相平面與定性理論
平衡點(equilibrium point)
平衡點是相平面上的一個位置,系統一旦到達那裡就永遠停留。它是完美平衡之處:直直垂下的擺、恰好處於環境承載量的族群、兩個物種各自的數量使誰也不增不減。沒有任何力把狀態往任一方向推,於是它就停在那裡。在風場圖的比喻裡,它是一處死寂無風的點,每支箭頭都縮成零。
在數學上,對於系統 x' = f(x, y)、y' = g(x, y),平衡點是一個點 (x0, y0),在那裡兩個變化率「同時」為零:f(x0, y0) = 0 且 g(x0, y0) = 0。你藉由同時解這兩個方程找到它們。在那裡速度場恰好是零向量,所以從平衡點出發的狀態速度為零、永不離開——常數函數 (x(t), y(t)) = (x0, y0) 是一個貨真價實的解,是一條縮成單點的軌跡。
平衡點是每張相圖的骨架。你總是先找出它們,因為整個系統的長期行為都圍繞它們組織:軌跡被拉向穩定平衡點、被不穩定平衡點排斥、被鞍點導引繞過。下一個問題——附近的軌跡「做什麼」——就是分類問題(結點、鞍點、螺旋點、中心),它由系統在平衡點緊鄰處的行為決定。
對於 x' = x(1 - x - y)、y' = y(0.75 - y - 0.5x),一個平衡點是 (0, 0)(兩物種皆無);其餘來自同時解 1 - x - y = 0 與 0.75 - y - 0.5x = 0 而得的共存點。在每一個平衡點,兩個右邊都為零。
平衡點正是 f = 0 與 g = 0 的共同根。
找到平衡點只告訴你存在一個常數解;它「不」告訴你附近的狀態是被吸入還是被推開。穩定性與類型這個獨立問題,需要局部分析(線性化的特徵值),光知道位置並不夠。
又称
另见