Неподвижные точки системы

Динамические системы с дискретным временем

Пусть задана динамическая система с дискретным временем

\begin{equation} \label{sist1} N_{t+1}=f(N_{t}), N_{t}\in\mathbb{R}, f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \end{equation}

Определение 1.

Решения задачи (\ref{sist1}), не изменяющиеся с течением времени $$t$$ называются неподвижными точками отображения (\ref{sist1}). Неподвижные точки определяются как решение уравнения $$N=f(N)$$.

Заметим, что нередко функцию $$f(N)$$ представляют в виде $$f(N)=Nf(N)$$, чтобы подчеркнуть существование тривиальной неподвижной точки $$N^{*}=0$$. В этом случае остальные неподвижные точки — решения уравнения $$f(N)$$

Устойчивость неподвижных точек

$$r=30, b=3$$, система имеет два различных неотрицательных корня.

$$r=0.9, b=7$$, система имеет единственный корень $$v=0$$.

Определение 2.

Неподвижная точка $$N^{*}$$ отображения (\ref{sist1}) называется устойчивой по Ляпунову, если для любого $$\varepsilon > 0$$ существует такое $$\delta > 0$$, что для любых начальных данных $$N_{0}$$ из $$\delta$$-окрестности точки $$N^{*}$$ вся траектория системы $$N_{t}$$, $$t = 0, 1, 2, ...$$ содержится в $$\varepsilon$$-окрестности точки $$N^{*}$$.

Если, кроме того, $$\displaystyle{\lim_{t\to\infty}} N_{t} = N^{*}$$, то точка $$N^{*}$$ называется асимптотически устойчивой.

Асимптотически устойчивые неподвижные точки иногда называют аттракторами, а неустойчивые неподвижные точки иногда называют репеллерами.

Теорема 1.

Пусть $$N^{*}$$ — неподвижная точка отображения (\ref{sist1}), т.е. $$N^{*}$$ = $$f(N^{*})$$, и пусть $$f$$ обратима в малой окрестности $$N^{*}$$. Тогда $$N^{*}$$ асимптотически устойчива, если $$|f^{'}(N^{*})| < 1$$, и неустойчива, если $$|f^{'}(N^{*})| > 1$$. Если $$ |f^{'}(N^{*})| = 1$$, то требуются дополнительные исследования.

Доказательство.

Пусть $$|f^{'}(N^{*})| < 1$$ и пусть $$N$$ принадлежит малой окрестности $$N^{*}$$. Так как \[ \displaystyle{\lim_{t\to\infty}} \frac{|f(N)-f(N^{*})|}{|N-N^{*}|}=|f^{'}(N^{*})|, \] поэтому существует такая окрестность $$N^{*}$$, что \[ \frac{|f(N)-f(N^{*})|}{|N-N^{*}|} \leqslant a, \] для всех $$N$$ из этой окрестности; здесь $$a$$ — некоторое число, такое что $$|f^{'}(N^{*})| \leqslant a < 1$$. Таким образом, $$f(N)$$ остается в той же окрестности, что и $$N$$, и, кроме того, ближе к неподвижной точке $$N^{*}$$, по крайней мере, на множитель $$a$$. Отсюда следует, что \[|f(f(N)) − f(f(N^{*}))| \leqslant a |f(N) − f(N^{*})| \leqslant a^2|N − N^{*}|, \] или, по индукции, \[|f^{k}(N) − N^{*}| \leqslant a^{k}|N − N^{*}|, \] где $$f^{k}$$ обозначает $$k$$-ую суперпозицию отображения $$f$$. Таким образом мы доказали,что последовательность $$f^{k}(N)$$ будет сходиться к $$N^{*}$$, то есть является асимптотически устойчивой.

Вторая часть утверждения доказывается сходным образом. $$\blacksquare$$

Пример поиска неподвижных точек с помощью графического метода

Аттрактор в точке $$v_2^*$$ при параметрах $$r=10, b=2, v_0=1.$$

Аттрактор в точке $$v_2^*$$ при параметрах $$r=3, b=0.9, v_0=4.5$$.

Пусть задана система $$v_{t+1} = \frac{r v_t}{(1+ v_t)^b}$$.

Графически неподвижные точки — это точки пересечения графика функции $$f(N)$$ и биссектрисы первого координатного угла $$N_{t+1} = N_{t}$$ (нас интересуют только неотрицательные решения). Для нахождения неподвижных точек заданной системы рассмотрим возможные пересечения графика функции $$f(v)=\frac{rv}{(1+v)^b}$$ с прямой $$g(v)=v$$.

Заметим, что система \begin{equation} \label{sist2} \begin{cases} f(v)=\frac{rv}{(1+v)^b},\\g(v)=v. \end{cases} \end{equation} при любых $$v \geqslant 0, ~r,b > 0$$ имеет хотя бы один корень, а именно $$v=0$$. Второй корень $$v=r^{1/b}-1$$ система может иметь только при значении параметра $$r> 1$$. Больше двух неотрицательных корней система (\ref{sist2}) не имеет.

Аттрактор в точке $$v_1^*$$ при параметрах $$r=0.9, b=0.7, v_0=4.$$

Репеллер в точке $$v_1^*$$ при параметрах $$r=2, b=0.9, v_0=2.$$

Пример исследования неподвижных точек на устойчивость для системы с дискретным временем

Исследуем на устойчивость неподвижные точки $$v^{*}_1=0$$ и $$v^{*}_2=r^{1/b}-1$$ для системы (\ref{sist2}).

\begin{equation} f_v(v^{*})=\frac{r((1+v)^b-bv(1+v)^{b-1})}{(1+v)^{2b}}. \end{equation}

Исследуем сначала точку $$v^{*}_2=r^{1/b}-1$$:

Подставим $$v_2^{*}$$ в выражение (\ref{sist2}) и с учетом наложенных ограничений $$r>1, b>0$$ для существования точки получим

\[ f_v(v_2^{*})=b(r^{-1/b}-1)+1. \]

Согласно теореме 1 точка $$v^{*}_2=r^{1/b}-1$$ будет асимптотически устойчивой, при $$r^{-1/b}<1$$ и неустойчивой при $$r^{-1/b}>1$$. Отметим, что точка $$v^{*}_2=r^{1/b}-1$$ (отличная от нуля) существует только при значении параметра $$r > 1$$, таким образом $$r^{-1/b}$$ принимает значения меньше единицы при любых $$r> 1$$, значит, точка $$v^{*}_2$$ асимптотически устойчива всегда, если она существует.

Теперь исследуем на устойчивость точку $$v^{*}_1=0$$:

Подставим $$v_1^{*}$$ в выражение (\ref{sist2}) и получим \[ f_v(v_1^{*})=r. \] Таким образом, по теореме 1, точка $$v^{*}_1=0$$ будет асимптотически устойчивой, при $$r<1$$ и неустойчивой при $$r>1$$.

Динамические системы с непрерывным временем

Определение 3.

Точка $$a \in \mathbb{R}^n$$ называется неподвижной точкой динамической системы $$\dot x_i = f_i(x_1,...,x_n)$$, где $$(x_1,...,x_2) \in D \subset \mathbb{R}^n, i=\overline{1,n}, f=(f_1,...,f_n)$$, если $$f(a)=0$$.

Пусть задана динамическая система с непрерывным временем

\begin{equation} \label{sist3} N_{t+1}=f(N_{t}), N_{t}\in\mathbb{R}, f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \end{equation}

Определение 4.

Положение равновесия динамической системы (\ref{sist3}) называется гиперболическим, если число собственных значений $$n_0$$ якобиана вектор-функции $$f(u)$$ равняется нулю, т.е. не существует собственных чисел, расположенных на мнимой оси матрицы Якоби. Гиперболическое положение равновесия называется гиперболическим седлом, если $$n_+$$ $$n_- \neq 0$$, где $$n_+$$, $$n_-$$, $$n_0$$ — количество собственных значений якобиана (с учётом их кратности) с положительной, отрицательной и равной нулю вещественной частью соответственно.

Теорема 2 (А. М. Ляпунов, А. Пуанкаре). Пусть $$u^*$$ — гиперболическое положение равновесия (\ref{sist3}). Тогда, если $$n_+=0$$, то положение равновесия $$u^*$$ асимптотически устойчиво, если $$n_+>0$$, то неустойчиво.

Список литературы

1. Братусь А.С., Новожилов А.С., Платонов А.П. Динамические системы и модели биологии 2011.

2. Абрамова В.В. Лекции по курсу "Динамические системы и биоматематика", 2023.