. Как известно из математического анализа, вектор
касается этой кривой в точке
так что вектор
касается фазовой траектории (в точке
). Это же рассуждение справедливо и в
-мерном пространстве. Исключение составляет, разумеется, случай, когда фазовая траектория состоит из одной точки — положения равновесия.
Точки векторного поля
в которых вектор
— нулевой, называются критическими (или особыми) точками векторного поля. Таким образом, положения равновесия системы (1) — это критические точки векторного поля
Векторное поле устроено просто в малой окрестности любой некритической точки. Действительно, если
то
при х, близких к а, т. е. векторы в близких
точках имеют примерно ту же длину и то же направление, что и вектор
Столь же просто устроены фазовые траектории вблизи точки, отличной от положения равновесия. Если точка а — критическая, то длина
вектора
стремится к нулю при
Направление же вектора
при х близких к а, может меняться весьма произвольно, и даже при
(т. е. на плоскости) структура векторного поля (и соответствующих фазовых траекторий) может быть очень сложной.
Рис. 22.
С автономной системой (1) связано еще одно важное понятие — фазовый поток
Вначале приведем пояснения. Возьмем любую точку х из области
выпустим из нее фазовую траекторию и сдвинем точку вдоль траектории за время
Полученную точку обозначим
Тем самым определено отображение
(каждая точка х области
отображается в точку
лежащую в области
Если
— подобласть области
то тем самым определено отображение
т. е. каждая точка
переходит при этом в точку
(рис. 22). Область
при таком отображении деформируется; в § 2 будет показано, как при такой деформации изменяется объем области
Строгое определение отображения
таково. Пусть
— решение задачи Коши х для системы (1). Тогда
Из свойств 6°, 7° вытекают следующие групповые свойства отображения
где
— тождественное отображение:
для любой точки
Первое из соотношений (6) означает, что
для любой точки
и если переписать его с помощью (5), то мы получим первое из соотношений 6°. Множество преобразований, зависящих от одного вещественного параметра
и обладающего свойствами (6), называется однопараметрической группой преобразований; подробнее см. [3].
Приведем одну
физических интерпретаций автономной системы (1). Рассмотрим установившееся (стационарное) течение жидкости в трехмерном пространстве
Это течение характеризуется тем, что частица жидкости в тот момент времени, в который она проходит через точку
имеет скорость
Эта скорость зависит только от точки х, но не от времени: если другая частица в другой момент времени пройдет через точку х, то мгновенная скорость в этой точке будет той же. Тем самым в пространстве задано векторное поле — поле скоростей
и соответствующая автономная система, описывающая движение частиц жидкости, имеет вид
Фазовые траектории называются в этом случае линиями тока; это кривые, по которым движутся (текут) частицы жидкости. Термин «фазовый поток» при такой гидромеханической интерпретации также становится абсолютно прозрачным.
Рис. 23.
Введем понятие трубки тока. Возьмем в трехмерном пространстве площадку
(т. е. поверхность), которая не касается ни в одной точке векторов поля скоростей, и выпустим из нее линии тока. Множество, которое они заполнят, и называется трубкой тока (рис. 23).
Точно так же и в
-мерном пространстве векторное поле
(см. (1)) можно интерпретировать как поле скоростей, фазовые траектории — как линии тока, и можно ввести понятие трубки траекторий (трубки тока).