非線性動力學與混沌
不動點(fixed point)
想像一顆彈珠靜靜停在碗底,或搖搖欲墜地平衡在圓頂的最高點。無論哪種情形,它就是停在那裡:從那一點放開,它永遠不動。動力系統的不動點就是這種「靜止之處」的數學版本——一旦處於該狀態,就永遠停留其中。
對於寫成 dx/dt = f(x) 的連續系統(x 為狀態向量),不動點 x* 是使流(flow)消失的狀態:f(x*) = 0。因為該處變化率為零,從 x* 出發的軌跡永遠停在 x*。對於離散映射 x_{n+1} = F(x_n),對應的條件是 F(x*) = x*:映射把該點送回它自己。不動點是相圖的骨架,其餘所有軌跡都圍繞著它們組織。
不動點可以是穩定的(鄰近狀態被吸入,像碗底)、不穩定的(鄰近狀態逃離,像圓頂頂端),或鞍點(沿某些方向吸引、沿另一些方向排斥)。究竟屬於哪一種,並非單憑 f(x*) = 0 就能判定——那只定出位置;你必須檢視附近的流,這正是線性穩定性分析的工作。常見的錯誤是假設每個平衡態都穩定,但不穩定平衡態完全真實,只是從不會被觀察到能持續存在。
有阻尼的單擺在 theta = 0(垂直下垂)與 theta = pi(垂直倒立)處各有一個不動點;兩者都滿足角速度為零、淨力矩為零,但只有前者是穩定的。
兩個平衡態,命運相反:下垂態吸引,倒立態排斥。
不動點指出「何處不變」,但本身完全不談穩定性——碗底的穩定谷與山峰的不穩定頂,同樣滿足 f(x*) = 0。
又稱
另見