一阶常微分方程与定性理论
平衡点与相线(equilibrium and phase line)
对自治方程,有一个优美的捷径,能把每个解的长期归宿都浓缩进一张一维图里——相线。主角是平衡点:什么都不变化的状态。若把系统恰好置于一个平衡点,它会永远停在那里,因为它的变化率为零。其余一切要么漂向某个平衡点,要么远离它,而相线告诉你是哪一种。
dy/dx = f(y) 的平衡点(或不动点、临界点)是使 f(y*) = 0 的值 y*。在这样的值上,常数函数 y = y* 恰好解出方程——一个永不移动的解。相线就是 y 轴本身,标上这些平衡点,并在它们之间的每个区间画一个箭头:f(y) 为正处指向上(y 增大),为负处指向下(y 减小)。要画它只需 f 的符号,不需要解。读这些箭头就告诉你:对任意起始值,随 x 增大解将奔向何处——你已把整套定性动力学捕捉在一根线上。
这种压缩正是自治性的回报:由于规则不依赖 x,整个二维流可以坍缩到一维而不丢失长期故事。相线是稳定性分析的天然家园(箭头收敛于一个平衡点意味着它稳定;发散意味着不稳定),也是用于方程组的相平面图的一维先祖。对逻辑斯蒂方程这类模型,它当即把承载力揭示为种群所趋向的那个稳定平衡点。
dy/dt = y*(1 - y) 在 y = 0 与 y = 1 处有平衡点。两者之间(0 < y < 1)右边为正,箭头向上;y = 1 之上右边为负,箭头向下。相线显示一切都流向 y = 1。
平衡点是 f(y) 的根;它们之间的箭头编码长期的流向。
相线这个捷径只适用于自治方程。若方程是带显式 x 的 dy/dx = f(x, y),流真的活在二维里,无法坍缩到单根线上——箭头会随 x 改变而改变。
又称
另见