相平面與定性理論

速度(向量)場(velocity vector field)

站在相平面上任何一點,問一句:若系統此刻就在這裡,它會往哪個方向、以多快的速度移動?答案是一支箭頭。把這樣的箭頭貼到每一個點上,就得到速度向量場——一個布滿小箭頭的平面,每支箭頭顯示該位置上瞬間的運動方向與速度。它是風場圖;軌跡則是樹葉隨風飄移所走的路徑。

對於平面系統 x' = f(x, y)、y' = g(x, y),點 (x, y) 上的箭頭就是向量 (f(x, y), g(x, y))。它的方向是狀態下一步去處;它的長度是速度,即狀態在該處移動得多快。箭頭長的地方,系統飛快通過;箭頭縮成零的地方,系統幾乎停下——而箭頭恰好為零之處,就是一個平衡點。軌跡不過是一條處處與這些箭頭相切的曲線:它總是順著當地箭頭所指的方向前進。

速度場是你在解任何東西之前就能立刻讀出的——只要把點代入 f 與 g。由它你可以靠「跟著箭頭走」徒手畫出軌跡,一眼看出運動何處快何處慢,並把場消失的平靜點認作平衡點。它是代數方程與幾何圖像之間的橋樑:方程定義了場,而場塑造了每一條軌跡。

對於 x' = y、y' = -x,點 (1, 0) 上的箭頭是 (0, -1)(直直向下),點 (0, 1) 上的箭頭是 (1, 0)(指向右)。順著這些箭頭繞行,描出順時針的圓。

把一個點代入 (f, g) 就得到該處的箭頭;軌跡處處與這些箭頭相切。

向量場同時帶有方向「與」速度(箭頭長度)。若只保留方向、畫成等長箭頭,得到的是「方向場」——對看形狀方便,但丟掉了系統移動多快的資訊。

又称
vector fielddirection field of a system向量場系統的方向場