相平面與定性理論

中心(center)

中心是一個被閉合迴圈完全環繞的平衡點:軌跡永遠繞著它打轉,既不向內螺旋,也不向外飛出,只是以固定距離一圈又一圈地繞。它是永恆振盪的圖像——一個無摩擦的擺,永遠以相同方式來回擺動,或一個理想無損的電路,響個不停而從不衰減。平衡點本身安坐不動,位於一渦旋閉合軌道的風眼。

在線性系統中,當特徵值「純虛」時出現中心:一對加減 i beta,實部為零。實部為零是關鍵細節——有旋轉(來自虛部 beta),卻既不增長也不衰減(因為 alpha 為零時沒有東西乘上 e^(alpha t))。於是狀態以角速率 beta 繞行,距離保持恰好不變,描出一個閉合的橢圓。每個起點給出各自的嵌套閉合軌道,系統既不被中心吸引也不被它排斥——它是穩定但非漸近穩定(保持在附近,卻永不收斂到平衡點)。

中心是守恆、能量保持系統的標誌:哪裡有守恆量,它的等位線就恰好構成這些嵌套的閉合軌道。但這裡藏著整個主題最重要的告誡:中心在結構上很脆弱。純虛的條件薄如刀鋒,所以對於一個線性化呈現中心的非線性系統,真實行為尚未定案——最微小的額外項都可能把那個中心變成緩慢的螺旋。線性化根本無法保證是中心;誠實的判決需要的不只是特徵值。

無摩擦振子 x' = y、y' = -x 的特徵值為加減 i(純虛)。原點是中心:每條軌跡都是一個圓 x^2 + y^2 = 常數,永遠繞行,無一向內或向外螺旋。

純虛特徵值:有旋轉而無增長或衰減,所以軌道閉合。

對「非線性」系統而言,由線性化預測出的中心並不可信:純虛特徵值正是 Hartman-Grobman 失效的邊界(非雙曲)情形,真實的平衡點可能其實是個緩慢的螺旋。唯有對真正線性的系統,或有守恆量證明軌道閉合之處,中心才是確定的。

又称
vortexcentre渦點