第十八章混沌动力学
动力学系统中的混沌与共振现象研究
动力学系统中的混沌与共振现象研究引言：在物理世界中，许多系统都可以用动力学模型来描述其运行规律。
在这些动力学系统中，混沌和共振是两种十分重要而又引人入胜的现象。
混沌现象指的是某些系统的微小初始条件会导致长期上的巨大变化，这使得预测和控制系统的未来状态变得困难。
而共振现象则表示系统对外界激励的某个特定频率有着极大的响应，这种响应可以放大系统的某些特性，产生重要影响。
本文将就动力学系统中的混沌与共振现象展开研究。
一、混沌现象的研究混沌现象的研究始于20世纪60年代，最早的研究者包括洛伦兹等人。
通过对混沌系统的数学建模和计算机模拟，科学家们认识到混沌现象在天体力学、生物学和工程学等领域中都有重要应用。
混沌系统凭借其自组织、非线性和敏感依赖等特性，在信息传输、密码学和优化问题等方面发挥着重要作用。
其次，混沌现象也揭示了系统动力学的复杂性。
混沌系统通常具有稳定解的丧失，表现为阶段性的轨迹围绕在某一区域内，形成所谓的“奇异吸引子”。
奇异吸引子的形态复杂多变，显示了混沌系统的多样性和不可预测性。
其中，分叉现象是最有代表性的现象之一，当系统的参数变化时，系统的解分支呈现出分叉现象，并且分叉点处的解存在着周期倍增的行为，这为动力学系统提供了更广泛的研究空间。
二、共振现象的研究共振现象是物理学中的一个重要概念，在许多领域中都有广泛应用。
共振现象是指当一个动态系统受到外界周期性激励时，系统出现频率等于激励频率的特定共振状态。
共振现象不仅在固体振动、电磁场、流体力学等基础物理学中有重要应用，而且在控制论、生物力学等交叉学科中也具有广泛的研究价值。
共振现象的理论研究主要集中在两个方面：共振的条件和共振的机理。
共振的条件主要包括激励频率、系统本征频率、激励强度等因素。
共振的机理可以通过线性系统理论和非线性系统理论进行解释。
在线性系统中，系统对共振激励的响应具有线性关系，其共振频率由系统的特征频率决定；而在非线性系统中，系统对共振激励的响应可能出现倍增、超共振等非线性效应，这使得系统对于外界激励表现出更加强烈的共振现象。
动力系统理论中的混沌与分形
动力系统理论中的混沌与分形混沌与分形是动力系统理论中的两个重要概念，它们在探索非线性系统行为和描述自然界的复杂性方面发挥着关键作用。
本文将从混沌与分形的基本原理、实际应用以及研究方向等多个角度来探讨这两个重要的理论概念。
一、混沌混沌是指在动力系统中，即使系统的运动规律是确定的，但其行为却表现出极端敏感的特性，即微小的初始条件改变会导致系统演化出完全不同的轨迹。
混沌理论的起源可以追溯到20世纪60年代，当时Lorenz通过研究大气环流模型，意外地发现了这一现象，这也被称为“蝴蝶效应”。
混沌现象的数学描述是通过非线性动力学方程实现的，例如著名的洛伦兹方程和Logistic映射等。
混沌行为的特点是演化过程不断变化，但却不失稳定性。
这种看似矛盾的特性给动力系统理论的研究带来了很大的挑战和启示。
混沌理论的实际应用非常广泛。
在天气和气候预测、金融市场、生态系统、心脏疾病等领域，混沌理论都发挥着重要作用。
通过混沌理论，我们能够更好地理解和预测这些复杂系统中的行为，为实际问题的解决提供了新的思路和方法。
目前，混沌理论仍然是一个活跃的研究领域。
研究人员致力于发展更精确的混沌理论模型，深入探究混沌行为的内在规律，以及在实际应用中的更多可能性。
二、分形分形是指具有自相似性和尺度不变性的几何形状。
与传统几何学中定义的规则形状不同，分形具有复杂的结构和非整数维度。
分形理论最早由Mandelbrot提出，并得到了广泛的应用。
分形的自相似性意味着它的一部分与整体具有相似的结构，这种特性使得分形能够用于描述自然界中许多复杂的形状，如云朵、树枝、河流等。
分形的尺度不变性意味着它在不同的比例下具有相似的结构，这也是分形与传统几何形状的显著区别。
分形理论在各个领域有着广泛的应用。
在计算机图形学中，分形可以用于生成自然风景和仿真自然材料的纹理。
在金融市场中，分形理论可以用于预测和分析股票价格的波动。
在生物学中，分形可以用于描述复杂的生物结构，如血管网络和肺泡等。
复杂系统理论与混沌动力学
复杂系统理论与混沌动力学复杂系统理论与混沌动力学是研究复杂系统和混沌现象的重要理论框架。
复杂系统理论是对包含多个相互作用部分的系统进行综合分析的方法，而混沌动力学则是研究非线性系统中表现出的无规则、不可预测的行为。
本文将围绕复杂系统理论与混沌动力学展开探讨，并阐述其在不同领域的应用意义。
首先，我们将从基本概念入手，介绍复杂系统和混沌现象的定义和特征。
复杂系统是由大量相互作用的元素组成，元素之间的相互作用可以是线性的也可以是非线性的。
复杂系统具有自组织、自适应和鲁棒性等特征，表现出的行为不容易被简单的规律所描述。
而混沌现象则是指某些非线性系统在特定条件下出现的无规则、高度敏感的动力学行为，即使微小的扰动也会导致系统演化的巨大不同。
接着，我们将探讨复杂系统理论的基本原理和方法。
复杂系统理论主要包括自组织理论、网络理论和协同现象等方面的内容。
自组织理论研究的是系统内部元素之间的相互作用和组织方式，通过相互作用的调整和自适应的过程，系统可以形成有序的结构和功能。
网络理论则关注系统中元素之间的连接和信息传递方式，通过构建网络模型和分析网络结构，可以揭示系统的整体性质和行为。
协同现象则注重元素之间的协同作用和协作行为，通过研究复杂系统中的正反馈和负反馈机制，可以揭示系统演化的规律和特征。
进一步，我们将讨论混沌动力学的基本原理和方法。
混沌动力学研究的是非线性系统的演化行为，通过数学模型和计算实验，可以揭示系统的非周期性、敏感依赖于初始条件和随机性等特征。
混沌动力学中的经典模型包括洛伦兹系统、Henon映射、Logistic映射等，这些模型通过非线性方程的迭代运算，展示了混沌现象的丰富性和复杂性。
接下来，我们将探讨复杂系统理论与混沌动力学在不同领域的应用。
复杂系统理论在社会科学、生态学、经济学和管理学等领域有着广泛的应用。
例如，在社会科学领域，复杂系统理论可以用来研究群体行为、社会网络和社会演化等问题，揭示了群体动力学的规律性和非线性特征。
混沌动力学学习
(2) 当流速增加到超过某个值时，有色液体丝将 发生规则地振荡→湍流（紊流）。
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ρ-密度；a-粘滞系数；v-流速；D-园管直径
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三、Benard对流实验
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混沌的定义
混沌是一个相当难以精确定义的概念。 ① 对初值的敏感依赖性 ② 确定的随机性，由确定性规律决定的系统
可以有效地表现出随机行为。 确定的：是因为它由内在的原因而不是外来的 噪声或干扰所产生，即过程是严格确定性的。 随机性：指不规则的，不能预测的行为。
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混沌提供了把复杂的行为理解为是有目的和 有结构的某种行为，而不是理解为外来的和偶然 的行为的方法。
过了一年(1974)，约克教授在一次会议 上了解到物理学界正在为混沌现象感到头痛， 他立即想到这个区间迭代问题。
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其实，李—约克关于有3周期点则有 一切周期点的定理只是苏联一位不知名 学者的沙可夫斯基定理的一个特例。
沙可夫斯基定理：设f(x)是区间到区间 自身的连续函数，又设在沙可夫斯基序 中m位于n之前，那末如果f(x)有m周期点 的话，则它一定也有n周期点。
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“混沌”现象
一、气候中的“蝴蝶效应”
混沌现象首先是1963年被美国气象学家 Lorenz发现的。他为了预报天气变化，把大气动 力学方程组简化为12个方程组（用牛顿定律建立 了温度和压强、压强与风速等之间关系），并在 计算机上进行模拟实验，因嫌参数小数点后面的 位数太多，输入时很麻烦，便舍去几位，尽管舍 去部分看来微不足道，可结果却大大出乎Lorenz 的意料：舍去与没有舍去的模型的结果竞然大相 径庭，几乎变得完全认不出来了。
动力学中的混沌理论
动力学中的混沌理论混沌理论是动力学的一个重要分支，是研究复杂系统中的非线性现象、复杂性和不确定性的一种数学理论。
混沌理论的应用范围相当广泛，包括天文学、化学、生物学、经济学等方面，这是因为混沌现象本身在我们的日常生活中无所不在。
简单的说，混沌现象是指那些看似不规律的、无序的、不可预测的系统行为，实际上，混沌现象的本质是一种有序的、确定的、规律性的行为，只是这种行为非常复杂，难以通过我们的常规思维方法进行预测。
混沌理论最早的研究起点是在20世纪60年代，科学家Lorenz观察到大气运动的非线性行为，他提出了“蝴蝶效应”这个著名的概念，即即使是微不足道的变化，也可能对某些天气模式产生重大影响。
这个例子表明，即使我们已知原始条件，只进行这些条件的简单变化就足以导致模型行为的绝对变化，从而导致我们无法预测这个系统的未来行为。
混沌理论中的三要素混沌理论是一门复杂而又有深度的学科，它涉及到许多数学方面的知识，其中最为重要的三个方面是：1. 非线性非线性是混沌理论中最为基本的要素。
普通的线性方程在我们进行预测时，通常只要知道初值和方程的形式就可以进行预测，但是混沌现象则不同。
混沌理论研究的都是非线性方程，而非线性方程具有复杂多变的特点，初始条件发生轻微的变化，结果也可能迥异，这是造成混沌现象出现的重要原因。
2. 敏感依赖初值混沌现象最为重要的特点就是初始条件的微小变化可能会导致整个系统的运动轨迹产生很大的变化，这种情况被称为“敏感依赖初值”。
如果初值的精确性高，那么经过一段时间，系统的轨迹可能是收敛到一个确定的点或曲线，如果初值的精确性稍微低一些，那么系统将会是发生逐渐偏离，最终系统将处于一种混沌状态。
3. 复杂性混沌现象的行为表现往往是复杂、多变的。
正如前面所讲述的，混沌现象的本质是一种有序的、规律性的行为，该行为的规律和复杂性需要通过数学方法来描述。
发现混沌现象是一个不稳定的形态，而这种不稳定的形态之所以会导致复杂性，是因为本身的性质往往是由多个因素的复杂组合进行构建。
动力学中的混沌理论研究
动力学中的混沌理论研究“混沌”这个词在日常生活中经常被用来形容一种无序、混乱的状态，但在物理学中，混沌理论却有着严谨的定义和数学模型。
动力学中的混沌现象指的是一种看似无规律的、高度敏感的系统行为，引发了研究人员的极大兴趣。
1. 系统的敏感性和确定性混沌混沌现象的出现通常和系统内部的敏感性有关。
我们知道，在一个确定性系统中，初始状态的微小变化可以引起系统产生激烈的反应，比如万有引力场中行星的运动轨迹。
但在普通的确定性系统中，这种敏感性通常会逐渐衰减，最终转化为可预测的运动轨迹。
然而，在某些特殊的情况下，系统内部的微小变化会被逐渐放大，进而导致系统行为的不确定性和复杂性。
这种现象也被称为“确定性混沌”。
“确定性混沌”在动力学中是一种特殊现象，它表现出了系统的极高敏感度和不可预测性。
2. 混沌系统模型和常见应用混沌现象的研究是非常复杂和严峻的，通常需要构建出适当的混沌系统模型以及运用高度复杂的数学方法进行分析。
早期的混沌系统研究主要集中于天体力学以及其他物理学领域的基础研究领域，比如流体力学、量子力学等。
随着混沌研究的深入，这一理论开始在更多的领域得到应用，比如经济学、社会科学等。
在经济学中，混沌理论有着广泛的应用，尤其是在预测股票价格和研究经济波动等方面。
社会科学方面则主要应用于人类行为和集体行为的建模。
3. 混沌理论的意义和展望混沌理论的出现和发展对于人类认识自然的深度和广度有着重要的影响。
混沌现象的探索，让我们重新认识到了自然界的复杂性和多样性。
许多此前认为是随机、无序现象的自然现象，比如气象、生物进化等，现在都可以用系统动力学的方法进行建模和研究。
同时，混沌理论也对人类社会的发展产生了深远影响。
混沌系统模型和相关的数学方法具有广泛的应用潜力，可以用于分析和优化复杂系统，比如城市交通、食物供应、能源消耗等。
这些应用不仅能够提高系统的效率和可持续性，还有助于人们对社会和环境问题的更深入认识。
在未来，混沌理论的研究还将继续深入，同时也将不断涌现出越来越多的应用场景。
混沌的定义基本特征
2.1.2混沌的基本特征混沌理论是近代非线性动力学中重要的组成部分，虽然混沌的定义多繁复杂，但混沌还是有自己的一些与其他非线性系统所没有的基本特征，具体表现为如下[37,38,39]：(1)对初始条件的敏感性经典学说认为：确定性的系统只要初始条件给定，方程的解也就随之确定了。
一个随时间确定性变化或具有微弱随机性的变化系统，称为动力系统，它的状态可由一个或几个变量数值确定。
在动力系统中，两个几乎完全一致的状态经过充分长时间后会变得毫无一致，恰如从长序列中随机选取的两个状态那样，这种系统被称为敏感地依赖于初始条件，这就是系统对初值的敏感，还有混沌的敏感表现在一些控制参数的变化。
1972 年洛伦兹在华盛顿科学进步协会上的报告上指出：“在巴西的一只蝴蝶拍打翅膀会引发得克萨斯州的一场龙卷风”。
这就是著名的“蝴蝶效应”。
这句话的意思是说任意一个微小的扰动可能会引起世界另一边天气的变化，这种微小的扰动如同蝴蝶扇一下翅膀，都有可能发生巨大的改变。
这一现象的指出就是对混沌初值敏感性的最好的诠释。
(2)整体稳定局部不稳定稳定性是有关扰动现象的。
如果一个动力系统中发生轻微的变化，这个系统还会保持它的运动状态，保持它的能力和属性。
混沌的整体稳定性指一个微小的扰动也不会改变系统原有的性能。
一个系统并不能只是绝对的稳定，还要有局部的稳定，这样这个系统才能进化。
局部不稳定性表现在混沌对初值的敏感依赖性，一个微小的初值变化就会引起系统局部的不稳定。
(3)奇怪吸引子及其分形奇怪吸引子将混沌运动的特征初始条件的敏感性和确定性的随机直观地反映出来。
在耗散系统当中，当连续流在收缩体积时，一边沿这些地方压缩，另一边又沿其他地方延伸。
不过连续流是固定在一个有界的区域内，这种伸缩和折叠过程会使运动轨道在奇怪吸引子上产生混沌运动。
可见，奇怪吸引子是轨道不稳定和耗散系统相体积收缩两种因素的内在性质同时发生的现象[40]。
它的几何特性由分形来刻画，具有大尺度与小尺度之间的相似性，具有无穷无尽自相似的精细图案，具有分数维数。
混沌动力学的基本概念和应用
混沌动力学的基本概念和应用地球上的自然环境是一个复杂的动态系统。
这种动态系统也存在于许多其他领域，例如天气系统、社会系统和生态系统等等。
混沌动力学是研究这些动态系统的分支学科。
本文将介绍混沌动力学的基本概念和应用。
一、混沌动力学的基本概念混沌动力学探究的对象是非线性系统，其表现为其元素之间的对称、周期或不规则运动，这种运动的规律性无法通过通常的方法描述。
混沌动力学的研究内容主要集中在以下几个方面：1. 局部混沌局部混沌是指系统某一部分的行为表现为混沌，而整体行为却是规律的。
典型的例子是气旋中心附近的天气行为，虽然同一气旋中心附近的不同天气现象显得不规则，但是气旋中心的整体行为却非常规律。
2. 全局混沌全局混沌是指系统的整体行为表现为混沌，其每一部分都呈现出相互独立的、随机的、不可预测的运动规律。
著名的例子是洛伦兹吸引子。
3. 带状混沌带状混沌表现为相空间的分离，其间的边界为奇异吸引子。
这种现象与全局混沌类似，但是其空间结构比全局混沌更为特殊。
4. 拓扑混沌拓扑混沌表现为系统下某些结构（例如嵌套奇异轨迹等等）存在，但是由于其复杂性，无法彼此区分，相当于是无序状态。
二、混沌动力学的应用混沌动力学的应用十分广泛，以下列举一些具有代表性的应用：1. 恶性肿瘤的治疗采用混沌理论研究ATP(腺苷三磷酸)酶系统的开/关机制以及常规的药物注射方法，可以优化治疗恶性肿瘤的方案。
由于掌握了这种机制，医生可以极大地提高药物的作用程度，同时最小化对正常细胞的损伤。
2. 信息加密和安全混沌动力学可以被用于信息加密和安全。
这种加密技术基于混沌的不可预测性和敏感依赖于初始条件的特性。
混沌密码学以其独特的特性成为当今加密技术的重要来源。
3. 神经网络神经网络是模仿生物神经元结构和活动的一类人工智能技术。
混沌动力学可以被应用于改进神经网络的学习和预测能力。
4. 决策制定和市场经济混沌动力学可以用来研究市场经济中的行为规律，例如交易和价格波动。
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1、稳定点不动吸引子 2、稳定点极限环吸引子 3、准周期吸引子
平庸吸引子的基本特征是：第一具有低的整数维度。 第二稳定性。
二、混沌运动与奇怪吸引子
（一）Lyapounov指数 设迭代函数 f (x)，初值为 x0 ，迭代值时间序列为 x0 , x1 , x2 xn 若 x 是对初值 x0 的偏离，则各次迭 代产生的偏离为
二、生物混沌
（一）生理节律中的混沌 1、生理混沌 2、病理混沌
（二）生物混沌模型
1、研究心率失常的模型 设第n个脉冲刺激时相位为 n，下一个脉冲时相位 为 n 1，则有n1 g (n ) 令 ( max ) 2 s( 1) n g ( ) C exp[ ] n 2 n
分叉点序列 a1 , a2 ,ai ,a是几何收敛的， 而且序列中前后两点的间距之比也是收敛的。令 am1 am am 比值为
m
am am1 am1
lim 则 m m 4.66920 为Feigenbaum常数。
2、标度因子
设前后两次分叉宽度之比为 m m / m1 则有
3、无穷层次的自相似结构
4、具有分数维，连续功率谱，以及正的测度熵等
统计特征。
第三节 分形与分维
一、分形
（一）规则分形
（二）随机分形
无标度性，是指被研究的客体与尺度无关。
二、分维
用边长为 的小块覆盖边长为1的空间。如果所需 要的小块数为N，那么空间维数D f 可表示为
0
x n f
(n)
( x0 x) f
(n)
1 df ( n ) ( x) ln n dx
x0
1 n1 ln f ( xi ) n i 0
1 n1 ln f ( xi ) n i 0
称为Lyapounov指数。
（二）奇怪吸引子的主要特征
1、整体稳定性
(1/ )
Df
N
ln N ( ) D f lim ln( / ) 1
第四节 生物混沌
一、生物分形
健康动力学应以分形结构为标志。分形过程与多尺 度，宽频带相联系，这有利于生物系统去适应复杂 的环境变化。 细胞的有丝分裂过程就是分形 蛋白质的分子链具有分形的特征 DNA（脱氧核糖核酸）的自我复制方式类似于康托 儿集的生成过程。DNA是一个分形体，内部存在多 个层次。 生命体在组织和器官层次上表现出的分形性相当普 遍。
其中，C、 max 、 、 、n和s都是与脉冲强度有关的参 量。
2、神经元放电活动模型
dx ax3 bx y z 1 dt dx c dx2 y dt dz r[ s ( x x ) z ] 0 dt
x 其中a、b、c、d、r、s、 0 均为参数。
x1 f ( x0 x) f ( x0 ) f ( x0 )x
x2 f ( x1 x1 ) f ( x1 ) f ( x1 )x1 f ( x1 ) f ( x0 )x
xn f ( xn1 xn1 ) f ( xn1 ) f ( xi )x
lim 2.50290 ，又称为第二Feigenbaum常数 m
（三）、混沌区的秩序
1、混沌带的分叉序列
2、周期3窗口和阵发混沌
3、无穷尽的自相似嵌套结构
第二节 混沌与奇怪吸引子
一、相空间与吸引子
（一）相空间 （二）吸引子
集合U由许多点组成，U内的点按某种规律运动，U 内含有子集合A，如果 （1）集合A中的点永远不会运动出A， （2）集合B中的点在t→∞时进入集合A或者无穷地接 近集合A，则A为U的吸引子。
第十八章混沌动力学基础
第一节 混沌运动
一、混沌概念
二、混沌运动
（一）、Logistic方程
xn1 axn (1 xn )
xn 定义域为[0,1]， a [0,1]
（二）、从周期倍化到混沌
三条通往混沌的典型道路：倍周期分叉道路、阵发 性道路以及准周期分叉道路。
1、Feigenbaum常数
……
n 1 i 0
将每次迭代产生的偏离用指数形式表示为
x1 e x，x2 e 2 x， xn e n x
f ( n) ( x) 表示 f (x) 的n次迭代函数，则有 再用
n 1 df ( n ) ( x) ( x0 ) x f ( xi )x e n x dx x i 0
二、 脑混沌控制
三、心脏混沌控制
3、白细胞生成控制模型
x表示粒细胞密度，表示单位时间内衰亡比例，表示 过去某时刻细胞密度，则应满足的方程为：
dx n x x n dt xn
其中， 、 、 、 、n是参量。
第五节 混沌控制及其应用
一、混沌控制
将动力学系统的混沌状态转化为预先确定的平 衡状态或周期性状态，也可以是非周期性状 态或新的混沌状态，并且实现稳定控制。这 里所指的动力学系统即可以是由微分方程描 述的连续系统，也可以是由映射描述的离散 系统。控制混沌并非消除混沌运动，而是要 达到事先确定的非混沌或混沌运动
奇怪吸引子局限于有限的区域内，会吸引附近的动 点进入自己的集合，内部动点永远都不会离开吸引 域，这表现它是一类吸引子。若以吸引子上任一点 为初值，经过多次迭代都可得到完全相同的吸引子， 这说明它对应决定方程的一个稳定解集。 2、局部不稳定为相邻轨道指数分离，运动 对初值敏感，长期预测不可能。