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三阶非线性模糊差分方程动力学行为分析

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张千宏, 王贵英. 三阶非线性模糊差分方程动力学行为分析[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2019, 44(7): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.07.001
引用本文: 张千宏, 王贵英. 三阶非线性模糊差分方程动力学行为分析[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2019, 44(7): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.07.001
Qian-hong ZHANG, Gui-ying WANG. Dynamical Behavior of a Third-Order Nonlinear Fuzzy Difference Equation[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 44(7): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.07.001
Citation: Qian-hong ZHANG, Gui-ying WANG. Dynamical Behavior of a Third-Order Nonlinear Fuzzy Difference Equation[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 44(7): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.07.001

三阶非线性模糊差分方程动力学行为分析

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11761018);贵州财经大学重点项目(2018XZD02)
详细信息
    作者简介:

    张千宏(1971-), 男, 博士, 教授, 主要从事模糊不确定动力系统, 微分动力系统的研究 .

  • 中图分类号: O175.7

Dynamical Behavior of a Third-Order Nonlinear Fuzzy Difference Equation

  • 摘要: 研究一类三阶非线性模糊差分方程正解的存在性及渐近行为 $ {x_{n + 1}} = \frac{{{x_{n - 2}}}}{{A + {x_{n - 2}}{x_{n - 1}}{x_n}}},n = 0,1, \cdots $ 其中( \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt \lt i \gt n \lt /i \gt \lt /sub \gt )是正模糊数数列, \lt i \gt A \lt /i \gt 及初始值 \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt -2 \lt /sub \gt , \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt -1 \lt /sub \gt , \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt 0 \lt /sub \gt 是正模糊数.最后给出数值例子以验证理论结论的正确性.
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  • 图 1  系统(29)的解

    图 2  α=0,系统(29)的解

    图 3  α=0.5,系统(29)的解

    图 4  α=1,系统(29)的解

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-29
  • 刊出日期:  2019-07-20

三阶非线性模糊差分方程动力学行为分析

    作者简介: 张千宏(1971-), 男, 博士, 教授, 主要从事模糊不确定动力系统, 微分动力系统的研究
  • 贵州财经大学 数学与统计学院, 贵阳 550025
基金项目:  国家自然科学基金项目(11761018);贵州财经大学重点项目(2018XZD02)

摘要: 研究一类三阶非线性模糊差分方程正解的存在性及渐近行为 $ {x_{n + 1}} = \frac{{{x_{n - 2}}}}{{A + {x_{n - 2}}{x_{n - 1}}{x_n}}},n = 0,1, \cdots $ 其中( \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt \lt i \gt n \lt /i \gt \lt /sub \gt )是正模糊数数列, \lt i \gt A \lt /i \gt 及初始值 \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt -2 \lt /sub \gt , \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt -1 \lt /sub \gt , \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sub \gt 0 \lt /sub \gt 是正模糊数.最后给出数值例子以验证理论结论的正确性.

English Abstract

  • 差分方程(系统)作为微分方程及时滞微分方程的离散形式,在经济学、生态学、计算机、系统工程学等学科上有很多应用,取得了不少成果[1-9].模糊差分方程是差分方程的一种推广形式,系统中参数及初始值为模糊数,解为模糊数数列.最近有关模糊差分方程解的动力学行为研究已引起部分学者的关注,取得了一些有意义的成果[10-22],基于此,本文进一步讨论如下三阶非线性模糊差分方程

    其中:A是正模糊数;初始值x-2x-1x0是正模糊数.

    为方便起见,首先给出下列定义:

    定义1 A为模糊数,如果A$\mathbb{R}$→[0, 1]满足(ⅰ)-(ⅳ)

    (ⅰ)A是正规的,即存在$x \in \mathbb{R}$使得A(x)=1;

    (ⅱ) A是模糊凸的,即对所有t∈[0, 1],$ {x_1}, {x_2} \in \mathbb{R}$使得

    (ⅲ) A是上半连续的;

    (ⅳ) A的支撑,${\rm{supp}}A = \overline {\bigcup\nolimits_{\alpha \in \left( {0, 1} \right]} {{{\left[A \right]}_\alpha }} } = \overline {\left\{ {x:A\left( x \right) > 0} \right\}} $是紧的.

    Aα-截集表示为${\left[A \right]_\alpha } = \left\{ {x \in \mathbb{R}:A\left( x \right) \ge \alpha } \right\}$α∈[0, 1],显然[A]α是闭区间.如果${\rm{supp}}A \subset \left( {0, \infty } \right)$,则模糊数是正的.显然如果A是正实数,那么A是模糊数且[A]α=[AA],α∈(0,1].即A是平凡的模糊数.

    定义2 设AB是模糊数,[A]α=[AlαArα],[B]α=[BlαBrα],α∈(0,1],模糊数空间的范数为:

    距离为

    根据文献[11, 13]给出模糊数数列有界和持久性定义如下:

    定义3  如果存在一个正实数M(或N)使得

    则称模糊数数列(xn)是持久的(或有界的).

    如果存在正实数MN>0使得

    则称(xn)是有界和持久的.如果范数‖xn‖,n=1,2,…,是无界数列,则称(xn),n=1,2,…,是无界数列.

    定义4 如果正模糊数数列(xn)满足方程(1),则称xn是方程(1)的正解.如果正模糊数x满足

    则称正模糊数x是(1)式的正平衡点.

    定义5 设正模糊数数列(xn),正模糊数x使得

    如果limn→∞D(xnx)=0,则n→∞时,模糊数数列(xn)关于D收敛于模糊数x.

    定义6 (ⅰ)设方程(1)有正平衡点x,如果对任意ε>0,存在δ=δ(ε)>0,使得方程(1)的每一个正解xn,满足D(x-ix)≤δi=0,1,2,有D(xnx)≤εn>0,则称方程(1)的正平衡点x是稳定的.

    (ⅱ)如果它是稳定的且当n→∞时,方程(1)的每一个正解关于D收敛于正平衡点x,则称方程(1)的正平衡点x是渐近稳定的.

  • 首先研究方程(1)正解的存在性,需要下面的引理.

    引理1[23]  设$f:{\mathbb{R}^ + } \times {\mathbb{R}^ + } \times {\mathbb{R}^ + } \times {\mathbb{R}^ + } \to {\mathbb{R}^ + }$是连续的,ABCD是模糊数.那么

    引理2[23]  设uE~(模糊数空间),[u]α=[u-(α),u+(α)],α∈(0,1].那么u-(α)与u+(α)可以看成(0,1]上的函数,满足

    (ⅰ) u-(α)非减和左连续;

    (ⅱ) u+(α)非增和左连续;

    (ⅲ) u-(1)≤u+(1).

    反之,对任意定义在(0,1]满足上面(ⅰ)-(ⅲ)的函数a(α)和b(α),存在uE~,使得对任意α∈(0,1],[u]α=[a(α),b(α)].

    定理1 考虑方程(1),其中A是正模糊数.那么对任意正模糊数x-2x-1x0,(1)式存在唯一正解xn.

     证明类似于命题2.1[14],略.

    下面给出方程(1)模糊正解的性质,需要下面的引理.

    引理3 对于差分系统

    其中pq及初始值y-iz-ii=0,1,2是正实数.以下结论成立:

    (ⅰ)系统(5)的每一个正解(ynzn)满足当n=3k+ii∈{1,2,3},k=1,2,…,

    (ⅱ)如果

    n→∞,系统(5)的每一个正解(ynzn)收敛于系统(5)的平衡点(0,0).

    (ⅲ)如果

    那么(0,0)与$\left( {\sqrt[3]{{1 - p}}, \sqrt[3]{{1 -q}}} \right)$是不稳定的.

     (ⅰ)设{(ynzn)}是系统(5)的正解.因为yn>0与zn>0,当n≥-2,由系统(5)推出

    vnwn是下面系统的解,

    使得

    我们用归纳法证明

    假设当k=m≥1,(12)式成立,那么由(9)式得

    故(12)式是正确的.由(10)式与(11)式有,当n=3k+ii=1,2,3,k≥1时

    那么由(9),(12),(14)式可知(6)式成立.

    (ⅱ)由(6)和(7)式,显然limn→∞yn=0,limn→∞zn=0.

    (ⅲ)由(6)和(8)式,显然(0,0)是局部不稳定的.接下来证明平衡点$\left( {\sqrt[3]{{1 - p}}, \sqrt[3]{{1 -q}}} \right)$是局部不稳定的.容易得到系统(5)关于平衡点$\left( {\sqrt[3]{{1 - p}}, \sqrt[3]{{1 -q}}} \right)$的线性化系统

    其中

    这里$\eta =- \sqrt[3]{{\left( {1 -p} \right){{\left( {1 -q} \right)}^2}}}$$\beta =- \sqrt[3]{{{{\left( {1 -p} \right)}^2}\left( {1 -q} \right)}}$.(15)式的特征方程为

    由(16)式有6×6矩阵

    显然不是所有Δk>0(其中Δkk=1,2,…,6,是矩阵∑6×6k阶顺序主子式).因此由定理1.3.2[1]知正平衡解$\left( {\sqrt[3]{{1 - p}}, \sqrt[3]{{1 -q}}} \right)$是局部不稳定的.

    定理2 考虑模糊差分方程(1),其中Ax-ii=0,1,2是正模糊数.那么下面的命题成立.

    (ⅰ)如果对任意α∈(0,1]使得

    那么当n=3k+ii=1,2,3,$k \in {\mathbb{N}_ + }$时,方程(1)的每一个正解xn满足,

    (ⅱ)如果(17)式成立,那么当n→∞,方程(1)的每一个正解xn关于D收敛于平衡点x.

     (ⅰ)设xn是方程(1)具有初始值x-2x-1x0的正解,使得

    那么按照文献[6]命题2.1的方法,有$\left( {{L_{n, \alpha }}, {\mathbb{R}_{n, \alpha }}} \right)$n=0,1,…,满足下面带参数的常差分系统

    因(17)式满足,由引理3(ⅰ)知Lnα${\mathbb{R}_{n, \alpha }}$满足

    (ⅱ)因(18)式成立,那么按照文献[6]的命题2.3的方法,有唯一的平衡点x,其中

    xn是方程(1)的正解,使得(18)式成立.因(17)式成立,应用引理3(ⅱ)于系统(19),有

    由(21)式得

    定理2(ⅱ)得证.

    定理3 考虑模糊差分方程(1),若A是正实数(平凡模糊数)使得0 < A < 1,x-ii=0,1,2是正模糊数.那么存在不稳定的平衡点0与$x = \sqrt[3]{{1 -A}}$.

     显然0是方程(1)的平衡点.对方程(1)的唯一正平衡点x,有下面的关系

    由此有

    应用引理3(ⅲ)于系统(19),平衡点0与$x = \sqrt[3]{{1 -A}}$是不稳定的.

  • 为验证结论的有效性,给出以下例子.

     考虑三阶非线性模糊差分方程

    其中A是正模糊数,且

    初始值x-2x-1x0满足

    由(25)式有

    所以$\overline {\bigcup\nolimits_{\alpha \in \left( {0, 1} \right]} {{{\left[A \right]}_\alpha }} } = \left[{1.2, 4.2} \right]$.

    由(25)和(26)式,对α∈(0,1],

    $\overline {\bigcup\nolimits_{\alpha \in \left( {0, 1} \right]} {{{\left[{{x_{-2}}} \right]}_\alpha }} } = \left[{0.2, 0.6} \right]$$\overline {\bigcup\nolimits_{\alpha \in \left( {0, 1} \right]} {{{\left[{{x_{-1}}} \right]}_\alpha }} } = \left[{0.1, 0.5} \right]$$\overline {\bigcup\nolimits_{\alpha \in \left( {0, 1} \right]} {{{\left[{{x_0}} \right]}_\alpha }} } = \left[{0.1, 0.4} \right]$.

    由(23)和(27)式得含参数α∈(0,1]的差分系统

    因此Alα>1,对任意α∈(0,1],即条件(17)满足,所以由定理2,方程(23)的每一个正解xn是有界和持久的.另外,方程(23)有唯一平衡解$\bar x = 0$,且当n→∞时方程(23)的每一个正解xn关于D收敛到唯一平衡点0(图 1-图 4).

参考文献 (23)

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