相平面與定性理論

鞍點(saddle point)

鞍點是一種平衡點,沿某一方向吸引、沿另一方向排斥——正像馬鞍的座位,前後向上彎、左右向下彎。一顆彈珠精準放在正中心會停住,但往錯誤方向輕推,它就滾落。在相平面上,軌跡沿某條特殊直線朝鞍點掃入、靠近,然後沿另一方向偏離而去,形成那無從誤認的交叉雙曲線圖案。

對於線性系統,這是兩個實特徵值「異號」的情形,一負一正。負特徵值的特徵向量是穩定方向:沿著它,狀態被直直拉入(這條特殊的進入曲線是穩定流形)。正特徵值的特徵向量是不穩定方向:沿著它,狀態被直直甩出(不穩定流形)。其餘每條軌跡都是類似雙曲線的曲線,沿穩定方向進來,在鞍點附近彎折,再沿不穩定方向離去。那兩條直線解是唯一真正抵達該點的軌跡。

鞍點永遠不穩定——幾乎每個鄰近狀態最終都會離開——然而它是相圖中最重要的特徵之一,因為它的穩定流形像一道分水嶺。位於那條進入曲線一側的軌跡被導向某種命運,另一側的則被導向不同命運,所以鞍點的穩定方向常常構成吸引域之間的邊界。鞍點組織了其餘一切的去向。

系統 x' = x、y' = -y 的特徵值為 +1 與 -1:異號,所以原點是鞍點。位於 y 軸上的狀態衰減進入(穩定方向),位於 x 軸上的狀態飛出(不穩定方向),其餘所有狀態描出雙曲線 xy = 常數。

異號的實特徵值:沿一軸被拉入,沿另一軸被推出。

鞍點由矩陣行列式為「負」來判定,這迫使兩個實特徵值異號。它永遠不穩定,即使有少數特殊軌跡(恰好落在穩定流形上的那些)確實抵達它——它們是測度為零的例外,並非穩定的跡象。

又稱
saddlehyperbolic saddle馬鞍點