非線性動力學與混沌

分岔(bifurcation)

/ by-fur-KAY-shun /

在一鍋水下方慢慢加熱,一段時間內沒什麼變化——然後在一個明確的臨界點,平順的傳導讓位給翻騰的對流胞。旋鈕明明是平順地轉動,行為卻突然且定性地改變。分岔正是如此:某個參數值,在該處系統長期行為的結構本身突然重組。

形式上,考慮依賴控制參數 r 的一族系統 dx/dt = f(x, r)。當 r 通過某臨界值 r_c 時,若不動點(或極限環)的數目或穩定性隨之改變,就在 r_c 發生分岔。由於線性穩定性由雅可比矩陣的特徵值主宰,分岔恰好發生在某特徵值穿越虛軸之時——其實部通過零——使線性判準臨界化,迫使相圖的拓撲結構改變。把這些吸引子的位置與穩定性對 r 作圖,稱為分岔圖。

分岔是「簡單方程如何孕育複雜行為」的語彙:基本的局部類型——鞍結(saddle-node)、跨臨界(transcritical)、叉形(pitchfork)與霍普夫(Hopf)——依其正規形式(normal form,展現該類型的最簡方程)分類。其中一種類型的連續串接,即倍週期,是通往混沌的標準途徑。「分岔」字面意為一分為二,貼合叉形的情形,但如今此詞泛指任何定性轉變,包括不動點被消滅而非被創造的情形。

在邏輯斯蒂映射中,隨 r 增大,單一穩定態先在 r = 3 附近分裂為 2-循環,再成 4-循環、8、16……——一串加速的分岔在混沌起始處堆積。

分岔圖上每一個分叉,都標記著某個使系統節奏重組的 r 值。

分岔是定性結構的改變,而非僅是量的大幅變化;參數可以變動極大而毫無分岔,也可以恰在臨界點被一個無窮小的改變觸發分岔。

又稱
qualitative change of dynamics分歧分叉