相平面與定性理論

相圖(phase portrait)

單獨一條軌跡只告訴你某一個起點會發生什麼。相圖則是整座畫廊:一張圖同時呈現一組有代表性的軌跡,並用小箭頭標出時間沿每條軌跡流動的方向。它就像系統的天氣圖——一眼就能看出哪些區域被拉向某個平靜的中心、哪些被甩向外、哪些永無止盡地繞圈。它是系統在一幅畫中完整的定性總結。

要畫出相圖,先找出平衡點(什麼都不動的靜止處),對每一個做局部分類(它是匯點、鞍點,還是螺旋點?),再畫出足夠多的軌跡以呈現平衡點之間各區域如何連接。速度場的箭頭指引方向;零斜線(某個變數瞬間停止變化的曲線)幫你下筆。結果不是一條曲線,而是所有軌跡組織起來的圖案,彼此契合卻從不相交。

相圖之所以重要,是因為它在沒有任何閉式解的情況下,回答了我們真正關心的問題——長期命運、對起點的敏感度、循環是否存在。兩個有相同相圖的系統,即使公式天差地別,定性行為也相同。這正是為什麼定性理論談的是「分類相圖」,而非「解方程」。

阻尼擺的相圖含有螺旋軌跡,盤旋著捲入底部的靜止狀態,另有位於倒立平衡位置的鞍點;幾乎每條軌跡最終都螺旋地落入靜止。

一幅圖捕捉了每種起始的命運:大多數運動螺旋落下並停止。

相圖只畫出有代表性的少數軌跡,而非全部(軌跡有無窮多條)。技巧在於選出能揭示結構的軌跡——每個平衡點附近、每條分隔曲線兩側——使其餘的可被推斷。

又称
phase diagram相平面圖