《混沌理论及应用》课件.ppt
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1、混沌理论及应用混沌理论及应用龙敏龙敏Email:Email:Tel:13973129143Tel:13973129143 1混沌的概念:混沌的概念:混沌(混沌(chaoschaos)又称浑沌,人们通常又称浑沌,人们通常用它来描述混乱、杂乱无章、乱七八糟的状态,用它来描述混乱、杂乱无章、乱七八糟的状态,在这个意义上它与无序的概念是相同的。在这个意义上它与无序的概念是相同的。一、混沌的基本概念及特征一、混沌的基本概念及特征21 1确定性确定性 在混沌系统中,描述系统演化的动力学方程的确定性,在混沌系统中,描述系统演化的动力学方程的确定性,是指方程是指方程(常微分方程、差分方程、时滞微分方程常微分方
2、程、差分方程、时滞微分方程)是非随是非随机的,不含任何随机项。系统的未来机的,不含任何随机项。系统的未来(或过去或过去)状态只与初状态只与初始条件及确定的演化规则有关,即系统的演化完全是由内始条件及确定的演化规则有关,即系统的演化完全是由内因决定的,与外在因素无关。这是至关重要的一条限制,因决定的,与外在因素无关。这是至关重要的一条限制,所以我们现在讲的混沌也叫所以我们现在讲的混沌也叫“确定性混沌确定性混沌”。正因为确定。正因为确定性的系统出现了复杂行为,也叫内随机性,人们才兴奋起性的系统出现了复杂行为,也叫内随机性,人们才兴奋起来,才一往倾心地钻研混沌。当然,从长远的观点来看,来,才一往倾心
3、地钻研混沌。当然,从长远的观点来看,人们肯定会研究带有随机项的更复杂系统的非周期运动。人们肯定会研究带有随机项的更复杂系统的非周期运动。然而,目前由于公众对混沌还有相当的误解,所以我们严然而,目前由于公众对混沌还有相当的误解,所以我们严格区分是否为确定性至关重要,还不能笼统地从现象的层格区分是否为确定性至关重要,还不能笼统地从现象的层次把一大堆似是而非的东西都称为混沌。总之,混沌概念次把一大堆似是而非的东西都称为混沌。总之,混沌概念的狭义化总比泛化好些。现在我们考虑的混沌主要是一种的狭义化总比泛化好些。现在我们考虑的混沌主要是一种时间演化行为,不直接涉及空间分布变化,所以暂不考虑时间演化行为,
4、不直接涉及空间分布变化,所以暂不考虑偏微分方程。偏微分方程。3例:例:LorenzLorenz系统系统1(1)nnnxaxxLogistic Logistic 映射映射42 2非线性非线性 产生混沌的系统一定含有非线性因素,有了非线性未必产产生混沌的系统一定含有非线性因素,有了非线性未必产生混沌,但没有非线性是肯定产生不了混沌的。也就是说,非生混沌,但没有非线性是肯定产生不了混沌的。也就是说,非线性是产生混沌的必要条件。从功能上看,非线性是通过线性线性是产生混沌的必要条件。从功能上看,非线性是通过线性来定义的,设来定义的,设G1G1和和G2G2是任意两个是任意两个(向量向量)函数,函数,a a
5、和和b b是任意两是任意两个常数,若算子乙满足如下叠加原理个常数,若算子乙满足如下叠加原理:L(aGl+bG2)=aL(G1)+bL(G2)L(aGl+bG2)=aL(G1)+bL(G2),则称则称L L是线性算子,否则是线性算子,否则L L是非线性算子。包含非线性算子的系是非线性算子。包含非线性算子的系统称为非线性系统。应当注意的是线性与非线性也不是绝对分统称为非线性系统。应当注意的是线性与非线性也不是绝对分明的。对于某些复杂现象,在一定条件下,既可以把它视为非明的。对于某些复杂现象,在一定条件下,既可以把它视为非线性现象也可以把它视为线性现象,这与人们看问题的角度和线性现象也可以把它视为线
6、性现象,这与人们看问题的角度和所关心的变量的时空尺度不同有关。现在看来,非线性是普遍所关心的变量的时空尺度不同有关。现在看来,非线性是普遍存在的,多数问题不能通过线性的办法或线性化的办法来解决,存在的,多数问题不能通过线性的办法或线性化的办法来解决,因而直接面对非线性是不可避免的。因而直接面对非线性是不可避免的。53 3对初始条件的敏感依赖性对初始条件的敏感依赖性 19631963年,洛伦兹发表了关于混沌理论的开创性研究,年,洛伦兹发表了关于混沌理论的开创性研究,并提出了形象的并提出了形象的“蝴蝶效应蝴蝶效应”。被冷落了。被冷落了1212年之后,年之后,19751975年数学家吕埃尔和塔肯斯建
7、议了一种湍流发生机制,认为年数学家吕埃尔和塔肯斯建议了一种湍流发生机制,认为向湍流的转变是由少数自由度决定的,经过两三次突变,向湍流的转变是由少数自由度决定的,经过两三次突变,运动就到了维数不高的运动就到了维数不高的“奇怪吸引子奇怪吸引子”上。这里所谓上。这里所谓“吸吸引子引子”是指运动轨迹经过长时间之后所采取的终极形态:是指运动轨迹经过长时间之后所采取的终极形态:它可能是稳定的平衡点,或周期性的轨道;但也可能是继它可能是稳定的平衡点,或周期性的轨道;但也可能是继续不断变化、没有明显规则或次序的许多回转曲线,这时续不断变化、没有明显规则或次序的许多回转曲线,这时它就称为它就称为“奇怪吸引子奇怪
8、吸引子”。奇怪吸引子上的运动轨道,对。奇怪吸引子上的运动轨道,对轨道初始位置的细小变化极其敏感,但吸引子的大轮廓却轨道初始位置的细小变化极其敏感,但吸引子的大轮廓却是相当稳定的。是相当稳定的。6真实球虚拟球7今天,“蝴蝶效应”几乎成了混沌现象的代名词。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
9、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!8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。9 逻辑斯蒂映射的形式为1(1)nnnxaxx10Example:
10、f(xExample:f(xn+1n+1)=4x)=4xn n(1-x(1-xn n)brown:xbrown:x0 0=0.6=0.6 green:xgreen:x0 0=0.6001=0.600111Example:f(xExample:f(xn+1n+1)=4x)=4xn n(1-x(1-xn n)brown:xbrown:x0 0=0.37=0.37 green:xgreen:x0 0=0.3701=0.370112Example:f(xExample:f(xn+1n+1)=4x)=4xn n(1-x(1-xn n)i)i)系统的变化看似毫无规则,但实际上是有迹可寻的。系统的变化看似毫
11、无规则,但实际上是有迹可寻的。ii)ii)系统的演化对初始条件的选取非常敏感,初始条件极微小的系统的演化对初始条件的选取非常敏感,初始条件极微小的分别(就例如分别(就例如0.60.6和和0.60010.6001仅仅相差六千分之一),仅仅相差六千分之一),在一段时在一段时间的演化后可带来南辕北辙的结果。间的演化后可带来南辕北辙的结果。13典型连续混沌系统典型连续混沌系统ChenChen系统系统14典型连续混沌系统典型连续混沌系统LorenzLorenz系统系统15典型连续混沌系统典型连续混沌系统RRsslerssler系统系统16典型连续混沌系统典型连续混沌系统ChuaChua系统系统17典型离
12、散混沌映射典型离散混沌映射18典型离散混沌映射典型离散混沌映射194 4非周期性非周期性 在数学和物理学中,周期性的定义是很明确的。对于函在数学和物理学中,周期性的定义是很明确的。对于函数数f(x)f(x),若能找到一个最小正数,若能找到一个最小正数t t满足关系满足关系f(x+t)=f(x)f(x+t)=f(x),则称,则称f(x)f(x)是周期函数,是周期函数,t t为其周期;否则为其周期;否则f(x)f(x)就是非周期的就是非周期的,非周期性意非周期性意味着构成奇怪吸引子的积分曲线从不重复原曲线而封闭。这味着构成奇怪吸引子的积分曲线从不重复原曲线而封闭。这样,向着奇怪吸引子演化的系统,从
13、来不以同样的状态重新样,向着奇怪吸引子演化的系统,从来不以同样的状态重新经过。非周期性说明,混沌运动的每一瞬间都是经过。非周期性说明,混沌运动的每一瞬间都是“不可预见不可预见的创新的创新”的发生器。应当注意的是的发生器。应当注意的是“非周期性非周期性”这个概念比这个概念比“混沌混沌要广、要大的多。比如,准周期是非周期的,但要广、要大的多。比如,准周期是非周期的,但不是混沌;遍历运动是非周期的,但单纯遍历还不是混沌。不是混沌;遍历运动是非周期的,但单纯遍历还不是混沌。混沌运动要求有混沌运动要求有“混合混合”的性质,即的性质,即“对初始条件的敏感依对初始条件的敏感依赖性赖性”。但这并不能因此说混沌
14、运动就是杂乱而无用的,相。但这并不能因此说混沌运动就是杂乱而无用的,相反,混沌不是无序和紊乱。一提到有序,人们往往会想到周反,混沌不是无序和紊乱。一提到有序,人们往往会想到周期排列或对称形状。期排列或对称形状。20但是,混沌更像是没有周期性的次序。在理想模型但是,混沌更像是没有周期性的次序。在理想模型中,它可能包含着无穷的内在层次,层次之间存在中,它可能包含着无穷的内在层次,层次之间存在着着“自相似性自相似性”或或“不尽相似不尽相似”。在观察手段的分。在观察手段的分辨率不高时,只能看到某一个层次的结构;提高分辨率不高时,只能看到某一个层次的结构;提高分辨率之后,在原来不能识别之处又会出现更小尺
15、度辨率之后,在原来不能识别之处又会出现更小尺度上的结构。上的结构。21 分叉分叉(bifurcation)(bifurcation)是有序演化理论的基本概念,这是混是有序演化理论的基本概念,这是混沌出现的先兆。在动态系统演化过程中的某些关节点上,系统沌出现的先兆。在动态系统演化过程中的某些关节点上,系统的定态行为的定态行为(稳定行为稳定行为)可能发生定性的突然改变,即原来的稳可能发生定性的突然改变,即原来的稳定定态变为不稳定定态,同时出现新的定态,这种现象就是分定定态变为不稳定定态,同时出现新的定态,这种现象就是分叉。发生分叉现象的关节点叫做分叉点,在分叉点系统演化发叉。发生分叉现象的关节点叫
16、做分叉点,在分叉点系统演化发生质的变化。动态系统演化中的分叉现象充分说明了量变引起生质的变化。动态系统演化中的分叉现象充分说明了量变引起质变的规律。分叉又是一种阈值行为,只要系统的非线性作用质变的规律。分叉又是一种阈值行为,只要系统的非线性作用强到一定程度,就可能出现分叉。所以,凡是产生混沌的系统,强到一定程度,就可能出现分叉。所以,凡是产生混沌的系统,总可以观察到分叉序列。总可以观察到分叉序列。5 5分叉分叉221(1)nnnxaxx2324 以参数a为横坐标、以x的稳定定态(stable steady states)为纵坐标作图,得到1、图2等。从图中可以看出开始是周期加倍分岔(也称周期倍
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