固定点の安定性
2次元線形系 ẋ = J x のヤコビ行列のトレース T と行列式 D を動かすと、固有値・固定点の分類・相平面の軌道がどう変わるかを体感します。
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プリセット(代表的な分類へジャンプ)
安定スパイラル
不安定スパイラル
中心(周回)
安定ノード
不安定ノード
サドル(鞍点)
判別式 Δ = T² − 4D
—
固有値 λ₁, λ₂
—
分類
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安定性
—
トレース–行列式 平面(分類マップ)
相平面 x₁–x₂(ベクトル場と軌道)
非線形系の固定点まわりを線形化すると、ヤコビ行列 J による線形系
判別式 Δ = T² − 4D の符号で固有値が実数か複素数か(ノードかスパイラルか)が、 T と D の符号で安定か不安定かが決まります。
スライダーで T・D を動かし、左の分類マップ上の点と、右の相平面の軌道がどう変形するか確かめましょう。
ẋ = J x になります。
その挙動は 2 つの固有値 λ₁, λ₂ だけで決まり、固有値はトレース T = tr(J) と 行列式 D = det(J) から
λ = (T ± √(T²−4D)) / 2 で求まります。判別式 Δ = T² − 4D の符号で固有値が実数か複素数か(ノードかスパイラルか)が、 T と D の符号で安定か不安定かが決まります。
スライダーで T・D を動かし、左の分類マップ上の点と、右の相平面の軌道がどう変形するか確かめましょう。
いま何が起きている?
ここがポイント
- 固有値がすべてを決める ── 実部の符号が安定/不安定、虚部の有無が回転(スパイラル/中心)を決める。
- D < 0 なら必ずサドル ── 固有値が異符号の実数になり、一方向に発散・一方向に収束する鞍点。
- 放物線 Δ = T² − 4D = 0 の上=スパイラル(複素固有値)、下=ノード(実固有値)の境界線。
- T = 0, D > 0 は中心 ── 固有値が純虚数で、軌道は閉じた周回になる(境界ケース・摩擦ゼロの振り子など)。