一階常微分方程與定性理論
平衡點與相線(equilibrium and phase line)
對自治方程,有一個優美的捷徑,能把每個解的長期歸宿都濃縮進一張一維圖裡——相線。主角是平衡點:什麼都不變化的狀態。若把系統恰好置於一個平衡點,它會永遠停在那裡,因為它的變化率為零。其餘一切要麼漂向某個平衡點,要麼遠離它,而相線告訴你是哪一種。
dy/dx = f(y) 的平衡點(或不動點、臨界點)是使 f(y*) = 0 的值 y*。在這樣的值上,常數函數 y = y* 恰好解出方程——一個永不移動的解。相線就是 y 軸本身,標上這些平衡點,並在它們之間的每個區間畫一個箭頭:f(y) 為正處指向上(y 增大),為負處指向下(y 減小)。要畫它只需 f 的符號,不需要解。讀這些箭頭就告訴你:對任意起始值,隨 x 增大解將奔向何處——你已把整套定性動力學捕捉在一根線上。
這種壓縮正是自治性的回報:由於規則不依賴 x,整個二維流可以坍縮到一維而不丟失長期故事。相線是穩定性分析的天然家園(箭頭收斂於一個平衡點意味著它穩定;發散意味著不穩定),也是用於方程組的相平面圖的一維先祖。對邏輯斯蒂方程這類模型,它當即把承載力揭示為種群所趨向的那個穩定平衡點。
dy/dt = y*(1 - y) 在 y = 0 與 y = 1 處有平衡點。兩者之間(0 < y < 1)右邊為正,箭頭向上;y = 1 之上右邊為負,箭頭向下。相線顯示一切都流向 y = 1。
平衡點是 f(y) 的根;它們之間的箭頭編碼長期的流向。
相線這個捷徑只適用於自治方程。若方程是帶顯式 x 的 dy/dx = f(x, y),流真的活在二維裡,無法坍縮到單根線上——箭頭會隨 x 改變而改變。
又稱
另見