分岔理論
分岔類型
分岔可以分為以下的二種類型:
局部分岔(Local bifurcations)是指分岔特性可以用局部穩(wěn)定性完全分析的分岔,一般會用參數(shù)通過臨界值時(shí),平衡點(diǎn)、周期性軌跡或其他固定點(diǎn)的局部穩(wěn)定性。
全域分岔(Global bifurcations)是指分岔特性無法用局部穩(wěn)定性完全分析的分岔,一般是指較大的不變集彼此重疊,或是和系統(tǒng)的平衡點(diǎn)重疊,這無法只靠平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性分析來求得。
局部分岔
逐漸變成有序的周期對半分岔(L),之后是逐漸變成混沌的周期加倍分岔(R)
局部分岔是指因參數(shù)變化,因此改變平衡點(diǎn)(或是不動(dòng)點(diǎn))穩(wěn)定性的情形,對應(yīng)平衡點(diǎn)特征值的實(shí)部由正變負(fù)或是由負(fù)變正,在離散系統(tǒng)中(會由映射描述),是指不動(dòng)點(diǎn)其弗洛凱乘子的模為1。這二種情形下,平衡點(diǎn)在分岔時(shí)都是非雙曲線的。
局部分岔有一個(gè)特性,只要控制分岔參數(shù),可以將系統(tǒng)相圖中的拓樸變化限制在分岔點(diǎn)附近任意小的區(qū)域中,因此稱為局部分岔。
考慮用以下常微分方程描述的連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)
若在 ( x 0 , λ λ --> 0 ) {\displaystyle (x_{0},\lambda _{0})} 位置的雅可比矩陣 d f x 0 , λ λ --> 0 {\displaystyle {\textrm 5pzznhp}f_{x_{0},\lambda _{0}}} 有實(shí)部為0的特征值,表示在此點(diǎn)有局部分岔。若特征值為0,表示此分岔為穩(wěn)態(tài)的分岔,但若特征值為虛數(shù)霍普夫是 霍普夫分岔 ( 英語 : Hopf bifurcation ) 。
若是離散系統(tǒng)
若在 ( x 0 , λ λ --> 0 ) {\displaystyle (x_{0},\lambda _{0})} 的矩陣 d f x 0 , λ λ --> 0 {\displaystyle {\textrm 3zh55jl}f_{x_{0},\lambda _{0}}} 有模數(shù)為1的特征值,表示有局部分岔。若特征值等于1,分岔可能是 鞍結(jié)分岔 ( 英語 : saddle-node bifurcation ) 、 跨臨界分岔 ( 英語 : transcritical bifurcation ) 或 叉式分岔 ( 英語 : pitchfork bifurcation ) ,若特征值等于-1,表示是 周期加倍分岔 ( 英語 : period-doubling bifurcation ) ,否則則為 霍普夫分岔 ( 英語 : Hopf bifurcation ) 。
局部分岔的例子有:
鞍結(jié)分岔 ( 英語 : saddle-node bifurcation ) (fold分岔)
跨臨界分岔 ( 英語 : transcritical bifurcation )
叉式分岔 ( 英語 : pitchfork bifurcation )
周期加倍分岔 ( 英語 : period-doubling bifurcation ) (flip分岔)
霍普夫分岔 ( 英語 : Hopf bifurcation )
Neimark–Sacker分岔(二次霍普夫分岔)
全域分岔
全域分岔是指較大的不變集(如周期性軌跡)和平衡點(diǎn)重疊。全域分岔也會改變相圖上的拓樸,而且其變化不會像局部分岔一様限制在一個(gè)小區(qū)域,因此稱為全域分岔。
全域分岔的例子有:
同宿分岔 ( 英語 : Homoclinic bifurcation ) 是指極限環(huán)和一個(gè)鞍點(diǎn)重疊。
異宿分岔 ( 英語 : Heteroclinic bifurcation ) 是指極限環(huán)和二個(gè)或多個(gè)鞍點(diǎn)重疊。
無限周期分岔 ( 英語 : Infinite-period bifurcation ) 是指在極限環(huán)上有穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)和鞍點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)。
藍(lán)天突變 ( 英語 : Blue sky catastrophe ) 是指極限環(huán)和一個(gè)nonhyperbolic cycle重疊。
全域分岔有時(shí)會和像奇異吸引子之間更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有關(guān),如一種稱為 危機(jī) ( 英語 : Crisis (dynamical systems) ) 的現(xiàn)象就是指當(dāng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)變化時(shí),奇異吸引子突然出現(xiàn)或是突然消失。
分岔的余維數(shù)
分岔的余維數(shù)是指動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中需變動(dòng)幾個(gè)參數(shù),才會使分岔現(xiàn)象出現(xiàn)。鞍結(jié)分岔及霍普夫分岔是常見的局部分岔中,實(shí)際余維數(shù)為1的二個(gè)分岔(其他分岔的余維數(shù)都大于1)。不過跨臨界分岔及叉式分岔的正規(guī)式可以寫成只有一個(gè)參數(shù)的形式,因此也可以視為余維數(shù)為1的分岔。
Bogdanov-Takens 分岔 ( 英語 : Bogdanov–Takens bifurcation ) 是一個(gè)有較多研究,余維數(shù)為2分岔的一個(gè)例子。
在半經(jīng)典力學(xué)及量子力學(xué)上的應(yīng)用
分岔理論已用在連結(jié)量子系統(tǒng)及經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)中,可以用在原子系統(tǒng) 、分子系統(tǒng) 及諧振隧穿二極管 。分岔理論已用到激光動(dòng)力學(xué) 的研究中,也用在許多在實(shí)驗(yàn)上難以處理的理論例子中,例如kicked top 及耦合量子阱 。將量子系統(tǒng)及古典力動(dòng)方程中分岔相連結(jié)的主要原因是在分岔時(shí),古典力學(xué)軌道的signature會變大,正如 Martin Gutzwiller ( 英語 : Martin Gutzwiller ) 在有關(guān) 量子混沌 ( 英語 : quantum chaos ) 中的研究所提出的一樣 。許多分岔都研究來連結(jié)古典力學(xué)和量子力學(xué),像是鞍結(jié)分岔、霍普夫分岔、umbilic分岔、周期加倍分岔、重新連接分叉(reconnection bifurcation)、切線分叉(tangent bifurcation)及尖分叉(cusp bifurcation)。
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