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定理Theorem

Floquet理论与单周期传播

Floquet theory · Floquet theorem · Floquet multipliers · 弗洛凯理论

将周期线性系统拆成周期因子和指数传播,以单周期矩阵判定稳定性,区分冻结谱、平均谱与实际乘子,并检查复对数和单位圆Jordan边界。

系数每隔一段时间重复,并不意味着解也重复。真正要观察的是:走完一整个周期后,一个初始向量变成了什么。把这一整圈的作用保存为矩阵,长期问题就能转成它的整数次幂。

形式陈述 ​

设连续实矩阵 A(t) 在整条实线上满足 A(t+T)=A(t),T>0。对线性系统 x′=A(t)x,令基本矩阵 X(0)=I,并记

U(t,s)=X(t)X(s)−1,M=X(T).

M 称单周期矩阵,或monodromy矩阵。它的特征值 ρj 称Floquet乘子,均非零。将实系统扩充到复数上,则存在常复矩阵 B 和可逆的 T 周期复矩阵 P(t),使

(1)X(t)=P(t)etB,P(0)=I,eTB=M.

B 的特征值称Floquet指数。它们与乘子满足 ρ=eTμ;复对数分支不同会使指数相差 2πik/T,乘子及实部结论不受影响。

对零解的向前稳定性,有完整判据:

  • 全部 |ρj|<1,当且仅当零解指数稳定
  • 全部 |ρj|≤1,且单位圆上的每个乘子都没有非平凡Jordan块,当且仅当零解Lyapunov稳定
  • 有乘子模大于1,或单位圆上有非平凡Jordan块,则零解不稳定

这些是周期系统的结论;一般时变矩阵的瞬时特征值不能代替乘子。

直觉

先把时间写成 t=kT+r、0≤r<T。每个完整周期施加一次 M,剩下不足一圈的部分只产生一个有界、可逆的矩阵因子。指数增长、衰减与Jordan多项式增长来自不断重复的 M,不是来自某一时刻看到的箭头。

周期性怎样变成矩阵幂 ​

X(t+T) 与 X(t)M 满足同一个微分方程,并在 t=0 有相同初值 M;唯一性给

(2)X(t+T)=X(t)M,X(kT+r)=X(r)Mk.

改从时刻 s 观察一圈,得到

U(s+T,s)=X(s)MX(s)−1.

因此基点改变只作相似变换,乘子和Jordan块结构保持不变。

为什么复矩阵对数存在 ​

M 可逆,在复Jordan标准形中,每块写成 ρ(I+N),其中 ρ≠0、N 幂零。若 Nr=0,定义

L=(log⁡ρ)I+∑j=1r−1(−1)j+1jNj.

有限幂零代数中的指数、对数恒等式给 eL=ρ(I+N)。逐块构造并作回相似变换,就有 TB=log⁡M。置 P(t)=X(t)e−tB,由于 M=eTB 与 B 交换,式(2)给 P(t+T)=P(t)。

稳定性还要查Jordan块 ​

在单位圆内部,一个Jordan块的 k 次幂是指数衰减乘一个固定次数的多项式,仍可用稍慢的指数控制。单位圆上,大小超过一的块则产生 k,k2,… 的增长;大小一的块只是有界旋转。单位圆外有指数增长方向。

再以紧区间 [0,T] 上 X 与 X−1 的界连接整数时刻和任意时刻,便得到形式陈述中的连续时间判据及对起始时刻一致的指数界。只检查特征值的模而忽略Jordan块,会误判临界情形。

例子与边界

每个冻结矩阵都稳定,真实解仍可增长 ​

令

J=(0−110),R(θ)=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ),D=diag(1,−3),(3)A(t)=3J+R(3t)DR(3t)T.

系数 A 的最小周期是 π/3,因为共轭项中的角度实际为 6t;R(3t) 自身的最小周期则是 2π/3。以下明确选用共同但非最小的周期 T=2π。代入 x(t)=R(3t)y(t),旋转导数项抵消,得到 y′=Dy,所以

X(t)=R(3t)diag(et,e−3t),M=diag(e2π,e−6π).

第一个乘子大于一,零解不稳定,且 x(t)=etR(3t)e1 的长度恰为 et。 若改用最小系数周期 T0=π/3,则 M0=−diag(eπ/3,e−π),两个乘子带负号,但模的稳定性判断相同;不能把这一圈的对数分支与 2π 圈混用。

然而每个 A(t) 都与 3J+D 相似,其特征值为 −1±i5,实部严格为负。一个完整 2π 窗口的平均矩阵为 3J−I,特征值也都在左半平面。冻结谱和平均谱都给出看似有利的结果,却没有控制真实的时间排序乘法。

图左画的是两条精确解的长度,而非冻结特征值;图右的蓝色稳定方向和红色增长方向会随时间移动。

乘子一不自动稳定 ​

常系数例 A=(0100) 也是周期系统。M=I+TA 的两个乘子均为1,但解 (t,1)T 无界,因此不稳定。相比之下,A=0 的 M=I 没有非平凡Jordan块,零解稳定但不吸引。

实系数不保证同周期实Floquet因子 ​

给定 T>0,取

X(t)=R(πt/T)diag(2t/T,2−t/T).

它给出的 A=X′X−1 为实 T 周期矩阵,而 M=diag(−2,−1/2)。若存在实 B 使 eTB=M,则 B 与 M 交换;两个不同的实特征值迫使 B 在这组基中为实对角矩阵,其指数对角元却必须为正,矛盾。因此不能把式(1)中的“复”默默删除。本例用 R(πt/T) 作实周期因子时,周期是 2T。

推论与应用

周期受迫系统 x′=A(t)x+g(t) 的一圈传播是仿射映射 c↦Mc+r。周期线性边值问题由 (I−M)c=r 判定周期响应是否存在、唯一,以及共振时的相容条件。即使它唯一存在,只要齐次乘子有模大于一,该响应仍会排斥某些初值扰动。

自治非线性系统的周期轨道则有一个特殊乘子1:沿轨道移动起点只是改变相位。周期轨道稳定性必须先分离这条方向,再判断其余乘子,不能把“必有1”直接解释成失稳。

对式(3),稳定与不稳定子空间随 R(3t) 旋转。指数二分性保留这两个移动投影,分别给向前和向后衰减界,并可构造全实线唯一有界受迫解。

参考资料
关系图谱17 个相邻概念 · 2 类关系

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