[科普中国]-拓扑动力系统

拓扑动力系统 topological dynamic system 又称抽象动力系统，是具有连续性质的动力系统。它是通过拓扑映射（不一定通过微分方程）来定义的。设常微分系统 (*) 的右侧函数，且满足解的惟一性条件，为n维欧几里得空间。由于S(x)与t无关，不失一般性，可设(*)的每个解φ(x,t)在整个实轴I上有定义，于是它确定了×I到的变换，

概念拓扑动力系统 topological dynamic system 又称抽象动力系统，是动力系统的一个组成部分。所谓拓扑动力系统，是指拓扑空间(一般是度量空间)上的动力系统。它通常包含流、离散动力系统、半流及离散半动力系统。主要是从拓扑的观点研究系统的不变集的结构及其轨道的性质。从20世纪70年代以来，由于微分动力系统研究的发展和深入，极大地推动了拓扑动力系统，特别是一维连续映射的研究，并取得了相当丰富和重要的成果。

满足条件① 初值条件：φ(x,0)=x；

② φ(x,t)对x，t一并连续；

③ 群的条件：即对任意x∈，任意t1，t2∈I有；

④ φ(x,t)对t可微。

研究分析为了更一般地研究问题，可以抛开常微分系统，并假设空间是一般的度量空间R。设φ(x,t)是R×I到R且满足性质①、②、③的单参数连续变换群，则所有这些变换的全体称为拓扑动力系统或抽象动力系统,记作,其中参数t代表时间。点集{φ(x,t),t∈I}称为过点x的轨线或轨道,记作φ(x,I)。仿此,称为正半轨线，为负半轨线。φ(x；为弧段。当t∈I(半群),称为半动力系统或半流；当t∈N（整数加群）,称为离散动力系统或离散流。若φ(x,t)=x，对一切t∈I,则称点x为休止点，若φ(x，t+ω)=φ(x,t)，对一切t∈I，其中ω>0，则称φ(x,t)为周期轨线,满足上述等式的最小正数ω，称为周期轨线的周期。1

轨线分类G.D.伯克霍夫认为，动力系统理论主要是研究各种轨线的类型及其间的关系。为了研究轨线的分类,必须了解轨线在无穷时(t→±∞)的状态。

极限点集 设：实数列。如果有，则称点y是轨线 φ(x，t)的ω-极限点，Ωx表示φ(x，t)的一切ω－极限点集。若，则称y是φ(x, t)的α－极限点，Ax表示φ(x, t)的一切α－极限点集。

不变集 设给定集合A吇R，若对一切t∈I,φ(A,t)=A，则称A是不变集。Ωx和Ax是闭的不变集。任何一条轨线是不变集，但不一定是闭集。

极小集 集合∑吇R称为极小集,若它是非空、闭的且不变;同时它没有任何真子集也具有这三条性质。显然，Σ中的每一条轨线在Σ上处处稠密。另外，在上所定义的拓扑动力系统,若对轨线φ(x,t)而言,，则φ(x,I)就是一个极小集，但它不是紧致的。而比较有趣的是紧致极小集，如休止点和周期轨线就是紧致极小集。在R上定义的连续动力系统的紧致极小集只能是休止点和周期轨线。但当R≠R时，情形就不同了。

例如，式中θ，φ的周期都为1。这样就在二维环面T上定义了动力系统。当у是有理数时，T上都是周期轨线；而у是无理数时, T上的每条轨线在其上处处稠密，T构成紧致极小集。

又如，前例中,当у是无理数时，令，，式中 (θ，φ)是对θ，φ周期都为1的连续周期函数。对；当,。直观地说，这就是将前例中的一条过点p且在T上处处稠密的轨线用奇点p切断。这时T不再是极小集，而奇点p是极小集。

伯克霍夫证明，若R是紧致度量空间,则在其上定义的动力系统Rt至少包含一个紧致极小集。

当R是紧致的二维定向流形,在其上定义了C光滑动力系统。若A是Rt的极小集且在R上无处稠密,则A必是休止点或周期轨线。若Ωx中不包含休止点或周期轨线,则Ωx=T=R。但当Rt只是C光滑时,A.当儒瓦在1931年举出过反例。

仿此，有负向或双侧的远离、渐近和泊松稳定轨线，后者分别简称为p或p稳定。休止点和周期轨线是p稳定的。R上的连续动力系统的 p稳定轨线只能是休止点或周期轨线，且其上的 p或p 稳定轨线必是p稳定轨线。而当R≠R时,情形就完全不同了。如前述的T2上被奇点切成两段的轨线, 一条是p稳定的, 另一条是p稳定的,而T上其余的都是p 稳定的轨线。比起远离和渐近轨线来，p 稳定轨线是较复杂和较有兴趣的。从天体力学观点看，p稳定轨线在它的运行过程中,将不断地在其轨线的任一点的任意小邻域内再现。与此现象相反的是下面的情形。

设点x∈R，若存在它的邻域U(x)及时间T>0,使得当t≥T 时,U(x)∩φ(x,t)=═，则称x为游荡点。R上的所有游荡点集W是R上的不变开集。V=R\W是相对于R的非游的点集,它是不变闭集。所有p稳定轨线上的点都是非游荡点。反之，却不然。如前述的被奇点切断的那条轨线，若再用有限个奇点将它切断，则每两个奇点之间的那些轨线就既非p稳定也非p稳定，但其上都是非游荡点。

对于p稳定轨线φ(x,t),根据在其运行过程中，它在轨线上任一点的任意小邻域中再现的时间序列的性质不同，可分成很多类型，除了周期轨线外，最重要的是以下两类。

若对任给ε>0,存在T(ε)>0及I上对T(ε)而言的相对稠密集{τn}，使得对一切t∈I和一切τn，有ρ(φ(x,t),φ(x,t+τn))0，则可取T(ε)=ω,τn=nω。

若上述相对稠密集{τn}是依赖于轨线上的点y=φ(x,t)或者说依赖于t的，即{τn(t)},则称φ(x,t)为回复轨线。回复轨线和几乎周期轨线的闭包的性质是不同的。伯克霍夫证明,紧致极小集内的每条轨线都是回复的;反之，在完备空间内回复轨线的闭包是紧致极小集。而紧致极小集Σ成为几乎周期轨线的闭包的充分必要条件是：Σ是紧致、交换、连通拓扑群。

前例中未被奇点切断的轨线都是p稳定的,但它们不是回复的。类似地，可构造双周期函数(θ，φ)，使得整个环面T是回复轨线的闭包而不是几乎周期轨线的闭包。

A.M.李亚普诺夫稳定性（见常微分方程运动稳定性理论）、吸引区等概念已经推广到拓扑动力系统。对非自治微分方程的解来引进动力系统，即所谓“斜积流”，这是值得注意的动向。

动力系统粗略地说，如果自然界中一些随时间演变的体系，其各种状态x所构成的集合X有与时间t相关的动态规律Фt(x)(-∞