相平面與定性理論
閉合軌道(closed orbit)
閉合軌道是一條恰好繞回自身的軌跡——狀態繞行一圈後回到它出發的確切位置,然後永遠重複。它是完美週期運動在相平面上的圖像:心跳、行星的軌道、無阻尼的擺永遠以相同方式來回擺動。當多數軌跡漂向某處便停下,閉合軌道卻是一段沒有終點的旅程,只有無盡的一圈又一圈。
具體地說,閉合軌道是一條非平衡的軌跡,在相平面上構成一個閉合迴圈,對應於一個週期解:存在一個週期 P,使得對所有 t 都有 (x(t + P), y(t + P)) = (x(t), y(t))。狀態繞著迴圈循環,每經過 P 單位時間完成一個完整週期。閉合軌道有兩種容易混淆卻本質迥異的型態。圍繞中心時,它們成嵌套的家族——一連續體的迴圈,每個鄰近點都有一條穿過,各有自己的振幅(這正是守恆量所產生的)。相對地,極限環是一個「孤立的」閉合迴圈,鄰近的軌跡螺旋地趨近它或離開它;那是非線性現象,屬於非線性理論,不在此處。
閉合軌道是相圖編碼持續振盪的方式。找出嵌套型態的日常法則是尋找守恆量:若某個函數 E(x, y) 沿每條軌跡保持不變,則每條軌跡被困在等位線 E = 常數上,而那些等位線在何處閉合成圈,那裡就有閉合軌道環繞著一個中心。無摩擦或其他無損的系統是經典來源——能量守恆,它的等位集閉合,運動於是重複。
對於無摩擦振子 x' = y、y' = -x,量 E = x^2 + y^2 沿每條軌跡保持不變,所以每條軌跡都是一個圓 E = 常數——一條以相同週期 2 pi 永遠繞行的閉合軌道。
守恆量把每條軌跡困在等位線上;等位線閉合之處,就得到閉合軌道。
要區分環繞中心的嵌套閉合軌道(一連續體,來自守恆量)與孤立的極限環(鄰近的螺旋趨近它)。它們局部看似相似,卻是不同的對象;孤立的極限環是非線性特徵,在此領域之外處理。
又称
另见