分数阶微分方程数值解的一种逼近方法

分数阶微分方程数值解的一种逼近方法

By:Pankaj Kumar, Om Prakash Agrawal

摘要

本文提出了一类分数阶微分方程（FDEs）的数值解方案.在这种方法中,FDEs 被Caputo型分数阶导数所表现. Caputo型分数阶导数的属性可以让一个分数阶微分方程减弱为一个Volterra型积分方程. 这样做了之后,许多研究Volterra 型积分方程的数值方法也可以应用于寻找FDEs的数值解. 本文总时间被划分为一组小区间,在两个连续区间中，用二次多项式逼近未知函数. 这些近似被替换成转化的Volterra型积分方程由此获得一组方程. 这些方程的解提供了FDE的解. 这种方法被应用于解决两种类型的FDEs,线性和非线性. 用这里给出的方法得到的解能与解析解和其他方法的数值解较好的吻合. 同时结果说明这种数值方法是稳定的.

1.引言

本文讨论分数阶微分方程的数值解. 分数阶导数和分数阶积分近年来收到了广泛的关注. 在许多实际应用中，分数阶导数和分数阶积分为考虑的系统提供了更加精确地模型. 比如，分数阶导数已经被成功地运用到模拟许多粘性材料的依赖频率的阻尼行为.1980年之前，Bagley 和Torvik提出了这个领域已经被研究的工作的一个回顾，并且说明了半阶导数模型可以非常好地描述阻尼材料的频率以来. 另一些学者说明了分数阶导数和分数阶积分在电化学过程，电解质极化，有色噪声，粘性材料和混沌领域的应用. Mainardi，Rossikhin和Shitikova 提出了分数阶导数和分数阶积分在一般固体力学，特定粘弹性阻尼模型中的应用的调查. Magin提出了分数阶微积分在生物工程的三个关键部分的回顾. 分数阶导数和分数阶积分在其他领域的应用以及相关的数学工具和技巧还可以在许多其他文献上找到.

系统模型中分数阶导数的引进大多会导致分数阶微分方程的出现. 对某些特定的分数阶微分方程在通常系统条件下的解，已经有几种方法被找到. 这些方法包括，拉普拉斯变换，傅里叶变换，模态综合法和特征向量展开法，数值法以

及基于Laguerre积分公式的方法. 然而，这些方法中大多数不能被应用到非线性分数阶微分方程. 更进一步的，正如Diethelm等人指出的，这些方法很多只能应用到特定类型的分数阶微分方程，并且人们并不知道他们能否被推广. 并且，在很多作者的研究成果中，并没有出现系统性的收敛性分析.

最近，对于能被应用到线性和非线性分数阶微分方程的数值稳定数值逼近技巧，人们的兴趣愈发浓厚. 这些方法技巧大多利用了分数阶微分方程可以被减弱为Volterra型积分方程的特性. 因此，Volterra型积分方程的数值解法也可以应用到分数阶微分方程的解当中. Diethelm等人提出了分数阶微分方程数值解的一种PECE方法，其中P,C,E分别代表预测，校正和估计. 这样一来很多学者又推广了应用于常微分方程和分数阶微分方程的Adams–Bashforth–Moulton 型预测-校正格式. 这种方法的提出也是利用分数阶微分方程可以被转化为Volterra型积分方程的特点. 这些作者同时提出了误差分析和用Richardson外推法改善数值精度的延伸. Ford和Simpson提出了一种阶数大于1的分数阶微分方程的数值解法. 在该公式中，阶大于1的分数阶微分方程被减弱为阶小于1的分数阶微分方程，然后用相应的数值解法解由此导出的系统. 在所有这些方法当中，节点之间的未知函数用线性函数逼近. Kumar and Agrawal提出了阶数大于1的分数阶微分方程的数值解法. 这种方法要求就y(t)和它的导数在时间节点上连续.

本文基于古典分数阶微分方程可以转化为Volterra型积分方程的特点也提出了一种数值方法来逼近分数阶微分方程的解. 特别地，我们用二次逼近函数来建立这种算法，结果说明这种方法可以被应用到寻求分数阶微分方程的数值解. 我们还通过两个例子，线性和非线性问题的解决，说明了这种方法的高效和准确，并且这种数值方法是稳定的.

2.数值算法

关于分数阶导数的定义已经出现有好几种，它们包括Riemann–Liouville, Grun-wald–Letnikov, Weyl, Caputo, Marchaud,和Riesz分数阶导数. 这里，我们规定使用Caputo导数.

其中，Caputo导数的定义是

, (n-1<α

(1)

其中，α是导数的阶数，n是比α大的最小的整数.

式(1)早在19世纪就在Liouville的论文中被提出，在Caputo的论文发表前一年它被Rabotnov所用. 然而，在文献中，被（1）式所定义的分数阶导数作为Caputo导数被广泛认知.

在接下来的讨论中，我们考虑含有Caputo导数的初值问题:

(2)

在初始条件：

, k=0,1,...,n-1,

(3)

下的解，其中，f是任意函数，是y的k阶导数，，k=0,1,…,n-1是指定初值条件. 假设这个函数关于参数和积分区间都是连续的，并且对于它的第二个参数满足Lipschitz条件.

在纯数学中，Riemann–Liouville导数比Caputo导数应用更加广泛. 然而，这里考虑Caputo导数是因为以Riemann–Liouville导数为基础的分数阶微分方程要求y(t)在t=0点的导数和积分为0.一般来说，这些条件的物理意义不是已知的，并且在实际应用中，他们是不可用的. Lorenzo and Hartley讨论了寻找在更一般的情况满足下初始条件的正确格式的问题. 在Diethelm and Ford的文章中，方程(2)和(3)被证明可以等价描述为:

,

(4)

其中g(t)为:

. (5)

为了解释以二次多项式为基础的数值方法，我们假设我要求的是由(2)式定义的分数阶微分方程从0到T的积分. 为了达到这个目的，我们把时间T等分成N 份，令h=T/N，作为时间区间的每一个部分. 时间在网格点上被表示为

. 同时假设y(t)的数值逼近值被网格点

所决定. 该方法的基本思想是在相邻的两个时间节点

和上数值地获取函数y(t)的值，然后重复这个过程来接近所求积分

直到取到终点T.

为了便于接下来的讨论，我们规定如下记号:

, ,

这里的方法需要对方程(4)每一步求两次积分值. 这里有两种方法来达成目的.第一种,用一些近似函数逼近y(t)，然后用一种数值方法确定式(4)的积分值.这里需要在未知积分的情况下对和作初始的估计. 第二种, 都用近似

函数来显式地逼近y(t)和f(t,y(t))以及确定式(4)的积分. 注意在这种情况下，和会作为参数出现在函数f当中. 本文利用的是第二种逼近方法.

现在，我们给出算法的详细思路. 首先我们需要确定y(t)，，的值. 用二次插值函数可以在区间[0，]上逼近y(t)和f(t,y(t)):

(6)

以及

(7)

其中，是函数在第k个时间节点的值，，k=0,1,2是二次

插值函数，其中下标（j,k）代表在第j+1，j=0,…,m步的第k个近似函数.

我们首先确定y(t)在和处的值. 把(7)式带入(4)式，并积分得到:

(8)

其中,

,

(9)

可以精确计算得到. 注意式(8)需要知道f在和的值(或者间接地说，y的值). 为了得到，在[，]上把f(t,y(t))近似为:

，(10)

其中，,是另一个二次插值函数. 函数,k=1,2,3由下式给出，

函数由相似的办法定义.

把(10)代到(4)中，积分得到:

, (11)

其中，

, (12)

可以(9)中一样被精确计算出来. 由(7)可以得到的值为:

(13) 这里，我们充分利用了二次多项式的性质. 在非二次多项式的情况下，将会有不同的参数.

把(13)代到(11)得到,

+, (14)

注意到(8)和(14)是关于两个未知量和的方程，可以用Newton–Raphson法，不动点迭代或者其他非线性方法求解. 这里，我们用Newton–Raphson法求解这些非线性方程. 这个方法需要对和作一个初始的估计. 当α大于1, 由t=0处的斜率可以得到关于和的更好的估计. 然而，在这里，对于α>1和α<1

我们对把这些变量的初值估计为. 注意在每一次迭代式，时间步长取2h.

现在我们假定在处，y的值是已知的，我们要求的是和处的值. 根据以上的逼近方法，和可以被表示为：

+, (15)

++(16)

其中，,k=2m,2m+2,2m+2,,k=2m,2m+1/2,2m+1是和

,用同样方法确定的系数. 注意(15),(16)的积分可

以被数值确定因为y(t)在,处的值是已知的. 这些方程含有两个

未知量和,而他们可以通过Newton–Raphson法得到. 本文中，我们把作为和的初值估计. 这样一来，方程(1)就可以在需要的区间上求积分.

作为特殊情况，考虑如下非线性系统:.这种条件下，，式(16)和(15)减弱为:

, (17) 其中

=, (18)

=, (19)

=-, (20)

=1+(21)

=

-, (22)

=

- . (23)

(17)是一组线性联立方程，可以用线性方法求解.

请注意以下两个补充说明. 第一，方程(1)只含有一个y(t). 当y(t)是一个向量函数时，算法同样成立.不过，所有的y(t)和f(t,y(t))必须换成相应的近似向量函数. 第二，算法需要保存所有算过的的y的值. 这是很多分数阶微分方程的典型特征. 这将会导致一些问题，特别是当y的维数和分数阶有限元系统一样大

时. 这种情况下，系统有临近的短期记忆，y(t)在过去一段时间长度的值可以忽略不计,以此来改善对存储空间的需求和计算效率.

3. 数值结果

为了说明这种方法的效率,我们分别考虑一个线性和一个非线性的算例. 讨论这些例子是因为他们解的逼近格式是可靠的，并且可以用其他数值方法求解. 这样我们就可以把用这种方法得到的结果和解析解以及其他数值方法的结果相比较.

３.１例１线性方程

在第一个例子中，我们考虑如下给出的线性方程:

，０＜α＜２，(24) 且

. (25) 初始条件仅当α>1是成立. (24),(25)的解是：

，(26) 其中,

. (27) 是Mittag–Leffler函数的阶.

图1.α=0.75时y(t)的比较（O:解析解，X:本文数值方法）

表1.α=0.75时h在不同值下函数y(t)的误差

对不同的α和h可以得到很多结果，这里给出其中一些. 在各种情况下，我们另T=6.4s.考虑这个区间是因为它接近α=2的系统的时间. 这里图(1)比较了α=0.75时的解析解和二次数值方法. 在这种情况下，我们令h=0.1s. 注意到这两个结果几乎完全重合. 为了强调收敛性，表(1)列出了当α=0.75,h分别等于0.4，0.2，0.1，0.05和0.025时的结果. 注意到随着步长的缩小，误差也如期望一样的缩小了. 在大部分节点误差比R=E(2h)/E(h)都非常接近3.37，这表明

误差阶为1.75(或E(h)=O()).

图2. α不同时y(t)的比较(O:α=0.25，X:α=0.5，+:α=0.75，Δ:α=0.95，*:α=1.)

图3.α=1.5时y(t)的比较(O:解析解，X:本文数值方法)

表2.α=1.5时h在不同值下函数y(t)的误差

图(2)展示了h=0.025,α分别等于0.25，0.5，0.75，0.95和1时y(t)的数值结果.因为解析解和数值结果完全一致，因此图中没用画出解析解. 当α=1

时，精确解为y(t)=. 注意到随着α越来越接近1，数值解越收敛到解析解y(t)=,即在极限情况下，分数阶微分方程的解接近整数阶导数的解.

更进一步地，我们给出了α>1的一系列结果.α<1和α>1的结果是分离的，因为y(t)的斜率在α=1处有一个跃迁.图３比较了y(t)在α=1.5，h=0.4时的解析解和数值解. 两个结果又一次几乎完全重合.为了突出收敛性，表2给出了α=1.5，h分别等于0.4，0.2，0.1，0.05和0.025时的数值解. 正如之前观察到的一样，在这种情况下，随着步长的减小，误差也随之减小. 在这种情况下，误差比接近5.5，这表明误差阶为2.5(或E(h)=O()). 这样一来，通过观察α

<1和α>1的收敛结果，可以知道误差的收敛阶为1+α(或E(h)=O()),即误差的阶不仅依赖于h，还依赖于导数的阶α.

图4. α不同时y(t)的比较(O:α=1.25，X:α=1.5，+:α=1.75，Δ:α=1.95，*:α=2.)

图5.α=0.25，0.75，1.25，1.75时y(t)的比较(O:解析解，X:本文数值方法)

表3.本文数值方法和文献(35)中y(t)的误差的比较.

图4展示了h=0.025,α分别等于1.25，1.5，1.75，1.95和2时y(t)的数值结果.又一次，因为解析解和数值结果完全一致，因此图中没用画出解析解. 当α=2时，精确解为y(t)=cos(t). 注意到随着α越来越接近2，数值解逐渐收敛到整数阶导数的解. 图2和图4展示的收敛结果十分重要，因为他们说明了在极限情况下，分数阶微分方程和他们的解逼近整数阶微分方程以及他们的解析解. 表3比较了t=1.0文献(35)的解的误差和用本文数值方法在α=0.5和1.25，h=0.1,0.05,0.025的解的误差. 注意到本文的方法得到了更低阶的误差. 这是因为，这里的方法是一种高阶方法. 当α和h取其他值时这种趋势也能显现出来.

3.2 例2.非线性方程

在第二个例子中，我们考虑一个如下定义的非线性方程:

(28) 且

. (29) 和之前一样，第二个初始条件仅适用于α>1. (28)(29)的精确解在文献(35)中已给出,

(30)

注意到当α<1, 方程的解在t=0处的斜率趋近于无穷. 因此，他可能导致在t=0附近出现一个巨大的数值误差.

表4. α=0.75和1.5，h取不同值下y(t) 的误差.

表5. 文献（35）中y(t)的误差和用本文数值方法得到的y(t)的误差的比较上面给出了一些在不同α和h下的数值结果. 图5表示了h=0.05,α分别等于

0.25，0.75，1.25，1.75时解析解和数值解的结果. 由它可以得到(1).解析解和数值解基本重合，当α取其他值是，可以得到同样的结果. (2)尽管在t=0处斜率非常大，但是方法给出了非常精确的结果. （3）正如预期的那样, 在t=1处，对所有的α，y(t)的值收敛到0.25. 表4列出了当α=0.75和1.5，h=0.1,0.05和0.025的数值解的误差. 注意到误差随着步长的减小而减小. 同样的趋势在α取其他值时也能观察到. 在尝试过的α的值中，误差比R=E(2h)/E(h)表明没有特定的收敛阶. 然而，当α=0.75和1.5时，收敛的误差的平均值接近12和15.

表5比较了文献(35)中在t=1.0处解的误差和用这种方法在α=0.25和1.25，h=0.05时的误差. 这里我们用的是文献(35)中用Richardson外推法得到的值. 观察得到，本文的方法又一次给出了更小的误差. 当α=0.25时，这种方法给出了比Richardson外推法小得多的误差. 这可能是因为，当α等于0.25时y(t)在t=0附近的斜率改变非常迅速,并且线性方法不能精确地获得结果. 需要指出的是，这种数值方法对于α和h取其他值时同样给出了更加精确的结果.

4．结论

本文给出了一种经典的分数阶微分方程的数值逼近方法. 这里的分数阶微分方程是依据Caputo型分数阶导数给出的, 这种导数的性质可以把分数阶微分方程减弱为Volterra型积分方程. 时间区间被分成一组网格，通过3个连续节点的二次插值多项式逼近未知的和已知的函数y(t)和f(t,y(t)). 把这些多项式带入Volterra型积分方程可以得到一组代数方程，这种数值方法的提出就是用来解这些方程以及获取y(t)的解. 通过一个线性一个非线性的例子的解决，说明了这种数值方法的作用. 用这种方法得到结果和解析解以及其他数值方法的结果是一

致的. 还得到一个结论就是结果随着步长的减小而收敛. 在极限情况小，当α逼近整数值，数值方法会得到一个整数阶系统的解. 结果还表明这种方法是数值稳定的.

分数阶微分方程-课件

分数阶微分方程 第三讲分数阶微分方程基本理论 一、分数阶微分方程的出现背景及研究现状 1、出现背景 分数阶微积分是关于任意阶微分和积分的理论，它与整数阶微积分是统一的，是整数阶微积分的推广。 整数阶微积分作为描述经典物理及相关学科理论的解析数学工具已为人们普遍接受，很多问题的数学模型最终都可以归结为整数阶微分方程的定解问题，其无论在理论分析还是数值求解方面都已有较完善的理论。但当人们进入到复杂系统和复杂现象的研究时，经典整数阶微积分方程对这些系统的描述将遇到以下问题： （1）需要构造非线性方程，并引入一些人为的经验参数和与实际不符的假设条件； （2）因材料或外界条件的微小改变就需要构造新的模型； （3）这些非线性模型无论是理论求解还是数值求解都非常繁琐。 基于以上原因，人们迫切期待着有一种可用的数学工具和可依据的基本原理来对这些复杂系统进行建模。分数阶微积分方程非常适合于刻画具有记忆和遗传性质的材料和过程，其对复杂系统的描述具有建模简单、参数物理意义清楚、描述准确等优势，因而成为复杂力学与物理过程数学建模的重要工具之一。 2、研究现状 在近三个世纪里，对分数阶微积分理论的研究主要在数学的纯理论领域里进行，似乎它只对数学家们有用。然而在近几十年来，分数阶微分方程越来越多的被用来描述光学和热学系统、流变学及材料和力学系统、信号处理和系统识别、控制和机器人及其他应用领域中的问题。分数阶微积分理论也受到越来越多的国内外学者的广泛关注，特别是从实际问题抽象出来的分数阶微分方程成为很多数学工作者的研究热点。随着分数阶微分方程在越来越多的科学领域里出现，无论对分数阶微分方程的理论分析还是数值计算的研究都显得尤为迫切。然而由于分数阶微分是拟微分算子，它的保记忆性（非局部性）对现实问题进行了优美刻画的同时，也给我们的分析和计算造成很大困难。 在理论研究方面，几乎所有结果全都假定了满足李氏条件，而且证明方法也和经典微积分方程一样，换句话说，这些工作基本上可以说只是经典微积分方程理论的一个延拓。对分数阶微分方程的定性分析很少有系统性的结果，大多只是给出了一些非常特殊的方程的求解，且常用的求解方法都是具有局限性的。 在数值求解方面，现有分数阶方程数值算法还很不成熟，主要表现为： （1）在数值计算中一些挑战性难题仍未得到彻底解决，如长时间历程的计算和大空间域的计算等； （2）成熟的数值算法比较少，现在研究较多的算法主要集中在有限差分方法与有限单元法； （3）未形成成熟的数值计算软件，严重滞后于应用的需要。

081数值计算方法—常微分方程(组)

科学计算—理论、方法 及其基于MATLAB 的程序实现与分析 微分方程（组）数值解法 §1 常微分方程初值问题的数值解法 微分方程（组）是科学研究和工程应用中最常用的数学模型之一。如揭示质点运动规律的Newton 第二定律： ()()()?????'='==0 00022x t x x t x t F dt x d m （１） 和刻画回路电流或电压变化规律的基尔霍夫回路定律等，但是，只有一些简单的和特殊的常微分方程及常微分方程组，可以求得用公式给出的所谓“解析解”或“公式解”，如一阶线性微分方程的初值问题： () ()0 0y y t f ay dt dy =+= （２） 的解为： ()()()τττd f e y e t y t t a at ?-+=00 （３） 但是，绝大多数在实际中遇到的常微分方程和常微分方程组得不到“解析解”，因此，基于如下的事实：

１、绝大多数的常微分方程和常微分方程组得不到（有限形式的）解析解； ２、实际应用中往往只需要知道常微分方程（组）的解在（人们所关心的）某些点处的函数值（可以是满足一定精度要求的近似值）； 如果只需要常微分方程（组）的解在某些点处的函数值，则没有必要非得通过求得公式解，然后再计算出函数值不可，事实上，我们可以采用下面将介绍的常微分方程（组）的初值问题的数值解法，就可以达到这一目的。 一般的一阶常微分方程（组）的初值问题是指如下的一阶常微分方程（组）的定解问题： ()()0 00,y t y t t t y t F dt dy f =≤≤= （７） 其中 ()()()()???? ?? ? ??=t y t y t y t y n 21 （８） ()()()()???? ?? ? ??=y t f y t f y t f y t F n ,,,,21 （９） 常微分方程（组）的初值问题通常是对一动态过程（动态系统、动力系统）演化规律的描述，求解常微分方程（组）的初值问题就是要了解和掌握动态过程演化规律。 §１.1 常微分方程（组）的Cauch 问题数值解法概论

常微分方程初值问题的数值解法

第七章 常微分方程初值问题的数值解法 --------学习小结 一、本章学习体会 通过本章的学习，我了解了常微分方程初值问题的计算方法，对于解决那些很难求解出解析表达式的，甚至有解析表达式但是解不出具体的值的常微分方程非常有用。在这一章里求解常微分方程的基本思想是将初值问题进行离散化，然后进行迭代求解。在这里将初值问题离散化的方法有三种，分别是差商代替导数的方法、Taylor 级数法和数值积分法。常微分方程初值问题的数值解法的分类有显示方法和隐式方法，或者可以分为单步法和多步法。在这里单步法是指计算第n+1个y 的值时,只用到前一步的值，而多步法则是指计算第n+1个y 的值时，用到了前几步的值。通过对本章的学习，已经能熟练掌握如何用Taylor 级数法去求解单步法中各方法的公式和截断误差，但是对线性多步法的求解理解不怎么透切，特别是计算过程较复杂的推理。 在本章的学习过程中还遇到不少问题，比如本章知识点多，公式多，在做题时容易混淆，其次对几种R-K 公式的理解不够透彻，处理一个实际问题时，不知道选取哪一种公式，通过课本里面几种方法的计算比较得知其误差并不一样，，这个还需要自己在往后的实际应用中多多实践留意并总结。 二、本章知识梳理 常微分方程初值问题的数值解法一般概念 步长h ，取节点0,(0,1,...,)n t t nh n M =+=，且M t T ≤，则初值问题000 '(,),()y f t y t t T y t y =≤≤?? =?的数值解法的一般形式是 1(,,,...,,)0,(0,1,...,)n n n n k F t y y y h n M k ++==-

常微分方程数值解

第四章常微分方程数值解 [课时安排]6学时 [教学课型]理论课 [教学目的和要求] 了解常微分方程初值问题数值解法的一些基本概念，如单步法和多步法，显式和隐式，方法的阶数，整体截断误差和局部截断误差的区别和关系等；掌握一阶常微分方程初值问题的一些常用的数值计算方法，例如欧拉（Euler）方法、改进的欧拉方法、龙贝－库塔（Runge-Kutta）方法、阿达姆斯（Adams）方法等，要注意各方法的特点及有关的理论分析；掌握构造常微分方程数值解的数值积分的构造方法和泰勒展开的构造方法的基本思想，并能具体应用它们导出一些常用的数值计算公式及评估截断误差；熟练掌握龙格－库塔（Ｒ－Ｋ）方法的基本思想，公式的推导，Ｒ－Ｋ公式中系数的确定，特别是能应用“标准四阶Ｒ－Ｋ公式”解题；掌握数值方法的收敛性和稳定性的概念，并能确定给定方法的绝对稳定性区域。[教学重点与难点] 重点：欧拉方法，改进的欧拉方法，龙贝－库塔方法。 难点：R—K方法，预估-校正公式。 [教学内容与过程] 4.1 引言 本章讨论常微分方程初值问题 (4.1.1) 的数值解法，这也是科学与工程计算经常遇到的问题，由于只有很特殊的方程能用解析方法求解，而用计算机求解常微分方程的初值问题都要采用数值方法.通常我们假定(4.1.1)中 f(x,y)对y满足Lipschitz条件，即存在常数L＞0，使对，有 (4.1.2) 则初值问题(4.1.1)的解存在唯一. 假定(4.1.1)的精确解为，求它的数值解就是要在区间上的一组离散点 上求的近似.通常取 ，h称为步长，求(4.1.1)的数值解是按节点的顺序逐步 推进求得.首先，要对方程做离散逼近，求出数值解的公式，再研究公式的局部截

分数阶微积分发展现状及展望教学文稿

分数阶微积分发展现状及展望 在数学领域中，大体分为五种研究方向：基础数学，应用数学，计 算数学，概率论与数理统计，统计学与控制论。这五个方向对数学在当 代的发展都有不可或缺的作用。从研究内容来讲，方程、算子、群论、 图论、代数、几何等等都是数学领域重要的研究对象。作为基础数学专 业分数阶微分方程方向的博士生，本文将从分数阶微分方程的发展的历 史及现状、本人对分数阶微分方程未来发展的看法来介绍分数阶微分的 基本知识。 (一)、发展历史及现状 牛顿和莱布尼兹发明的微积分是现代数学与古典数学的分水岭。分数阶微积分是关于任意阶微分和积分的理论，它与整数阶微积分是统一的，是整数阶微积分的推广。整数阶微积分作为描述经典物理及相关学科理论的解析数学工具已为人们普遍接受，很多问题的数学模型最终都可以归结为整数阶微分方程的定解问题，其无论在理论分析还是数值求解方面都已有了比较完善的理论。但当人们进入到复杂系统和复杂现象的研究时，经典整数阶微积分方程对这些系统的描述将遇到一些问题，如：需要构造非线性方程，并引入一些人为的经验参数和与实际不符的假设条件；因材料或外界条件的微小改变就需要构造新的模型等等。基于以上原因，人们迫切期待着有一种可用的数学工具和可依据的基本原理来对这些复杂系统进行建模。分数阶微积分方程非常适合于刻画具有记忆和遗传性质的材料和过程，其对复杂系统的描述具有建模简单、参数物理意义清楚、描述准确等优势，因而成为复杂力学与物理过程数学建模的重要工具之一。 对大多数研究人员和工程师而言，分数阶微积分也许还是比较陌生的，但它实际上早在300多年前就被提出。1695年9月，洛必达 （L’Hospital）在给莱布尼兹的著名信件中就写到“对于简单的线性函数 f(x)=x，如果函数导数次数为分数而不是整数那会怎样”。这是公认的第一次提及分数阶微分。1832年，刘维尔（Liouville）成功的应用了自己提出的分数阶导数的定义，解决了势理论问题。之后刘维尔发表的一系列文 章使他成为分数阶微积分理论的实际级创始人。1974年，Oldham与Spanier出版了第一本关于分数阶微积分理论的专著。 在近三个世纪里，对分数阶微积分理论的研究主要在数学的纯理论领域里进行，但是从近几十年，分数阶微分方程越来越多的被用来描述光学和热学系统、流变学及材料和力学系统、信号处理和系统识别、控制和机器人及其他应用领域中的问题。分数阶微积分理论也受到越来越多的国内

计算方法_微分方程数值解

120 第6章 常微分方程初值问题数值解法 6.1 问题的描述和基本概念 1、常微分方程初值问题 ● 一般形式 0(,)()y f x y y a y '=??=? 式中(,)f x y 已知，0()y a y =称为初值条件. ● 初值问题的数值方法和数值解 求函数()y y x =在若干离散点k x 上的近似值 (0,1,)k y k = 的方法称为初值问题的数值方法，而 称(0,1,)k y k = 为初值问题的数值解.

121 2. 建立数值解法的思想与方法 用离散化方法将初值问题化为差分方程, 然后再求解. 设节点为 011n n a x x x x +=<<<<< 距离1k k k h x x +=-称为步长. 求数值解一般是从0y 开使逐次顺序求出12,,y y . 初值问题的解法有单步法和多步法两种： ● 单步法：计算1k y +时只用到k y 一个值； ● 多步法：计算1k y +时要用1,,,k k k l y y y -- 多个值。 数值解法还有显格式和隐格式之分。

122 微分方程离散化方法主要有 数值微分法，数值积分法和Taylor 展开法 1) 数值微分法 由'()(,())k k k y x f x y x =，用数值微分的2点前差公式代替'()k y x ，得近似离散化方程 记1k k h x x +=-，做k k ，“”，得差分方程 1(,)k k k k y y f x y h +-= 即 1(,)k k k k y y hf x y +=+ （Euler 公式） 由初值条件0()y y a =及Euler 公式可求出数值解 12,,,,n y y y .Euler 公式是显式单步法.

常微分方程数值解法

第七章 常微分方程数值解法 常微分方程中只有一些典型方程能求出初等解(用初等函数表示的解)，大部分的方程是求不出初等解的。另外，有些初值问题虽然有初等解，但由于形式太复杂不便于应用。因此，有必要探讨常微分方程初值问题的数值解法。本章主要介绍一阶常微分方程初值问题的欧拉法、龙格-库塔法、阿达姆斯方法，在此基础上推出一阶微分方程组与高阶方程初值问题的 数值解法；此外，还将简要介绍求解二阶常微分方程值问题的差分方法、试射法。 第一节 欧拉法 求解常微分方程初值问题 ?????==0 0)() ,(y x y y x f dx dy （1） 的数值解，就是寻求准确解)(x y 在一系列离散节点 <<<<

分数阶微分方程数值解的一种逼近方法.

分数阶微分方程数值解的一种逼近方法 By:Pankaj Kumar, Om Prakash Agrawal 摘要 本文提出了一类分数阶微分方程（FDEs）的数值解方案.在这种方法中,FDEs 被Caputo型分数阶导数所表现. Caputo型分数阶导数的属性可以让一个分数阶微分方程减弱为一个Volterra型积分方程. 这样做了之后,许多研究Volterra 型积分方程的数值方法也可以应用于寻找FDEs的数值解. 本文总时间被划分为一组小区间,在两个连续区间中，用二次多项式逼近未知函数. 这些近似被替换成转化的Volterra型积分方程由此获得一组方程. 这些方程的解提供了FDE的解. 这种方法被应用于解决两种类型的FDEs,线性和非线性. 用这里给出的方法得到的解能与解析解和其他方法的数值解较好的吻合. 同时结果说明这种数值方法是稳定的. 1.引言 本文讨论分数阶微分方程的数值解. 分数阶导数和分数阶积分近年来收到了广泛的关注. 在许多实际应用中，分数阶导数和分数阶积分为考虑的系统提供了更加精确地模型. 比如，分数阶导数已经被成功地运用到模拟许多粘性材料的依赖频率的阻尼行为.1980年之前，Bagley 和Torvik提出了这个领域已经被研究的工作的一个回顾，并且说明了半阶导数模型可以非常好地描述阻尼材料的频率以来. 另一些学者说明了分数阶导数和分数阶积分在电化学过程，电解质极化，有色噪声，粘性材料和混沌领域的应用. Mainardi，Rossikhin和Shitikova 提出了分数阶导数和分数阶积分在一般固体力学，特定粘弹性阻尼模型中的应用的调查. Magin提出了分数阶微积分在生物工程的三个关键部分的回顾. 分数阶导数和分数阶积分在其他领域的应用以及相关的数学工具和技巧还可以在许多其他文献上找到. 系统模型中分数阶导数的引进大多会导致分数阶微分方程的出现. 对某些特定的分数阶微分方程在通常系统条件下的解，已经有几种方法被找到. 这些方法包括，拉普拉斯变换，傅里叶变换，模态综合法和特征向量展开法，数值法以

郑州大学研究生课程数值分析复习---第八章 常微分方程数值解法

郑州大学研究生课程（2012-2013学年第一学期）数值分析 Numerical Analysis 习题课 第八章常微分方程数值解法

待求解的问题：一阶常微分方程的初值问题/* Initial-Value Problem */: ?????=∈=0 )(] ,[),(y a y b a x y x f dx dy 解的存在唯一性（“常微分方程”理论）：只要f (x , y ) 在[a , b ] ×R 1 上连续，且关于y 满足Lipschitz 条件，即存在与x , y 无关的常数L 使 对任意定义在[a , b ] 上的y 1(x ) 和y 2(x ) 都成立，则上述IVP 存在唯一解。 1212|(,)(,)||| f x y f x y L y y ?≤?一、要点回顾

§8.2 欧拉(Euler)法 通常取(常数),则Euler 法的计算格式 h h x x i i i ==?+1?? ?=+=+) (),(001x y y y x hf y y i i i i i =0,1,…,n ( 8.2 )

§8.2 欧拉(Euler)法(1) 用差商近似导数 )) (,()()()()(1n n n n n n x y x hf x y x y h x y x y +=′+≈+?? ?=+=+) (),(01a y y y x hf y y n n n n 差分方程初值问题向前Euler 方法h x y x y x y n n n ) ()()(1?≈ ′+)) (,() ()(1n n n n x y x f h x y x y ≈?+))(,()(n n n x y x f x y =′

常微分方程的数值解

实验4 常微分方程的数值解 【实验目的】 1．掌握用MATLAB软件求微分方程初值问题数值解的方法； 2．通过实例用微分方程模型解决简化的实际问题； 3．了解欧拉方法和龙格-库塔方法的基本思想和计算公式，及稳定性等概念。 【实验内容】 题3 小型火箭初始重量为1400kg，其中包括1080kg燃料。火箭竖直向上发射时燃料燃烧率为18kg/s，由此产生32000N的推力，火箭引擎在燃料用尽时关闭。设火箭上升时空气阻力正比于速度的平方，比例系数为m，求引擎关闭瞬间火箭的高度、速度、加速度，及火箭到达最高点的时的高度和加速度，并画出高度、速度、加速度随时间变化的图形。 模型及其求解 火箭在上升的过程可分为两个阶段，在全过程中假设重力加速度始终保持不变，g=s2。 在第一个过程中，火箭通过燃烧燃料产生向上的推力，同时它还受到自身重力（包括自重和该时刻剩余燃料的重量）以及与速度平方成正比的空气阻力的作用，根据牛顿第二定律，三个力的合力产生加速度，方向竖直向上。因此有如下二式： a=dv/dt=/m=/(1400-18t) dh/dt=v 又知初始时刻t=0，v=0，h=0。记x(1)=h，x(2)=v，根据MATLAB 可以求出0到60秒内火箭的速度、高度、加速度随时间的变化情况。程序如下： function [ dx ] = rocket( t,x ) a=[*x(2)^2)/(1400-18*t)]; dx=[x(2);a]; end ts=0:1:60;

x0=[0,0]; [t,x]=ode45(@rocket,ts,x0); h=x(:,1); v=x(:,2); a=[*(v.^2))./(1400-18*t)]; [t,h,v,a]; 数据如下： t h v a 000

分数阶微分方程_课件

分数阶微分方程 一、 预备知识 1、 分数阶微积分经典定义回顾 作为分数阶微积分方程的基础，本书在第二章中对分数阶微积分的定义及性质做了系统的介绍，为了接下来讨论的需要，我们首先对其进行一个简要的回顾。 （1）分数阶微积分的主要思想 如上图所示，分数阶微积分的主要思想是推广经典的整数阶微积分，从而将微积分的概念延拓到整个实数轴，甚至是整个复平面。但由于延拓的方法多种多样，因而根据不同的需求人们给出了分数阶微积分的不同定义方式。然而这些定义方式不仅只能针对某些特定条件下的函数给出，而且只能满足人们的某些特定需求，迄今为止，人们仍然没能给出分数阶微积分的一个统一的定义, 这对分数阶微积分的研究与应用造成了一定的困难。 1、分数阶微分的定义 为了满足实际需要，下面我们试图从形式上对分数阶微积分给出一种统一的表达式。 分数阶微积分的主要思想是推广经典的累次微积分，所有推广方法的共同目标是以非整数参数p 取代经典微积分符号中的整数参数n ，实际上，任意的n 阶微分都可以看成是一列一阶微分的叠加： ()()n n n d f t d d d f t dt dt dt dt = （1） 由此，我们可以给出一种在很多实际应用中十分重要的分数阶微积分的推广方 式。首先，我们假设已有一种合适的推广方式来将一阶微分推广为α（01α≤≤） 阶微分，即d D dt α→是可实现的。那么类似地可得到（1）的推广式为： ()()n n D f t D D D f t αααα= （2） 这种推广方式最初是由..K S Miller 和.B Ross 提出来的，其中D α采用的是R L -分数阶微分定义，他们称之为序列分数阶微分。序列分数阶微分的其他形式可以通过将D α替换为G L -分数阶微分、Caputo 分数阶微分或其他任意形式

数值分析_第五章_常微分方程数值解法

图５畅２ 令珔h ＝h λ，则y n ＋１＝１＋珔 h ＋１２珔h ２ ＋１６珔h ３＋１２４ 珔 h ４y n ．由此可知，绝对稳定性区域在珔h ＝h λ复平面上满足 ｜１＋珔 h ＋１２珔h ２＋１６珔h ３＋１２４珔h ４ ｜≤１的区域，也就是由曲线 １＋珔h ＋ １２珔h ２＋１６珔h ３＋１２４ 珔h ４＝e i θ 所围成的区域．如图５畅２所示． 例22　用Euler 法求解 y ′＝－５y ＋x ，y （x ０）＝y ０， 　x ０≤x ≤X ． 从绝对稳定性考虑，对步长h 有何限制？ 解　对于模型方程y ′＝λy （λ＜０为实数）这里λ＝抄f 抄y ＝－５．由 ｜１＋h λ｜＝｜１－５h ｜＜１ 得到对h 的限制为：０＜h ＜０畅４． 四、习题 １畅取步长h ＝０畅２，用Euler 法解初值问题 y ′＝－y －x y ２ ， y （０）＝ １． 　（０≤x ≤０畅６）， ２畅用梯形公式解初值问题 y ′＝８－３y ， 　（１≤x ≤２），

取步长h＝０畅２，小数点后至少保留５位． ３畅用改进的Euler公式计算初值问题 y′＝１x y－１x y２， y（１）＝０畅５， 　１＜x＜１畅５， 取步长h＝０畅１，并与精确解y（x）＝ x １＋x比较． ４畅写出用梯形格式的迭代算法求解初值问题 y′＋y＝０， y（０）＝１ 的计算公式，取步长h＝０畅１，并求y（０畅２）的近似值，要求迭代误差不超过１０－５． ５畅写出用四阶经典Runge唱Kutta法求解初值问题 y′＝８－３y， y（０）＝２ 的计算公式，取步长h＝０畅２，并计算y（０畅４）的近似值，小数点后至少保留４位． ６畅证明公式 y n＋１＝y n＋h９（２K１＋３K２＋４K３）． K１＝f（x n，y n）， K２＝f x n＋h２，y n＋h２K１， K３＝f x n＋３４h，y n＋３４h K２， 至少是三阶方法． ７畅试构造形如 y n＋１＝α（y n＋y n－１）＋h（β０f n＋β１f n－１）

常微分方程数值解法

i.常微分方程初值问题数值解法 常微分方程初值问题的真解可以看成是从给定初始点出发的一条连续曲线。差分法是常微分方程初值问题的主要数值解法，其目的是得到若干个离散点来逼近这条解曲线。有两个基本途径。一个是用离散点上的差商近似替代微商。另一个是先对微分方程积分得到积分方程，再利用离散点作数值积分。 i.1 常微分方程差分法 考虑常微分方程初值问题：求函数()u t 满足 (,), 0du f t u t T dt =<≤ （i.1a ） 0(0)u u = (i.1b) 其中(,)f t u 是定义在区域G : 0t T ≤≤, u <∞上的连续函数，0u 和T 是给定的常数。我们假设(,)f t u 对u 满足Lipschitz 条件，即存在常数L 使得 121212(,)(,), [0,]; ,(,)f t u f t u L u u t T u u -≤-?∈∈-∞∞ （i.2） 这一条件保证了（i.1）的解是适定的，即存在，唯一，而且连续依赖于初值0u 。 通常情况下，（i.1）的精确解不可能用简单的解析表达式给出，只能求近似解。本章讨论常微分方程最常用的近似数值解法-差分方法。先来讨论最简单的Euler 法。为此，首先将求解区域[0,]T 离散化为若干个离散点： 0110N N t t t t T -=<< <<= （i.3） 其中n t hn =，0h >称为步长。 在微积分课程中我们熟知，微商（即导数）是差商的极限。反过来，差商就是微商的近似。在0t t =处，在（i.1a ）中用向前差商 10()()u t u t h -代替微商du dt ，便得 10000()()(,())u t u t hf t u t ε=++ 如果忽略误差项0ε，再换个记号，用i u 代替()i u t 便得到 1000(,)u u hf t u -= 一般地，我们有 1Euler (,), 0,1, ,1n n n n u u hf t u n N +=+=-方法： （i.4） 从(i.1b) 给出的初始值0u 出发，由上式可以依次算出1,,N t t 上的差分解1,,N u u 。

偏微分方程数值解法

《偏微分方程数值解法》 课程设计 题目: 六点对称差分格式解热传导方程的初边 值问题 姓名: 王晓霜 学院: 理学院 专业: 信息与计算科学 班级: ０91１01２ 学号: ０９１10１218 指导老师：翟方曼 ２０12年12月14

日 一、题目 用六点对称差分格式计算如下热传导方程的初边值问题 222122,01,01(,0),01 (0,),(1,),01x t t u u x t t x u x e x u t e u t e t +???=<<<≤?????=≤≤??==≤≤??? 已知其精确解为 2(,)x t u x t e += 二、理论 1.考虑的问题 考虑一维模型热传导方程 （1.１) )(22x f x u a t u +??=??,T t ≤<0 其中a 为常数。)(x f 是给定的连续函数。（1.１)的定解问题分两类: 第一,初值问题（Cauch ｙ 问题)：求足够光滑的函数()t x u ,,满足方程（１.1）和初始条件： (1.２) ()()x x u ?=0,， ∞<<∞-x 第二,初边值问题（也称混合问题）:求足够光滑的函数()t x u ,，满足方程(１.１)和初始条件： ()13.1 ()()x x u ?=0,， l x l <<- 及边值条件 ()23.1 ()()0,,0==t l u t u ， T t ≤≤0 假定()x f 和()x ?在相应的区域光滑,并且于()0,0，()0,l 两点满足相容条件,则上述问题有唯一的充分光滑的解。 现在考虑边值问题（１.1),（1.３)的差分逼近 取 N l h = 为空间步长,M T =τ为时间步长,其中N ,M 是自然数,

求解偏微分方程三种数值方法

数值模拟偏微分方程的三种方法介绍 （有限差分方法、有限元方法、有限体积方法） I．三者简介 有限差分方法（Finite Difference Methods）是数值模拟偏微分方程最早采用的方法，至今仍被广泛使用。该方法包括区域剖分和差商代替导数两个步骤。首先将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解区域。其次，利用Taylor级数展开等方法将偏微分方程中的导数项在网格节点上用函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知量的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且十分成熟的数值方法。 差商代替导数后的格式称为有限差分格式，从格式的精度来考虑，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。从差分的空间离散形式来考虑，有中心格式和迎风格式。对于瞬态方程，考虑时间方向的离散，有显格式、隐格式、交替显隐格式等。目前常见的差分格式，主要是以上几种格式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于结构网格，网格的大小一般根据问题模型和Courant 稳定条件来决定。 有限元方法（Finite Element Methods）的基础是虚位移原理和分片多项式插值。该方法的构造过程包括以下三个步骤。首先，利用虚位移原理得到偏微分方程的弱形式，将计算区域划分为有限个互不重叠的单元（三角形、四边形、四面体、六面体等），在每个单元上选择合适的节点作为求解函数的插值点，将偏微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的分片插值基函数组成的线性表达式，得到微分方程的离散形式。利用插值函数的局部支集性质及数值积分可以得到未知量的代数方程组。 有限元方法有较完善的理论基础，具有求解区域灵活（复杂区域）、单元类型灵活（适于结构网格和非结构网格）、程序代码通用（数值模拟软件多数基于有限元方法）等特点。有限元方法最早应用于结构力学，随着计算机的发展已经渗透到计算物理、流体力学与电磁学等各个数值模拟领域。

(完整word版)偏微分方程数值解法答案

1. 课本2p 有证明 2. 课本812,p p 有说明 3. 课本1520,p p 有说明 4. Rit2法，设n u 是u 的n 维子空间，12,...n ???是n u 的一组基底，n u 中的任一元素n u 可 表为1n n i i i u c ?==∑ ，则,11 11()(,)(,)(,)(,)22j n n n n n n i j i j j i j j J u a u u f u a c c c f ???=== -=-∑∑是12,...n c c c 的二次函数，(,)(,)i j j i a a ????=，令 () 0n j J u c ?=?，从而得到12,...n c c c 满足1 (,)(,),1,2...n i j i j i a c f j n ?? ?===∑，通过解线性方程组，求的i c ，代入1 n n i i i u c ?==∑， 从而得到近似解n u 的过程称为Rit2法 简而言之，Rit2法：为得到偏微分方程的有穷维解，构造了一个近似解，1 n n i i i u c ? == ∑， 利用,11 11()(,)(,)(,)(,)22j n n n n n n i j i j j i j j J u a u u f u a c c c f ???===-=-∑∑确定i c ，求得近似解n u 的过程 Galerkin 法：为求得1 n n i i i u c ? == ∑形式的近似解，在系数i c 使n u 关于n V u ∈，满足(,)(,) n a u V f V =，对任 意 n V u ∈或（取 ,1j V j n ?=≤≤） 1 (,)(,),1,2...n i j i j i a c f j n ???===∑的情况下确定i c ，从而得到近似解1 n n i i i u c ?==∑的过程称 Galerkin 法为 Rit2-Galerkin 法方程： 1 (,)(,)n i j i j i a c f ???==∑ 5. 有限元法：将偏微分方程转化为变分形式，选定单元的形状，对求解域作剖分，进而构 造基函数或单元形状函数，形成有限元空间，将偏微分方程转化成了有限元方程，利用 有效的有限元方程的解法，给出偏微分方程近似解的过程称为有限元法。 6. 解：对求解区间进行网格剖分，节点01......i n a x x x x b =<<<<=得到相邻节点1,i i x x -

常微分方程数值解法

第八章 常微分方程数值解法 考核知识点： 欧拉法，改进欧拉法，龙格-库塔法，单步法的收敛性与稳定性。 考核要求： 1． 解欧拉法，改进欧拉法的基本思想；熟练掌握用欧拉法，改进欧拉法、求微 分方程近似解的方法。 2． 了解龙格-库塔法的基本思想；掌握用龙格-库塔法求微分方程近似解的方 法。 3． 了解单步法的收敛性、稳定性与绝对稳定性。 例1 用欧拉法，预估——校正法求一阶微分方程初值问题 ? ??=-='1)0(y y x y ，在0=x （0，1）0.2近似解 解 （1）用1.0=h 欧拉法计算公式 n n n n n n x y y x y y 1.09.0)(1.01+=-+=+，1.0=n 计算得 9.01=y 82.01.01.09.09.02=?+?=y （2）用预估——校正法计算公式 1,0)(05.01.09.0)0(111)0(1=???-+-+=+=++++n y x y x y y x y y n n n n n n n n n 计算得 91.01=y ，83805.02=y 例2 已知一阶初值问题 ???=-='1 )0(5y y y 求使欧拉法绝对稳定的步长n 值。 解 由欧拉法公式 n n n n y h y h y y )51(51-=-=+ n n y h y ~)51(~1-=+

相减得01)51()51(e h e h e n n n -==-=-Λ 当 151≤-h 时，4.00≤

微分方程数值解法答案

包括基本概念，差分格式的构造、截断误差和稳定性，这些内容是贯穿整个教材的主线。解答问题关键在过程，能够显示出你已经掌握了书上的内容，知道了解题方法。这次考试题目的类型：20分的选择题，主要是基本概念的理解，后面有五个大题，包括差分格式的构造、截断误差和稳定性。 习题一 1． 略 2． y y x f -=),(，梯形公式：n n n n n n y h h y y y h y y )121(),(2111+-+=+- =+++，所以0122)1(01])121[()121()121(y h h y h h y h h y h h n h h n n n +--+--+-+=+-+==+-+= ，当0→h 时， x n e y -→。 同理可以证明预报-校正法收敛到微分方程的解. 3． 局部截断误差的推导同欧拉公式; 整体截断误差: ? ++++++-++≤1 ),())(,(11111n n x x n n n n n n n dx y x f x y x f R εε 11)(++-++≤n n n y x y Lh R ε，这里R R n ≤ 而111)(+++-=n n n y x y ε，所以 R Lh n n += -+εε1)1(，不妨设1

稳定性分析与分数阶微分方程

东华大学 2013~ 2014学年第II 学期研究生期末考试试题 考试学院：理学院 考试专业：基础数学应用数学 考试课程名称：稳定性分析与分数阶微分方程 学号姓名得分 （考生注意：答案必须写在答题上，写在本试题纸上一律不给分）[试题部分] 一、根据所学知识，概述Lyapunov第二方法的核心思想和基本理 论。 二、针对某一类问题或某个模型，运用Lyapunov第二方法进行 稳定性分析。 三、综述分数阶微积分的三种定义方式及其性质和联系。 四、谈谈你对分数阶微分方程研究的认识和看法。 要求：1. 第二题结合每人曾经报告过的文献来完成； 2. 用电子文档打印，并提交电子文件。

一、根据所学知识，概述Lyapunov 第二方法的核心思想和基本理论 李雅普诺夫（Lyapunov ）提出了两种方法，分析运动的稳定性: 第一方法包含许多步骤，包括最终用微分方程的显式解来对稳定性近行分析，是一个间接的方法。 第二方法不是求解微分方程组，而是通过构造李雅普诺夫函数（标量函数）来直接判断运动的稳定性，因此又称为直接法。 李雅普诺夫直接法（也称第二方法）是整个稳定性理论的核心方法，李雅普诺夫1892年提出的稳定性理论、渐近稳定性定理及两个不稳定性定理，奠定了运动稳定性的基础，被誉为稳定性的基本定理。目前仍是研究非线性、时变系统最有效的方法，是许多系统控制律设计的基本工具。 李雅普诺夫第二方法的核心思想： 以二维自治系统为例，李雅普诺夫直接法借助于一个V 函数，利用方程右端的信息来探测解的稳定性的原始几何思想。 考虑方程 ?????==),(),(21222111 x x f dt dx x x f dt dx 0)0,0()0,0(21==f f 其中21,f f 连续，保证解的唯一性. 设),()(21x x V x V =是K 类函数，且],[)(1 21+∈R R C x V ,此方程的解 T t x t x t x ))(),(()(21=的信息是未知的，但它的导数满足 )),(),,((),(2122112. 1. x x f x x f x x =的信息是已知的，因为21,f f 是已知函数. 姑且把任意解)(t x 代入)(x V 得到))((:)(t x V t V =. 粗略的说，平凡解的稳定性（包括渐近稳定性、稳定、不稳定）是由解)(t x “走近”原点，“不远离”原点，“远离”原点来决定的，而这些信息分别等价于 ))((t x V 是t 的下降、不增、上升函数。由于],[)(121+∈R R C x V ，后者又分别等价于 0)) ((,0))((,0))((>≤