第十四章稳定状态模型

-157-第十四章稳定状态模型虽然动态过程的变化规律一般要用微分方程建立的动态模型来描述，但是对于某些实际问题，建模的主要目的并不是要寻求动态过程每个瞬时的性态，而是研究某种意义下稳定状态的特征，特别是当时间充分长以后动态过程的变化趋势。譬如在什么情况下描述过程的变量会越来越接近某些确定的数值，在什么情况下又会越来越远离这些数值而导致过程不稳定。为了分析这种稳定与不稳定的规律常常不需要求解微分方程，而可以利用微分方程稳定性理论，直接研究平衡状态的稳定性就行了。本章先介绍平衡状态与稳定性的概念，然后列举几个这方面的建模例子。§1微分方程稳定性理论简介定义1称一个常微分方程（组）是自治的，如果方程（组）)(),(),(1tftxftxFdtdxN（1）中的)(),(xFtxF，即在F中不含时间变量t。事实上，如果增补一个方程，一个非自治系统可以转化自治系统，就是说，如果定义txy，1),()(txFyG且引入另一个变量s，则方程（1）与下述方程)(yGdsdy是等价的。这就是说自治系统的概念是相对的。下面仅考虑自治系统，这样的系统也称为动力系统。定义2系统)(xFdtdx（2）的相空间是以),,(1nxx为坐标的空间nR，特别，当2n时，称相空间为相平面。空间nR中的点集},,1,)2()(|),,{(1nitxxxxiin满足称为系统（2）的轨线，所有轨线在相空间中的分布图称为相图。定义3相空间中满足0)(0xF的点0x称为系统（2）的奇点（或平衡点）。奇点可以是孤立的，也可以是连续的点集。例如，系统dycxdttdybyaxdttdx)()(（3）当0bcad时，有一个连续的奇点的集合。当0bcad时，)0,0(是这个系统的唯一的奇点。下面仅考虑孤立奇点。为了知道何时有孤立奇点，给出下述定理：-158-定理1设)(xF是实解析函数，且0x系统（2）的奇点。若)(xF在点0x处的Jacobian矩阵jixfxJ)(0是非奇异的，则0x是该系统的孤立奇点。定义4设0x是（2）的奇点，称（i）0x是稳定的，如果对于任意给定的0，存在一个0，使得如果|)0(|0xx，则|)(|0xtx对所有的t都成立。（ii）0x是渐近稳定的，如果它是稳定的，且0|)(|lim0xtxt。这样，如果当系统的初始状态靠近于奇点，其轨线对所有的时间t仍然接近它，于是说0x是稳定的。另一方面，如果当t时这些轨线趋于0x，则0x是渐近稳定的。定义5一个奇点不是稳定的，则称这个奇点是不稳定的。对于常系数齐次线性系统（3）有下述定理。定理2设)(txx是系统（3）的通解。则（i）如果系统（3）的系数矩阵A的一切特征根的实部都是负的，则系统（3）的零解是渐近稳定的。（ii）如果A的特征根中至少有一个根的实部是正的，则系统（3）的零解是不稳定的。（iii）如果A的一切特征根的实部都不是正的，但有零实部，则系统（3）的零解可能是稳定的，也可能是不稳定的，但总不会是渐近稳定的。定理2告诉我们：系统（3）的零解渐近稳定的充分必要条件是A的一切特征根的实部都是负的。对于非线性系统，一般不可能找出其积分曲线或轨迹，也就不可能直接导出奇点的稳定性。为克服这一困难，在奇点附近用一个线性系统来近似这个非线性系统，用这个近似系统的解来给出这个奇点的稳定解。定义6设0x是系统（2）的一个孤立奇点。称系统在0x点几乎是线性的，如果F在0x的Jacobian矩阵是非奇异的，即0)(det0xJ。设)(xF在0x的某邻域内连续，并有直到二阶连续偏导数，则由多元函数的Taylor公式，可将)(xF展开成)|(|)(2xOAxxF，其中nnnnxfxfxfxfA1111是一个常数矩阵，这样得到的线性系统Axdtdx（4）称为系统（2）的线性近似。一开始，人们以为总可以用线性近似系统来代替所研究的-159-原系统。但后来人们发现，这种看法是不对的，或至少说是不全面的，非线性系统中的许多性质，在它的线性近似中不再保留。即使象零解稳定性这样一个问题，也要在一定条件下，才可用它的线性近似系统代替原系统来研究。关于这个问题，我们有下述定理：定理3如果系统（4）的零解是渐近稳定的，或不稳定的，则原系统的零解也是渐近稳定的或不稳定的。然而，如果系统（4）的零解是稳定的，则原系统的零解是不定的，即此时不能从线性化的系统来导出原系统的稳定性。系统（3）在其系数矩阵dcbaA的行列式0detA的条件下，可知)0,0(是系统（3）的唯一的平衡点，它的稳定性由特征方程：0)det(IA的根（特征根）决定。定理4设线性系统（3）所对应的特征方程是02qp其中)(dap，bcadq。设1和2是它的根，则当0q时关于奇点)0,0(O有下述结论：（i）021，O是稳定结点；（ii）021，O是稳定退化结点；（iii）021，O是不稳定结点；（iv）021，O是不稳定退化结点；（v）210，O是不稳定鞍点；（vi）0,2,1i，O是稳定焦点；（vii）0,2,1i，O是不稳定焦点；（viii）0,2,1i，O是不稳定中心。定理5设非线性系统),(),(yxbyaxdtdyyxbyaxdtdx（5）中的和满足条件：（i）在点O的某邻域内存在连续的一阶偏导数。（ii）存在常数0，使得0),(lim),(lim1010ryxryxrr，（22yxr）又设系统（5）的一次近似系统（3）的特征方程的根没有零实部，则（5）式与（3）式的奇点O的类型相同，并有相同的稳定性或不稳定性。§2再生资源的管理和开发渔业资源是一种再生资源，再生资源要注意适度开发，不能为了一时的高产“竭泽而渔”，应该在持续稳产的前提下追求最高产量或最优的经济效益。-160-这是一类可再生资源管理与开发的模型，这类模型的建立一般先考虑在没有收获的情况下资源自然增长模型，然后再考虑收获策略对资源增长情况的影响。2.1资源增长模型考虑某种鱼的种群的动态。在建立模型之前，做如下的基本假设：（i）鱼群的数量本身是离散变量，谈不到可微性。但是，由于突然增加或减少的只是单一个体或少数几个个体，与全体数量相比，这种增长率是微小的。所以，可以近似地假设鱼群的数量随时间连续地，甚至是可微地变化。（ii）假设鱼群生活在一个稳定的环境中，即其增长率与时间无关。（iii）种群的增长是种群个体死亡与繁殖共同作用的结果。（iv）资源有限的生存环境对种群的繁衍，生长有抑制作用，而且这一作用与鱼群的数量是成正比的。记时刻t渔场中鱼量为)(tx，我们可以得到)(tx所满足的Logistic模型：0)0()1()(NxNxrxtx（6）其中r是固有增长率，N是环境容许的最大鱼量。由分离变量法求得方程（6）解为00/)(1)(NNNeNtxrt（6）式有两个平衡点，即01x，Nx2，其中1x是不稳定的，2x在正半轴内全局稳定。2.2资源开发模型建立一个在捕捞情况下渔场鱼量遵从的方程，分析鱼量稳定的条件，并且在稳定的前提下，讨论如何控制捕捞使持续产量或经济效益达到最大。设单位时间的捕捞量与渔场鱼量)(tx成正比，比例系数k表示单位时间捕捞率，k可以进一步分解分解为qEk，E称为捕捞强度，用可以控制的参数如出海渔船数来度量；q称为捕捞系数，表示单位强度下的捕捞率。为方便取1q，于是单位时间的捕捞量为)()(tExxh。)(xh常数，表示一个特定的捕捞策略，即要求捕鱼者每天只能捕捞一定的数量。这样，捕捞情况下渔场鱼量满足方程ExNxrxtx)1()(（7）这是一个一阶非线性方程，且是黎卡提型的。也称为Scheafer模型。希望知道渔场的稳定鱼量和保持稳定的条件，即时间t足够长以后渔场鱼量)(tx的趋向，并且由此确定最大持续产量。在平衡点处有0dtdx，方程（7）有两个平衡点01x，)1(2rENx。显然，它们均是方程的解。在rE的情况下，2x是一正平衡点。（7）式可改写为)()(2xxxtx（8）易知，当20xx时，0)(tx；2xx时，0)(tx，即平衡解1x是不稳定的，而2x是稳定平衡解。即在捕捞强度rE的情况下，渔场鱼量将稳定在2x的水平，因此-161-产量（单位时间的捕捞量）也将稳定在2Ex的水平，即此时可获得持续收获量。当然，当rE时，0)(tx，渔场鱼量将逐渐减少至01x，这时的捕捞其实是“竭泽而渔”，当然谈不上获得持续产量了。如何才能做到渔资源在持续捕捞的条件下为我们提供最大的收益？从数学上说，就是在0)(tx或)())(1)((tExNtxtrx的条件下极大化所期望的“收益”，这里的“收益”可理解为产量)(tExh，则问题就可以数学地叙述为下述优化问题：)(maxmaxtExh约束条件为0)())(1)((tExNtxtrx。这里它可以归结为E的二次函数)1()(rENEEh的最大值问题。简单的推导不难得到最大持续捕捞强度为2maxrE，最大持续产量为4maxrNh。捕捞强度maxE是得到最大持续捕鱼量的策略。2.3经济效益模型当今，对鱼类资源的开发和利用已经成为人类经济活动的一部分。其目的不是追求最大的渔产量而是最大的经济收益。因而一个自然的想法就是进一步分析经济学行为对鱼类资源开发利用的影响。如果经济效益用从捕捞所得的收入中扣除开支后的利润来衡量，并且简单地设鱼的销售单价为常数p，单位捕捞强度（如每条出海渔船）的费用为常数c，那么单位时间的收入T和支出S分别为pExxphT)(，cET单位时间的利润为cEpExSTR利润是渔民所关注的焦点。因此在制定管理策略时所期望极大化的“收益”，这时就应理解为经济利润或净收入而不是鱼的产量h。因而所讨论的问题就变成了在使鱼量稳定在)1(2rENxx的约束条件下的maxR。即求cErEpNEER)1()(的最大值。容易求出使)(ER达到最大的捕捞强度为)1(2maxpNcrE最大利润下的渔场稳定鱼量pcNx22max最大利润下渔场单位时间的持续产量为)1(4)1(222maxmaxmaxNpcrNNxrxh-162-最大可持续净收益2max)1(4pNcprNR与前一模型相比较可以看出，在最大效益原则下捕捞强度和持续产量均有减少，而渔场的鱼量有所增加。并且，减少或增加的比例随着捕捞成本c的增长而变大，随着销售价格p的增长而变小，这显然是符合实际情况的。2.4种群的相互竞争模型有甲乙两个种群，当它们独自在一个自然环境中生存时，数量的演变均遵从Logistic规律。记)(),(21txtx是两个种群的数量，21,rr是它们的固有增长率，21,NN是它们的最大容量。于是，对于种群甲有)1()(1111Nxxrtx其中，因子)1(1Nx反映由于甲对有限资源的消耗导致的对它本身增长的阻滞作用，11Nx可解释为相对1N而言单位数量的甲消耗的食物量（设食物总量为1）。当两个种群在同一自然环境中生存时，考察由于乙消耗同一种有限资源对甲的增长产生的影响，可以合理地在因子)1(1Nx中再减去一项，该项与种群乙的数量2x（相对于2N而言）成正比，于是，种群甲增长的方程为)1()(22111111NxNxxrtx（9）这里1的意义是，单位数量乙（相对2N而言）消耗的供养甲的食物量为单位数量甲（相对1N）消耗的供养乙的食物量的1倍，类似地，甲的存在也影响了乙的增长，种群乙的方程应该是)1()(22112222NxNxxrtx（10）对2可作相应的解释。在两个种群的