动力系统常用数学符号和六种动力学原型(公式+解)

直观的例子:
指数原型
dy/dt = k y
越多越快,越少越慢;变化完全取决于当前量。
eg
- 钱的利息(复利)
- 信用卡欠款增长
- 人口增长(不考虑资源)
- 放射性衰变(越多衰得越快)
- 电容放电初期(RC 电路)
- 咖啡浓度稀释(连续稀释)
- 小区里某个流言越来越多人知道
- 手机电量掉得快(满电时掉电更快)
- 病毒传播的早期阶段
- 水果烂掉后变烂速度越来越快(微生物指数繁殖)
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稳态回拉(趋向某个固定值)
dy/dt = -k (y - y*)
系统被拉回到某个固定值,不会无限增长或减少。
eg
- 咖啡放着会变成室温
- 热水逐渐变成室温
- 冰块逐渐升温到 0°C
- 空调开着会把温度拉到设定温度
- 你用力搅拌杯子,水面 eventually 会变平静
- 人的体温恢复到 37°C
- 经济价格回到“均衡价格”
- 一堆衣服被烘干后逐渐接近空气湿度
- 高楼在风中轻微摇摆后逐渐稳定
- WiFi AGC(自动增益控制)把信号调回稳定大小
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无阻尼振荡(完全来回、永不衰减)
d²x/dt² = -ω² x
像弹簧:来回震荡、永不消失(理想化)。
eg
- 理想弹簧来回振动(现实中会有阻尼)
- 完全无摩擦的冰面摆动
- 理想单摆(小振幅)
- 理想 LC 电子振荡(无线电载波本质)
- 声波在理论模型中的传播
- 完美的钟摆(假设没有空气阻力)
- 完美的弦振动(理论中的吉他弦)
现实世界几乎没有纯无阻尼的,但它是基本原型。
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阻尼振荡(现实世界所有振动)
d²x/dt² + c dx/dt + kx = 0
来回振荡,但越来越小,最终停下来。
eg
- 风扇关闭后慢慢停下
- 秋千被推后越荡越小
- 车的悬挂系统回弹
- 压一下床垫会轻微弹几下就停
- 冰箱会“嗡嗡”一声再停
- 地震后建筑晃动几下就稳住
- 有阻尼的 LC 电路
- 麦克风敲一下发出的“嘣”声
- 播放器低频扬声器的 cone 回落
- 船在水里摇晃后逐渐停
现实世界几乎所有振动都属于这一类。
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Logistic(自限性增长 / S 型曲线)
dy/dt = r y(1 - y/K)
初期快,中期变慢,后期趋于饱和(资源有限)。
eg
- 一个微信群人数的增长(刚开始快速,后面慢)
- 城市人口增长(受资源限制)
- 技术普及度(例如智能手机普及率)
- 新的社交媒体用户增长
- 一湖水里的鱼类数量增长
- 植物在有限土壤中的生长
- 学生学习新技能的速度(初期快,后面瓶颈)
- 新产品销量(从爆发到饱和)
- 微博热搜热度曲线
- 肉在腌制过程中盐分渗透速度
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相互作用原型(变化取决于两者相遇)
dy/dt = β S I
双方接触才能发生变化;不是单变量能控制的。
eg
- 传染病传播(需要感染者接触健康者)
- 理发店排队时间 = 店员 × 顾客数量
- 市场交易量 = 买家 × 卖家(两者相遇)
- 两人合作可以完成任务(单人不能)
- 打架双方互相伤害(攻击 × 暴露)
- 捕食者–猎物关系(狼吃羊)
- 需要两个物种才能繁殖的情况
- 两个化学物质发生反应
- 社交场合中人气扩散(你必须与人互动)
- 两辆车在十字路口接触导致事故(概率 ∝ 流量 × 流量)