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添加66字节 、 2026年4月9日 (星期四)
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本文首先在一般 n 维动力系统的框架下给出极限环的严格数学定义及其基本性质,随后介绍二维系统中关于极限环的主要判定理论,最后概述高维系统中极限环的若干重要结果及相关研究问题。
 
本文首先在一般 n 维动力系统的框架下给出极限环的严格数学定义及其基本性质,随后介绍二维系统中关于极限环的主要判定理论,最后概述高维系统中极限环的若干重要结果及相关研究问题。
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== 定义 ==
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==定义==
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在研究二维相空间的动力系统时,极限环(limit cycle)通常定义为孤立的周期轨道(periodic trajectory)或闭合轨道(closed orbit)。
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'''极限环的定义:'''极限环是 <math>n</math> 维(<math>n \geq 2</math>)动力系统相空间中一条孤立的闭合轨道,且在其某个邻域内不存在其他周期轨道。
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该轨道可以看作某些其他轨道的极限集,即至少存在一条不同于它本身的轨道,在 <math>t \to +\infty</math> 或 <math>t \to -\infty</math> 时以螺旋方式趋近于该闭合轨道。<ref name="Perko" /><ref name="Devaney">Devaney, R. (1989). ''An Introduction to Chaotic Dynamical Systems''. CRC Press.</ref>
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该轨道可以看作某些其他轨道的极限集,即至少存在一条不同于它本身的轨道,在 <math>t \to +\infty</math> 或 <math>t \to -\infty</math> 时趋近于该闭合轨道。<ref name="Perko" /><ref name="Devaney" /> 值得注意的是,一维自治系统中不可能存在极限环,因为一维相空间中的轨道只能单调递增、单调递减或停留于平衡点,无法构成闭合曲线。
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为使用更形式化的语言描述这一概念,现考虑一个二维动力系统
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为使用更形式化的语言描述这一概念,现考虑一个 <math>n</math> 维(<math>n \geq 2</math>)自治动力系统
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: <math>x'(t) = V(x(t))</math>
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其中 <math>V : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2</math> 为光滑向量场。<ref name="Strogatz">Strogatz, S. H. (1994). ''Nonlinear Dynamics and Chaos''. Westview Press.</ref>
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该系统的一条轨线(trajectory)是满足上述微分方程的一个光滑解 <math>x:  \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2</math>。该轨线在相空间中的像 <math>x(t)</math>称为其轨道,是 <math>\mathbb{R}^2</math>的一个子集。<ref name="Perko">Perko, L. (2001). ''Differential Equations and Dynamical Systems''. Springer.</ref>
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: <math>\mathbf{x}'(t) = \mathbf{f}(\mathbf{x}(t))</math>
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若其中一条轨线不是常数解,并且存在 <math>T>0</math> ,使得
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其中 <math>\mathbf{f} : \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^n</math> 为光滑向量场。<ref name="Strogatz" /> 该系统的一条轨线(trajectory)是满足上述微分方程的一个光滑解 <math>\mathbf{x} : \mathbb{R} \to \mathbb{R}^n</math>,其在相空间中的像称为'''轨道''',是 <math>\mathbb{R}^n</math> 的一个子集。<ref name="Perko" /> 若某条轨线不是常数解,并且存在 <math>T > 0</math>,使得
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<math>x(t+T)=x(t)</math> 对所有 <math>t \in \mathbb{R}</math> 成立,则称其为周期解,在相空间中的像称为周期轨道或闭合轨道。<ref name="Strogatz" />
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在二维系统中,极限环是指一类孤立的周期轨道,即在其某个邻域内不存在其他周期轨道。
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: <math>\mathbf{x}(t + T) = \mathbf{x}(t) \quad \forall\, t \in \mathbb{R}</math>
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则称其为'''周期解''',其在相空间中的像称为'''周期轨道'''或'''闭合轨道''',满足此条件的最小正数 <math>T</math> 称为其'''周期'''。<ref name="Strogatz" /> 极限环即为此类周期轨道中满足孤立性条件的一类。
    
[[File:Limit cycle Poincare map.svg|250px|thumb|none|'''稳定极限环'''和另外两条螺旋靠近它的轨迹 ]]
 
[[File:Limit cycle Poincare map.svg|250px|thumb|none|'''稳定极限环'''和另外两条螺旋靠近它的轨迹 ]]
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