非線性系統、穩定性與李雅普諾夫理論

范德波振盪器(van der Pol oscillator)

/ van der POLL /

一般的振子要嘛振鈴衰減至無聲(有摩擦時),要嘛在理想無摩擦情形下,以你給它的任何振幅重複。范德波振盪器做的卻不是這兩者:無論你從什麼振幅出發——很大或很小——它都收斂到同一個穩定振盪,完全由系統自己選定。它是自持節奏的教科書模型,誕生於研究真空管電子電路。

方程是 x'' - mu(1 - x^2) x' + x = 0,正參數 mu 控制效應的強度。把中間那一項看成一種奇特的、隨狀態而變的阻尼,係數為 -mu(1 - x^2)。當 x 很小(|x| < 1)時因子 (1 - x^2) 為正,故阻尼為負——它注入能量,小振盪增長。當 x 很大(|x| > 1)時因子為負,故阻尼為正——它放出能量,大振盪縮小。系統永遠在餵養小擺動、餓死大擺動,並在兩者之間、在單一個穩定極限環上取得平衡。可用龐加萊-本迪克松證明該環存在;除不穩定原點外的每條軌跡都螺旋落上它。

透過本領域的視角,范德波是非線性的招牌例子:它有一條孤立、會吸引的週期軌道,是任何線性系統都造不出來的,而它的存在是靠困陷區域論證與龐加萊-本迪克松定理確立,而非靠任何公式。對小 mu,此環幾乎是光滑的圓;對大 mu,它變成尖銳的「弛豫振盪」——長而緩慢的累積被突然的跳躍打斷——這模擬了神經元的放電、心臟的搏動,以及許多電子與生物時鐘。

對 x'' - (1 - x^2) x' + x = 0(mu = 1),一條從原點附近出發(向外增長)的軌跡與一條從遠處出發(向內縮小)的軌跡,都螺旋落上同一條閉迴圈——那唯一的穩定極限環。

小 x 時負阻尼、大 x 時正阻尼,把每個起始都擠到一個自選的振盪上。

振幅由系統決定,而非由初始條件決定——這是極限環的定義特徵,在任何線性常係數方程中都不可能。注意原點是不穩定平衡點,是唯一到不了該環的軌跡。

又称
van der Pol equationself-sustained oscillator范德波方程自持振盪器