混沌理论 综述 很全

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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。
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
(1)(x 0),

f

lim sup f ( n ) ( x) f ( n ) ( y ) 0, x, y S , x y
n
lim inf f ( n ) ( x) f ( n ) ( y) 0, x, y S , x y
n
lim sup f ( n ) ( x) f ( n ) ( p) 0, x S , p为周期点


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]

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 (2)(x ),…, f (n-1)(x )}为f 的n周期轨道。 0 0 Li-Yorke定理: 设连续自映射 f : I I R 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 ,I 是 R 的一个闭区间,如果:

2.

内在随机性
混沌的特点
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。 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。

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。
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。
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。
混沌的特点
4.

分形性
分形 (Fractal) 这个词是由曼德布罗特 (B.B.Mandelbrot) 在70年代创立分形几何学时所使用的一个新词。
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。

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。 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”。




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。
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。 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。
特征不因具体系统的不同和系统运动方程的差异而变化。
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。
7.


奇怪吸引子
相空间的子集合
混沌的特点
相对于简单吸引子(不动点、极限环、环面)
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 a 10, b 28, c 8 3 ,另一组 b 为 是 a 28, b 46.92, c 4 。有时称 a 为Prandtl数, 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。 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。
混沌与分岔
Content
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混沌与分岔的起源与发展 混沌的概念 混沌的特点 混沌现象举例 分岔的概念 混沌的研究方法 分岔的研究方法 混沌在现代科技领域的应用
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。 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。

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 x (b z ) y, dt dz dt xy cz.
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。 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 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。
2.
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。
n

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: 存在所有周期的周期轨道; 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; 任一混沌轨道不趋于任一周期轨道。
1. 2.
3.

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。
混沌的特点

几种典型的混沌吸引子
Chen’s 吸引子
Lorenz 吸引子
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 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
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。
1.

对初值的敏感性
混沌的特点
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。

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 , dy x ay, dt 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
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