拓撲動力系統

設常微分系統

(*)

的右側函數,且滿足解的惟一性條件，為n維歐幾里得空間。由於S(x)與t無關，不失一般性，可設(*)的每個解φ(x,t)在整個實軸I上有定義，於是它確定了×I到的變換，滿足：

① 初值條件：φ(x,0)=x;

② φ(x,t)對x，t一併連續；

③ 群的條件：即對任意x∈，任意t1，t2∈I有；

④ φ(x,t)對t可微。

為了更一般地研究問題，可以拋開常微分系統，並假設空間是一般的度量空間R。設φ(x,t)是R×I到R且滿足性質①、②、③的單參數連續變換群，則所有這些變換的全體稱為拓撲動力系統或抽象動力系統，記作,其中參數t代表時間。點集{φ(x,t),t∈I}稱為過點x的軌線或軌道，記作φ(x,I)。仿此，稱為正半軌線，為負半軌線。φ(x；為弧段。當t∈I +(半群),稱為半動力系統或半流；當t∈N（整數加群）,稱為離散動力系統或離散流。若φ(x,t)=x，對一切t∈I,則稱點x為休止點，若φ(x，t+ω)＝φ(x,t)，對一切t∈I，其中ω>0，則稱φ(x,t)為周期軌線，滿足上述等式的最小正數ω，稱為周期軌線的周期。

例如，下面是一個有趣的拓撲動力系統──別布托夫系統。

令勪。對於ƒ(x)，g(x)∈勪 ,定義距離

。

對距離ρ，勪 構成完備的可分的度量空間。定義映射φ：勪×I→I 如下：

，

於是它構成一個拓撲動力系統，稱為別布托夫系統，簡記為。

由n個符號所組成的一切可能的雙無窮序列,在上述類似的距離和軌線的定義下，組成動力系統，稱為符號動力系統，它可視為的子系統。很多拓撲動力系統可嵌入成為它的子系統。

若ƒ(x)呏с，則φ(ƒ(x),t)是休止點；若 ƒ(x+ω)＝ƒ(x)，對一切x∈I，其中ω>0，則φ(ƒ(x)，t)是周期軌線。周期軌線在中處處稠密。另外中含有在勪中處處稠密的軌線。

極限點集及軌線分類 G.D.伯克霍夫認為，動力系統理論主要是研究各種軌線的類型及其間的關係。為了研究軌線的分類，必須了解軌線在無窮時(t→±∞)的狀態。

極限點集 設：實數列。如果有，則稱點y是軌線 φ(x，t)的ω-極限點，Ωx表示φ(x，t)的一切ω－極限點集。若，則稱y是φ(x, t)的α－極限點，Ax表示φ(x, t)的一切α－極限點集。

不變集設給定集合A吇R，若對一切t∈I,φ(A,t)=A，則稱A是不變集。Ωx和Ax是閉的不變集。任何一條軌線是不變集，但不一定是閉集。

極小集 集合∑吇R稱為極小集，若它是非空、閉的且不變；同時它沒有任何真子集也具有這三條性質。顯然，Σ中的每一條軌線在Σ上處處稠密。另外，在上所定義的拓撲動力系統，若對軌線φ(x,t)而言,，則φ(x,I)就是一個極小集，但它不是緊緻的。而比較有趣的是緊緻極小集，如休止點和周期軌線就是緊緻極小集。在R2上定義的連續動力系統的緊緻極小集只能是休止點和周期軌線。但當R≠R2時，情形就不同了。

例如，式中θ，φ的周期都為1。這樣就在二維環面T2上定義了動力系統。當у是有理數時，T2上都是周期軌線；而у是無理數時, T2上的每條軌線在其上處處稠密，T2構成緊緻極小集。

又如，前例中，當у是無理數時，令，，式中 (θ，φ)是對θ，φ周期都為1的連續周期函數。對；當,。直觀地說，這就是將前例中的一條過點p且在T2上處處稠密的軌線用奇點p切斷。這時T2不再是極小集，而奇點p是極小集。

伯克霍夫證明，若R是緊緻度量空間，則在其上定義的動力系統Rt至少包含一個緊緻極小集。

當R是緊緻的二維定向流形，在其上定義了C2光滑動力系統。若A是Rt的極小集且在R上無處稠密，則A必是休止點或周期軌線。若Ωx中不包含休止點或周期軌線，則Ωx=T2=R。但當Rt只是C1光滑時,A.當儒瓦在1931年舉出過反例（見常微分方程定性理論）。

軌線分類 根據軌線的極限點的性質，可分為：

① 若Ωx=═，則稱φ(x,t)為正向遠離；

② 若Ωx≠═,但φ(x,I)∩Ωx=═，則稱φ(x,t)為正向漸近；

③ 若,則稱φ(x,t)為正向泊松穩定，簡稱p+穩定。

仿此，有負向或雙側的遠離、漸近和泊松穩定軌線，後者分別簡稱為p-或p穩定。休止點和周期軌線是p穩定的。R2上的連續動力系統的 p穩定軌線只能是休止點或周期軌線，且其上的 p+或p- 穩定軌線必是p穩定軌線。而當R≠R2時，情形就完全不同了。如前述的T2上被奇點切成兩段的軌線, 一條是p+穩定的, 另一條是p-穩定的，而T2上其餘的都是p 穩定的軌線。比起遠離和漸近軌線來，p 穩定軌線是較複雜和較有興趣的。從天體力學觀點看，p穩定軌線在它的運行過程中，將不斷地在其軌線的任一點的任意小鄰域內再現。與此現象相反的是下面的情形。

設點x∈R，若存在它的鄰域U(x)及時間T>0,使得當t≥T 時,U(x)∩φ(x,t)=═，則稱x為遊盪點。R上的所有遊盪點集W是R上的不變開集。V=R\W是相對於R的非游的點集，它是不變閉集。所有p穩定軌線上的點都是非遊盪點。反之，卻不然。如前述的被奇點切斷的那條軌線，若再用有限個奇點將它切斷，則每兩個奇點之間的那些軌線就既非p-穩定也非p+穩定，但其上都是非遊盪點。

對於p穩定軌線φ(x,t),根據在其運行過程中，它在軌線上任一點的任意小鄰域中再現的時間序列的性質不同，可分成很多類型，除了周期軌線外，最重要的是以下兩類。

若對任給ε>0,存在T(ε)>0及I上對T(ε)而言的相對稠密集{τn}，使得對一切t∈I和一切τn，有ρ(φ(x,t),φ(x,t+τn))<ε，則稱軌線φ(x，t)是幾乎周期軌線（或稱概周期軌線）。周期軌線便是幾乎周期的，若周期軌線的周期為ω>0，則可取T(ε)=ω,τn=nω。

若上述相對稠密集{τn}是依賴於軌線上的點y=φ(x,t)或者說依賴於t的，即{τn(t)},則稱φ(x,t)為回復軌線。回復軌線和幾乎周期軌線的閉包的性質是不同的。伯克霍夫證明，緊緻極小集內的每條軌線都是回復的；反之，在完備空間內回復軌線的閉包是緊緻極小集。而緊緻極小集Σ成為幾乎周期軌線的閉包的充分必要條件是：Σ是緊緻、交換、連通拓撲群。

前例中未被奇點切斷的軌線都是p穩定的，但它們不是回復的。類似地，可構造雙周期函數(θ，φ)，使得整個環面T2是回復軌線的閉包而不是幾乎周期軌線的閉包。

A.M.李亞普諾夫穩定性（見常微分方程運動穩定性理論）、吸引區等概念已經推廣到拓撲動力系統。對非自治微分方程的解來引進動力系統，即所謂“斜積流”，這是值得注意的動向。