本書是根據(jù)20世紀(jì)60年代以來我們在北京大學(xué)數(shù)學(xué)系開設(shè)的常微分方程定性理論課所用的講義編寫成的,它可作為綜合性大學(xué)、師范院校、工科大學(xué)有關(guān)專業(yè)的高年級大學(xué)生和研究生的專門化課程的教材。
由常微分方程來直接研究和判斷解的性質(zhì),這是常微分方程定性理論的基本思想。這種思想在基礎(chǔ)課中已經(jīng)有過。Sturm振動定理就是一例,定性理論在常微分方程的研究中往往有其獨到的功能,當(dāng)前由于電子計算機的出現(xiàn),給定性理論研究提供了有力的工具,同時定性理論分析往往給數(shù)字計算提供了理論依據(jù),常微分方程定性理論從H.Poincare發(fā)表的奠基性工作“微分方程所定義的積分曲線”起,一百年來得到了蓬勃的發(fā)展,它已成為從事許多學(xué)科和尖端技術(shù)(包括自動控制理論,航天技術(shù),生物科學(xué),經(jīng)濟(jì)學(xué)等)研究的不可缺少的數(shù)學(xué)工具,并且定性的思想和技巧已逐漸滲透到其他數(shù)學(xué)分支,例如偏微分方程等。
在二維系統(tǒng)特別是平面系統(tǒng)方面,定性理論的發(fā)展比較完整。本書基本上是根據(jù)上述H.Poincare的名著中所涉及到的幾個問題,對平面或二維系統(tǒng)的有關(guān)成果力圖作一較為完整的介紹。
本書第一章§1,§2講的是常微分方程解的存在性、唯一性、解對初值的連續(xù)依賴性等問題,它是全書的基礎(chǔ),鑒于當(dāng)前動力系統(tǒng)的符號和概念被廣泛使用,在§3中我們介紹了拓?fù)鋭恿ο到y(tǒng)一些最基礎(chǔ)的知識,以及平面動力系統(tǒng)的主要結(jié)果。但這一部分最基本的事實是Poincare-Bendixson環(huán)域定理,講授時可將這部分移到后面,也可適當(dāng)精簡,只要能證明環(huán)域定理就可以了。第二章講奇點,基本問題是:在什么條件下原方程及其相應(yīng)的線性方程在奇點附近有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或定性結(jié)構(gòu),以及在一些臨界情形下奇點的性質(zhì)。對平面系統(tǒng)來說,這個問題解決得較為徹底。第三章講平面奇點指數(shù),其中§3是奇點指數(shù)的有理計算,第四章論述極限環(huán),特別是極限環(huán)的存在性、唯一性、個數(shù)、二次系統(tǒng)的極限環(huán)個數(shù)等方面,力圖反映當(dāng)前國內(nèi)外的最新成果。第五章討論無窮遠(yuǎn)奇點,為了研究系統(tǒng)的積分曲線的全局結(jié)構(gòu),往往必須研究系統(tǒng)的無窮遠(yuǎn)奇點。第六章討論周期微分方程的調(diào)和解,它是屬于非線性振動理論的基礎(chǔ)知識。
前六章是本書的基本內(nèi)容。如果是一學(xué)期的課程,則可在前六章中選取一些內(nèi)容。如果是一年的課程,則第七章環(huán)面上的常微系統(tǒng)和第八章結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論都是很重要的部分。
為了便于學(xué)生自學(xué)以及啟發(fā)學(xué)生對此理論的興趣,我們盡量介紹定性理論中最典型和最常用的方法和技巧,同時也盡量介紹有關(guān)內(nèi)容的當(dāng)前最新成果,此外為了便于讀者的學(xué)習(xí),我們在書中還列舉了一些例子,每節(jié)后面都配有習(xí)題。
書中打符號“*”的章節(jié)乃是進(jìn)一步的要求,初學(xué)時可略過,
本書第一章到第五章是張芷芬撰寫或修改定稿的,其中第三章是張芷芬在高維新所寫初稿基礎(chǔ)上編寫成的;第四章§6和第五章§3是索光儉提供初稿,由張芷芬改寫成的。第六章是丁同仁撰寫的,第一章§1,§2和第七章是黃文灶編寫的,第八章是董鎮(zhèn)喜撰寫的。
余澍祥,高維新,何啟敏,高素志,陳平尚,曾憲武,王裕民,李承治,丁大正,王鐸,丁偉岳,王鵬遠(yuǎn)等還幫助和審查過本書的某些章節(jié)。曾試用過北大所編定性理論講義的黃啟宇、王克、馬知恩、蔡燧林、徐世龍,都長青,俞伯華,馬遵路等和參加過北大定性理論討論班的人員,都對本書提出過很多寶貴意見,本書在寫作過程中得到了廖山濤教授的熱情關(guān)懷,他還對第五章及第八章的有關(guān)內(nèi)容提出過寶貴意見,葉彥謙教授在審查本書過程中從文字到內(nèi)容提出了很多中肯的意見和有益的建議。在此對他們一并致以謝意。
限于我們的知識水平,書中難免有錯誤及不妥之處,請讀者批評指正。
第一章 基本定理
§1.解的存在性、唯一性及對初值(或參數(shù))的依賴性
§2.解的延拓
§3.動力系統(tǒng)的一般概念
§4.平面上的動力系統(tǒng)
習(xí)題一
參考文獻(xiàn)
第二章 平面奇點
§1.奇點和常點
§2.常系數(shù)線性方程組的奇點
§3.非線性方程組的奇點
§4.特征根實部不為0時附加非線性項的情形
§5.特征根是一對純虛根時附加非線性項的情形(中心和焦點判別)
§6.*奇點的幾何分類
§7.*有零特征根時附加非線性項的情形
習(xí)題二
參考文獻(xiàn)
第三章 平面奇點指數(shù)
§1.連續(xù)向量場的旋轉(zhuǎn)數(shù)
§2.平面奇點指數(shù)
§3.Cauchy指標(biāo)
§4.齊次方程孤立奇點指數(shù)的有理計算
§5.*臨界奇點指數(shù)的有理計算
§6.*Bendixon公式
習(xí)題三
參考文獻(xiàn)
第四章 極限環(huán)
§1.極限環(huán)的存在性
§2.后繼函數(shù)和極限環(huán)的重次及穩(wěn)定性
§3.旋轉(zhuǎn)向量場
§4.極限環(huán)的唯一性
§5.極限環(huán)的唯二性
§6.*二次系統(tǒng)極限環(huán)的個數(shù)
§7.*極限環(huán)的唯n性
習(xí)題四
參考文獻(xiàn)
第五章 無窮遠(yuǎn)奇點
§1.Poincare變換
§2.平面系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)
§3.用無窮遠(yuǎn)奇點研究極限環(huán)的存在性
§4.二維緊致曲面S2,P2和T2上連續(xù)向量場的奇點指數(shù)和
習(xí)題五
參考文獻(xiàn)
第六章 二維周期系統(tǒng)的調(diào)和解
§1.預(yù)備知識
§2.具有周期性強迫力的常系數(shù)線性系統(tǒng)
§3.?dāng)M線性系統(tǒng)
§4.平均方法
§5.Duffing方程的小攝動
§6.高頻強迫振動的小振幅調(diào)和解
§7.高頻強迫振動的大振幅淵和解
§8.耗散系統(tǒng)
§9.無阻尼的Duffing型方程
習(xí)題六
參考文獻(xiàn)
第七章 環(huán)面上的常微系統(tǒng)
§1.引言
§2.旋轉(zhuǎn)數(shù)
§3.極限點集
§4.各態(tài)經(jīng)歷
§5.奇異情況舉例
§6.介紹Schweitzer之例
習(xí)題七
參考文獻(xiàn)