斑图动力学_非线性科学专题之九
非线性动力学入门-西安交通大学教师个人主页
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
另一方面梁的轴向应变的表达式也会因变形大小的不同而采用不同的表达式比如小变形时应变而当考虑大变形时可能采用的应变表达式就是进而得到的梁的振动方程将会是一个含有高度非线性项的偏微分方程组
非线性动力学入门
张新华
西安交通大学 工程力学系 2011 年 07 月
前 言
─1687 年，牛顿(Isaac Newton, 1643 ～ 1727)发表了《自然哲学之数学原 理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)，标志着经典力学(亦即牛 顿力学)的正式诞生。牛顿力学主要研究自由质点系的宏观运动规律。 ─1788 年，拉格朗日(Joseph Louis Lagrange, 1736 ～ 1813)发表了分析力 学教程(Analytical Mechanics)，标志着拉格朗日力学的诞生。Lagrange 力学属 于分析力学的主要内容之一，在位形空间中研究带有约束的质点系动力学。 ─1833 年，哈密尔顿(William Rowen Hamilton, 1805 ～ 1865)对 Lagrange 力学进行了改造，引进了相空间(2n 维空间)，对系统内在的对称性(辛对称， Symplectic)进行了刻画。狭义上的哈密尔顿力学只适用于保守系统，而广义 的哈密尔顿力学在适用于非保守系统。哈密尔顿力学也属于分析力学的主要 组成部分。在此后发展起来的量子力学中 Hamilton 力学发挥着巨大的作用。 目前在天体力学、计算 Hamilton 力学，量子力学，甚至弹性力学(即所谓的 辛弹性力学)中哈密尔顿力学依然发挥着重要作用。 ─1927 年，Birkhoff(George David Birkhoff, 1844 ～ 1944)发表了“动力系 统”(Dynamical Systems)，标志着 Birkhoff 动力学的正式问世。Birkhoff 动力 学建立了研究非完整力学的框架。 ─1892 ～ 1899， 彭加莱(Henri Poincaré, 1854 ～ 1912)发表了三卷本的“天 体力学中的新方法”(New Methods of Celestial Mechanics)，系统性地提出了 研究动力学系统的定性方法，即几何方法。经典力学的目标之一就是设法求 得系统的解析解，而 Poincaré意识到对于大多数非线性系统而言，求其解析 解是不可能的，而必须发展新的研究方法。他超越了他的时代，极富远见地 预测到了非线性系统混沌现象(系统的解对初始条件具有极端敏感依赖性)的 存在。更为重要的是，Poincaré开创了研究非线性动力系统的几何方法，当之 无愧地被誉为非线性科学之父，其影响是划时代的。 ─1892 年，李亚普诺夫(Aleksandr Mikhailovich Lyapunov, 1857 ～ 1918)在 他的博士论文“运动稳定性的一般问题”(General problem of the stability of motion )中，系统地探讨了非线性动力学系统的稳定性问题。他提出了两种研 究稳定性的方法：李亚普诺夫第一方法(间接方法)和李亚普诺夫第二方法(直 接方法)。他从代数角度出发，对动力学系统的研究开创了一个崭新的领域。 彭加莱与李亚普诺夫，前者从几何角度，后者从代数角度，开拓了非线 性科学的研究疆域和研究手段。 ─1963 年，Lorenz(Edward Norton Lorenz, 1917 ～ 2008)发表了“确定性 非周期流”(Deterministic Nonperiodic Flow)的论文，认为大气系统的性态对 初值极为敏感，从而导致准确的长期天气预报是不可能的。该文标志着人类 首次借助于计算机发现了混沌(Chaos)现象的存在。 ─1757 年，欧拉(Leonhard Euler, 1707 ～ 1783)发表了压杆稳定性的论 文，首次探讨了力学系统的分岔现象。作为分岔理论重要分支的突变理 论(Catastrophe Theory)则主要由法国数学家托姆(René Thom, 1923 ～ 2002)于 上个世纪 60 年代创立，由齐曼(Christopher Zeeman，1925 ～)在 70 年代大力 推广普及。 ─1834 年，英国的罗素(John Scott Russell, 1808 ～ 1882)骑着马在 Union 运河上散步时，发现了现在称之为孤立波(又称作孤波，Solitary wave)的 i
非线性动力学定性理论方法
非线性动力学定性理论方法非线性动力学定性理论方法是一种研究动力系统行为的方法，用于研究非线性动力系统的稳定性、周期性、混沌性等特性。
在非线性动力学定性理论中，主要有相图分析法、频谱分析法、Lyapunov指数法、Poincaré截面法等多种方法。
相图分析法是研究非线性动力系统的最常用方法之一。
相图是描述动力系统状态变化规律的图形，其中横坐标表示系统的状态变量，纵坐标表示状态变量的导数或变化率。
相图可以通过绘制状态变量和导数之间的关系曲线得到。
相图分析法通过分析相图的形状和特征，可以判断系统的稳定性、周期运动和混沌运动等特性。
频谱分析法是一种通过分析系统输出信号的频谱特性来研究非线性动力系统的方法。
在频谱分析中，通过将系统的输出信号用傅立叶变换或小波变换等方法，将信号分解成一系列的频谱分量。
通过分析频谱的峰值位置、能量分布等特征，可以判断系统是否存在周期运动或混沌运动等特性。
Lyapunov指数法是研究非线性动力系统稳定性的一种方法。
Lyapunov指数可以用来描述系统状态的指数变化率，即用来刻画系统状态的稳定性或者混沌性。
通过计算Lyapunov指数，可以得到系统状态的变化趋势，从而判断系统是否稳定或者出现混沌行为。
Poincaré截面法是一种通过截取动力系统的轨迹与特定平面的交点，来研究非线性动力系统行为的方法。
在Poincaré截面法中，通过选择合适的截面，可以将系统的运动轨迹转化为一系列的离散点。
通过分析离散点的分布和变化规律，可以判断系统是否存在周期运动或混沌运动等特性。
以上介绍的是非线性动力学定性理论的一部分方法，这些方法在研究非线性动力系统的行为特性方面具有重要的应用价值。
通过相图分析、频谱分析、Lyapunov 指数计算和Poincaré截面分析等方法，可以全面地了解非线性动力系统的稳定性、周期性和混沌性等特性，为非线性动力系统的建模、控制和应用提供了重要的理论基础。
非线性动力学
t∈R
x∈ Rn
的解，则显然它是不仅是时间的函数，而且也是初值的函数，即解随着初值的改变而改变， 可以将解记为
φ(t, x0 )
当 x0 是 R n 中的某一点时，φ (t, x0 ) 代表了 1 条解轨线，而
{φ(t, x0 ) x0 ∈ D}
则代表了一族轨线。将φ看成是一个映射，即
φ : R× Rn → Rn
运动行为，它在物理上对应了这样的一个观点：在系统的最初阶段，系统由于外界的初始干 扰，将呈现相当复杂的运动形式，但随着时间的延续，运动将进入平稳状态，而这种平稳状 态体现了动态系统的本质结构。
微分方程解的最终形态通常有： (1) 平衡点 (2) 周期解 (3) 拟周期解 (4) 混沌解
6.4.1 平衡点
图 6-7 所示是 2 维线性系统的相轨线，坐标原点是系统的平衡点，图 6-7a、b 中的平衡 点是稳定的，称为稳定结点，图 6-7c 中的平衡点是不稳定的，称为鞍点。
图 6-7 2 维线性系统的相轨线
6.5.2 任意解的稳定性
设 x = ψ (t)是微分方程 x& = F(t, x)
第 6 章 非线性动力学
-0.5
-1
-1.5
0.5
1
1.5
图 6-2 例 1 相图
例2
如图 6-3 所示是微分方程
&y& + 0.2 y& + y = 0
在相平面 (x1, x2 ) ，
x1 = y
x2 = y&
上的轨线图，平衡点为 (0,0)，当 t → ∞ 时，解轨线趋于平衡点。
0.6 0.4 0.2
-0.6
-0.4
-0.2 -0.2
化学振荡和时空斑图动力学研究进展
自上个 世纪 ６ ｏ年代 Ｂ Ｚ反应 中化学振荡 的发现 以来 ， 在化
周期性振荡 ； 倍周期振 荡 即一 个振荡周 期 内有 等频率 但非等 幅 的 ２４８ ， ， …个振荡峰 ； 混合模式 振荡可 以表述为 １ ， 型 １ ， 型 １ 型甚至 １ 型振荡 ； “ 准周期振荡 即有双频率的振荡模式 ； 问歇式或
ｕ ｄ ｒ ｔｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｏ ｃｌ ｔ ｎ ｄ ｐ ｔ ｒ ｓｉ ｉ ｓ ｓ ｍ．Ｔ ｅ ａ ｖ ｃ ｄ ａ ｏ ｔｃ ｅ ｃ ｓ ｉ ａｉｎ ，ｃ ｅ ｃ ａ ｅ ｄ ｎ ｅ ｓ ｄ ｎ ｈ ｓ ｉ ａｉ ｓ ａ ａ ｔ ｎ ｎ ｂ ｏ ｙ ｔ ａ ｌ ｏ ｎ ｅ ｅ ｈ ｄ ａ ｅ ｂ ｕ ｈ ｍｉａ ｏ ｃｌ ｔ ｓ ｈ ｍｉａ ｗ ｖ ｓ ａ ｎ ｌ ｌ ｏ ｌ ｎ
ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｃ ｌ． Ｂ ｔｉ ｐ ｉ ｃｐ ｌ ｈ ｗ ｄ ｃ ｅ ｃ ｌ ｖ ｓ ａ ｄ Ｔ ｒ ｇ ｐ ｔ ｒ ｓ ｉ ｐ ｔ ｔｍｐ ｒ ｌｓ ａｅ Ｃ ｅ ｃ ｌ ａ ｃ ａ ｓｉ ｉ ｓ ａｅ ｍｅ ｕ ｔ ｒ ｉ ａ ｙ ｓ ｏ ｅ ｈ ｍｉａ ｅ ｎ ｕ ｉ ａｔ ｎ ｎ ｓ ａ ｉ ｅ ｏ ａ ｃ ｌ ． ｈ ｍｉａ ｎ ｌ ｗａ ｎ ｅ ｏ ｌ
Ｔ ｒｎｇ ｐ ｔｅ ｓ ｎ ｎ ｌ ｏ ｋ ｉ ｔ ｈ ｉｔ ｎ ｅ ｔ ｈ ｖ ｌｐ ｎ ｉｅ ｔ ｎ ｒ ｒｅ ｙ ｒ ｖｅ ｄ． ｕ ｉ ａｔｒ ，ａ ｄ ｆ ａｌ ｌｏ ｎｏ ｔ ｅ ｄ ｓａ ｃ ｏ ｔ ｅ ｄｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔｄ ｒｃ ｉ ｓ ｗｅ ｅ ｂ ｆ ｅ ｉｗｅ ｎ ｉ ｙ ｏ ｉ ｌ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ：ｃ ｅ ｃ ｌｏ ｃｌａｉｎ ｄ ｈ ｍｉａ ｓ ｉ ｔｏ ｓ；ｓ ａｉｔ ｍｐ ｒ ｌｐ ｔｅ ｎ ；ｃ ｅ ｃ ｌｗａ ｅ ｌ ｐ ｔｏｅ ｏ ａ ａｔｒ ｓ ｈ ｍｉａ ｖ ｓ；Ｔ ｉ ｇ ｐ ｔ ｒ ｓ ｕｒｎ ａｔ ｎ ｅ
不同图灵模作用的几种斑图
不同图灵模作用的几种斑图白占国;董丽芳【摘要】Mechanisms of pattern formation and pattern selection with different Turing modes interaction are investigated by using a two-layer coupled CIMA model. It is shown that hexagonal superlattice and simple hexagon arise respectively in subsysteml and subsystem 2 under the condition that two subsystems locate at supercritical or subcritical bifurcation point. Both of them in two subsystems cannot interact when the two Turing modes are supercritical and one simple stripe pattern in each of sub-systems emerges spontaneously. The identical 'bean' patterns is selected in the two subsystems when two Turing modes are subcriticl. In addition, the bifurcation types of the Turing modes also affect the spatial symmetry of the e-merging patterns in system.%采用双层耦合的CIMA模型,研究了不同图灵模相互作用时斑图的选择、形成机制.结果表明:当2个子系统分别处在超临界和次临界分岔点附近时,超临界图灵模和次临界图灵模相互作用产生耦合,得到六边形和超六边斑图；当2个子系统激发的图灵模均为超临界模时,二者之间不发生耦合,每个子系统各自形成简单的条纹斑图；当2个子系统激发的图灵模均为次临界模时,2个模产生相互作用,系统最终选择完全相同的“豆角”斑图.此外,图灵模的分岔类型还改变斑图的空间对称性.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)002【总页数】4页(P140-143)【关键词】图灵模;超点阵;超临界和次临界【作者】白占国;董丽芳【作者单位】河北大学物理科学与技术学院,河北保定071002;河北大学物理科学与技术学院,河北保定071002【正文语种】中文【中图分类】O461.2斑图（pattern）是一种典型的非线性自组织现象［1－2］，广泛地存在于自然界，也可以在不同的实验室系统中进行研究.其研究内容涉及物理学、数学、化学、生态学等各个学科，而且在心脏病的防治、材料处理和局域生长以及等离子体光子晶体等方面具有广阔的应用前景，近年来引起人们极大的兴趣.国内外学者在实验［3－7］、尤其是理论上［8－14］做了大量的研究，得到了种类丰富的斑图.例如，杨灵法等人［8－10］研究了系统处在超临界和次临界分岔时的超点阵斑图和叠加斑图的形成机理和空间共振条件.发现三波共振和相同的对称性对超点阵斑图的形成起着重要作用.Fineberg等人［11－12］研究了次临界图灵模与一个流体表面的超临界法拉第波之间的相互作用，结果表明该系统出现的自组织四边形和多种超点阵斑图都是由多个非线性的波矢构成，而且不同空间模峰值同时发生是三波共振的必要条件.Bachir小组［13］和Epstein小组［14］分别得到零模与不同空间模的相互作用，及超临界模与MASK模相互作用时的图灵斑图.从以往的研究看，前人工作大多集中研究超临界模和次临界模的相互作用，对2个图灵模均为超临界或次临界研究较少.为了进一步理解斑图形成和选择的物理机制，推进非线性科学的发展、加快其实际应用的进程，研究系统处于不同分岔点时图灵模之间的相互作用尤为重要.本工作针对此现状，采用双层耦合的CIMA模型，细致研究2个子系统激发3种分岔类型的图灵模相互作用时斑图的形成机理.采用双层耦合的CIMA模型［14］，在无量纲条件下方程可写成如下表达式：其中，i）为系统的局部动力学.式中u和v分别表示变量活化子与禁阻子，Du和D v为二变量的扩散系数，a和b是系统的控制参数，此方程组存在均匀定态解通过作线性稳定性分析得到：当控制参数b＞b H＝3a25－a125时，系统出现霍普分岔，当的条件下，系统处于图灵空间，该模型包含2个子系统：系统1（u1，v1）和系统2（u2，v2），α和β为2个子系统之间活化子和禁阻子的耦合强度，本文固定控制参量a＝15，b＝9，并选取合适的参数使2个子系统均在图灵空间，研究2个图灵模的相互作用.其他条件选择格点数为128×128，时间步长和空间步长分别为0.01和1单位进行数值模拟.图1是超临界与次临界分岔点耦合系统的色散关系及出现的斑图.从系统的色散关系（如图1a所示）可以看出，子系统1处于超临界分岔点，激发超临界图灵模k1，振幅较大为基模又叫主动模，占主导地位；子系统2则处于次临界分岔点，产生1个次临界图灵模k2，振幅较小，是次谐振模，又称从动模，二者具有不同空间尺度.超临界图灵模k1是不稳定的，在次临界图灵模k2作用下，激发出1个新的图灵模k3，三者满足三波共振关系k1＋k2＝k3，使2子系统之间发生非线性共振.长波模调制短波模，在子系统1出现超六边斑图（如图1b所示），子系统2仍然呈现简单的大点六边形斑图，如图1c所示.观察超六边的傅里叶谱发现，超点阵能量的空间分布较大点六边形更为复杂，包含3个不同空间尺度的波矢.通过调节控制参量，使得k2模由次临界的稳定模穿过虚轴变为超临界的不稳定模，子系统2经历一个非平衡相变，原来稳定的不动点变为不稳定的焦点，这种不稳定的焦点叫动力学系统的“排斥子”［1］.2个“排斥子”互相排斥，导致2个子系统不发生耦合，如图2所示.2个超临界模k1和k2之间没有相互作用，每个子系统各自出现简单的条纹斑图，而非六边形斑图.继续调节系统的控制参量，使2个不稳定的超临界模变为稳定的次临界模，考察其相互作用时对系统斑图的影响，如图3所示.从图3a可以看出，此时，2个子系统的不动点均是稳定的，都是“吸引子”.2个图灵模地位相当，二者互相竞争，相互影响，2个子系统之间出现较强的耦合现象，并且相互调制，最终出现完全相同的“豆角”斑图，即当系统处于次临界／次临界分岔点时图灵模的作用与前面2种情况均不相同.比较图1、图2和图3发现，2个子系统是否能够耦合及耦合强度的大小，敏感依赖其图灵模分岔类型：当系统处于超临界与次临界分岔点时，由于耦合作用，子系统1出现超六边斑图，子系统2则不受耦合因素影响，仍然呈现简单斑图；当2子系统激发的图灵模均为超临界模时，层与层之间不发生耦合；如果2子系统激发的图灵模均为次临界模时，2个模地位相当，二者互相竞争，相互影响，使得2个子系统强烈耦合.此外，斑图的空间对称性也因图灵模分岔类型的不同而改变，其中当系统处于超临界分岔点时系统选择的斑图空间对称性最低，是条纹对称性；次临界分岔点次之，为类四边形对称，当2个子系统分别处于超临界与次临界分岔点时，系统形成的斑图空间对称性最高，具有六边形对称性.通过对双层耦合的反应扩散方程进行线性稳定性分析，得到系统的分岔条件，选择不同的控制参数，使2个子系统分别处于超临界和次临界、超临界和超临界、次临界和次临界3种不同分岔点，在随机的初始条件下模拟了斑图选择和时空演化.模拟结果表明，不同图灵模的相互作用在斑图的选择和形成过程中起着重要作用.当2个子系统激发的图灵模分别为超临界模和次临界模时，长波模调制短波模，二者相互作用使2个子系统发生耦合，满足三波共振条件，子系统1出现超六边斑图，同时子系统2出现简单六边.2个子系统是否能够耦合，敏感依赖其图灵模分岔类型：如果2子系统激发的图灵模均为超临界模时，层与层之间不发生耦合，每层内部满足空间共振条件，每个子系统各自形成不同尺度空间的简单条纹斑图；值得注意的是，当2个图灵模均为次临界模时，2个模地位相当，其相互作用不同于前面2种情况，二者互相竞争，相互影响，使得2个子系统最终选择完全相同的“豆角”斑图模式.此外，还发现，图灵模的分岔类型还改变斑图的空间对称性.本结果对深刻理解斑图形成和选择的物理机制，推动斑图动力学的发展具有一定意义.【相关文献】［1］欧阳颀.非线性科学与斑图动力学导论［M］.北京：北京大学出版社，2010：130－131. OUYANG Q.Nonlinear science and instroduction of pattern dynamics［M］.Beijing：Peking University Press，2010：130－131.［2］CROSS M C，HOHENBERG P C.Pattern formation outside of equilibrium［J］.Rev Mod Phys，1993，65（3）：851－1086.［3］董丽芳，谢伟霞，赵海涛，等.氩气／空气介质阻挡放电中超六边斑图［J］.物理学报，2009，58：4806－4811.DONG Lifang，XIE Weixia，ZHAO Haitao，et al.Experimental study on self－organized hexagonal superlattice pattern in dielectric barrier discharge in argon／air［J］.Acta Phys Sin，2009，58：4806－4811.［4］董丽芳，赵海涛，谢伟霞，等.介质阻挡放电中四边形超晶格斑图的实验研究［J］.物理学报，2008，57：5768－5772.DONG Lifang，ZHAO Haitao，XIE Weixia，et al.Experimental investigation of square superlattice pattern formation in a dielectric barrier discharge［J］.Acta Phys Sin，2008，57：5768－5772.［5］贺亚峰，董丽芳，尹增谦，等.介质阻挡放电中斑图的傅里叶分析［J］.河北大学学报：自然科学版，2003，23（2）：137－140.HE Yafeng，DONG Lifang，YIN Zengqian，et al.Fourier analysis of patterns in dielectric barrier dischage［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2003，23（2）：137－140.［6］宋倩，董丽芳，李媛媛，等.超六边形斑图的4种形成途径［J］.河北大学学报：自然科学版，2010，30（4）：371－374.SONG Qian，DONG Lifang，LI Yuanyuan，et al.Four pathway to formed hexagonal supperlattice［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2010，30（4）：371－374.［7］李媛媛，董丽芳，宋倩，等.超点阵斑图形成前放电丝时空特征［J］.河北大学学报：自然科学版，2010，30（6）：643－646.LI Yuanyuan，DONG Lifang，SONG Qian，et al.Spatial and temporal characteristic of filaments before formed patterns［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2010，30（6）：643－646.［8］YANG L F，DOLNIK M，ZHABOTINSKY A M，et al.Turing patterns beyond hexagons and stripes［J］.Chaos，2006，16：037114.［9］YANG L F，DOLNIK M，ZH ABOTINSKY A M，et al.Spatial resonances and superposition patterns in a reaction－diffusion model with interaction Turing modes ［J］.Phys Rev Lett，2002，88：208303.［10］BERENSTEIN I，YANG L F，DOLNIK M，et al.Dynamic mechanism of photochemical induction of Turing superlattices in the chlorine dioxide－iodine－malonic acid reaction－diffusion system［J］.J Phys Chem A，2005，109：5382－5387.［11］EPSTEIN T，FINEBERG J.Necessary conditions for mode interactions in parametrically excited waves［J］.Phys Rev Lett，2008，100：134101.［12］ARBELL H，FINEBERG J.Pattern formation in two－frequency forced parametric waves［J］.Phys Rev E，2002，65：036224.［13］BACHIR M，METENS S，BORCKMANS P，et al.Formation of rhombic and superlattice patterns in bistable systems［J］.Europhys Lett，2001，54：612－618. ［14］LENGYEL I，EPSTEIN I R.Modeling of Turing structures in the chlorite－iodide－malonic－acid－starch reaction system［J］.Science，1991，251：650－652.。
非线性动力学系统深度研究
非线性动力学系统深度研究深度研究非线性动力学系统引言：非线性动力学系统是一类常见的复杂系统，广泛应用于物理、化学、生物学等领域。
与线性系统相比，非线性系统具有更为复杂的行为和动力学特性。
本文将对非线性动力学系统进行深度研究，探讨其定义、模型、稳定性和混沌等关键概念。
一、非线性动力学系统的定义和基本概念非线性动力学系统是指系统中的状态变量和控制参数之间的关系是非线性的系统。
其基本概念主要包括状态变量、动力学方程和相空间等。
1. 状态变量：状态变量是系统的内部变量，它们描述了系统在不同时间的状态。
通常采用向量形式表示，例如(x1, x2, ..., xn)。
2. 动力学方程：动力学方程是描述系统演化规律的数学方程。
对于非线性动力学系统，动力学方程通常是一组非线性微分方程或差分方程。
3. 相空间：相空间描述了非线性动力学系统的所有可能状态的集合。
在相空间中，每个状态被表示为一个点，而系统的演化则对应于在相空间中的运动轨迹。
二、非线性动力学系统的模型与常见例子非线性动力学系统的模型通常采用一组微分方程或差分方程来描述。
下面给出两个常见的非线性动力学系统模型。
1. Lorenz系统：Lorenz系统是一个三维非线性动力学系统，由爱德华·洛伦兹发展而来，主要用于描述大气环流的运动。
Lorenz系统的动力学方程如下：dx/dt = σ(y - x)dy/dt = ρx - y - xzdz/dt = xy - βz其中，x、y、z分别表示系统的三个状态变量，σ、ρ、β分别为控制参数。
2. Van der Pol振荡器：Van der Pol振荡器是一个二阶非线性动力学系统，广泛应用于电子工程和生物学中。
其动力学方程如下：d²x/dt² - μ(1 - x²)dx/dt + x = 0其中，x表示系统的状态变量，μ为控制参数。
三、非线性动力学系统的稳定性分析在研究非线性动力学系统时，稳定性是一个关键问题。
科学杂志文章-图灵斑图动力学(欧阳颀)
科学杂志文章!图灵斑图动力学张春霞 欧阳颀 斑图（pattern）是在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构。
它普遍存在于自然界中，形形色色的斑图结构，构成了多姿多彩、千媚百态的世界。
因而了解斑图形成的原因及机制，对于揭开自然界形成之谜具有重大意义。
从热力学角度观察，自然界的斑图可分为两类：一类是存在于热力学平衡态条件下的斑图，如无机化学中的晶体结构、有机聚合物中自组织形成的斑图；另一类是在离开热力学平衡态条件下产生的斑图，如天上的条状云、水面上的波浪、动物体表面的花纹等。
对于前一类斑图，对它们的形成机理人们已经有了比较系统、深入的了解，即用平衡态热力学和统计物理原理来解释。
而对于后一类斑图，由于其形成总是在远离热力学平衡态的情况下发生的，热力学原理不再适用，人们需要从动力学角度对这类斑图的形成原因及规律进行探讨。
最近发展起来的非线性科学的主要分支之一斑图动力学，就是以这类斑图的形成为研究对象的科学。
本文主要介绍其中的一大类——图灵斑图的有关情况。
图 灵 斑 图1952年，被后人称为计算机科学之父的著名英国数学家图灵（A. M.Turing）把他的目光转向生物学领域。
他在著名论文“形态形成的化学基础”中[1]，用一个反应扩散模型成功地说明了某些生物体表面所显示的图纹（如斑马身上的斑图）是怎样产生的。
可以设想，在生物胚胎发育的某个阶段，生物体内某些被称为“形态子”的生物大分子与其他反应物发生生物化学反应，同时在体内随机扩散。
图灵的研究表明，在适当的条件下，这些原来浓度分布均匀的“形态子”会在空间自发地组织成一些周期性的结构，也就是说，“形态子”在空间分布变得不均匀。
而正是这种“形态子”分布的不均匀性引起了生物体表面不同花纹的形成。
在图灵提出的反应扩散体系中，由体系内在的反应扩散特性所引起的空间均匀态失稳导致了对称性破缺（空间平移对称破缺），从而使体系自组织出一些空间定态图纹。
这个过程及其所形成的图纹分别被后人称为图灵失稳（图灵分岔）和图灵斑图。
涌现是复杂系统的根本特征
涌现是复杂系统的根本特征，那么涌现是什么呢?复杂系统(比如生物系统和社会系统等)中有许多基本单元，无相互作用时每个基本单元可能具有不同的动力学行为;而当基本单元之间存在相互作用时，各种不同的斑图就可能产生.我们把这种现象称为动力学涌现.特别地，在斑图之中，有相互作用时每个基本单元的动力学行为可能与任一个无相互作用时的基本单元的动力学(在定性性质上)都不相同.我们自然会问通过基本单元之问的相互作用，涌现为何会产生?在复杂系统的数学模型中，基本单元之间的相互作用可用藕合项来描述.这样的锅合会导致复杂系统中基本单元之间的关联作用.基本单元之间的关联性展现出各种各样的同步现象.在本章中，我们通过完成同步探讨了具有藕合作用的动力学涌现的一种可能途径.作为一种简单情形，我们证明了如果藕合形式是结构适应的，那么动力学涌现就可能实现，在生物系统和社会系统中，基本单元之问存在合作与竞争关系的情形是普适的.在动力学演化过程中，每个基本单元不断学习其它基本单元的益处和削减自身的无用或有害的特征，最终它们将达到一种最佳状态一一同步态.最佳状态的选取由各种因素(比如环境等)决定，并且我们惊奇地发现同步过程中自由参数的存在确实能适合这种状态选取的要求.这里，我们只考虑了最简单的情形:通过两个双向祸合的不同系统的完全同步，实现复杂系统中无序与有序的转化及其动力学涌现.更普遍的情形，比如广义同步引导的涌现及多个基本单元组成的系统中无序与有序的转化等将在以后考虑.涌现是复杂系统的根本特征;按照目前公认的看法，复杂性科学就是研究关于涌现的科学.涌现常常表现为一定的斑图形成现象.实际上，涌现现象在复杂系统的数学模型中常常是借助于斑图现象来确认的，从这个意义来说，涌现现象典型地表现为在时间和物理空问上的某种几何模式.自上个世纪90年代霍兰的两本关于涌现的著作{12，20}出版以来，涌现得到人们广泛的重视，最近二十年，关于涌现的研究非常多.但到目前为止，还没有一个大家公认的关于涌现的定义.目前关于涌现方面的研究，多数是基于观察或者模拟的描述性工作，无法提供更多的洞察.事实上，我们认为，涌现概念是一个描述性意味很强的概念，这就使得人们在确认某个现象是否具有涌现特性上可能发生难以定夺的争论;另外一个方面，由于缺乏真正的理论深度，也难以获得更深刻的理解.我们认为这两个问题很重要，暗示了我们以后可能的努力方向，我们应该在这个方面进行深入的探索与研究.那么，在这个方面，我们能否给出一条新的可行的研究思路呢?我们认为可以利用对复杂系统已经有的认识，提出一条理论与计算相结合的方法来研究描述复杂系统的各类动力系统中斑图涌现的新思路我们提出个看法的具体依据如下:事实上，从动力系统的观点看，斑图就意味着组成复杂系统的基本单元之间在时问和物理空间上存在某种特定的关联作用，只有这样复杂系统才能表现出在时问和空间上的某种整体的几何模式.基本单元之问的关联作用在动力学上就表现为同步，它是复杂系统不同部分之间相互作用的结果.不同的相互作用将导致不同的同步关系，而不同的同步关系又会表现出不同的斑图现象，也即不同的涌现现象.因而研究复杂系统斑图的第一步就是应当讨论构成复杂系统的基本单元所反映的动力系统如何通过它们之问的相互作用达到各种同步.显然在这种相互作用中，自适应机制应当起了重大作用.一旦复杂系统的基本单元之问的同步建立之后，就应该按照复杂系统位于物理空问的基本单元所构成的网络所具有的拓扑结构特点来讨论如何促成斑图形成，这中间尤其要考虑进化型的自适性特性是如何促成涌现的实现.具体来说要做如下两件事:(1)利用非线性特性中的混沌和同步理论研究基本单元之问各种同步，设法建立起处理相同系统和不同系统之间出现的各种同步行为的方法，尤其重要的是利用复杂系统的自适应性来建立新的讨论广义同步的理论和方法、(2)一旦复杂系统的基本单元之间实现了同步，接下来就要研究如何形成物理空问的斑图.我们可以认为，一般斑图应该是构成复杂系统的所有基本单元之间形成某种同步在时间和物理空间上的几何反映.而这种基本单元之间同步的几何表示显然依赖于构成复杂系统的网络结构.这样就提出了两方面问题，其一是网络结构如何影响这类几何上的整体行为，即表示复杂系统的网络的拓扑结构是如何影响到斑图的形成，这是网络动力学研究的重点之一;另一个是由于进化影响，复杂系统的网络的结构也在不断地调整，这种网络结构的调整必然要影响空问斑图在几何上的变化，从而出现涌现现象，这就是进化动力学研究的基本出发点.总之，利用同步研究所建立的方法，结合复杂网络的拓扑结构的各种特点，特别重视由于自适性使得网络不断进化的可能性，就有可能用理论和计算相结合的办法来讨论描述复杂动力系统中斑图的形成和涌现.常见的同步主要分为完全同步，滞后同步，相同步和广义同步等.目前完全同步方面的结果最多，方法也最成熟，但如果复杂系统的不同部分表现出完全同步，那么系统就会呈现出某种整体的均一性，变成简单系统了，似乎过于平凡.相同步是当前的研究热点，特别是在生物领域的应用，但目前的数学处理方法还相当不成熟，广义同步的研究也有类似的问题，从这两个方面开展工作可能会很困难.我们认为从滞后同步入手开展斑图的研究，可能会较为容易取得结果，也能够说明我们的思路.我们特别选择格子动力系统作为我们的工作模型.格子动力系统，是一种经典的，成功的时空系统模型，从80年代以来，特别是金子邦彦发表了那篇著名的论文!116)之后，已经引起了很多的关注。
非线性动力学理论及其预测复杂系统演化规律
非线性动力学理论及其预测复杂系统演化规律非线性动力学理论是研究非线性系统行为的数学分析方法，并且被广泛应用于各个科学领域，如物理学、化学、生物学、经济学等。
非线性系统具有复杂的演化规律，这使得其行为难以预测和理解。
然而，非线性动力学理论在揭示这些复杂系统演化规律方面发挥着重要的作用。
非线性动力学理论的核心概念之一是混沌现象。
混沌是一种看似无序却具有确定性的动力学行为。
混沌系统对初始条件极其敏感，微小的变化可能导致系统的完全不同演化。
这使得预测混沌系统的未来行为非常困难，但非线性动力学理论可以帮助我们了解和描述混沌系统中的规律。
在非线性动力学中，还存在着很多其他重要的现象，如周期运动、分岔现象和吸引子等。
周期运动是指系统在某个轨道上周期性地运动，而分岔现象则指系统参数或初始条件微小改变时系统行为突变的现象。
而吸引子是指系统演化过程中的某些稳定状态，吸引子可以是点、线、面甚至是复杂的分形结构。
非线性动力学理论的研究方法包括数学模型的建立、动力学方程的求解和稳定性分析等。
数学模型是描述系统行为的基础，可以是连续的或离散的。
动力学方程是描述系统演化的数学表达式，可以是常微分方程、偏微分方程或差分方程等。
通过求解动力学方程，我们可以获得系统的轨道和稳定性信息，从而了解系统的演化规律。
利用非线性动力学理论，我们可以预测和理解复杂系统的演化行为。
复杂系统是由多个相互作用的元素组成，其整体行为难以通过简单的线性关系推导。
非线性动力学理论为我们提供了一种分析和预测复杂系统行为的框架。
例如，在生物学中，非线性动力学可以帮助我们理解生物系统中的自组织行为和生物钟的运作机制。
在物理学中，非线性动力学理论被应用于研究混沌系统和相变现象，如液滴的形成和磁性材料的相变。
在经济学中，非线性动力学理论可以帮助我们理解市场波动和金融危机的爆发机制。
尽管非线性动力学理论在理论和实践中发挥了重要作用，但仍存在一些挑战和限制。
首先，非线性动力学的数学工具较为复杂，需要较高的数学背景和计算能力。
非线性动力学的基本原理和应用实例
非线性动力学的基本原理和应用实例非线性动力学，又称为混沌理论，是一门研究复杂系统行为的学科。
它研究的领域包括物理学、化学、生物学、社会学等多个领域。
本文将介绍非线性动力学的基本原理和应用实例。
一、非线性动力学的基本原理非线性动力学研究的是具有非线性行为的系统。
所谓非线性行为，指的是系统对初始条件的微小变化极其敏感，这种敏感性在系统中表现为不可预测性和不规则性。
一个非线性系统可以用微分方程的形式表示。
因此，非线性动力学的基本原理是微分方程的求解。
非线性系统的微分方程通常较为复杂，无法通过解析方法求解。
因此，在非线性动力学中，常常使用数值计算方法来模拟系统的行为。
另一个非线性动力学的基本原理是混沌理论。
混沌理论表明，在一些非线性系统中，微小的扰动可以引起系统行为的剧烈变化。
这是由于在非线性系统中，不同的初值条件会引起系统的行为非常不同。
这种不确定性被称为“混沌”。
二、非线性动力学的应用实例1. 布朗运动布朗运动是指在液体中漂浮的物质在水分子的撞击下不断做无规则的运动。
这个过程可以用随机游走模型来描述，也可以用布朗粒子模型来描述。
布朗粒子模型是一个非线性系统，在模拟过程中需要使用非线性动力学的方法。
布朗运动在化学动力学、生物化学、统计物理学等领域有广泛应用。
2. 汇流问题汇流问题是指在不同流域中通过河道流动的水汇合到同一个点的问题。
这个问题可以用非线性水力模型来描述。
非线性水力模型是一个非线性系统，在模拟过程中需要使用非线性动力学的方法。
汇流问题在水文学和水资源管理等领域有广泛应用。
3. 神经网络神经网络是一种模拟大脑神经元之间相互作用的数学模型。
神经网络可以看作是一个非线性系统，因为神经元之间的连接是多样的、强弱不一的。
用非线性动力学的方法可以对神经网络模型进行仿真和分析。
神经网络在人工智能、模式识别等领域有广泛应用。
4. 生态系统生态系统是指生物体之间以及生物体与周围环境之间相互作用形成的系统。
生态系统通常是非线性的，因为生物体之间的相互作用和生物体与环境之间的相互作用都是非线性的。
生物数学模型斑图动力学
目录分析
从宏观角度来看，本书的章节设置清晰明了，按照主题和难度进行了合理的 分布。第一章主要介绍了生物数学模型的基础知识和相关背景，为后续章节的展 开提供了良好的理论基础。第二章则聚焦于反应扩散种群模型，对模型的建立、 数学分析以及斑图形成进行了详细阐述。第三章则进一步扩展了反应扩散种群模 型斑图动力学的相关内容，对模型的性质、稳定性以及空间分布等方面进行了深 入研究。
实用性强：本书不仅注重理论分析，还实际应用。通过对不同模型的实例分 析，读者可以更好地理解相关理论和算法的应用场景和优势。
目录分析
学术价值高：本书所涉及的内容都是生物数学领域的热点问题，对于从事相 关研究的学者和学生具有重要的参考价值。同时，本书还提供了大量的
作者简介
作者简介
这是《生物数学模型斑图动力学》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
内容摘要
本书的最后部分，作者详细讨论了如何应用数学模型来描述和预测斑图动力学行为。作者介绍了 如何建立描述斑图动力学的数学模型，包括基于物理学、生物学和医学的模型。然后，作者详细 介绍了如何使用这些模型来预测斑图行为，包括稳定性分析、分岔预测、以及非线性动态行为等。 作者通过实例展示了如何使用这些模型来解决实际问题，包括心脏电活动失常、神经信号传导障 碍等。 《生物数学模型斑图动力学》是一本关于生物数学模型在斑图动力学中的应用的全面而深入的著 作。这本书对于生物医学工程、神经科学、生理学等领域的学者和研究人员具有重要的参考价值。 通过阅读这本书，读者可以更好地理解生物系统中斑图动力学行为的本质和机制，并学会如何使 用数学模型来描述和预测这些行为。
谢谢观看
阅读感受
《生物数学模型斑图动力学》是一本充满智慧和启迪的书籍。它让我认识到 生物数学模型在斑图动力学中的重要作用，也让我更加生态学领域的发展。我相 信这本书会给更多的读者带来启示和收获，推动我们对生态学和生物学的理解更 上一层楼。
fxd1-1非线性系统
（2）若量与量之间不成线性关系，而成曲线关系， 包括各种曲线、折线、不连续的线等，叫做非线性 关系。典型的非线性关系有二次函数、三次函数、 指数函数、对数函数、三角函数等。
如果一个系统，其状态参量随时间发生变化， 则称之为动力系统（dynamial system）。
用微分方程表示的微分动力学系统： （1） 线性系统
dx mx b dt
x x
（2）非线性系统，一般不能得出解析解，只能根据 方程的具体研究问题进行近似求解，或者利用计算 机进行数值求解。
1.1.1.2 动力学体系中的非线性
在动力学体系中线性或非线性表现为对外界作用的响应特性上
1. 当系统具有线性响应特性时，其输出信号的强度正比与输 入信号的强度，并且系统的响应特性与输入信号的强度无 关。
在相空间中，每一个时刻的状态用相空间的一点表示，状 态随时间的变化则形成相空间中的轨线。
相互临近的初始条件的轨线的集合构成所谓的流（flow）， 它表示系统运动的趋势。
1.1.3 非线性动力学方程解的一些形式
1.1.3.2 定点 定态（steady state）就是所有状态参量对时间的导数全都等于 零的状态：
x f (x, x)
xy
y
f (x, y)
1.1.3 非线性动力学方程解的一些形式
1.1.3.1 动力学方程的标准形式 对于非自治方程，只要把方程中显含的时间当成新的变量：
x f (x, x,t)
可以化成：
xy
y
f
(x,
y, z)
z 1
这样，原来的n个变量的非自治方程组就变成n+1个变量的自 治微分方程组了。
非线性动力学的基本概念与原理
非线性动力学的基本概念与原理随着科技的不断发展，物理学等领域也在不断的深入研究。
非线性动力学作为其中一个分支，正逐渐受到人们的关注。
本文就来探讨一下非线性动力学的基本概念与原理。
一、什么是非线性动力学非线性动力学是指研究系统的运动规律与演变过程的学科，它关注的是系统在不同状态下的演化和转化，以及其中的规律性和混沌性等。
非线性动力学最初是由Poincare在竞赛中研究和发现，它和线性动力学不同，线性动力学的系统遵循着线性守恒定律，其状态随时间呈现出稳定的周期振动。
而非线性动力学的系统则会存在不稳定、混沌等问题。
二、非线性动力学的原理非线性动力学的研究涉及到的内容很广泛，包括了力学、物理、生物、化学等多个领域。
其中，非线性动力学的基本原理主要有以下几个方面：1. 非线性系统非线性系统指的是系统中存在着不同程度的非线性关系，常常会出现不可预测的现象。
非线性动力学所研究的系统大多数是非线性系统。
2. 混沌混沌是非线性系统中十分特殊的一种状态，其表现为在一定的参数条件下，系统与初始条件有很大的敏感性，从而使得系统呈现出不规则、复杂的运动状态。
混沌状态包括了自相似、自组织凝聚等自适应现象。
混沌现象的研究对于改变系统的状态具有十分重要的意义。
3. 红外、紫外发散非线性动力学研究中出现的红外、紫外发散问题，是指在计算中出现的无限大结果，其存在导致计算的结果并不精确。
红外、紫外发散问题是非线性动力学中非常常见的问题之一，也是研究非线性动力学的一个难点。
4. 动力学方程动力学方程是非线性动力学中最重要的基础之一，它是描述系统动力学过程的基本工具，也是研究系统演化的数学模型。
动力学方程可以通过数学计算来得到系统运动的轨迹和演化规律，因此其研究对于了解非线性动力学系统的运动规律是必不可少的。
5. 常微分方程常微分方程是非线性动力学中应用最为广泛的数学工具之一，它描述了一些时间变化连续的系统，可用于描述许多非线性动力学系统的演化规律。
非线性动力学及其复杂系统理论引介
非线性动力学及其复杂系统理论引介现代科学的发展使我们能够更好地理解和解释周围的现象和系统。
而非线性动力学及其复杂系统理论则成为了一种解释和研究复杂系统行为的有力工具。
本文将为您引介非线性动力学及其复杂系统理论，帮助您更好地理解这一领域的基本概念和原理。
一、非线性动力学的基本概念非线性动力学是研究非线性系统的行为和演化规律的学科。
与线性动力学不同的是，非线性动力学更适用于描述和分析复杂系统中非线性关系和相互作用的影响。
在非线性动力学中，系统的演化不再是简单的线性关系，而是存在着非线性项的影响，这使得系统的行为变得更加多样和复杂。
非线性动力学的一个重要概念是混沌现象。
混沌是指系统演化过程中出现的不可预测、高度敏感和长时间无规则的行为。
混沌现象使得我们无法精确预测一个系统的未来状态，因为微小的扰动可能会导致系统演化出完全不同的结果。
二、复杂系统与复杂性科学复杂系统是由许多相互作用的元素组成，它们之间存在多样的关系和非线性的相互作用。
复杂系统的行为通常呈现出自组织、适应性、多样性和时空演化等特点。
复杂性科学是研究和描述这些复杂系统行为的学科。
由于非线性动力学的发展，复杂性科学得以兴起。
复杂性科学包括对复杂系统的建模、仿真和分析，通过对系统各个层次的研究，可以揭示系统的内在规律和机制。
三、复杂系统的特征与建模复杂系统具有许多特征，包括多样性、耦合性、异质性、自组织性和适应性等。
这些特征使得系统的行为变得多样而复杂。
建立合适的模型是理解和预测复杂系统行为的关键。
建立复杂系统模型可以采用多种方法，如基于网络的模型、基于代理的模型以及基于方程的模型等。
网络模型通过研究系统中各个元素之间的连接和相互作用来描述系统行为。
代理模型则将系统中的元素简化为代理，通过对代理的行为规则进行建模来研究系统行为。
方程模型则通过建立动力学方程来描述系统的演化规律。
四、复杂系统的演化和过程复杂系统的演化是一个动态的过程，它受到系统内外部影响的相互作用和调整。
斑图
心颤 fibrillation
1.4 可激螺旋波与相螺旋波
反应扩散系统 局域振荡 可激发型 振荡型 弛豫型 正弦型
波列 激发波 相波
波速 有上下限 趋于无穷
2、螺旋波斑图在外电场感应下的波群现象
2.1 模型及其色散关系
FHN神经元模型：
霍普夫分岔参数： ，振荡型； ，可激型。
色散关系曲线 V ( )：
c x c y c z D 2 c x t c y c x 0.2c y D 2 c y t c z c x c z Ccz 0.2 D 2 c z t
C 0.4为霍普夫分岔点， 0.1 D C 2.83和C 3.86分别为单个振子第一和第二个倍周期分岔点，
Barkley 可激系统模型:
4、复杂振荡态斑图中的同步缺陷线
同步缺陷线（Synchronization Defect Lines）
周期2振荡态螺旋波斑图
K. J. Lee Phys. Rev. Lett.，73，066219（2006）
4.1 靶波斑图中的缺陷线
振荡型Rossler反应扩散模型：
斑图动力学作为一门横向学科，是随着20世纪70年 代开始的非线性科学的发展而逐渐形成的。它主要是研 究各种时空结构的自组织形成、选择、演化的动力学共 性。
1.2 反应扩散系统
反应扩散系统从数学角度可用如下偏微分方程来描述：
C 为反应物浓度矢量， 表示系统控制参量的总和，f 代 D 表系统的动力学函数， 是扩散系数矩阵， 2 为拉普拉斯
2.2 直流电场效应
加沿y轴正方向的直流电场：
多普勒效应
2.3 交流电场效应
加正弦交流电场：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ