動力系統、分岔與混沌

流(flow)

想像一條水流固定不變的河:每一處的水都以確定的方向、確定的速度流動,而這個模式永遠不隨時間改變。在任何地方放下一片葉子,它就會描出一條路徑;放下一千片葉子,整片水面就像一個整體的運動一起往下游滑去。「流」就是這個單一、整體運動的數學名稱,是一條規則:給它任何起點,它告訴你經過任意時間後這個點漂到了哪裡。

精確地說,對於自治系統 x' = f(x),流是一個通常寫成 phi_t(x) 的函數:給它一個起始狀態 x 和一段經過的時間 t,它回傳解所到達的狀態,即 phi_t(x) = x(t),其中 x(0) = x。有兩條性質使它成為一個流,而不只是一張解的清單。第一,phi_0(x) = x:時間為零就表示沒有移動。第二,半群律 phi_(t+s) = phi_t 與 phi_s 的複合:先流動時間 s、再流動時間 t,落點恰好等於直接流動時間 t+s 的落點,時間是可以接續拼起來的。因此你不再一個初值一個初值地解方程,而是用流來描述整個相空間如何一次被整體地帶著走,就像河水一起搬動每一片葉子。

這個視角的轉變正是動力系統的核心。一旦有了流,你就不再問「這一條解的公式是什麼?」,而開始問幾何問題:哪些集合被拖進自身?哪些點保持不動?鄰近的起點最後會跑到哪去、會不會分得很遠?流只在自治方程下才乾淨成立,也就是 f 不依賴 t 時,正是這種與時間無關性,才讓同一個映射 phi_t 不論你何時出發都管用,也正是半群律成立的原因。

對於 x' = -x,從 x0 出發的解是 x(t) = x0 e^(-t),所以流是 phi_t(x0) = x0 e^(-t)。驗證兩條律:phi_0(x0) = x0,且 phi_t(phi_s(x0)) = (x0 e^(-s)) e^(-t) = x0 e^(-(t+s)) = phi_(t+s)(x0)。每個點都朝 0 滑去,整條直線一起向內收縮。

流 phi_t(x0) = x0 e^(-t) 把 x' = -x 的每一條解,打包成整條直線的一張帶時間戳的映射。

半群律(而非完整的群)才是誠實的說法:往前的時間總是行得通,但只有當解唯一且對負的 t 也存在時,你才能把流往回倒著走,而當解在有限時間內爆破時,這並無保證。

又稱
the flow mapphase flow相流