螺旋點(spiral point)
螺旋點(也叫焦點)是一種平衡點,軌跡在趨近或離開它時繞著它盤旋——它們呈螺旋狀而非直直進入。想像水旋著流下排水孔,或一枚硬幣沿漏斗旋轉下落:它既繞圈「又」向內移動,畫出一條螺旋線。穩定螺旋點把每個鄰近狀態拉入一個愈收愈緊的向內旋渦;不穩定螺旋點則把它們向外甩出旋轉。
這是「複數」特徵值的情形,一對 alpha 加減 i beta,虛部不為零。虛部 beta 提供旋轉——狀態以角速率 beta 轉動,這就是軌跡捲曲的原因。實部 alpha 提供半徑的增長或衰減——到該點的距離按 e^(alpha t) 縮放。所以若 alpha 為負,螺旋永遠向內收緊(穩定螺旋點,一個盤旋至靜止的阻尼振盪);若 alpha 為正,則向外鬆開(不穩定螺旋點,一個增長的振盪)。旋轉並收縮、或旋轉並增長這兩種成分,可直接從特徵值的實部與虛部讀出。
螺旋是阻尼振動在相平面上的指紋——敲響的鐘、漸定的懸吊、盤旋衰減的 RLC 電路,全都呈現向內的螺旋。誠實的關鍵點在實部的角色:螺旋唯有當 alpha 嚴格為負時才穩定。把 alpha 推到恰好為零,螺旋便停止收縮,變成一個閉合的圈——中心——介於穩定與不穩定焦點之間的微妙邊界情形。
系統 x' = -x - 2y、y' = 2x - y 的特徵值為 -1 加減 2i。負實部(-1)表示軌跡衰減;虛部(2)表示它們旋轉。所以原點是穩定螺旋點:狀態向內螺旋進入中心。
複特徵值 alpha 加減 i beta:beta 使路徑轉動,alpha 決定向內(alpha < 0)或向外(alpha > 0)。
決定螺旋穩定性的是實部的「正負號」,而非旋轉。非零虛部只保證打旋;它向內或向外螺旋,完全取決於 alpha 為負或為正。當 alpha 恰好為零時,螺旋退化為中心,而非穩定焦點。