動力系統、分岔與混沌

排斥子(repeller)

把一支鉛筆完美地立在筆尖上,原則上它可以永遠站著,但最微小的一推就讓它倒下飛離,而且它再也不會自己回到平衡。排斥子就是那種刀刃般狀態的數學版本:系統可以恰好坐在其上,卻在受到擾動的那一刻逃離。它就是時間倒著走的吸引子。

形式上,排斥子是一個不變集,使得每條鄰近軌跡都隨時間增加而遠離它,等價地說,它是反向流 phi_(-t) 的吸引子。最直白的例子是不穩定平衡點,像單擺倒立的平衡點,或平面系統中所有鄰近軌跡都向外螺旋或飛離的源點。在直線上,當 f'(x*) > 0 時,x' = f(x) 的不動點 x* 是排斥子,於是離開的速率隨位移增大,微小偏差被放大而非被抑制。

排斥子之所以重要,正是因為你在真實實驗裡幾乎永遠看不到它們:任何噪聲、任何不精確都把系統撞離,於是它離開,因此排斥子長期下來是隱形的,卻組織著整個流。它們標出各個吸引域之間的分水嶺,是你必須恰好騎在其上、才能避免滑向某一個或另一個吸引子的邊界;而把時間倒轉,就把排斥子的研究變成吸引子的研究,於是這兩個概念是同一部機器的鏡像。

對於 x' = x - x^3,不動點 x = 0 滿足 f'(0) = 1 > 0,因此是排斥子:從 0.01 出發,軌跡增長趨向 x = 1;從 -0.01 出發,則落向 x = -1。點 x = 0 是兩個吸引域之間的分界,只有恰好從 0 出發才會留在那裡。

一個任何微小位移都會逃離的不穩定不動點,只能作為分隔軌跡最終去向的邊界而被看見。

別把排斥子和鞍點混淆:鞍點沿某些方向排斥、沿另一些方向吸引,所以它既不是純粹的排斥子,也不是吸引子。排斥子在每個鄰近方向上都把東西推開。

又称
repelling setsource排斥集