線性常微分方程組
直線解(straight-line solution)
一個方程組的多數軌跡會在平面上彎曲、遊走。但有少數特別的軌跡沿著一條完美的直線行進,從不轉彎,只沿著一條通過原點的固定射線進進出出。這些是方程組擁有的最簡單運動,也是其餘所有運動賴以懸掛的骨架。
直線解來自一個實特徵值 lambda 配上實特徵向量 v:x(t) = c e^(lambda t) v。在每一時刻,位置都是固定向量 v 的某個純量倍,所以這個點恰好停留在通過原點、沿 v 方向的那條直線上,永不離開那條線。純量 c e^(lambda t) 決定它沿線停在多遠、往哪走:若 lambda > 0,點沿射線向外奔向無窮;若 lambda < 0,點向內滑向原點;若 lambda = 0,點凍結在一個定點。這條線本身是不變的:從它上面出發,就永遠留在它上面。
直線解之所以重要,是因為它們組織了整幅相圖。特徵向量方向,是那少數幾條運動為純指數的特殊直線,而其他每一條軌跡都相對於它們彎曲,被拉向衰減方向,沿著增長方向被甩出。先讀出直線解,是勾勒一個 2×2 線性方程組行為的最快方法。
對 A = [3, 0; 0, -1],特徵向量 (1, 0) 配 lambda = 3 給出 x(t) = c e^(3t)(1, 0),沿 x1 軸向外奔的運動。特徵向量 (0, 1) 配 lambda = -1 給出沿 x2 軸向內滑的運動。
在一條特徵向量直線上,運動是一維的:純粹的增長或衰減,永不離開那條線。
直線解只沿著實特徵向量方向存在。一個只有複特徵值的方程組(中心或螺旋)根本沒有直線解,每一條軌跡都彎曲。
又称
另见