非線性系統、穩定性與李雅普諾夫理論
不穩定性(instability)
有些靜止狀態像立在筆尖上的鉛筆:原則上它能站在那裡,但最微弱的一口氣就讓它傾倒、再也回不來。當任意小的擾動都可能增長時,平衡點就是不穩定的——沒有任何起始球(無論多小)能讓每條鄰近軌跡保持靠近。不穩定性就是李雅普諾夫穩定的失效。
把它寫成定義的否定:平衡點 x* 是不穩定的,若存在某個容差 epsilon,使得無論你挑多小的起始容差 delta,總有至少一條從 x* 的 delta 範圍內出發的軌跡,最終離開 x* 周圍的 epsilon 球。換句話說,你無法讓所有鄰近運動保持靠近——無論你從多靠近平衡點出發,總有至少一條逃出管子。對雙曲平衡點,這恰好在雅可比矩陣有任一特徵值實部為正時發生(源或鞍點):那個方向擴張,放大最微小的偏離。
不穩定性不是只需迴避的缺陷——它是許多有趣行為的引擎。挫曲梁的不穩定平衡、氣候模型中的臨界點、傳染病的閾值,全都靠它。也有一個李雅普諾夫風格的不穩定判據(切塔耶夫定理):若你能找到一個在 x* 任意近處某點為正、且該處變化率為正的函數,軌跡就被推離,平衡點不穩定。注意鞍點是不穩定的,儘管有些特殊軌跡確實沿穩定方向趨近它——幾乎所有鄰近軌跡仍會離開。
對 x' = x、y' = -y(一個鞍點),特徵值 1 為正,故原點是不穩定的:從 (epsilon, 0) 出發者以 e^t 增長並衝離,儘管恰好從 y 軸上出發者會滑向原點。
一個擴張方向(正特徵值)就足以使平衡點不穩定,即使其他方向收縮。
鞍點是不穩定的,儘管少數軌跡(穩定流形)確實收斂到它——不穩定只要求「某些」鄰近軌跡逃離,而非全部。別把存在一個進入方向誤認為穩定。
又稱
另見