非線性系統、穩定性與李雅普諾夫理論
平衡點的指標(index of an equilibrium)
繞著一個平衡點走一小圈,沿途盯著向量場的小箭頭看——它們會擺來擺去,等你回到起點時,它們總共轉過某個整數圈。那個計算箭頭淨轉圈數的整數,就是該平衡點的指標。它是一個穩健的「拓樸指紋」,你晃動系統時它不變,並把一個迴圈所圍的所有平衡點綁在一起。
計算方法是:取一條繞平衡點逆時針一圈的小閉曲線,內部不含其他平衡點。當你沿曲線前進時,場向量 (f, g) 的方向角連續變化;指標就是該角度的總變化除以 2 pi——即箭頭做的逆時針淨旋轉圈數。結點、焦點與中心各有指標 +1(箭頭做一個完整正向轉),而鞍點有指標 -1(箭頭倒轉一圈)。對較大的迴圈,指標等於其內部所有平衡點指標之和——指標就是直接相加。
這套記帳法免費給出意外地強的結論。因為任何閉軌所圍的總指標必為 +1,閉軌必須環繞指標和為 +1 的平衡點——所以它絕不能只圍一個鞍點,且必須至少圍住一個平衡點。這是排除某些區域內週期軌道的快速、不依座標的方法,與本迪克松判據互補。指標讓我們瞥見拓樸如何約束動力學:光是數轉圈數就禁止了整類行為,而不必解任何東西。
鞍點指標為 -1、中心指標為 +1,故閉軌(總指標 +1)不能只環繞一個孤立鞍點,也不能環繞完全沒有平衡點的區域——它必須包住指標和為 +1 的平衡點。
指標在迴圈內相加;閉軌必須圍住總指標 +1,從而排除許多組態。
指標數的是場的轉圈數,而非速度或穩定性的類型——穩定結點與不穩定結點都有指標 +1。它告訴你拓樸約束,而非軌跡是進是出。
又称
另见