共混聚合物
[拼音]:weifen chafen fangcheng
[英文]:differential-difference equation
常微分方程是含有未知函式及其導數的方程,差分方程中含有未知函式及其差分,但不含有導數,微分差分方程是同時含有未知函式及其導數和差分的方程。它同時具有常微分方程與差分方程的特點,而以二者作為特殊情況。從歷史發展看,微分差分方程的產生和發展並不是二者形式上的推廣,而是來自許多不同學科的實際問題。
對一個物理或技術系統,往往要考慮時間延遲的作用。例如在火箭控制理論中,燃燒室壓力x(t)的運動方程為
,
壓力的變化率凧(t)不僅依賴於當時的壓力x(t),而且明顯地依賴於過去的壓力狀況 x(t-τ),τ稱為時滯,它反映燃料從射入燃燒室加熱到即將燃燒的臨界狀態需要一段時間。這個方程是一種簡單的含常數偏差變元的微分方程。
考慮多個時滯的微分差分方程
, (1)
式中時滯hk(k=1,2,…,m)為常數,如果這些常數全為正,稱(1)為滯後型方程;如果全為負,稱(1)為超前型方程。如果方程右端還有導數的滯後項
稱為中立型方程。對於高階方程或者方程組也有類似的分類。
20世紀30年代起對偏差變元微分方程進行了系統的研究。R.貝爾曼和K.L.庫克(1963),Л.Э.埃利斯戈爾茨(1964)總結了1960年以前的成果。50年代末H.H.克拉索夫斯基(1959)把偏差變元微分方程放到函式空間來考慮,如(1)中的偏差滿足條件
,則(1)的右端可看為[t-hm ,t]上函式x(·)的泛函,從而微分差分方程成為推動泛函微分方程發展的基本原型。微分差分方程特別是滯後型方程在物理學、力學、控制理論和技術以及生物學、經濟學等領域有廣泛的應用。
初值問題
滯後型方程(1)(其中
)在時刻t0的初值問題是在初值條件x(t)=φ(t),-hm≤t≤t0之下求t>t0的解x(t)。通過把這個問題化為常微分方程的分步法,可以討論解的存在性、惟一性問題,並對簡單的方程逐步求解。在區間t0≤t≤t0+hm上等價的常微分方程初值問題為
。
設ƒ(t,x,y1,…,ym)在
連續,且|ƒ|≤M,φ(t)是區間[t0-hm ,t0]上的連續函式,則在區間
上方程(1)存在滿足初值條件 x(t)=φ(t),t0-hm≤t≤t0的連續解x(t)呏x(t;t0,φ)。若ƒ(t,x,y1,y2,…,ym)對 [-hm ,0]上每個φ(t),函式ƒ(t,φ(t),φ(t-h1),…,φ(t-hm))是連續的,且ƒ關於x,y1,y2,…,yn在 (t0,φ(t0)φ(t0-h1),…,φ(t0-hm)的小鄰域內滿足李普希茨條件(見常微分方程初值問題),則上述解是惟一的,並且解關於初值函式φ是連續依賴的。用不動點定理(見不動點理論)和格朗瓦爾不等式可以證明上述存在性和惟一性。對於中立型方程,也可以用分步法求解,但初值函式φ(t)應是可微的。
若ƒ 關於變數有足夠多次的連續導數,滯後型方程(1)的解在向右開拓時,光滑度增加,若0
在(t0+(j-1)hm,t0+jhm)上連續,而在t0+(j-1)hm處一般有第一類間斷;至於向t0的左方開拓,即使是一階方程也不一定可能。
若(1)中時滯hi為t的連續函式,0<τ≤hi(t)≤r,τ,r為常數,以上的存在唯一性的結論仍然成立。
線性微分差分系統
設非齊次線性微分差分方程組為
, (2)
式中諸Ak(t),
B
k(t)是連續的n×n陣,ƒ(t)是連續的n維向量,hk(k=0,1,…,m)是常數且0=h0滿足初始條件Y(α,t)呏0,t<α ≤t+hm;Y(t,t)呏I(恆等陣),則方程(2)的具有連續可微初值函式
的解x(t;t0,φ),可表示為
這是系統(2)的常數變易公式。若(2)是滯後方程,Ak(t)呏0(k=1,2,…,m),則(4)中關於Ak的和式不出現,也不要求φ(t)可微。
設線性系統為
只有一個時滯τ,而A,
B
為n×n常數陣。置方程detH(s)=0稱為(5)的特徵方程,它的根稱為特徵根,特徵方程是超越方程,一般有無窮多個根,且全部在某一左半面上,即存在σ0,使一切特徵根s的實部小於σ0,若ƒ的增長速度不快於某一指數冪,即有с1>0,с2>0,
,且ƒ在[0,∞)上連續。對任意的初值函式φ(t)∈C 1([-τ,0]),用拉普拉斯變換可以把(5)的解表示為
, (6)
式中с是充分大的實數;
穩定性問題
設x0(t)=x(t;t0,φ)是滯後型方程初值問題
的解;若對任意的ε>0,存在 δ(ε,t0),當模
時,不等式
成立,則稱解x0(t)關於E抝上的擾動為穩定的。由於 (7)的解不一定能向左開拓或只有單側連續依賴性, 解x0(t)可能關於E掲 上的擾動為穩定,而對某個
,
關於
上的擾動不穩定。因此,方程(7)的解
=x(t;t0,φ)為穩定的是指:對任意 ε>0及任意的
≥t0,存在δ(ε,
),使對任何連續解x(t),當
時,成立|x(t)-x0(t)|<ε,t≥
。如果δ只同ε有關,則稱x0(t)是一致穩定的。如果在穩定的情況下,進一步有
, (8)
則稱x0(t)為漸近穩定的。如果x0(t)為一致穩定,且對任意η>0,存在δ1(η)及T(η)>0,使當
時,|x(t)-x0(t)|<η,t≥t0+T成立,則稱x0(t)為一致漸近穩定的。對中立型方程凧(t)=ƒ(t,x(t),x(t-τ),凧(t-τ))的解x0(t)的穩定性可類似定義,但在估計在E掲上的擾動時,要用一階模
。
若常係數線性系統
(9)
的特徵方程
的一切根有負實部,則(9)的零解一致漸近穩定,這時存在M≥1,γ>0,使下式成立:
, (10)
若有正實部的特徵根,則零解不穩定。系統(9)與對應的常微分方程
(11)
在穩定性方面的關係如下:若(11)的零解漸近穩定,則對充分小的hm,(9)的零解漸近穩定;若(11)至少有一特徵根具正實部,則對充分小的hm,(9)的零解不穩定;若(11)有單特徵根零,其餘特徵根有負實部,則對充分小的hm,(9)的零解穩定。
因為特徵方程
的根都具有負實部的條件很難驗證,特別當線性方程有變係數甚至是變時滯的偏差變元方程,特徵根法就不適用,這時主要用李亞普諾夫直接法(見常微分方程運動穩定性理論)。
若線性系統
(12)
的零解一致漸近穩定,這時(10)成立。若
, (13)
式中
,則攝動系統
的零解一致漸近穩定。這個結論可以用李亞普諾夫方法得到。