1引言“数学实验”是指根据研究目标创设或改变某种数学情景,在某种条件下,通过思考和操作活动研究现象的本质和发现数学规律的过程.这是一种思维实验和操作实验相结合的实验.现代教育技术,如计算机技术和网络技术为“数学实验”教学提供了有效的手段.Matlab软件[1,2]以其方便、简洁及强大的功能得到了广泛的应用,其中的Simulink是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境,通过Simulink提供的丰富的功能块,可以迅速创建动态系统模型,方便、准确、直观地对系统进行分析.我院拟于近期开设面向电子学专业的数学实验课程,以学习利用Matlab软件及数学方法解决电子学及物理学中的问题.在课程的开始阶段,我们拟把如何使用Matlab软件解决数值分析中的一些计算问题和绘图问题作为授课的重点内容.本文就针对此问题,对洛仑兹和达芬2个非线性系统进行分析.2利用Simulink对洛仑兹系统的分析1963年洛伦兹(E.Lorenz)在研究区域小气候时首先发现了混沌运动.洛伦兹建立的模型方程组如下.x=-(x-y).y=-xz+rx-y.z=xy-bz(1)采用线性稳定性分析可知[3]:当r<1时,唯一的定点O(0,0,0)是渐近稳定的.当r>1时,有3个定态,其中O(0,0,0)为鞍结点;另2个定态p+(x0,y0,z0),p-(-x0,-y0,-z0)的性质和参量,r,b有关,洛伦兹根据实际情形取=10,b=-83,根据罗斯-霍维兹判据可知:当rrh时,方程有1个负的实根和2个实部都是正的共轭复根,即p+,p-在1个方向是稳定的,而在垂直于此方向的平面上是不稳定焦点,空间运动轨线表现为混沌运动.为了验证以上的理论分析结果并进行直观地观察,我们用Simulink对洛伦兹系统进行了电路仿真实验,所搭建的仿真方框图如图1所示.将x,y,z分别输入到Workplace,在Matlab的命令窗口分别输入x,y,z并执行命令,即可非常方便直观地观察到不同参量条件下方程的数值图1洛伦兹方程的电路仿真方框图解.同时,也可由图1中的3个示波器直接输出x-t,y-t,z-t的空间运动曲线.其中x在不同参量条件下随时间变化的曲线如图2所示,其中(a)r=15(定点),(b)r=22(暂态混沌),(c)r=28(混沌).可以看出随着r值的增大系统越来越不稳定,其运动规则与前面的讨论相吻合.图2洛伦兹方程在=10,b=-83,不同r值的x-t曲线在Matlab的命令窗口输入“Plot3(x,y,z)”,即可得到系统在x-y-z三维相空间的运动轨迹(奇怪吸引子).改变x,y,z在Plot3函数中的输入顺序,即可从不同角度观察吸引子的形状,如图3所示.也可由图1中的双输入示波器直接观察到x-z二维相平面的吸引子,同图3中左下方的图.可以看出,当系统处于混沌运动状态时,其运动是服从确定性规律但具有随机性的运动.洛伦兹方程在混沌学历史上有着重要的地位,对它的分析在了解非线性方程如何出现混沌解方面具有重要意义.图3从不同角度看洛伦兹吸引子(=10,b=-83,r=28)3利用Simulink对达芬系统的分析受迫达芬(Duffing)方程也可以引发混沌运动,为了便于看出混沌运动出现的机制,我们采用自治形式的达芬方程组[3].x1=x2.x2=-kx1-ax2-x31+Fx3.x3=-2x4.x4=x3(2)式中F和分别为外力的幅值和(角)频率.此方程所表示的周期外力作用下的达芬系统可以看成是2个系统的耦合:固有非线性系统(无外力作用的达芬系统)和线性振子(即此方程组的最后2个方程).式中的F表示耦合