非線性動力學與混沌

叉形分岔(pitchfork bifurcation)

一根細長的直立柱承受逐漸加大的載重;載重輕時它保持筆直,但一旦超過臨界重量便突然挫曲——而且往左或往右挫曲的機率相同。單一對稱狀態讓位給兩個互為鏡像的狀態。把結果對載重作圖,會得到一個像乾草叉的形狀:三齒從一柄分出。

叉形分岔是具有對稱性(通常為 x -> -x)之系統的典型分岔。其超臨界正規形式為 dx/dt = r x - x^3。當 r < 0 時,原點 x* = 0 是唯一不動點且穩定;在 r = 0 時它失去穩定;當 r > 0 時,原點變為不穩定,並在 x* = +sqrt(r) 與 x* = -sqrt(r) 出現兩個新的穩定不動點。一個對稱解平順地分枝為「對稱但不穩定」的狀態,兩側各夾一個「穩定但對稱破缺」的狀態。另有次臨界版本 dx/dt = r x + x^3,其分枝的一對不動點為不穩定、出現於 r < 0,造成驟然且帶遲滯的跳躍,而非溫和的分裂。

這正是自發對稱破缺背後的力學圖像:方程式保有左右對稱,但任何實際實現的狀態都必須擇一邊而站,從而破壞對稱。你會在挫曲的樑、可左可右的對流胞、伊辛模型臨界點附近磁化的起始,以及朗道(Landau)連續相變理論中處處遇見超臨界叉形分岔。叉形的存在本身依賴於對稱性;加入一個微小的不對稱項,乾淨的叉形便會裂解為「不完美」分岔。

一根受軸向載重的直立彈性柱,在載重達到歐拉挫曲臨界值前保持筆直,之後便向左或向右彎曲;筆直態在數學上仍存在,但此刻已不穩定,恰如 dx/dt = r x - x^3 中 r > 0 時的 x* = 0。

越過臨界後,對稱態在紙上倖存,實務上卻不然——現實必須選一邊。

沒有對稱性保護,叉形分岔並不「典型」:在 dx/dt = r x - x^3 上加一個常數項 h 擾動,叉形便展開為一條平順分枝加一個不相連的鞍結,因此真實系統中出現完美的叉形,正是背後存在某種對稱性的徵兆。

又称
pitchfork音叉分岔三叉分岔