10.05常微分方程总复习
猎物与捕食者的舞蹈封面场景

常微分方程总复习 · 沉浸式数学故事

猎物与捕食者的舞蹈

野兔先增,猞猁随后追上;捕食者多了,猎物回落,捕食者又因缺粮下降。两种数量互相改写彼此的变化率。

第 10 章 · 常微分方程 · 5 幕故事 · 1 个训练

猎物与捕食者的舞蹈:野兔先到峰顶,猞猁总要晚一步。

雪原记录 · 两条周期线

野兔先到峰顶,猞猁总要晚一步。

毛皮记录显示猎物与捕食者数量周期波动且存在相位差,单独一条方程难以解释这种追逐。

x(t):猎物;y(t):捕食者先明确每个状态量及其相互作用。
猎物与捕食者的舞蹈:猎物给捕食者食物,捕食者又压低猎物。

耦合方程

猎物给捕食者食物,捕食者又压低猎物。

Lotka–Volterra 模型写成 x′=ax−bxy,y′=−cy+dxy。交互项 xy 同时进入两条方程。

x′=ax−bxy;y′=−cy+dxy系统中的每个导数都依赖多个状态。
猎物与捕食者的舞蹈:不只看随时间起伏,也看两个数量怎样互相追赶。

相平面

不只看随时间起伏,也看两个数量怎样互相追赶。

把 (x(t),y(t)) 画在平面上,轨线形成闭合或近闭合回路;方向表示种群变化次序。

时间曲线 ↔ 相平面轨线同一系统可以有多种初始轨线。
猎物与捕食者的舞蹈:能分离就各归各家,线性方程找积分因子。

本章分路

能分离就各归各家,线性方程找积分因子。

二阶常系数先看特征根;耦合系统先写状态关系。识型决定工具,初值决定具体解。

分离|齐次换元|一阶线性|二阶特征根|系统不要见到导数就套同一模板。
猎物与捕食者的舞蹈:先识型,再求解;代初值,最后解释轨线。

四步复盘

先识型,再求解;代初值,最后解释轨线。

研究员核对正负、平衡点、长期趋势和单位,把数学解重新翻译为生态关系。

识型 → 套路 → 初值 → 解释总复习的终点是会选择路线。
猎物与捕食者的舞蹈训练场景

尾声 · 带着方法进课堂

故事落幕,判断才刚开始。

把这一课的条件、公式与易错点带进最后一次判断。

求出含任意常数的微分方程通解后,初始条件主要用于?
再读一遍

互动实验 · 一个方程组里的追逐x′=ax−bxy, y′=−cy+dxy

谁多了谁就要少,两个种群转着圈

猎物多了,捕食者跟着变多;捕食者一多,猎物被吃得变少;猎物少了,捕食者又饿得变少;猎物于是回升……如此循环。这对方程组耦合在一起,谁也离不开谁。左边是两条随时间此消彼长、错着相位的曲线;右边是同一段过程在"猎物—捕食者"相平面上画出的一条闭合轨线。按播放,看这支舞转起来。

左:时间曲线 右:相平面轨线 时间 t → — 猎物 — 捕食者 猎物 x → 捕食者 y