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常微分方程实验
常微分方程实验
实验4 研究如下的Lorenz方程?
?
如果你是第一次接触这个方程,相信你一定觉得它并无特别之处。千万不要小看了这个简单的问题!Lorenz方程具有重要的实际背景,它所揭示的现象---著名的Lorenz吸引子,具有重大的科学价值。本实验就将引导你进入混沌的殿堂。?
吸引子实验的背景
前面研究的离散动力系统,可以看成是在持续的离散时间间隔上,一个数
量值的变化关系。如果时间的间隔可以趋于零,那么这种变化关系通常就可以
用微分方程描述。这样,很自然地就可以把一个(时间独立的)微分方程作为一
个连续的动力系统进行研究。这里我们最关注的是当时间趋于无穷时,对于某
个集合上的初始值,微分方程解的性态。
设 是 中的一个区域,再设 : 是一个光滑函数。考虑微分方程
(*)
吸引子是描述连续动力系统长期性质的重要概念。区域 的一个闭子集 F 叫 做包含 F 的吸引域 V 的吸引子,如果对开集 V 中的所有初始点 x(0), 通过 x(0)的轨道 x(t)随着 t的无限增大而接近 F。当然,应要求 F是不变的, 即 如果 x(0)是 中的点,那么对 +, 都在 F中,这就意味着 F 是一些轨道的并集。 同时我们还要求 在下面的意义下是最小的,即存在一
点 , 使得 在 F 中稠密。 ?
具有复杂吸引子连续动力系统最简单又引人入胜的例子,就是Lorenz方程。
该系统表面上并无任何神秘之处,但它有很强的实际背景,它是长期气象预报的
一个简化模型。
在 (x,y,z) 空间中考虑我们的问题。取参数 a = 10, b = 8/3, r = 28(这
些参数值是Lorenz方程研究中的经典取法),轨道就集中在形式非常复杂的一个
吸引子上。这个Lorenz吸引子包含两个“圆盘”,每一个都是由螺线形轨道构成
的(见下图)。
? ?
Rossler 研究了如下方程
如果固定 b=2, c=4, 当 a 取 0.375时,系统有一个带状形的吸引子(见下图)。 ?
??? 这个带在其内侧有一个扭转,非常象 Mobius带。 ? ?吸引子实验的进一步讨论
??? 连续的动力系统的研究中,我们最关注的是当时间趋于无穷时,对于某个
集合上的初始值,微分方程解的性态。吸引子是描述连续动力系统长期性质的
重要概念。
平面区域上的连续动力系统,吸引子的类型是相当有限的,这时仅有的可能
是孤立点或是闭环,比较复杂的吸引子不可能发生。因此,为了找到复杂的甚至
是分形的吸引子,需要在3维或更高维的空间中考察。
Lorenz方程是具有复杂吸引子的连续动力系统。它形式简单但有很强的实际背景,它是长期气象预报的一个简化模型。
取参数 a = 10, b = 8/3, r = 28,这时轨道就集中在形式非常复杂的一个
吸引子上。这个Lorenz吸引子包含两个“圆盘”,每一个都是由螺线形轨道构成
的(见下图)。
??? 不难看出某些轨道几乎是垂直地离开圆盘中一个而进入另一个。如果计算轨
道 x(t), 下面的性质是容易观察到的。 随着t的增加,x(t)先绕一个圆盘几圈,
然后“跳”到另一个圆盘中。绕第二个圆盘几圈,又跳回原来的圆盘,并以这样
的方式继续下去。在每个圆盘上绕的圈数是一个随机数,不同的初始点会各不相
同。这个运动似乎是一个混沌状态。特别,在吸引子的两个圆盘中最初非常接近
的点不久后就有完全不同的存在形式。对初始条件的这种敏感的依赖性的解释就
是,不可能对天气作长期的预报。
??? 你可以选择其他的参数,通过 HYPERLINK /mlab/ie/numeric/landmark/navigator/part2/attractor/main.html 实验 进一步地研究它。 ?
Rossler 方程是另外一个简单系统
如果固定 b=2, c=4, 吸引子的性质随着参数 a 的变化而变化。当 a 很小时,吸 引子是一个简单的闭曲线,但是随着 a 的增加,这个曲线就分裂成一个两圈的环, 继而分裂成四圈的环等等。这样,一类加倍的周期又出现了,当 a 到达 0.375时, 有一个带状形的吸引子(见下图)。
这个带在其内侧有一个扭转,非常象 Mobius带。你可以选择其他的参数,
通过 HYPERLINK /mlab/ie/numeric/landmark/navigator/part2/a
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