相平面與定性理論
軌跡(trajectory)
如果相平面是一張涵蓋所有可能狀態的地圖,那麼軌跡就是系統某一次特定運行在這張地圖上實際走出的路線。從某個選定的狀態出發——時間零時一個確定的 (x, y)——讓它演化,狀態點便畫出一條曲線。這條曲線就是軌跡,也叫軌道。它回答了「從這裡出發,系統會走到哪裡?」,以一條路徑而非一個公式呈現。
精確地說,軌跡是系統某一個解 (x(t), y(t)) 在相平面上的像,並把時間抹去——你保留路徑的形狀,卻忘掉它走得多快。關鍵在於:在自治系統(規則不依賴時鐘的系統)中,兩條不同的軌跡永遠不會相交:在任何一點,速度場恰好指向一個方向,所以狀態下一步要往哪走別無選擇。軌跡可能趨向某個平衡點、螺旋地靠近它、飛向無窮遠,或閉合成一個圈,但它們鋪滿整個平面卻彼此從不交叉。
軌跡是定性理論的原料。你很少需要 (x(t), y(t)) 的公式;你需要知道自己在哪一條軌跡上、它通往何方。正因為軌跡不能相交,只要畫出其中幾條——連同它們所迴避或趨近的平衡點——往往就能釘住所有其他軌跡的行為,這正是相平面方法的精妙省力之處。
對於 x' = y、y' = -x(無摩擦振子),從 (1, 0) 出發的軌跡是順時針描出的圓 x^2 + y^2 = 1;從 (2, 0) 出發則是半徑為 2 的圓。每個起點給出各自不相交的圈。
每個圓是一條軌跡;圓的家族鋪滿平面,且任兩圓互不相觸。
軌跡是相平面上的一條曲線,不是 x 對時間的圖。兩條軌跡永不相交是自治系統的性質——若方程明顯依賴 t,路徑可能看似相交,因為同一點的速度會隨時間改變。
又称
另见