以滯量為參數的廣義Lienard方程的數值逼近

初穎，呂堂紅

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

以滯量為參數的廣義Lienard方程的數值逼近

初穎，呂堂紅

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

利用歐拉方法研究了對以滯量為參數的具有Hopf分支的廣義Lienard方程的數值逼近問題。首先，利用歐拉方法將得到的時滯差分方程表示為映射，然后以時滯r為分支參數，利用離散動力系統的分支理論，在廣義Lienard方程具有Hopf分支的條件下，給出了差分方程Hopf分支存在的條件，及連續系統與其數值逼近間的關系，證明了當該系統在r=r0產生Hopf分支時，其數值逼近也在相應的參數rh處具有Hopf分支，并且rh=r0+o(h)，最后給出了一個數值仿真的例子，仿真結果表明Euler離散后的系統依舊保持了原系統的動力學性質，從而驗證了理論結果的正確性.

廣義Lienard方程；歐拉方法；Hopf分支；數值逼近

近年來，廣義Lienard方程解的型態受到許多學者的關注。而滯量是引起時滯微分方程和常微分方程差異的關鍵，因而，以滯量為參數研究Hopf分支問題是很有意義的。

關于系統（1）的Hopf分支問題，已經有很多學者做了深入研究［1-3］。例如，1998年，文獻［1］以時滯r為參數研究了系統（1）的Hopf分支問題，證明了Hopf分支的存在性，同時給出了計算Hopf分支的公式；文獻［2］利用指數多項式的τ-D劃分法討論了系統（1）的以k為分支參數的Hopf分支問題；而文獻［3］則以參數b討論了系統（1）的Hopf分支情況，并給出了在r-b參數平面上的Hopf分支圖。

本文將利用歐拉方法，以滯量r為分支參數繼續討論系統（1）的Hopf分支的數值逼近問題。文獻［4-7］率先開始了對時滯Logistic方程Hopf分支的數值逼近問題的研究，并得到了一系列令人滿意的結果。所謂“數值逼近”，就是研究當用數值方法對系統進行離散化時，考察其數值解能否保持該系統的動態特性的問題。

1 廣義Lienard方程的Hopf分支的存在性

對于系統（1），假設時滯r＞0為常數，f,g∈C2,并且g(x)滿足g(0)=0，xg(x)＞0。

記f(0)=a，g′(0)=b,并且a＞0,b＞0。

系統（1）等價于下面的二階時滯系統：

記?=y，再作時間變換t=rs，并將x(rs),y(rs)仍記為x(t),y(t)，則（2）化為其等價系統：

其中，線性部分為：

（4）的特征方程為：

引理1 設r為參數，則當r=r0時，方程（3）有Hoof分支，其中r0滿足以下條件：

（i）方程（5）有一對共軛復根λ1,2=α(r)±iβ(r)，此處α,β是實數，且α(r0)=0，β(r0)=ω0＞0；

（ii）方程（5）在r=r0時的根，除λ(r0),λˉ(r0)外其余根都具有嚴格負實部；

2 廣義Lienard方程的Hopf分支的數值逼近

引入新向量Xn=(xn,yn,xn-1,yn-1,…,xn-m,yn-m)T，將（7）表示為

其中，F(x)=(F0,F1,…,Fm)T是一個2(m+1)維的向量值函數，即：

將（8）式在（0，0）處展開，

其線性部分為：

其中，

I為二階單位陣，

的特征方程為：

為了方便討論方程（3）的數值解的分支問題，引入下面方程：

類似于文獻［8］中的引理4.1，有引理2。

引理2 若特征方程（5）滿足條件（6），則D(μ,r,h)=0滿足：

（i）D(μ,r,h)=0 有一對共軛復根μ1,2=σ(r)±iω(r)；

（ii）存在rh滿足rh=r0+o(h)，σ(rh)=0,ω(rh)≠0 ；

證 明 ：（i-iii） 由 于D(μ,r,0)=d(μ,r) ，故D(iω0,r,0)=d(iω0,r). 在 (iω0,r0,0) 處

故dμ(iω0,r0)≠0.由隱函數存在定理，在 (r0,0)鄰域內存在唯一函數σ(r,h),ω(r,h)使得μ1,2=

（iv）令 {μm},rm,hm使 得D(μm,rm,hm)=0,(rm,hm)∈N(r0,0),那么 |μm|一致有界。從而存在mj，使得μmj→μ0，rmj→r0，hmj→0。由D(μ0,r0,0)=0的連續性，有μ0=iω0,rh=r0。故：

從而引理3得證。

定理1 若微分方程（3）在r=r0處有Hopf分支，則當步長h充分小時，差分方程（8）在rh=r0+o(h)處也產生Hopf分支。

3 數值模擬

本小節對系統（1）給出了一個數值仿真的例子。仿真結果表明Euler離散后的系統依舊保持了原系統的動力學性質，從而驗證了理論結果的正確性。

令f′(0)=a1=0.8，g′(0)=b=1.則系統（1）變為：

此時系統（13）存在唯一平衡點E*=(0,0).由文獻［3］的定理4.1易計算：r0≈0.378 316 029 857 13,于是，系統（13）在r=r0處產生Hopf分支。

圖1 當r=0.2＜r0時，系統（13）的相圖和波圖

圖2 當r=r0時，系統（13）的相圖和波圖

圖3 當r=0.55＞r0時，系統（13）的相圖和波圖

圖4 當r=0.2＜r0,h=0.02時，離散系統（8）的相圖和波圖

圖5 當r=r0,h=0.02時，離散系統（8）的相圖和波圖

圖6 當r=0.55＞r0,h=0.02時，系統（8）的相圖和波圖

圖1-3分別表示未離散前解的系統（13）的波形圖及軌線圖。圖4-6分別表示用Euler法離散后的系統（8）的波形圖及軌線圖。從圖1中可以看出，當r＜r0時系統零解是漸進穩定的，從圖2可以看出r=r0時系統在原點處經歷Hopf分支，并在平衡點附近有穩定的分支周期解產生，從圖3可以看出當r＞r0時系統零解不穩定。由圖4-6可知，當r＜r0時，系統（8）零解是漸進穩定的，在r=r0附近時，有穩定周期解產生，當r＞r0時，系統（8）零解不穩定，說明Euler離散后的系統（8）依舊保持了原系統（1）的動力學性質。

［1］唐風軍，黃振勛，阮炯.以滯量為參數的廣義Lienard方程的Hopf分支［J］.數學年刊，1998，19A：（4）：469-476.

［2］馬蘇奇，陸啟韶.一類具有時滯的Lienard方程的Hopf分支［J］.中國農業大學學報，2003，8（4）：1-4.

［3］唐明.具有限時滯的廣義Lienard方程的Hopf分［D］.長春：東北師范大學，2002.

［4］Lambert J D.Numerical method for ordinary differential equations［M］.Chichester：John Wiley，1991.

［5］Kazarino N，Wan Y H，Van den Driessche P.Hopf bifurcation and stability of periodic solutions of differential-difference and integro-differential equations［J］.Journal of the Institute of Mathematical Appliations，1978（21）：461-467.

［6］Halej，Lunel S V.Introduction to functional differential equations［M］.New York：Spring-Verlag，1993.

［7］Guckenheimer J，Holmes P J.No linear oscillations，dynamical systems and bifurcation of vector fields［M］.New York：Spring-Verlag，1983.

［8］Neville Ford，Volker Wulf.Numerical Hopf bifurcation for a class of delay differential equations［J］.JCAM，2000（115）：601-616.

Numerical Approximation of Generalized Lienard Equation with Delay As a Parameter

CHU Ying，LV Tanghong
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The numerical approximation of the generalized Lienard equation which has Hopf bifurcations and with delay as parameter is considerd by using Euler method.Firstly，the delay deference equation obtained by using Euler method is written as a mapping.Then，under the condition that the generalized Lienard equation has Hopf bifurcation，by taking time delay ras the bifurcation parameter and using the bifurcation theory of discrete dynamical systems，we give the conditions for the existence of Hopf bifurcation of difference equations and the relationship between continuous system and numerical approximation of the continuous system，furthermore，we proved that the numerical approximation also has Hopf bifurcations at corresponding parametersrhand rh=r0+o(h)when the system has Hopf bifurcations atr=r0.Finally，an example of numerical simulation is given，the simulation results show that the system which is discretized by Euler till keeps the dynamical property of the original system，which verifies the correctness of the theoretical results.

the generalized Lienard equation；Euler method；Hopf bifurcation；numerical approximation

O175

A

1672-9870（2017）05-0128-04

2017-09-29

國家自然科學基金（10726062）

初穎（1984-），女，博士，講師，E-mail：chuying_12345@sina.com

呂堂紅（1979-），女，副教授，E-mail：lvtanghong@163.com