矩陣指數與非齊次方程組

線性系統的流(flow)

把系統的狀態想成一個點,活在某個空間裡,兩個未知量就是平面上的一點,n 個未知量就是 n 維空間中的一點。隨著時間流逝,那個點沿著一條曲線移動。現在對每個可能的起點同時這樣做,你就得到一整片移動中的點場,宛如流動的流體。流(flow)就是那條規則,它對每個起點與每段經過時間 t,準確指出那個點被帶到了何處。它是把系統看成運動,而非看成方程。

對線性系統 x' = A x,流由矩陣指數給出:把起態 x0 送到它經過時間 t 後位置的算子,就是左乘 e^(At)。寫成映射 x0 映到 e^(At) x0。這個映射是線性的(它就是一個矩陣),在 t = 0 時什麼都不做(e^(A0) = I 讓每個點不動),而先跑時間 t 再跑時間 s,與一次跑 t + s 是相同的,因為 e^(As) e^(At) = e^(A(t+s))。於是所有 t 的這族映射彼此一致地接合起來,這份一致性恰好就是半群性質,也正是「流」這個詞之所以恰當的原因。

把解看成流,而非看成單一軌跡的公式,是進入定性理論的門戶。流可以沿某些方向拉伸空間、沿另一些方向壓縮(特徵值決定速率),可以旋轉(複數特徵值),也可以讓某些部分不動(零特徵值)。平衡點是流永不移動的點;穩定性則是鄰近的點被拉入還是被推出。整個相圖分析,都是在讀這個流的幾何。

對 A = [-1, 0; 0, -2],流 e^(At) = [e^(-t), 0; 0, e^(-2t)] 把每個起點向原點收縮,沿第二軸更快。放出一團點,看它塌縮到原點,那塌縮的運動就是流,而原點(流永不移動的點)是一個穩定平衡點,即匯(sink)。

流是整片移動的場,而非單一路徑;一條軌跡只是某個選定的點在流之下所做的事。

矩陣指數之所以給出對所有 t(前向與後向)皆有效的流,僅因為 A 是常數;對非線性系統,流雖存在,卻可能只在有限時間區間內運行,之後解便爆破。

又称
linear flow解算子evolution operator