混沌理论 综述 很全ppt课件

混沌与分岔
Content
1. 混沌与分岔的起源与发展 2. 混沌的概念 3. 混沌的特点 4. 混沌现象举例 5. 分岔的概念 6. 混沌的研究方法 7. 分岔的研究方法 8. 混沌在现代科技领域的应用
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混沌与分岔的起源与发展
❖ 公认的最早发现混沌的是伟大的法国数学家，物理学 家—庞加莱，他是在研究天体力学，特别是在研究三体 问题时发现混沌的。他发现三体引力相互作用能产生惊 人的复杂行为，确定性动力学方程的某些解有不可预见 性。
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分岔的概念
❖ 分岔(bifurcation)是非线性领域的重要理论。分岔是指动力学 系统中，控制参量改变时，其各自的拓扑结构发生突然变化。
❖ 混沌的定性描述，“混沌是确定性非线性系统的有界的敏 感初始条件的非周期行为”。
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混沌的概念
❖ n周期点的定义：如果对于某x0 ，有f (n)(x0)=x0，但对于小于n的自然 数k，有f (k)(x0)≠ x0 ，则称x0为f 的一个n周期点。
❖ n周 期 轨道的定义：当 x0为f 的一个n 周期点时， 称{x0, f (1)(x0), f (2)(x0),…, f (n-1)(x0)}为f 的n周期轨道。
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混沌现象举例--昆虫繁衍
下面取λ为不同值对虫口方程进行迭代求解： 1. 取λ：0—1迭代 ❖ 容易验证，λ在0—1之间时，无认初始值取多少，对方程Xn+1=λXn (1—Xn)迭代
归宿均为确定值零。这是一个最平凡的1周期解，对应系统的稳定态。 2. 取λ：1—3迭代 ❖ 迭代也是收敛的，迭代结果总是趋向于一个稳定的不动点，这是一个非零的1周
混沌的特点
2. 内在随机性
❖ 确定性行为一定产生于确定性方程，而随机行为却产生 于两类方程：一类是随机微分方程，一类是确定性方程。 随机微分方程表现出来的随机性是由随机参数、随机初 始条件或随机外界强迫所产生，常称为外在随机性。确 定性方程本身不包含任何随机因素，但在一定的参数范 围却能产生出看起来很混乱的结果，把这种由确定性方 程产生的随机性称之为内在随机性。
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混沌现象举例--昆虫繁衍
❖ 假定虫口环境所能支撑和供应的最大虫口限额为N0，且 N0>>1。第n代虫口数为Nn，则Xn=Nn/N0，是为第n代的相 对虫口数。显然，1就是最大虫口数目，故Xn的值不能超 过1。λ是控制参量，虫口模型要求λ取值[0，4]，这是因为 在λ>4时会出现发散现象，方程就将失去意义。如对 Xn+1=5Xn(1—Xn)， 当代入Xn=0.5后会得到Xn+1=1.25，而 最大相对虫口数只能为1，Xn+1=1.25显然没有意义。
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混沌的概念
❖ 混沌，英文为chaos，意思是混乱，紊乱。混沌是指发生 在确定系统中貌似随机的无规则或不规则运动。然而混沌 作为一门科学发展至今，仍没有一个准确、完整、科学的 定义，不同领域的科学家往往对其有不同的理解。混沌一 词由李天岩（Tian-yan Li）和约克（Yorke）于1975年首 先提出。
❖ 散。尽管方程组看起来并不复杂，但它还是产生出令人 眼花缭乱和奇异的轨道，即奇异吸引子。
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混沌的特点
❖ 几种典型的混沌吸引子
Chen’s 吸引子
Lorenz 吸引子
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Rossler 吸引子
混沌现象举例
❖ 机床切削金属时或打印机机头因冲击而引起的 混沌振动
❖ 正常的脑电波则近乎随机讯号，其脑电图曲线 代表的就是典型的混沌现象
❖ 混沌是确定性非线性系统的内在随机性，这是混沌的重 要特征之一。
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混沌的特点
3. 长期不可预测性
❖ 由于初始条件仅限于某个有限精度，而初始条件的微小差 异可能对以后的时间演化产生巨大的影响，因此不可能长 期预测将来某一时刻之外的动力学特性，即混沌系统的长 期演化行为是不可预测的。
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混沌的特点
4. 分形性
❖ 有一次，洛伦兹为了检验上一次的计算结果，决定再算一遍。但他不是从 上一次计算时的最初输入的数据开始验算，而是以一个中间结果作为验算 的输入数据。他发现，经过一段重复过程后，计算开始偏离上次的结果， 甚至大相径庭。就好比一个计算结果预报几个月后的某天是晴空万里，另 一个计算结果则告诉你这一天将电闪雷鸣！后来洛伦兹发现两次计算的差 别只是第二次输入中间数据时将原来的0.506127省略为0.506。洛伦兹意 识到，因为他的方程是非线性的，非线性方程不同于线性方程，线性方程 对初值的依赖不敏感，而非线性方程对初值的依赖极其敏感。正是初始条 件的微小误差导致了计算结果的巨大偏离。由此洛伦兹断言：准确地作出 长期天气预报是不可能的。
❖ 单摆是我们熟知的确定性运动的典型，但当角 度大到一定程度并有驱动力和阻力时也居然能 够进入混沌状态
❖ 湍流、三体问题、蝴蝶效应、昆虫繁衍
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混沌现象举例--蝴蝶效应
❖ 1961年美国气象学家洛伦兹利用他的一台老爷计算机，根据他导出的描述 气象演变的非线性动力学方程进行长期气象预报的模拟数值计算，探讨准 确进行长期天气预报的可能性。
期解，同样对应系统的稳定状态。对方程Xn+1=2Xn (1—Xn)作迭代，取X1=0.1则 有 X2=0.18 ， X3=0.2952 ， X4=0.416111392 ， X5=0.485924299 ， X6=0.4999604721，X7=0.499999687，X8=0.499999999······可见 很快 收敛于 X*=0.5。又对方程Xn+1=2.5Xn (1—Xn)作迭代，取X1=0.1也只须十几次迭代就收 敛于X*=0.6了。不过与上一迭代趋近方式有所不同，几次迭代后结果就在X*值上 下产生小幅振荡，并最终收敛于X*=0.6。
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混沌的特点
5. 普适性
❖ 普适性包括两种，即结构的普适性和测度的普适性。 ❖ 当系统趋于混沌时，所表现出的特征具有普适意义，其
特征不因具体系统的不同和系统运动方程的差异而变化。
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混沌的特点
6. 遍历性
❖ 遍历性也称为混杂性，混沌运动在有限时间内能够到达混 沌区域内任何一点。
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混沌的特点
7. 奇怪吸引子
❖ Li-Yorke定理：
❖ 设连续自映射 f :IIR ，I 是 R 的一个闭区间，如果：
❖ ① 存在一切周期的周期点；
❖ ②存在不可数子集S，S不含周期点，使得 118
lism u f(n )( p x ) f(n )(y ) 0 ,x ,y S ,x y
n
liim n f(n )f (x ) f(n )(y ) 0 ,x ,y S ,x y
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正如我们前面所说的，系统的混沌运动在相空间中无 穷地缠绕、折叠和扭结，构成了具有无穷层次的自相似 结构，这种结构称为奇异吸引子。典型的有：
❖
一、奇异Lorenz吸引子
❖
考虑Lorenz非线性微分方程组
dx
dt
a ( y x ),
❖
dy
dt
x(b z) y,
dz dt
xy
cz .
dy
dt
x ay ,
dz dt
b z ( x c ).
(6.2)
❖ 其中 a 0 .2 ,b 0 .2 ,c 5 .7 。系统 (6.2) 也不能形成极限 环，更不能达到一个稳定状态，得到的只是一个确定性 的混沌。也像其他混沌系统一样，Rossler系统对初值
非常敏感。不管两个初始状态. 如何地接近，最终还是发
❖ 相对于简单吸引子（不动点、极限环、环面） ❖ 相空间的子集合 ❖ 又称混沌吸引子。由无限层的条带经过伸长和折叠的几何图像。它
表示系统的状态随时间呈无规则的非周期变化; ❖ 具有混沌的一切特征，对初始条件的敏感性，具有非整数的维数，
即使原来的微分方程连续的依赖于参数，奇怪吸引子的结构也不是 连续随参数变化，而往往是在参数变化的过程中其整体结构会发生 突变，奇怪吸引子具有无穷嵌套的自相似结构。
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❖
通常，人们用常数 a1,b 02,c 883，另一组
是 a 2,b 8 4.9 6 ,c 2 4 。有时称 a为Prandtl数，b为
Rayleigh（雷利）数。系统 (6.1) 既不能形成极限环
（一个吸引集，它的轨道或轨线收敛且轨线具有周期性）
也不能达到一个稳定状态，代之的是一个确定性的混沌。
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混沌的特点
1. 对初值的敏感性
❖ 混沌对初值具有敏感依赖性，初值的微小差别会导致未 来的混沌轨道的巨大差别,正是所谓“失之毫厘，谬以千 里”。
❖ 1963年，荷兰科学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorenz) 在《大气科学》杂志上发表了“决定性的非周期流”的 著名论文。该论文以一个底部加热、顶部冷却的两维运 动流体块中的对流为模型，提出了著名的Lorenz方程。 Lorenz用数值方法揭示了该模型中存在混沌运动，并发 现系统初值的微小变化会导致轨道在长时间以后完全不 同，即解对初值的极端敏感. 性，就是著名的蝴蝶效应。
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混沌现象举例--昆虫繁衍
3. 取λ：3—3.569迭代 ❖ 迭代结果开始出现跳跃情况，倍周期分岔开始。其中在3—
3.449之间为2周期，在3.449—3.544间为4周期······随着λ 的增加，分岔越来越密，混沌程度越来越高，直至λ=3.569 时分岔周期变为∞，最后“归宿”可取无穷多的不同值，表 现出极大的随机性。而周期无穷大就等于没有周期，此时 系统开始进入完全的混沌状态。混沌区对应λ取值3.569—4。
❖ 直到20世纪六十年代后，混沌现象才引起学术界的广泛 注意，到七十年代才诞生了还不大成熟的“混沌学”。 其后，“混沌学”得到了迅速发展，到了八十年代，更 在世界上掀起了混沌现象研究的热潮。
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三体问题的进展 16世纪以来科学家就在寻找这一问题的简单特解即特
殊情况下的简单稳定运动轨道。
欧拉 三个质量相同的物体呈直线等距离排列，两端物体绕 中间物体做圆周运动。
❖ 对此，洛伦兹作了个形象的比喻：一只蝴蝶在巴西扇动一下翅膀会在美国 的得克萨斯州引起一场龙卷风，这就是. 蝴蝶效应。
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混沌现象举例--昆虫繁衍
❖ 假定有某种昆虫，在不存在世代交叠的情况下，即每年夏天成虫产卵 后全部死亡，第二年春天每个虫卵孵化为虫。很显然，若产卵数大于 1，则虫口就会迅速增加，“虫满为患”。但在虫口数目增大的同时 又由于争夺有限的食物和生存空间而不断发生咬斗事件，也可能因接 触感染而导致疾病蔓延，这些又会使虫口减少。综合考虑正增长和负 增长，即鼓励和抑制这两种因素的作用，经过一定的数学抽象和变换 后，在1976年生物学家罗伯特.梅最终得到虫口方程如下：Xn+1=λXn (1—Xn) 式中各量的取值范围为 n：1，2，3，···∞； Xn：[0，1]； λ：[0，4]
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拉格朗日 三个等质量的物体，排成等边三角形绕三角形的中心做 圆周运动。
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近代计算机运算
三个等质量的物体在一条“8”字形轨道上运动。 . ------宇宙中还没找到。
混沌与分岔的起源与发展
❖ 混沌现象发现以后，关于分岔与混沌之间联系的研 究得到迅速发展，如：
❖ Rulle和Takens发现环面分岔通向混沌； ❖ Feigenbaum发现倍周期分岔通向混沌； ❖ Pomeou等发现伴随鞍结分岔的阵发性通向混沌。
像其他混沌系统一样，Lorenz系统对初值很敏感，不管
两个初始状态如何地挨近，它终将还是离散。尽管方程
组看起来是足够地简单，但它还是引出了令人惊异的轨
道，即奇异吸引子。
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❖ 二、奇异Rossler(罗斯洛)吸引子
❖
Rossler非线性微分方程组来源于化学动力学的研
究，该方程组如下：
dx
dt
y z,
❖ 分形(Fracta 70年代创立分形几何学时所使用的一个新词。
❖ 所谓分形是指n维空间一个点集的一种几何性质，它们具 有无限精细的结构，在任何尺度下都有自相似部分和整体 相似性质，具有小于所在空间维数的非整数维数，这种点 集叫分形体。
❖ 分维就是用非整数维-分数维来定量地描述分形的基本特 性。
21混沌的特点几种典型的混沌吸引子chens吸引子lorenz吸引子rossler吸引子22混沌现象举例机床切削金属时或打印机机头因冲击而引起的混沌振动正常的脑电波则近乎随机讯号其脑电图曲线代表的就是典型的混沌现象单摆是我们熟知的确定性运动的典型但当角度大到一定程度并有驱动力和阻力时也居然能够进入混沌状态湍流三体问题蝴蝶效应昆虫繁衍23混沌现象举例蝴蝶效应1961年美国气象学家洛伦兹利用他的一台老爷计算机根据他导出的描述气象演变的非线性动力学方程进行长期气象预报的模拟数值计算探讨准确进行长期天气预报的可能性
n
lim sufp(n)(x)f(n)(p)0,xS,p为周期点
n
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❖ 则称 f 在S上是混沌的。
混沌的概念
❖ Li-Yorke定理给出了混沌数学上的定义，它说明混沌系 统应该具有三种性质：
1. 存在所有周期的周期轨道； 2. 存在一个不可数集，此集只含有混沌轨道，任意两个轨
道既不趋向远离也不趋向接近，两种状态交替出现； 3. 任一混沌轨道不趋于任一周期轨道。