+yr2−y),DB=−2.

旋转项及 (x/r2,y/r2) 的散度在原点外均为零,剩下 (−x,−y) 给−2。但原系统满足 r′=r(1−r2),θ′=1,单位圆明确是一条周期轨。它围住的原点不在U内,B也在那里奇异,式(3)不能对整圆盘使用。不存在任何符号矛盾。

全域“不恒零”仍可能漏掉一整块周期运动 ​

令 s=x2+y2,定义C1函数

(7)χ(s)={0,s≤1,(s−1)2,s>1,f=(−y−χ(s)x, x−χ(s)y).

在整个平面上,

(8)divf=−2χ(s)−2sχ′(s)={0,s≤1,−2(s−1)(3s−1),s>1.

它处处非正,而且在全平面上并非恒零。然而每个 0<r≤1 的圆都是周期轨,因为这里 r′=0,θ′=1。其内部恰是散度为零的开区域。式(8)明确区分了“全域有某处非零”和“任何非空开子集内都不恒零”。

Dulac判据的区域与严格性边界

左图保留定义域中心孔,右图保留整块零散度区域;两者都确有蓝色周期圆。严格符号和整块内域条件分别检查,不能互相替代。

推论与应用

环域上比较两条闭轨,不必填掉中心孔 ​

对闭轨存在页的偏置振子

(9)fδ=(−y+x(1−r2)+δ, x+y(1−r2)),δ=1/10,

已证明 K={3/4≤r≤5/4} 紧正向不变、无平衡点,故其中有周期轨。现在证明它在K中唯一。

首先,每条这样的闭轨Γ都恰绕原点一圈,并可写成正的径向图 r=rΓ(θ)。确实,θ′≥13/15>0,沿一个周期提升角度后总增量为 2πm、m≥1。任取从原点出发的射线,交点都横截,因为角速度非零。若同一射线交Γ两次以上,沿射线向外走时内外应交替,而Γ的定向在整条曲线上一致,所有交点又因 θ′>0 有相同穿越方向,便不能交替。故每条射线恰交一次,m=1,原点在Γ内部。横截和隐式反解同时保证径向图连续可微。

两条不同周期轨不能相交,否则解唯一性使它们相同。它们的径向图差值连续且从不为零,因此在全部角度上同号。不妨记为 r1(θ)<r2(θ),两曲线之间的环域为

D={(r,θ):r1(θ)<r<r2(θ)}.

两条边界的半径都在 [3/4,5/4] 中,所以 D―⊂K,并未把中心孔填进积分区域。而

(10)divfδ=2−4r2≤−14在K上。

对D用散度定理,两条边界上速度都相切,通量和仍为零;体积分至多 −|D|/4<0,矛盾。因而K内恰有一条周期轨Γ。

唯一性之后再交长期行为与乘子界 ​

对K中的任意初值,本页之前的存在定理把其omega集识别为某条周期轨;唯一性使它必为同一个Γ,所以全部这些初值都有 d(ϕ(t,x),Γ)→0。这份结论针对整个K,没有预先给一个全K通用的指数常数。

每圈角度增加2π,结合角速度的上下界可得

(11)30π17≤T≤30π13.

再复用平面轨道稳定页的乘子公式,得到唯一横向乘子

(12)0<ρ=exp(∫0Tdivfδ(ϕ(t,p))dt)≤e−T/4≤e−15π/34<1.

于是Γ还局部指数轨道稳定。式(12)没有把平面系统固有的相位乘子1删错成稳定失败,也没有把局部稳定率直接冒充整个环带的统一速度。

对其他系统,寻找合适B往往需要观察结构,没有“任意输入总能找到”的保证。检查器若无法认证定义域、权函数正则性或全域符号,应报告这份证书未成立;它不能把失败解释成周期轨必存在。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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