碰撞振动系统分岔与混沌的研究进展
分岔与混沌理论与应用作业
分岔与混沌理论与应用 学院： 专业： 姓名： 学号：
我对混沌理论的认识 1、混沌理论概述 混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性－－不可重复、不可预测，这就是混沌现象。混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。所谓“差之毫厘，失之千里”正是此一现象的最佳批注。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为简单，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果，也就是混沌状态。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的混乱状况，此一混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间相互牵引，混沌现象尤为多见。 混沌理论，是近三十年才兴起的科学革命，它与相对论与量子力学同被列为二十世纪的最伟大发现和科学传世之作。混沌的发现揭示了我们对规律与由此产生的行为之间－－即原因与结果之间－－关系的一个基本性的错误认识。我们过去认为，确定性的原因必定产生规则的结果，但它们可以产生易被误解为随机性的极不规则的结果。我们过去认为，简单的原因必定产生简单的结果(这意昧着复杂的结果必然有复杂的原因)，但简单的原因可以产生复杂的结果。我们认识到，知道这些规律不等于能够预言未来的行为。这一思想已被一群数学家和物理学家，其中包括威廉·迪托(William Ditto)、艾伦·加芬科(Alan Garfinkel)和吉姆·约克(Jim Yorke)，变成了一项非常有用的实用技术，他们称之为混沌控制。实质上，这一思想就是蝴蝶效应。初始条件的小变化产生随后行为的大变化，这可以是一个优点；你必须做的一切，是确保得到你想要的大变化。对混沌动力学如何运作的认识，使我们有可能设计出能完全实现这一要求的控制方案。这个方法已取得若干成功。 2、分叉的概述 分叉理论研究动力系统由于参数的改变而引起解的拓扑结构和稳定性变化的过程。在科学技术领域中，许多系统往往都含有一个或多个参数。当参数连续改变时，系统解的拓扑结构或定性性质在参数取某值时发生突然变化，这时即产
浅谈混沌理论
目录 摘要............................................................... 目录............................................................... 引言............................................................... 一、混沌理论的提出——由线性科学到非线性科学........................ 线性科学的成就..................................................... 线性科学的局限..................................................... 线性科学和非线性科学的差异......................................... 二、混沌理论——无序中的有序....................................... 蝴蝶效应........................................................... 蝴蝶效应与混沌学................................................... 什么是混沌呢....................................................... 混沌的特征......................................................... 对初始条件的敏感依赖性........................................... 极为有限的可预测性............................................... 混沌的内部存在着超载的有序....................................... 混沌学的意义....................................................... 身边的混沌现象..................................................... 三、混沌的应用..................................................... 混沌与经济学....................................................... 混沌与艺术......................................................... 四、总结........................................................... 参考文献........................................................... 引言 说起“混沌”这个词，我们中国人首先想到的是我国古代传说中宇宙形成以前模糊一团的景象，即古哲学中认为盘古开天辟地之前，天地处于混沌状态。“太易者，未见气也；太初者，气之始也；太始者，形之似也；太素者，质之始也。气似质具而未相离，谓之混沌。”！！！（出自《庄子》）这里的混沌是指元气已具有物质的性质还没有进一步分化的状态。在国外，“混沌”这个词同样渊流悠久，《圣经》《创世纪》甚至埃及的神话故事中都有关于“混沌”的不同解释，这里我们不一一赘述。而在当代，混沌正在成为一种具有严格定义的科学概念，成为一门新科学的名字，它正在促使整个现代知识体系成为新科学。
基于混沌振子的微弱信号检测方法研究(精)
第30卷第9期2011年9期煤CoalTechnology炭技术Vol.30,No.09September,2011 基于混沌振子的微弱信号检测方法研究 张东 （中央司法警官学院监狱学系，保定071000） 摘要:分析了Duffing方程的基本形式以及Duffing振子的混沌运动，阐述了基于相平面变化进行微弱信号检测的工作原理，并推导出系统发生间歇混沌现象的频差条件和相位差对于系统特性的影响。实验证明该振子对与参考信号频差较小的周期小信号具有敏感性，对白噪声和与参考信号频差较大的干扰信号具有免疫力。 关键词:微弱信号检测；Duffing振子；信噪比；间歇混沌 中图分类号:TN911.23文献标识码:A文章编号:1008-8725（2011）09-0219-03 ReaserchofWeakSignalDetection basedonChaosOscillatorTheory ZHANGDong （DepartmentofPenology,CentralInstituteforCorrectionalPolice,Baoding071000,China ） Abstract:ThispaperfirstanalyzesthebasicformofDuffingequationandthechaoticmotionoft heDuffingoscillator,andthendescribestheprincipleofweaksignaldetectionbasedonthechan geofphasetrace.Thefrequencydifferenceconditionoftheintermittentchaoshappening byandtheeffectofphasedifferenceonsystemperformancearededuced.Itisconcluded，simulationexperimentsresults，thattheoscillatorissensitivetothesmallsignalhavingthetinyangularfrequencydifferencewit hthereferentialsignal,andimmuneagainsttherandomnoiseandinterferencesignalhavinglarg erangularfrequencydifferencewiththereferentialsignal. Keywords:weaksignaldetection;duffingoscillator;signaltonoiseratio(SNR);intermittentc haos 0引言 微弱信号检测技术运用近年来迅速发展的电子 学、信息论和物理学方法，研究被测信号和噪声的统 计特性及其差别，采用一系列信号处理方法，检测被图2稳定周期状态图1混沌状态背景噪声覆盖的微弱信号，使微弱信号测量精度得为周期运动的临界状态。当f大于阈值fd时，系统进到很大的提高。）。（如图2文中分析利用Duffing 混沌振子检测微弱信号入大尺度的周期运动状态 的方法，着重阐释不同形式的正弦信号输入的仿真2利用混沌振子检测信号的原理简介结果。
混沌理论及其应用
混沌理论及其应用 摘要：随着科学的发展及人们对世界认识的深入，混沌理论越来越被人们看作是复杂系统的一个重要理论，它在各个行业的广泛应用也逐渐受到人们的青睐。本文给出了混沌的定义及其相关概念，论述了混沌应用的巨大潜力，并指明混沌在电力系统中的可能应用方向。对前人将其运用到电力系统方面所得出的研究成果进行了归纳。 关键词：混沌理论；混沌应用；电力系统 Abstract: With the development of science and the people of the world know the depth, chaos theory is increasingly being seen as an important theory of complex systems, it also gradually by people of all ages in a wide range of applications in various industries. In this paper, the definition of chaos and its related concepts, discusses the enormous application potential chaos, and chaos indicate the direction of possible applications in the power system. Predecessors applying it to respect the results of power system studies summarized. Keywords：Chaos theory;Application of ChaosElectric ;power systems 1 前言 混沌理论（Chaos theory）是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中（如：人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等）无法用单一的数据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。混沌理论是对确定性非线性动力系统中的不稳定非周期性行为的定性研究（Kellert，1993）。混沌是非线性系统所独有且广泛存在的一种非周期运动形式,其覆盖面涉及到自然科学和社会科学的几乎每一个分支。近二三十年来,近似方法、非线性微分方程的数值积分法,特别是计算机技术的飞速发展, 为人们对混沌的深入研究提供了可能,混沌理论研究取得的可喜成果也使人们能够更加全面透彻地认识、理解和应用混沌。 2 混沌理论概念 混沌一词原指宇宙未形成之前的混乱状态，中国及古希腊哲学家对于宇宙之源起即持混沌论，主张宇宙是由混沌之初逐渐形成现今有条不紊的世界。混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。所谓“差之毫厘，失之千里”正是此一现象的最佳批注。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果，也就是混沌状态。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的的混乱状况，此一混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间相互牵引，混沌现象尤为多见。如股票市场的起伏、人生的平坦曲折、教育的复杂过程。 2.1 混沌理论的发展 混沌运动的早期研究可以追溯到1963年美国气象学家Lorenz对两无限平面间的大气湍流的模拟。在用计算机求解的过程中, Lorenz发现当方程中的参数取适当值时解是非周期的且具有随机性,即由确定性方程可得出随机性的结果,这与几百年来统治人们思想的拉普拉斯确定论相违背(确定性方程得出确定性结果)。随后, Henon和Rossler等也得到类似结论Ruelle,May, Feigenbaum 等对这类随机运动的特性进行了进一步研究,从而开创了混沌这一新的研究方向。 混沌理论解释了决定系统可能产生随机结果。理论的最大的贡献是用简单的模型获得明确的非周期结果。在气象、航空及航天等领域的研究里有重大的作用。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。在没
MIS的混沌治理研究
ＭＩＳ的混沌治理研究 关于《ＭＩＳ的混沌治理研究》，是我们特意为大家整理的，希望对大家有所帮助。 ［摘要］MIS系统的混沌治理研究大体上指两个方面：一是将MIS看成是一个混沌系统分析其所应具有的若干混沌特性，二是把混沌理论和方法应用于MIS的治理实践。本文首先先容了混沌现象的特征及混沌理论的研究内容，并运用混沌理论探讨了MIS 系统中的若干混沌特性,这些特性包括：分形性、耗散性、内在随机性以及初值敏感性等，然后分析了混沌理论在MIS中的应用，最后指出了混沌理论在MIS系统中的一些研究方向。［关键词］混沌；MIS；混沌吸引子；分形；蝴蝶效应；混沌治理 1 引言
MIS（Management Information Systems）发展过程中的不确定性和现代企业经营环境的不稳定性，使得越来越多 的治理理论家们倾向于将MIS理解成为非线性系统、复杂系统，并且用非线性系统理论、复杂系统理论研究MIS发展的过程，解决和解释MIS发展过程中出现的题目和现象。目前将非线性系统理论尤其是混沌理论与MIS治理相联系的研究成果还未几见，而应用混沌理论分析MIS的特性，研究MIS演化的模式及其过程的治理，对发展MIS治理理论具有重要的学术及实际指导意义。 2 混沌理论简介 混沌学研究起源于1960s Edward Lorenz的天气猜测模型“蝴蝶效应”，正是这一“蝴蝶效应”模型，揭示了自然界表面看起来杂乱无序的事物中惊人的某种秩序。20世纪70年代科学家们开始普遍熟悉到混沌的存在与其重要意义，并对各领域的混沌现象进行大量研究；20世纪80年代混沌研究在全球迅速推广，物理、生物、化学、经济、治理等领域对混沌的研究都取得了可喜成果。自然总是如此神秘，杂乱无章、不可猜测的运动背后隐躲着其内在规律性，而且这种规律并不随外界扰动而改变，这就是混沌。 2. 1混沌的概念 “混沌”，本意是“混乱无序”的意思，但是其描述的对象却具
混沌理论
混沌理论 混沌理论是当今世界最伟大的理论之一。 它是社会科学与自然科学最完美结合的理论.它研究如何把复杂的非稳定事件控制到稳定状态的方法，它研究世界如何在不稳定的环境中稳定发展的问题。.混沌方法对于处理复杂多变、动荡不定的重大事件有特殊功效混沌世界是纷繁复杂多变的世界。 “相对论消除了关于绝对空间和时间的幻想；量子力学则消除了关于可控测量过程 的牛顿式的梦；而混沌则消除了拉普拉斯关于决定论式可预测的幻想。” 一点就是未来无法确定。如果你某一天确定了，那是你撞上了。 第二事物的发展是通过自我相似的秩序来实现的。看见云彩，知道他是云彩，看见 一座山，就知道是一座山，凭什么？就是自我相似。这是混沌理论两个基本的概念。 混沌理论还有一个是发展人格，他有三个原则，一个是事物的发展总是向他阻力最 小的方向运动。第二个原则当事物改变方向的时候，他存在一些结构。 一混沌理论（Chaos theory）是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨 动态系统中（如：人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等）无法用单一的数 据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。 二混沌一词原指宇宙未形成之前的混乱状态，我国及古希腊哲学家对于宇宙之源起即持混沌论，主张宇宙是由混沌之初逐渐形成现今有条不紊的世界。在井然有序的宇宙中，西方自然科学家经过长期的探讨，逐一发现众多自然界中的规律，如大家耳熟能详的地心引力、杠杆原理、相对论等。这些自然规律都能用单一的数学公式加以描述，并可以依据此公式准确预测物体的行径。 三近半世纪以来，科学家发现许多自然现象即使可化为单纯的数学公式，但是其行径却无法加以预测。如气象学家Edward Lorenz发现，简单的热对流现象居然能引起令人无法想象的气象变化，产生所谓的「蝴蝶效应」，亦即某地下大雪，经追根究底却发现是受到几个月前远在异地的蝴蝶拍打翅膀产生气流所造成的。一九六○年代，美国数学家Stephen Smale 发现，某些物体的行径经过某种规则性的变化之后，随后的发展并无一定的轨迹可寻，呈现失序的混沌状态。 四混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。所谓「差之毫厘，失之千里」正是此一现象的最佳批注。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果，也就是混沌状态。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的的混乱状况，此一混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间相互牵引，混沌现象尤为多见。如股票市场的起伏、人生的平坦曲折、教育的复杂过程。
神秘的混沌理论
神秘的混沌理论 神秘的混沌理论 物理师范胡晖130112748 宇宙起于混沌，也比终将归于混沌。我们对于混沌的研究也只是开了个头。 图灵相信数学可以用来描述生物系统，包括最高级的智能。正是这种痴迷，诞生了一 种更激进的思想诞生。那个思想就是胚胎发育的神秘过程可以用简单的数学描述表示。这 种令人迷惑的过程叫做生态发生。他领悟了万物的创造源于简单的规则的思想，向着科学 新领域迈出了第一步。鲍里斯·别洛乌索夫在试验中发现混合溶液周期性地在无色和有 色间来回变化。他的化学振荡反应，绝未违背物理定律，而是一个现实世界里可用图灵方 程式精确预测的例子。 20世纪初业之前，科学家一直把宇宙看作是一个巨大而复杂的机 械装置，像是这个星像仪的超大版。他们认为宇宙是个庞大而错综复杂的机器，遵守着有 序的数学规则。如果你知道这个机器如何启动，那么只需一圈圈转动手柄，它就完全按预 测的方式运动。 但一旦事物开始运动，就一直遵循规律。人们从中发现，只要能用数学规则描述的东西，事实上都相当简单：只要找到描述某个系统的数学方程，就可以以此预测该系统的走向。牛顿物理学说就像终极水晶球，提出一种诱人的可能性，即未来大体上是可预测的， 你测量得越仔细，对未来的预测就越精准。 20世纪下半业，人们发现了一个细节错误，正是这个细节，击碎了牛顿学说的美梦。让我们骤然陷入了一片混沌。 讽刺的是，让科学家接受自组织观点的，正是一种称为混沌现象的发现。 Chaos是英语的常用词，但其在科学里没有特定含义。它表示一个完全由数学方程描 述的系统。即使不存在外界干扰，也是不可预测的。 混沌是科学史上最不受欢迎的发现之一。迫使科学界正视它的，是位美国气象学家， 爱德华德·洛伦斯。20世纪60年代早期，他试图找到可以预测天气的数学方程，与那个 时代的所有人一样，他相信，气象系统原理上与星象仪无异，都是可以用数学描述和预测 的机械系统。但事实并非如此，当洛伦斯用看似很简单的数学方程来描述气流运动时，所 得结果与实际大相径庭。没有获得任何有用的预测。 像星象仪一样按钟表工作机理工作的简单系统怎能如此难料呢？这取决于系统的设定，齿轮的衔接，要即定的环境下。初始时，齿轮上哪怕是最微小的差别，小到无法衡量的差 别也会在运动中越变越大。随着系统一步步运作，结果会离原来的设想越来越远。
转子系统非线性振动研究进展
转子系统非线性振动研究进展 3 陈安华 刘德顺 朱萍玉 (湘潭矿业学院振动、冲击与诊断研究所,湖南湘潭,411201)摘 要 由于机械运转速度的不断提高和新型材料、新型结构的推广应用,旋转机械的非线性动力学行 为日显突出和重要1基于线性系统原理的转子动力学理论与方法难以对实践中出现的丰富的非线性动 力学现象作出准确的描述、阐释和预测1近年来,随着非线性科学研究的深入和渗透,转子系统非线性 振动已成为应用力学和机械工程领域的研究热点之一1从有利于建立旋转机械振动状态集与故障集之 间的映射关系出发,综述了近年来转子系统非线性振动研究的主要进展,总结了转子系统中出现的典型 非线性动力现象及其产生机理,目的在于丰富旋转机械故障诊断知识库1参551 关键词 转子 非线性振动 故障诊断 稳定性 分岔 分类号 TH17,TH113 第一作者简介 陈安华 男 35岁 博士 副教授 机械动力学与机械故障诊断 0 引言 自从Jeffcott H H (1919)以来,基于线性系统理论的转子动力学获得了很大的发展,涉及的主要问题(不平衡响应计算、临界转速确定、运转稳定性、参数辨识以及转子平衡)至今在理论上已较为成熟,在实践中也获得了成功的应用,并且拓展了新的应用领域,如机械故障诊断技术等1随着机械运转速度的日益提高和新型材料、新型结构的推广应用,旋转机械中出现的复杂的非线性动力学行为日益引起关注1导致转子系统非线性的主要因素有:轴和支承材料本身的非线性应力应变关系[1,2],滚动轴承刚度[3,4,5,6,7],滑动轴承和挤压油膜阻尼器的油膜力[8,9,10,11],间隙和碰摩[12,13,14,15,16,17],裂纹[18,19,20],参数(质量或刚度)时变[21,22,23]等1由于这些因素不可避免地存在,准确描述转子系统真实动力学行为的微分方程是非线性的1在不少实际问题的处理中,合理的线性化自然能显著地减少分析与计算工作量,降低理论上和技术上的难度,且所得结果与对真实系统的观测基本相符,因而基于线性系统理论的转子动力学得到了充分的发展和广泛的应用,并显示出强大的生命力1然而,当真实转子系统的非线性较为显著时,如果仍采用近似的线性化模型和线性系统的分析方法,将不可避免地“过滤”掉许多系统固有的非线性动力学现象,如稳态响应对初始条件的依赖性、解的多样性与稳定性、振动状态突变、超谐波次谐波共振、混沌振动以及系统长期性态(吸引子)对参数的依赖性等,其主观分析结果与真实系统的客观动力学行为之间必然存在不可忽视的定性和定量上的差异1在大型旋转机械状态监测与故障诊断实践中,人们时常面临转子动力学传统理论难以作出准确阐释的异常振动现象,这就说明,开展转子系统非线性振动的研究,不仅是转子动力学学科自身不断深化的必然结果,更是源于工业实践的迫切需求1 收稿日期:1999-02-24 3国家自然科学基金资助项目(编号:59875073)本文责任编辑:王窈惠 第14卷第2期 1999年 6月湘潭矿业学院学报J.XIAN GTAN MIN.INST.Vol.14No.2J un. 1999
单自由度非线性系统的混沌振动
考虑由非线性弹簧和线性阻尼组成的质量-弹簧系统在简谐激振力作用下的受迫振动，动力学方程为： 30mx cx kx F cos t ++=ω 30mx cx kx F cos t '''++=ω 取参数值：m=1.0,c=0.05,k=1.0,F 0=7.5,ω=1.0,以及初始条件：()()11x 0 3.0,x 0 4.0== 求解：令()()()()12 u t x t u t x t =??'=?，则原方程变换为： ()()()()()()()()()121123022121212u t u t f t,u ,u F c k u t cos t-u t u t f t,u ,u m m m u 0 3.0u 0 4.0 '==???'=ω-=???=?=?? 根据Runge-Kutta 方法构造如下数值迭代计算公式： [][]1,i 11,i 111213142,i 12,i 21222324h u u k 2k 2k k 6h u u k 2k 2k k 6++?=++++????=++++?? 其中 ()() 111i 1,i 2,i 121i 1,i 112,i 21131i 1,i 122,i 22141i 1,i 132,i 23k f x ,u ,u h h h k f x ,u k ,u k 222h h h k f x ,u k ,u k 222k f x h,u hk ,u hk ?=????=+++ ???????? ?=+++ ?????=+++??
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神秘的混沌理论观后感
《神秘的混沌理论》-观后感 直观感受： 这个纪录片中介绍了图灵、贝洛索夫这些科学家们的一些经历，他们认识或是发现了自组织现象，开始用数学方程去描述生命的过程，解释了达尔文也没搞清楚的自然花纹的生产，几种有机物为什么就能组成生命，它们也发现了自然界的不可预测性。然而它们的结局都是不那么好的，一种超前的理论的提出往往伴随着质疑和诋毁。但是真正的智慧往往是经得起时间的考验的，正是由于有那么多的学者，无畏权威勇敢的提出自己的见地看法，人类文明才得以不断地向前发展，其实人类文明的发展从这方面来看也是一个自组织现象。 蝴蝶效应就是一种典型的混沌系统，一个微小的改变不断地被简单地规则放大最后会得到一个令人震撼的结果。还有分形，自然界的许多事物都有自相似性，它们在更小的尺度上不断重复自己，就像那个方程z=z*z+c那样会得到一个非常壮丽的图案。这种简单的具有自反馈性质的方程令我感到惊叹，真是太神奇了。 起初我对于机器人可能会统治世界这种言论是嗤之以鼻的，因为我也学过编程知道机器人的代码都是人类编写的，所以它不可能超出人类的控制。但是在看了这部记录片后，我对于混沌理论有了一定的认识，结合纪录片中的行走小人模拟程序，我开始对机器人的发展感到担忧。我才了解到混沌理论有那么大的魔力，我们只要设定一些简单的规则机器人就可以据其不断地演化出复杂的系统，但我们人类却不知到它到底是怎么演化的，这种自组织现象就为机器人不断进化甚至超越人类提供了理论的可能，进而机器人就有可能在人类不知情的情况下发展出超越人类的系统，然后就有可能统治世界。这一认识让我又惊又喜，惊的是机器人真的有可能超越人类，喜的是原来我们人类已经发展到了这样的地步，可以做类似于造物主的事情，然而这一切都要归功于神奇的混沌理论。。 启发： 看完这部影片，结尾总结的那段话令我记忆深刻：“宇宙所有的复杂性、所有的多样性，都源于一些简单而毫无目的的法则的不断繁衍的结果。但是记住尽管这个过程力量无穷，但它却具有固有的不可预测性。即使我可以充满信心的告诉你未来精彩无比，但我仍要负责任的告诉你，未来将会发送什么是不为人知的。”我认为这就像我们每天不断的努力学习工作，但我们也不能保证我们未来一定会成功，因为未来总是无法被预知的。但是我们可以确定未来一定是精彩无比的，所以我们日复一日的学习，不断地进行自反馈，一点点累计，期望能有像蝴蝶扇动的翅膀那样的效果在未来给我们一个巨大的惊喜。无数次的简单重复、迭代，就会有一个不简单的效果，混沌理论加深了我对于世界的认识，可以说在一定程度上刷新了我的世界观。也让我明白了把简单的事情做好，并一直坚持下去就是给了未来一个无限的可能。
浅谈混沌理论的意义
浅谈混沌理论的哲学意义 姓名：文小刀
浅谈混沌理论的哲学意义 文小刀 摘要：本文首先介绍了混沌理论的内含和产生，在此基础上介绍了它对自然科学和哲学思维的影响，最后提出了混沌理论的几种应用，以期探寻混沌理论的哲学意义。 关键字：混沌理论影响应用哲学意义 混沌理论被认为是与相对论和量子力学齐名的震惊世界的第三大理论，是系统科学的重要组成部分。混沌理论这个迷人的“奇异吸引子”，吸引着人们去探索混沌奥秘的科学前沿，而且像极具生命力的种子，撒遍自然科学和社会科学各个领域的沃土。它将简单与复杂、有序与无序、确定与随机、必然与偶然的矛盾统一在一幅美丽的自然图景之中，推动了人类自然观与科学观的发展；也通过一系列崭新的范畴、语言和思维方式，充实了科学方法内容并促进了方法论的进步，对科学的发展和人类社会的发展必将产生深远的影响。 一、混沌理论的含义及其产生 混沌学是当代系统科学的重要组成部分，与相对论和量子力学的产生一样，混沌理论的出现对现代科学产生了深远的影响。混沌运动的本质特征是系统长期行为对初值的敏感依赖性，所谓混沌的内在随机性就是系统行为敏感地依赖于初始条件所必然导致的结果。我们可把混沌理解为：在一个非线性动力学系统中，随着非线性的增强，系统所出现的不规则的有序现象。这些现象可以通过对初值的敏感依赖性、奇异吸引子、费根鲍姆常数、分数维、遍历性等来表征。 混沌有如下的本质特征： 1.混沌产生于非线性系统的时间演化，作为系统基础的动力学是决定论的，无须引进任何外加噪声。因而混沌是非线性确定系统的内禀行为。 2.混沌行为对初始条件极具敏感，导致长期行为具有不可预测性，也即我们所说的确定系统产生的不确定性或随机性。这一特征不同于概率论中的随机过程，随机过程中的随机性是指演化的下一次结果无法准确预知，短期内无法预测，但长期演化的总体行为却呈确定的统计规律，混沌行为刚好相反，短期行为可确知，长期行为不确定。
神秘的混沌理论
混沌理论所带来的灵感 —《神秘的混沌理论》观后感 在看完了BBC的《神秘的混沌理论》，由最先的疑惑，转变为震撼，再变为深思。也许这就是科学的魅力，当你沉心去感受时，总会从其中感受到瑰丽的色彩以及来自心灵深处的震撼。 Pattern is everywhere. It is just waiting to happen. 影片由一个简单的问题开始：宇宙万物由embarrassingly simple& similar elements 组成，而为什么却又如此五彩斑斓？ 我们从哪里来？ 这些都是组成人类的元素和化合物，全是司空见惯的东西。事实上，差不多人体的99%，是空气、水、煤炭和粉笔的混合物，再加上略微奇怪点的各种微量元素，比如铁、锌、磷和硫。我估计，这些组成人体的元素，加起来顶多值几英镑。但亿万个普通的原子，奇迹般地聚集起来，摇身一变，组成了可以呼吸思考的人类，让我们不禁疑惑，如此简单的原子，如何孕育出如此复杂的生命？ 听起来可能认为这个问题超越了科学范畴，但今日不同往日，我第一次相信了是科学促使了过去的宗教和哲学去探寻这个最根本问题的答案。 片中给我印象极深的就是阿兰图灵，他是真正的天才，几乎可窥见天机。 自然界真的是一片混乱，充满各种奇怪的形态和纹理，毫无规律可循。没什么是完全重复的。有人认为，这些混乱的背后，隐藏着一些数学规则，而且我们可以计算出这种规则。这种观点与我们的直觉背道而驰。所以毫不奇怪，首位担此重任，尝试发现自然界的神秘数学规律之人，有着卓而不群的头脑。他是位伟大的科学家，也是位悲情英雄，1912年生于伦敦。阿兰图灵才华出众，他是有史以来最伟大的数学家之一，支撑现代计算机技术的很多基本概念都是他发现的。 影片令人赞叹的一点就是清晰的逻辑，想要证明什么，怎么证明，涉及到哪些人和事。 其中提到数学方程式简洁但却能转换散发出巨大的形态美感，想用数学的公式来描述自然，进而探索这个世界的真谛，其中有提到方程的本质形式是 z=f(z) f(z)可以是z的微分形式或者是偏微形式，或者是普遍形式（如z=z+1) 该形式以初始值增长的角度来看就是，每一次都在原先生成的系统的基础上持续增长，也就是影片中提到的自组织。并进一步提到f(z)很简单，但持续增长后的z会越来越复杂，f(z)就是简单的pattern,z就是复杂的结果。 影片以上帝的指纹，树枝，河流的形状等等来表明：大自然不断地在重复简单的pattern,最终变得很复杂。 当“隐藏的逻辑”被揭示之后，程序员将替代上帝的角色。这不是什么狂妄的胡思乱想，科学将探索未知，而未知又使科学散发出强烈的美感。
非线性动力学与混沌理论
非线性动力学 随着科学技术的发展，非线性问题出现在许多学科之中，传统的线性化方法已不能满足解决非线性问题的要求，非线性动力学也就由此产生。 非线性动力学联系到许多学科，如力学、数学、物理学、化学，甚至某些社会科学等。非线性动力学的三个主要方面：分叉、混沌和孤立子。事实上，这不是三个孤立的方面。混沌是一种分叉过程，孤立子有时也可以和同宿轨或异宿轨相联系，同宿轨和异宿轨是分叉研究中的两种主要对象。 经过多年的发展，非线性动力学已发展出了许多分支。如分叉、混沌、孤立子和符号动力学等。然而，不同的分支之间又不是完全孤立的。非线性动力学问题的解析解是很难求出的。因此，直接分析非线性动力学问题解的行为(尤其是长时期行为)成为研究非线性动力学问题的一种必然手段。 *混沌理论是谁提出的？ 混沌理论，是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。 美国数学家约克与他的研究生李天岩在1975年的论文“周期3则乱七八糟(Chaos)”中首先引入了“混沌”这个名称。 美国气象学家洛伦茨在2O世纪6O年代初研究天气预报中大气流动问题时，揭示出混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性这两个基本特点，同时他还发现表面上看起来杂乱无章的混沌，仍然有某种条理性。 1971年法国科学家罗尔和托根斯从数学观点提出纳维-斯托克司方程出现湍流解的机制，揭示了准周期进入湍流的道路，首次揭示了相空间中存在奇异吸引子，这是现代科学最有力的发现之一。 1976年美国生物学家梅在对季节性繁殖的昆虫的年虫口的模拟研究中首次揭示了通过倍周期分岔达到混沌这一途径。 1978年，美国物理学家费根鲍姆重新对梅的虫口模型进行计算机数值实验时，发现了称之为费根鲍姆常数的两个常数。这就引起了数学物理界的广泛关注。 与此同时，曼德尔布罗特用分形几何来描述一大类复杂无规则的几何对象，使奇异吸引子具有分数维，推进了混沌理论的研究。20世纪70年代后期科学家们在许多确定性系统中发现混沌现象。作为一门学科的混沌学目前正处在研讨之中，未形成一个完整的成熟理论。 *混沌的理论 要弄明白不可预言性如何可以与确定论相调和，可以来看看一个比整个宇宙次要得多的系统——水龙头滴下的水滴。这是一个确定性系统，原则上流入水龙头中的水的流量是平稳、均匀的，水流出时发生的情况完全由流体运动定律规定。但一个简单而有效的实验证明，这一显然确定性的系统可以产生不可预言的行为。这使我们产生某种数学的“横向思维”，它向我们解释了为什么此种怪事是可能的。 假如你很小心地打开水龙头，等上几秒钟，待流速稳定下来，通常会产生一系列规则的水滴，这些水滴以规则的节律、相同的时间间隔落下。很难找到比这更可预言的东西了。但假如你缓缓打开水龙头，使水流量增大，并调节水龙头，使一连串水滴以很不规则的方式滴落，这种滴落方式似乎是随机的。只要做几次实验就会成功。实验时均匀地转动水龙头，别把龙头开大到让水成了不间断的水流，你需要的是中速滴流。如果你调节得合适，就可以在好多分钟内听不出任何明显的模式出现。 １９７８年，加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的一群年青的研究生组成了一个研究动力学系统的小组。他们开始考虑水滴系统的时候，就认识到它并不像表现出来的那样毫无规则。他们用话筒记录水滴的声音，分析每一滴水与下一滴水之间的间隔序列。他们所发现的是短期的可预言性。要是我告诉你３个相继水滴的滴落时刻，你会预言下一滴水何时落下。例如，假如水滴之间最近３个间隔是０.６３秒、１.１７秒和０.４４秒，则你可以肯定下一滴水将在０.８２秒后落下这些数只是为了便于说明问题。事实上，如果你精确地知道头３滴水的滴落时刻，你就可以预言系统的全部未来。 # 那么，拉普拉斯为什么错了? 问题在于，我们永远不能精确地测量系统的初始状态。我们在任何
混沌原理与应用
课程论文课程系统科学概论 学生姓名 学号 院系 专业 二Ｏ一五年月日
混沌理论与应用 摘要：本文首先介绍了混沌理论的产生与背景。接着由混沌理论的产生引出了理解混沌系统需要注意的几个基本概念，并就两个容易混淆的概念进行了区分。然后本文对混沌系统的几个基本特征进行了阐述，而且详细解释了每个具体特征含义。在结尾部分本文简要叙述了混沌理论的应用前景。 关键词：混沌理论；混沌系统；基本特征；应用 1混沌理论的产生与背景 混沌一词很早就出现在人类的历史中，在世界的几个较为发达的古代文明中基本上都用自己的方式对混沌进行过描述，混沌基本就等同于未知。同时这些文明有一个对混沌有一个共同的观点，那就是：宇宙起源于混沌[1]，这种观点可以说在某些方面与现代的理论不谋而合。虽然古人的这些观点大部分是基于自己的想象而且其含义也局限于哲学方面，但是可以说这是人类早期对混沌状态的一种探索。 在此后的上千年中，一代又一代的研究者们探索了无数未知的领域。以至于在混沌理论之前，没有人怀疑过精确预测的能力是可以实现的，一般认为只要收集够足够的信息就可以实现。十八世纪法国数学家拉普拉斯甚至宣称，如果已知宇宙中每一个粒子的位置与速度，他就能预测宇宙在整个未来的状态。然而混沌现象的发现彻底打破了这一假设。混沌系统对初始条件的敏感性使得系统在其运动轨迹上几乎处处不稳定，初始条件的极小误差都会随着系统的演化而呈现指数形式的增长，迅速达到系统所在空间的大小，使得预测能力完全消失[2]。例如，著名的蝴蝶效应：上个世纪70年代，美国一个名叫洛伦兹的气象学家在解释空气系统理论时说，亚马逊雨林一只蝴蝶翅膀偶尔振动，也许两周后就会引起美国得克萨斯州的一场龙卷风[3]，可以说对天气的精准预测一直是人类未曾解决的问题。面对这样的问题，科学家们又用到了混沌这个词，看似又回到了起点，实际上今天的混沌理论与过去的说法已经有了天壤之别。 1903年，美国数学家J.H.Poincare在《科学与方法》一书中提到Poincare猜想，他把动力系统和拓扑学两大领域结合起来指出了混沌存在的可能性[4]。1963年美国气象学家爱德华·诺顿·洛伦茨提出混沌理论（Chaos），非线性系统具有的多样性和多尺度性。混沌理论解释了决定系统可能产生随机结果[5]。混沌也被认为是继量子力学和相对论之后，20世纪物理学界第三次重大革命，混沌也一样冲破了牛顿力学的教规。从此，混沌系统理论开始飞速发展，气象学、生理学、经济学中都发现了一种关于混沌的有序性。混沌理论正式诞生。
三自由度齿轮传动系统的非线性振动分析
收稿日期:20030710 基金项目:航空科学基金项目(02C53019)资助 作者简介:刘晓宁(1976-),男(汉),山东, 博士研究生 刘晓宁 文章编号:100328728(2004)1021191203 三自由度齿轮传动系统的非线性振动分析 刘晓宁,王三民,沈允文 (西北工业大学,西安 710072) 摘 要:在建立三自由度齿轮间隙非线性动力学模型的基础上,利用增量谐波平衡法获得了受到参数激励和外部谐波激励的三自由度齿轮传动系统模型的周期响应,包括稳定和不稳定的周期轨道,并利用Floquet 理论研究其稳定性、分岔类型,对系统的参数变化进行分析,研究了系统通向混沌的倍周期分岔道路和拟周期分岔道路,绘制了系统周期解分岔图。关 键 词:齿轮转子轴承传动系统;增量谐波平衡法;Floquet 理论中图分类号:TH13 文献标识码:A N onlinear Vibrations of 32DOF G eared R otor 2B earing System LI U X iao 2ning ,W ANG San 2min ,SHE N Y un 2wen (N orthwestern P olytechnical University ,X i ′an 710072) Abstract :The incremental harm onic balance (IH B )method is used to obtain periodic m otions of a 32DOF non 2linear m odel of a geared rotor system subjected to parametric and external harm onic excitations.The stability of the periodic m otions is investigated by the Floquet theory ,the bifurcation behavior is traced.Parametric studies are performed to understand the effect of system parameters such as excitation frequency on the nonlinear dy 2namic behaviors. K ey w ords :G eared rotor bearing system ;Incremental harm onic balance (IH B )method ;Floquet theory 齿轮传动是应用最为广泛的一种机械传动形式。在齿轮传动系统中,由于齿侧间隙、支承间隙、时变刚度等因素的存在,导致系统产生强非线性振动,这种振动往往表现为系统的分叉、混沌振动现象,会对机械传动系统的工作性能和可靠性产生很大影响。因此,齿轮传动非线性系统的非线性振动研究引起了广泛的关注[2～5]。 从齿轮传动系统间隙非线性动力学研究来说,大部分的研究都是借助数值方法探讨系统分叉、混沌等现象的存在。增量谐波平衡法(IH B )作为求解非线性微分方程周期解的解析方法,具有精度高,适用于求解周期激励问题的特点,尤为重要的是能够求解出混沌吸引子内部的不稳定周期轨道,这也恰恰是实现混沌控制的目标稳定轨道。 本文综合利用增量谐波平衡法和数值方法研究三自由度齿轮传动系统的动态特性,考察系统参数对动态性能的影响,并结合应用Floquet 理论探讨了通向混沌的倍周期和拟周期分叉道路。 1 三自由度齿轮转子轴承系统的间隙非线性模型及方程 图1 三自由度非线性齿轮传动系统模型 如图1所示的三自由度非线性齿轮传动系统模型,齿轮部分包括齿轮惯量I g 1和I g 2,齿轮质量m g 1和m g 2,基圆直径d g 1和d g 2。齿轮啮合由非线性位移函数f h 和时变刚度 k h (t - ),线性粘性阻尼c h 描述。轴承和支撑轴的模型则由 等效的阻尼元件和非线性刚度元件表述。阻尼元件具有线 第23卷 第10期 机械科学与技术 V ol.23 N o.10 2004年 10月 MECH ANIC A L SCIE NCE AND TECH NO LOGY October 2004