从简谐运动到混沌课件

从牛顿创立经典力学以来，决定论长期处于主导地位，按牛从牛顿创立经典力学以来，决定论长期处于主导地位，按牛顿定律列出体系所遵从的运动微分方程，求出的解析函数表示顿定律列出体系所遵从的运动微分方程，求出的解析函数表示运动学方程运动学方程，从给定的初始运动状态就能唯一地确定体系在其，从给定的初始运动状态就能唯一地确定体系在其它任一时刻的运动状态它任一时刻的运动状态.利用牛顿定律可以精确预言何时发生日利用牛顿定律可以精确预言何时发生日蚀，慧星何时来临，太空飞船如何飞行等等蚀，慧星何时来临，太空飞船如何飞行等等.牛顿定律这种决定论的观点，因海王星的发现而登峰造极，其牛顿定律这种决定论的观点，因海王星的发现而登峰造极，其中，法国数学家拉普拉斯的一段名言把这种决定论思想发挥到中，法国数学家拉普拉斯的一段名言把这种决定论思想发挥到了顶峰了顶峰：给定宇宙的初始条件我就能预言未来给定宇宙的初始条件我就能预言未来.从牛顿创立经典力学以来，决定论长期处于主导地位，按牛顿 混沌混沌是指发生在确定性系统中的貌似是指发生在确定性系统中的貌似随机随机的不规则运动，的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性不一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。牛顿牛顿确定性理论能够充分处理的多为线性系统，而线性系统大确定性理论能够充分处理的多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。术问题中，混沌是无处不在的。混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，以状态参量以状态参量 张成张成的空间就称为的空间就称为相空间相空间 m积分积分简谐运动的相图简谐运动的相图自由小摆角自由小摆角积分常数积分常数以状态参量 张成m积分简谐运动的相图自由自由任意摆角自由任意摆角积分积分自由任意摆角积分小阻尼小摆角小阻尼小摆角参看教材阻尼振动参看教材阻尼振动小阻尼小摆角参看教材阻尼振动小阻尼任意摆角小阻尼任意摆角小阻尼任意摆角有阻尼有驱动力有阻尼有驱动力参量值参量值:则由小到大取一系列数值则由小到大取一系列数值进行进行数值计算数值计算f1.047 相图是闭环，单相图是闭环，单摆周期摆动摆周期摆动有阻尼有驱动力参量值:f1.07单摆的摆动在两个驱动力周期单摆的摆动在两个驱动力周期内才恢复原状态，其频率为驱内才恢复原状态，其频率为驱动频率的一半，称为动频率的一半，称为二分频二分频.f1.081 随着随着 f 的增加，单摆运动的增加，单摆运动又出现四分频、八分频又出现四分频、八分频 f1.07单摆的摆动在两个驱动力周期内才恢复原状态，其频率相图变得无序，相点随机地在某一位置出现，此时单摆相图变得无序，相点随机地在某一位置出现，此时单摆已进入混沌状态已进入混沌状态 f1.15 相图变得无序，相点随机地在某一位置出现，此时单摆已进入混沌状 f 1.35 单摆运动是一倍周期的旋转单摆运动是一倍周期的旋转.一个周期内 f 1.35 单摆运动是一倍周期的旋转.一个周期内单摆做二倍周期旋转单摆做二倍周期旋转f1.45 f1.47单摆做四倍周期旋转单摆做四倍周期旋转单摆做二倍周期旋转f1.45 f1.47单摆做四倍周期旋相图又变得复杂无序，又出现混沌相图又变得复杂无序，又出现混沌.f1.50相图又变得复杂无序，又出现混沌.f1.50相图有序，单摆做周期运动相图有序，单摆做周期运动f1.60 f1.70相图无序又出现混沌相图无序又出现混沌相图有序，单摆做周期运动f1.60 f1.70相图无序又混沌的基本特性混沌的基本特性 一个非线性系统并非在任何条件下都出现混沌运动，只一个非线性系统并非在任何条件下都出现混沌运动，只有当某个参量到达某个阈值时系统才进入混沌状态，在有当某个参量到达某个阈值时系统才进入混沌状态，在此之前系统的运动可能出现周期性分岔。此之前系统的运动可能出现周期性分岔。1978年费根鲍年费根鲍姆发现相继出现分岔的值的间隔趋于常数。姆发现相继出现分岔的值的间隔趋于常数。1、非线性系统中的特有现象、非线性系统中的特有现象2、对参量的依赖性、对参量的依赖性混沌的基本特性 1、非线性系统中的特有现象2、对参量的依赖性费根鲍姆费根鲍姆第一常数第一常数费根鲍姆费根鲍姆第二常数第二常数费根鲍姆第一常数费根鲍姆第二常数3、对初值的极端敏感性、对初值的极端敏感性 nxnxn 10.10.10000001 20.360.36000000 30.92160.9216003 40.289013760.28901364 520.802094380.98312983 530.634955920.06634225 3、对初值的极端敏感性 nxnxn 10.10.吸引子：吸引子：表示动力学系统当表示动力学系统当 时的渐近行为时的渐近行为奇怪吸引子奇怪吸引子 奇怪吸引子虽然复杂但有明确的边界，这个明确的边界保证体奇怪吸引子虽然复杂但有明确的边界，这个明确的边界保证体系在整体上存在稳定性，但在吸引子范围内相点出现的位置却系在整体上存在稳定性，但在吸引子范围内相点出现的位置却完全随机。完全随机。混沌混沌极限环吸引子极限环吸引子不动点吸引子不动点吸引子平庸吸引子平庸吸引子小角度摆小角度摆阻尼摆阻尼摆吸引子：表示动力学系统当 时的渐近行为奇洛仑兹吸引子洛仑兹吸引子奇怪吸引子奇怪吸引子巴西的一只蝴蝶扇动翅膀，也有可能几个月之后在美国的德巴西的一只蝴蝶扇动翅膀，也有可能几个月之后在美国的德克萨斯州引起一场风暴。克萨斯州引起一场风暴。洛仑兹吸引子奇怪吸引子巴西的一只蝴蝶扇动翅膀，也有可能几混沌理论认为在混沌系统中，初始条件的十分微小的变化经过不断放大，混沌理论认为在混沌系统中，初始条件的十分微小的变化经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。我们可以用在西方流传的一首民对其未来状态会造成极其巨大的差别。我们可以用在西方流传的一首民谣对此作形象的说明。这首民谣说：谣对此作形象的说明。这首民谣说：丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；折了一匹战马，伤了一位骑士；折了一匹战马，伤了一位骑士；伤了一位骑士，输了一场战斗；伤了一位骑士，输了一场战斗；输了一场战斗，亡了一个帝国。输了一场战斗，亡了一个帝国。马蹄铁上一个钉子是否会丢失，本是初始条件的十分微小的变化，马蹄铁上一个钉子是否会丢失，本是初始条件的十分微小的变化，但其但其“长期长期”效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就是军事和政治效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就是军事和政治领域中的所谓领域中的所谓“蝴蝶效应蝴蝶效应”。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件的十分微小的变化经过不断放 在自然界中，物体的运动并非都是按照确定性进行的，在许在自然界中，物体的运动并非都是按照确定性进行的，在许多情况下，物体的运动还表现出相当明显的偶然性、随机性多情况下，物体的运动还表现出相当明显的偶然性、随机性.也就是说，仅仅承认运动规律的必然性、确定性是不够的，绝也就是说，仅仅承认运动规律的必然性、确定性是不够的，绝对的确定性并不能概括运动规律的全部内容，自然界存在的运对的确定性并不能概括运动规律的全部内容，自然界存在的运动应该是动应该是确定性和随机性确定性和随机性兼而有之，而混沌的存在，使得自然兼而有之，而混沌的存在，使得自然界现象的两种描述界现象的两种描述确定论描述和概率论描述之间的鸿沟正在确定论描述和概率论描述之间的鸿沟正在缩小缩小 混沌揭示了有序与无序，确定性与随机性的统一混沌揭示了有序与无序，确定性与随机性的统一 在自然界中，物体的运动并非都是按照确定性进行的，在许多心律图心律图 左图是呈现正常心律的奇怪吸引子行为。右图左图是呈现正常心律的奇怪吸引子行为。右图是病态心脏的搏动模式，显示出心律更加机械而更少混是病态心脏的搏动模式，显示出心律更加机械而更少混沌。做完这次检查沌。做完这次检查8天后，该病人死于心脏病。天后，该病人死于心脏病。心律图 左图是呈现正常心律的奇怪吸引子行为。右图是病态心脏作业：作业：取取 用用MatLab计算下面的非线性方程，画出相图计算下面的非线性方程，画出相图作业：取 用MatLab计算下面的非线性方程，画出相