鞍结点分岔(Saddle-Node Bifurcation),又称折叠分岔(Fold Bifurcation)、切线分岔(Tangent Bifurcation)或蓝天分岔(Blue Sky Bifurcation),是非线性系统中最常见的不稳定性机制之一。在更复杂的动力系统中,鞍结点分岔也常作为局部分岔(Local Bifurcation)出现。
标准型和性质
鞍结点分岔的标准型如下
-
[math]\displaystyle{ \dot{x} = r \pm x^2, }[/math]
(1)
其关键性质在于,随着系统参数[math]\displaystyle{ r }[/math]的改变,相空间中原本存在的两个不动点(一个稳定,一个不稳定)相互靠近、碰撞并最终相互抵消而消失,导致系统原本的稳定状态不复存在。也可反过来看待,原本状态不稳定的系统因系统参数[math]\displaystyle{ r }[/math]的改变,使其先出现了一个半稳定不动点,最终出现了两个不动点(一个稳定,一个不稳定)。
稳定性分析
以[math]\displaystyle{ \dot{x} = r - x^2, }[/math] 为例
不动点判断
令[math]\displaystyle{ f(x)=r-x^2 }[/math],有不动点[math]\displaystyle{ x^*=\pm \sqrt{r} }[/math]。当[math]\displaystyle{ r\lt 0 }[/math]时,没有不动点;当[math]\displaystyle{ r=0 }[/math]时,有一个不动点;当[math]\displaystyle{ r\gt 0 }[/math]时,有两个不动点。
不动点稳定性分析
[math]\displaystyle{ f'(x^*)=-2x^* }[/math]
相图与分岔图
对于[math]\displaystyle{ \dot{x} = r + x^2, }[/math] 的分岔图如下,展示了系统参数[math]\displaystyle{ r }[/math]在不同取值下的不动点的分布情况。
相图如下,展示了系统参数[math]\displaystyle{ r }[/math]在不同取值下的鞍结点分岔的三种不同状态。
对于[math]\displaystyle{ \dot{x} = r - x^2, }[/math]的分岔图如下,展示了系统参数[math]\displaystyle{ r }[/math]在不同取值下的不动点的分布情况。
相图如下,展示了系统参数[math]\displaystyle{ r }[/math]在不同取值下的鞍结点分岔的三种不同状态。
推广形式
-
[math]\displaystyle{ \dot{x} = a(r-r_c)+b(x-x^*)^2 }[/math]
(1)