分岔理论
分岔类型
分岔可以分为以下的二种类型:
局部分岔(Local bifurcations)是指分岔特性可以用局部稳定性完全分析的分岔,一般会用参数通过临界值时,平衡点、周期性轨迹或其他固定点的局部稳定性。
全域分岔(Global bifurcations)是指分岔特性无法用局部稳定性完全分析的分岔,一般是指较大的不变集彼此重叠,或是和系统的平衡点重叠,这无法只靠平衡点的稳定性分析来求得。
局部分岔
逐渐变成有序的周期对半分岔(L),之后是逐渐变成混沌的周期加倍分岔(R)
局部分岔是指因参数变化,因此改变平衡点(或是不动点)稳定性的情形,对应平衡点特征值的实部由正变负或是由负变正,在离散系统中(会由映射描述),是指不动点其弗洛凯乘子的模为1。这二种情形下,平衡点在分岔时都是非双曲线的。
局部分岔有一个特性,只要控制分岔参数,可以将系统相图中的拓朴变化限制在分岔点附近任意小的区域中,因此称为局部分岔。
考虑用以下常微分方程描述的连续动态系统
若在 ( x 0 , λ λ --> 0 ) {\displaystyle (x_{0},\lambda _{0})} 位置的雅可比矩阵 d f x 0 , λ λ --> 0 {\displaystyle {\textrm {d}}f_{x_{0},\lambda _{0}}} 有实部为0的特征值,表示在此点有局部分岔。若特征值为0,表示此分岔为稳态的分岔,但若特征值为虚数霍普夫是 霍普夫分岔 ( 英语 : Hopf bifurcation ) 。
若是离散系统
若在 ( x 0 , λ λ --> 0 ) {\displaystyle (x_{0},\lambda _{0})} 的矩阵 d f x 0 , λ λ --> 0 {\displaystyle {\textrm {d}}f_{x_{0},\lambda _{0}}} 有模数为1的特征值,表示有局部分岔。若特征值等于1,分岔可能是 鞍结分岔 ( 英语 : saddle-node bifurcation ) 、 跨临界分岔 ( 英语 : transcritical bifurcation ) 或 叉式分岔 ( 英语 : pitchfork bifurcation ) ,若特征值等于-1,表示是 周期加倍分岔 ( 英语 : period-doubling bifurcation ) ,否则则为 霍普夫分岔 ( 英语 : Hopf bifurcation ) 。
局部分岔的例子有:
鞍结分岔 ( 英语 : saddle-node bifurcation ) (fold分岔)
跨临界分岔 ( 英语 : transcritical bifurcation )
叉式分岔 ( 英语 : pitchfork bifurcation )
周期加倍分岔 ( 英语 : period-doubling bifurcation ) (flip分岔)
霍普夫分岔 ( 英语 : Hopf bifurcation )
Neimark–Sacker分岔(二次霍普夫分岔)
全域分岔
全域分岔是指较大的不变集(如周期性轨迹)和平衡点重叠。全域分岔也会改变相图上的拓朴,而且其变化不会像局部分岔一様限制在一个小区域,因此称为全域分岔。
全域分岔的例子有:
同宿分岔 ( 英语 : Homoclinic bifurcation ) 是指极限环和一个鞍点重叠。
异宿分岔 ( 英语 : Heteroclinic bifurcation ) 是指极限环和二个或多个鞍点重叠。
无限周期分岔 ( 英语 : Infinite-period bifurcation ) 是指在极限环上有稳定节点和鞍点同时出现。
蓝天突变 ( 英语 : Blue sky catastrophe ) 是指极限环和一个nonhyperbolic cycle重叠。
全域分岔有时会和像奇异吸引子之间更复杂的结构有关,如一种称为 危机 ( 英语 : Crisis (dynamical systems) ) 的现象就是指当动态系统的参数变化时,奇异吸引子突然出现或是突然消失。
分岔的余维数
分岔的余维数是指动态系统中需变动几个参数,才会使分岔现象出现。鞍结分岔及霍普夫分岔是常见的局部分岔中,实际余维数为1的二个分岔(其他分岔的余维数都大于1)。不过跨临界分岔及叉式分岔的正规式可以写成只有一个参数的形式,因此也可以视为余维数为1的分岔。
Bogdanov-Takens 分岔 ( 英语 : Bogdanov–Takens bifurcation ) 是一个有较多研究,余维数为2分岔的一个例子。
在半经典力学及量子力学上的应用
分岔理论已用在连结量子系统及经典力学系统的动态中,可以用在原子系统 、分子系统 及谐振隧穿二极管 。分岔理论已用到激光动力学 的研究中,也用在许多在实验上难以处理的理论例子中,例如kicked top 及耦合量子阱 。将量子系统及古典力动方程中分岔相连结的主要原因是在分岔时,古典力学轨道的signature会变大,正如 Martin Gutzwiller ( 英语 : Martin Gutzwiller ) 在有关 量子混沌 ( 英语 : quantum chaos ) 中的研究所提出的一样 。许多分岔都研究来连结古典力学和量子力学,像是鞍结分岔、霍普夫分岔、umbilic分岔、周期加倍分岔、重新连接分叉(reconnection bifurcation)、切线分叉(tangent bifurcation)及尖分叉(cusp bifurcation)。
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