前面講的定點和穩(wěn)定性是研究動力學系統(tǒng)的關鍵點,這是針對簡單的一維動力學系統(tǒng),二維、三維甚至多維動力學系統(tǒng)則有不一樣的特性。 一維動力學系統(tǒng)的定點往往是單調(diào)的點,二維動力學系統(tǒng)卻體現(xiàn)在振動。環(huán)視我們的周圍,從我們的呼吸、心跳到新陳代謝,從潮起潮落、日出日落到四季變換,從經(jīng)濟的繁榮蕭條到歷史的王朝更替,無一不是振動。可以說整個宇宙就是由不同頻率的振動合奏的一曲最壯觀的交響樂。 為什么振動無處不在?其實依然是因為定點的廣泛存在,振動無非是圍繞定點的波動。回到動力學系統(tǒng)中,振動在相空間中的表現(xiàn)形式就是一個閉合的軌道,因此,在一個二維的動力學系統(tǒng)中,運動形式只有兩種: 1. 平衡態(tài)(定點) 2. 周期運動(振動) 其實定點也無非是振動的一種,在相空間上,定點可以看作是閉合軌道趨于無限小。 下圖就是一個二維動力學系統(tǒng)在相平面上的運動軌跡,可以看到是圍繞某個區(qū)域的一個個閉合軌道組成。 于是,對動力學系統(tǒng)的研究就變成了研究系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu),這種把各種不同形式的系統(tǒng)歸于空間里的拓撲研究的思想,是一種超越性的思想。它標志了數(shù)學在解釋世界的能力上的新高度。 從此,我們對世界的認識,取決于我們對幾何空間的拓撲性的歸類。 那些能夠歸于同一拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),即使他們的物質(zhì)組成有多不同,但具有相同的動力學本質(zhì)。因此,拓撲的思維具有高屋建瓴,以一敵百的特性。 當系統(tǒng)的維數(shù)達到三維時,混沌(Chaos)就成為了主要特征?;煦缈此齐s亂無章,毫無秩序,但系統(tǒng)依然具有確定性的方程,依然亂中有序。 在一維動力學系統(tǒng)中,穩(wěn)定狀態(tài)是一個點,二維動力學系統(tǒng)中,穩(wěn)定狀態(tài)變成了一個閉合的軌道,那么順著推理下去,按照點---線---面的思路,沒錯!三維動力學系統(tǒng)中,穩(wěn)定狀態(tài)就成為了一個復雜的曲面,這個曲面被稱作“吸引子”。 那么為什么三維非線性動力系統(tǒng)可以產(chǎn)生混沌?就是因為物體的運動軌跡被曲面所吸引,即使最終落入該曲面上,它也可以具備無數(shù)條軌道(曲面上的線是無數(shù)條),軌道變得復雜不可預測,所以混沌。 美國的氣象學家洛倫茲用他優(yōu)美絕倫的洛倫茲方程搞出了我們常說的蝴蝶效應,就是用來描述混沌的,原話是指南美洲一只蝴蝶扇動一下翅膀,就可能引起北美洲的颶風。然而這并非是洛倫茲的本意,因為蝴蝶效應指的其實是動力學流形在相空間中的形態(tài)非常像一只翩翩起舞的蝴蝶。 從上圖可以看出,這個三維系統(tǒng)有兩個吸引中心,系統(tǒng)圍繞這兩個吸引中心旋轉(zhuǎn),軌道變得復雜不可琢磨,而這些軌道的集合看起來就像一只美麗的蝴蝶。 在三維系統(tǒng)中,這個吸引子曲面是由兩個定點構(gòu)成的,系統(tǒng)時而圍繞其中一個定點旋轉(zhuǎn),時而圍繞另外一個旋轉(zhuǎn),但它何時從圍繞一個定點到圍繞另一個定點卻是不可預測的。 這只美麗的蝴蝶是兩個定點構(gòu)成的吸引子,在一些復雜的系統(tǒng)中,還會出現(xiàn)“奇怪吸引子”。什么是“奇怪吸引子”,以下是百度百科的內(nèi)容: 看到了嗎?這奇怪吸引子還能有自相似結(jié)構(gòu),咦!?我知道你在想什么,是不是類似股票走勢中的中樞和級別,別急,等下章把分形和分維介紹之后,解決纏論動力學的知識點基本就齊全了。 |
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