非線性動力學與混沌

鞍結分岔(saddle-node bifurcation)

兩個不動點——一穩、一不穩——隨著你轉動某參數彼此靠近、相遇,然後一同消失,讓原本有兩個平衡的地方一個也不剩。這種相互湮滅(若倒過來,則是無中生有的創生)就是鞍結分岔,平衡態出現或消失最基本的方式。

其正規形式為 dx/dt = r + x^2(或用相反符號慣例,r - x^2)。看 dx/dt = r - x^2:當 r > 0 時有兩個不動點 x* = +sqrt(r) 與 x* = -sqrt(r),一穩一不穩;在 r = 0 時它們合併為原點上一個半穩定點;當 r < 0 時則一個也沒有。合併恰好發生在 f(x*) = 0 與 f'(x*) = 0 同時成立之時,也就是曲線 f(x) 與座標軸相切之時,這正是為何轉變處恰有一個特徵值通過零,是此分岔的標誌。在二維中相撞的兩點確實是一個鞍點與一個結點,此分岔因此得名。

每當一個狀態隨參數被推得太遠而乾脆不復存在時,你就遇到鞍結分岔:神經放電的起始、極限環的驟然消滅,以及更戲劇性的——氣候或生態模型中的臨界點與遲滯,一旦越過此摺疊,穩定態消失且沒有平順的回頭路。「藍天」(blue-sky)之名,捕捉了一對不動點彷彿從晴朗藍天中憑空出現的意象。

在 dx/dt = r - x^2 中,讓 r 向下掃過 0,使 +sqrt(r) 處的穩定點與 -sqrt(r) 處的不穩定點相互衝撞湮滅;在 r = 0 以下,它們所代表的狀態不復存在。

兩個平衡相撞消失——系統可能失去一個穩定態且無平順的回頭路。

在鞍結處,合併的不動點並非指數式吸引;接近臨界時,系統會在原本兩點所在的區域極度緩慢地爬行,形成標誌性的「鬼影」或瓶頸,而給出零特徵值的純線性分析無法捕捉這一點。

又称
fold bifurcationtangent bifurcationblue-sky bifurcation摺疊分岔切線分岔