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混沌理论2017

现代物理学概论 混 沌 ;Content;一、混沌的概念; 当我们点燃一支烟,仔细地观察一缕缕青烟在无声无息中上升。突然,卷成一团团剧烈扰动的雾团,上下翻滚,最后向四处飘散。 当我们打开水龙头,晶莹的水流平稳而有序,汩汩而流。突然,水似乎像不听话的小孩,四处飞溅,变得毫无章法,此即著名的湍流。;平静的证券交易所正在进行各种业务交易,突然,风云突变,股票的情况乱七八糟,一场骇人听闻的金融风暴席卷而来,使所有人为之震惊。 ;美丽的蝴蝶会引起龙卷风吗;哈勃望远镜拍下两星系“挽臂”旋转;一、混沌的概念;一、混沌的概念;二、混沌与分岔的起源与发展;二、混沌与分岔的起源与发展;二、混沌与分岔的起源与发展;二、混沌与分岔的起源与发展;三、混沌的特点 ;三、混沌的特点 ;三、混沌的特点;三、混沌的特点;三、混沌的特点;三、混沌的特点; ??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 ; 通常,人们用常数 ,另一组是 。有时称 为Prandtl数, 为Rayleigh(雷利)数。系统 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。; 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: 其中 。系统 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;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。;三、混沌的特点;四、混沌现象举例 ;混沌现象举例--蝴蝶效应 ;混沌现象举例--昆虫繁衍 ; 物理学上一个动力学系统可以用连续变量表示,也可以用离散数表示。一个以为连续变量的单参数的动力学系统: 这里 为系统参数。设系统状态作等间隔 t,t+1,t+2,t+3,…变化,则时间演化方程改写为: 当时间间隔不取整数,各时刻写成 相应的状态为: 时间演化方程变成离散方程: 数学上称为映射的方程。在非线性发展史上第一个将映射方程用于研究系统进入混沌状态的是美国科学家梅(May Robert) ;映射方程计算;动力学系统用连续变量表示为微分方程,离散数表示时为映射(map),两者对应关系为: ;平方映射导出—生态平衡方程;平方映射计算;作图计算;作图计算;作图计算;平方映射的不动点;平方映射的两个不动点;m1时走向不动点 A;μ=1~3 时走向不动点B;μ2.3 时振荡走向不动点B;不动点的稳定性 ;不动点的稳定性 ;不动点的稳定性 ;二周期解;四周期解;倍周期解序列 ; 参数μ的变化引起轨道的周期性发生变化,类似于不动点的稳定性,映射的周期解也有一个稳定性问题。平方映射在μ=3.3时,对周期1轨道是不稳定的,但对周期2轨道来说可满足稳定性条件。对于周期 2 轨道: 代入映射方程: 复杂的表达式作图出来很清楚,这是一条M形曲线。上图为 曲线,下图为 曲线。;周期2的稳定性 ;多周期轨道的稳定性 ;混沌现象举例--昆虫繁衍 ;混沌现象举例--昆虫繁衍;混沌现象举例--昆虫繁衍;五、分岔;弹性压杆的分岔;1. 1切分岔; 解 ,当 时, ,此解是稳定的,是稳定的结点。 解 ,当 时, ,解是不稳定的,它是鞍点。 切分岔是一个鞍–结分岔 相流形状;2 转换键型分岔; 由分岔图可见,μ<0或μ>0都是一对鞍–结点: μ<0时, 轴线是结点, 是不稳定的; μ>0时, 的轴线是不稳定的, 是稳定结点。 由鞍点与稳定结点附近的相轨线流向,转换键型分岔的相流形状如下图。;1.3 叉式分岔;杜芬方程具有叉式分岔 由势能曲线知: a. 在 时仅有一个平衡点: b.在

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