跨临界分岔
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跨临界分岔
历史溯源
跨临界分岔的早期研究可追溯到庞加莱(Jules Henri Poincaré)时期。庞加莱提出了“分岔形态”等概念,以参数变化导致解支合并消失为核心研究图景,
跨临界分岔的名称最早由安德罗诺夫(A. A. Andronov)与列昂托维奇(E. A. Leontovich)给出,并且讨论了不同参数下系统的不动点情况。
标准型及其性质
在数学上,我们可以通过标准型来研究分岔的本质特征。对于一维动力系统(参考一维动力学),跨临界分岔的最简微分方程形式(标准型)如下[1]
-
[math]\displaystyle{ \dot{x} = rx \pm x^2 }[/math]
(1)
- 其中[math]\displaystyle{ x \in \mathcal{R} }[/math]是状态变量,[math]\displaystyle{ r \in \mathcal{R} }[/math]为诱导分岔产生的外部参数。
- 对于实际研究中的更复杂的系统,如[math]\displaystyle{ \dot{x} = r - x - \mathrm{e}^{-x} }[/math],为了将原系统简化为标准型(即忽略高阶项(如 [math]\displaystyle{ O(x^3, r^2) }[/math] 等)的影响),状态变量 [math]\displaystyle{ x }[/math] 和参数 [math]\displaystyle{ r }[/math] 必须限制在局部范围内:
- [math]\displaystyle{ x }[/math] 的取值范围应为不动点 [math]\displaystyle{ x^* }[/math] 的 [math]\displaystyle{ \varepsilon }[/math]-邻域:[math]\displaystyle{ x \in (x^* - \varepsilon, x^* + \varepsilon) }[/math],其中 [math]\displaystyle{ \varepsilon \gt 0 }[/math] 且充分小。
- [math]\displaystyle{ r }[/math] 的取值范围应为临界值 [math]\displaystyle{ r_c }[/math] 的 [math]\displaystyle{ \delta }[/math]-邻域:[math]\displaystyle{ r \in (r_c - \delta, r_c + \delta) }[/math],其中 [math]\displaystyle{ \delta \gt 0 }[/math] 且充分小。
只有在此微小邻域内,泰勒展开后的低阶项才能主导系统的定性行为。具体可参见下文中的推广形式。
鞍结点分岔的关键性质在于,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)。
【math】 \dot{x}_2 = λ(x_2 - x_1^2) 【/math】
不动点及其稳定性
相图与分岔图
案例:激光模型
模型描述
分岔点
物理意义
二维系统及以上
相关概念
参考文献
- ↑ Strogatz, S. H. (1994). Nonlinear Dynamics and Chaos. Reading, MA: Perseus Books.