两类随机非线性动力系统和经济应用的研究

论文摘要

随机非线性动力系统的随机响应、随机稳定性、随机分岔、随机混沌、首次穿越及其最优控制问题，无论是理论上还是应用上都是值得研究和非常重要的问题。近些年，对于这些问题的研究，在理论上已取得一些初步的研究成果，但是对于一些较为复杂的典型动力学系统在不同随机激励下的动力学行为的研究仍处于起步阶段。另外，利用随机非线性动力学方程来研究经济、金融领域的问题还很不成熟。鉴于此，本文将主要研究两类典型的非线性动力系统—Mathieu-Duffing振子和Rayleigh振子在随机噪声的激励下的动力学行为及其一类系统在物价模型中的应用。第一部分较为系统的研究了随机Mathieu-Duffing系统的动力学行为。利用多尺度法研究了Gaussian白噪声激励下该系统的最大Lyapunov指数、零解和非零解的稳定性，研究结果表明：在参数主共振Ω=2ω0附近邻域，最大Lyapunov指数λ在调谐参数σ=0时取得最大值，而随着σ的绝对值的增大，最大Lvapunov指数λ将趋于零。这说明，零解的稳定性随着调谐参数σ的绝对值的增大而趋于稳定；而对于系统的非零稳态响应，研究结果表明：非零解稳定的充要条件是-3βαa0cosη0／2ω0＞0。第二部分研究了有界噪声参激下带有Van der Pol阻尼项的Mathieu-Duffing系统的混沌运动。首先，利用随机Melnikov方法推导了随机Van der PolMathieu-Duffing方程的随机Melnikov过程，由广义过程在均方意义上出现简单零点给出了可能出现混沌运动的临界激励幅值，从而预测该系统可能存在混沌运动的参数域。然后，用数值方法计算该系统的最大Lyapunov指数、Poincare截面、时间历程图和相轨图，并用最大Lyapunov指数和Poincare截面验证解析结果及研究有界噪声的强度对该系统产生随机混沌的临界幅值的影响。结果表明：在ω0：Ω1：Ω2=1：2：2和ω0：Ω1：Ω2=1：1：2两种情形下，随着噪声强度的增大，随机系统的混沌吸引子不断扩散，随机激励的强度δ越大混沌吸引子的区域越大。说明混沌响应加强，即随机噪声会诱导混沌的产生。第三部分主要对确定性物价模型引入了噪声，建立了非线性随机动力学模型—随机Rayleigh方程，在此基础上利用动力学方法对该模型进行了系统研究。首先，对于非线性随机物价模型进行了最优化控制，通过对系统采用合理的控制策略，使得物价系统能在尽可能长的时间周期内处于平稳状态，避免出现通货膨胀或通货紧缩，这对于国家的经济良性发展也具有重要的意义。接着，对物价模型——Rayleigh方程在不同噪声激励下的稳态响应、首次穿越和随机Hopf分岔问题进行了进一步的讨论。具体的讲，研究了Rayleigh方程在Gaussian白噪声外激下的平稳响应首次穿越，利用随机平均法得出系统的随机平均It（?）微分方程，对平均方程建立条件可靠性函数的后向Kolmogorov方程及首次穿越时间条件矩的Pontragin方程，通过这两个方程研究该系统的非线性阻尼项、随机激励项对系统平稳响应与首次穿越的影响；利用拟Hamilton系统随机平均法及扩散过程的奇异点理论研究了Gaussian白噪声参激下Rayleigh方程的随机Hopf分岔，并利用最大Lyapunov指数方法和数值方法对结论进行的验证。第四部分是全文的总结和展望。主要介绍文章的创新点和存在的不足，同时，提出在本研究工作的基础上，还有待进一步研究的问题以及所研究的方法和有可能碰到的困难。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 非线性随机动力学的研究进展及发展现状
• 1.2 多尺度法
• 1.3 随机平均法
• 1.4 噪声随机模型
• 1.5 首次穿越的数学描述
• 1.6 随机稳定化的Lyapunov指数
• 1.7 本文研究内容介绍
• 第二章 随机Mathieu-Duffing系统的稳定性和混沌研究
• 2.1 方程（2.1.2）的多尺度法
• 2.2 系统（2.1.2）的稳定性
• 2.3 结论
• 第三章 有界噪声参激下Van der Pol-Mathieu-Duffing系统的混沌运动
• 3.1 Van der Pol-Mathieu-Duffing系统的运动方程
• 3.2 系统（3.1.1）的随机Melnikov方法
• 3.3 数值计算
• 3.4 结论
• 第四章 随机物价模型-Rayleigh方程的建立
• 4.1 随机物价模型的建立
• 4.2 随机物价模型的稳定性分析
• 4.3 结论
• 第五章 Gaussian白噪声外激下物价方程的平稳响应与首次穿越
• 5.1 随机Rayleigh振子平稳响应
• 5.2 系统（5.1.1）的首次穿越
• 5.3 结论
• 第六章 Gaussian白噪声参激下物价方程的随机Hopf分岔和最优控制
• 6.1 随机Rayleigh方程的平均方程
• 6.2 系统（6.1.1）随机Hopf分岔
• 6.3 数值分析
• 6.4 随机物价方程的最优控制
• 6.5 结论
• 第七章 结束语
• 7.1 本文的创新点
• 7.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 在读期间参加的科研项目
• 致谢