第五章-混沌與分形模型初步匯總課件

第二部分

基于過程的動力學模型與應用

第五章混沌與分形模型初步第二部分

基于過程的動力學模型與應用第五章15.1動力學系統(tǒng)與混沌5.1.1混沌(chaos)的發(fā)現(xiàn)――洛侖茲關于大氣對流的模型圖5.2洛侖茲方程在相平面的投影軌跡5.1動力學系統(tǒng)與混沌5.1.1混沌(chaos)的發(fā)現(xiàn)―2洛侖茲Lorenz方程式中x、y和z分別與對流強弱、對流引起的水平溫差和垂直溫差有關的變量，、r和b分別與流體力學中的普蘭多數(shù)（Prandtl）、瑞利數(shù)和區(qū)域大小有關的參量。變量上面的“”表示該變量對時間t的一階導數(shù)。洛侖茲Lorenz方程式中x、y和z分別與對流強弱、對3蝴蝶效應蝴蝶效應4

1979年12月，洛倫茲在華盛頓的美國科學促進會的一次講演中提出：一只蝴蝶在巴西扇動翅膀，有可能會在美國的德克薩斯引起一場龍卷風。他的演講和結論給人們留下了極其深刻的印象。從此以后，所謂“蝴蝶效應”之說就不脛而走，名聲遠揚了。

“蝴蝶效應”之所以令人著迷、令人激動、發(fā)人深省，不但在于其大膽的想象力和迷人的美學色彩，更在于其深刻的科學內涵和內在的哲學魅力。

從科學的角度來看，“蝴蝶效應”反映了混沌運動的一個重要特征：系統(tǒng)的長期行為對初始條件的敏感依賴性。1979年12月，洛倫茲在華盛頓的美國科學促進會5一則西方寓言：丟失一個釘子，壞了一只蹄鐵；壞了一只蹄鐵，折了一匹戰(zhàn)馬；

馬蹄鐵上一個釘子是否會丟失，本是初始條件的十分微小的變化，但其“長期”效應卻是一個帝國存與亡的根本差別。這就是軍事和政治領域中的所謂“蝴蝶效應”。折了一匹戰(zhàn)馬，傷了一位騎士；輸了一場戰(zhàn)斗，亡了一個帝國。傷了一位騎士，輸了一場戰(zhàn)斗；一則西方寓言：丟失一個釘子，壞了一只蹄鐵；壞了一只蹄鐵，折6什么是混沌呢？

混沌學的任務就是尋求混沌現(xiàn)象的規(guī)律，加以處理和應用。60年代混沌學的研究熱悄然興起，滲透到物理學、化學、生物學、生態(tài)學、力學、氣象學、經濟學、社會學等諸多領域，成為一門新興學科。它的原意是指無序和混亂的狀態(tài)（混沌譯自英文Chaos）。這些表面上看起來無規(guī)律、不可預測的現(xiàn)象，實際上有它自己的規(guī)律。什么是混沌呢？混沌學的任務就是尋求混沌現(xiàn)象7混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動，一個確定性理論描述的系統(tǒng)，其行為卻表現(xiàn)為不確定性--不可重復、不可預測，這就是混沌現(xiàn)象。科學家給混沌下的定義是：混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機科學家給81）、對初始條件的敏感依賴性這是混沌系統(tǒng)的典型特征。初始條件的微小差別在最后的現(xiàn)象中產生極大的差別;或者說，起初小的誤差引起災難性后果。洛倫茲在他的玩具天氣模型中發(fā)現(xiàn)了這一特性。在生活中，人們知道一串事件往往具有一個臨界點，那里小小的變化會放大.然而混沌意味著這種臨界點比比皆是。它們無孔不入，無時不在。在天氣這樣的系統(tǒng)中，對初始條件的敏感依賴性乃是各種大小尺度的運動互相糾纏所不能逃避的后果，因此，洛倫茲斷言：長期預報注定要失敗。信息從小尺度傳向大尺度，把初始的隨機性放大。1）、對初始條件的敏感依賴性這是混沌系統(tǒng)的典型特征。初始條件92）、極為有限的可預測性當系統(tǒng)進入混沌過程后，系統(tǒng)或表現(xiàn)為整體的不可預言，或表現(xiàn)為局部的不可預言?；煦缪芯空邆冊谧匀唤绾蜕鐣邪l(fā)現(xiàn)了大量混沌現(xiàn)象，如湍流中的旋渦，閃電的分支路徑，流行病的消脹、股市的升降、心臟的纖顫、精神病行為、城鎮(zhèn)空間分布及規(guī)模與數(shù)量等級等等。信息論認為，信息是對事物不確定性的一種量度。信息量大，消除不確定性的程度就大。我們擁有的關于某物的信息越多，對該事物的預測就會更準確。但是，當系統(tǒng)變得混沌以后，它成了一架產生信息的機器，成了連續(xù)的信息源，收集更多的信息變得毫無意義。2）、極為有限的可預測性當系統(tǒng)進入混沌過程后，103）、混沌的內部存在著超載的有序

混沌內部的有序是指混沌內部有結構，而且在不同層次上其結構具有相似性，即所謂的自相似性?；煦鐑炔康挠行蜻€表現(xiàn)為不同系統(tǒng)之間跨尺度的相似性，即所謂普適性。費根鮑姆通過兩種完全不同的反饋函數(shù)Xt+1=rXt(1-Xt)和Xt+1=rsinXt的迭代計算，即取一個數(shù)作輸入，產生另一個數(shù)作輸出，再將前次的輸出作輸入，如此反復迭代計算。當r值較小時，結果趨向一個定數(shù)，當r超過某值時，其軌跡出現(xiàn)分岔。。3）、混沌的內部存在著超載的有序混沌內部的有序是115.1.2生態(tài)系統(tǒng)中的振蕩與混沌令xn和xn+1分別表示親代和子代的種群數(shù)量。很容易看出，xn+1應與xn有關：子代數(shù)量xn+1與親代數(shù)量xn的關系應為5.1.2生態(tài)系統(tǒng)中的振蕩與混沌令xn和xn+112相當于二次函數(shù)迭代由f(x)所實現(xiàn)的映射稱為邏輯斯蒂（logistic）映射。相當于二次函數(shù)迭代由f(x)所實現(xiàn)的映射稱為邏輯斯蒂13第五章-混沌與分形模型初步匯總課件14當時，參數(shù)變化時，長時間xn演化的形態(tài)可以有好多種。時，xn0時，xn周期2，即在兩個值上跳動xn周期4，即在四個值上來回跳動

3.57=

xn混沌吸引子當時，參數(shù)變化時，長時間時，xn155.1.3混沌的其它例子滴水水龍頭5.1.3混沌的其它例子滴水水龍頭16混沌的特征1、對初始條件的敏感依賴性。3、混沌的內部存在著超載的有序。2、極為有限的可預測性?；煦绲奶卣?、對初始條件的敏感依賴性。3、混沌的內部175.1.4混沌判斷---李雅普諾夫指數(shù)穩(wěn)定5.1.4混沌判斷---李雅普諾夫指數(shù)穩(wěn)定18幾種混沌圖片（1）幾種混沌圖片（1）19幾種混沌圖片（2）幾種混沌圖片（2）20幾種混沌圖片（3）幾種混沌圖片（3）21幾種混沌圖片（4）幾種混沌圖片（4）225.2分形（fractal）現(xiàn)象與分形維數(shù)(Mandelprot)曾說過：“浮云不呈球形，山峰不呈錐體，海岸線不是圓圈，樹干不是光溜溜的，閃電永不會沿直線行進”

"Cloudsarenotspheres,mountainsarenotcones,coastlinesarenotcircles,andbarkisnotsmooth,nordoeslightningtravelinastraightline."5.2分形（fractal）現(xiàn)象與分形維數(shù)(Mandel23HowlongisthecoastofBritain?(Science,1967)Thetrueansweris:itdepends!Itdependsonthescaleatwhichyoumeasureit.Beno?tMandelbrot122869定義：部分以某種形式與整體相似的形狀叫做分形。特點：自相似性；無標度。英國的海岸線有多長？HowlongisthecoastofBrita245.2.1自然界分形現(xiàn)象的幾個實例1.菜花形狀的特征5.2.1自然界分形現(xiàn)象的幾個實例1.菜花形狀的特征252.Cantor集合Cantor集合中點數(shù)不可數(shù)（比有理數(shù)還多?。鋮^(qū)間長度為零！2.Cantor集合Cantor集合中點數(shù)不可263.Weierstrass函數(shù)其中1<s<2

且，W(x)是處處連續(xù)、處處不可微的函數(shù)。對應s=1.4,

的圖象是3.Weierstrass函數(shù)其中1<s<2且274.VanKoch雪花曲線4.VanKoch雪花曲線285.（兩種不同的雪花結晶照片，由于晶體結晶的起始位置（晶種）具有一定的隨機性，和規(guī)則的分形結構相比這兩個雪花有些“瑕疵”。）5.（兩種不同的雪花結晶照片，由于晶體結晶的29大自然的不規(guī)則性：樹木花草、山川河流、煙霧云彩等是不規(guī)則的。晶體的生長，分子的運動軌跡等也是不規(guī)則的。如何用幾何來描述它？B.Mandelbrot觀察到英國海岸線與VanKoch曲線的關系，提出了一門描述大自然的幾何形態(tài)的學科---分形(Fractal)

大自然的不規(guī)則性：305.2.2隨機分形的幾個例子二維土壤切片的數(shù)字化圖像，白色代表孔隙,黑色代表土壤。5.2.2隨機分形的幾個例子二維土壤切片的數(shù)字化圖像，31（二維逾滲模型(percolation)相應的每個格點被孔隙占有的概率為p=0.63，黑色代表孔隙,白色代表土壤）（二維逾滲模型(percolation)相應的每個格點被孔隙32（計算機38000步模擬之后生成的DLA（DiffusionLimitAggregation）結構）（計算機38000步模擬之后生成的DLA（Diffusio33分形的特性1、具有無限精細的結構2、局部與整體的相似性3、具有非拓撲維數(shù)，并且它大于對應的 拓撲維數(shù)4、具有隨機性5、在大多數(shù)情況下，分形可以用非常簡單的方法確定，可能由迭代產生。分形的特性345.2.3分形與分形維數(shù)的定義分形的維數(shù)1、相似維數(shù)：設分形F是自相似的，即F由m個子集構成，每個子集放大c倍后同F(xiàn)一樣，則定義F的維數(shù)為

對于Cantor集，對于VanKoch雪花曲線，5.2.3分形與分形維數(shù)的定義分形的維數(shù)對于Canto35例如，Cantor集的生成元是VanKoch雪花曲線的生成元是其它實例例如，Cantor集的生成元是其它實例362、Minkowski“香腸”2、Minkowski“香腸”373、Sierpinski地毯3、Sierpinski地毯384、龍曲線4、龍曲線395.3L系統(tǒng)簡介5.3L系統(tǒng)簡介40F表示向前走一定距離B表示分枝

+表示分枝逆時針轉一個角度-表示分枝順時針轉一個角度表示分枝轉的角度[表示分枝開始]表示分枝結束并回到分枝點F表示向前走一定距離B表示分枝+表示分枝逆時針轉一個角41第五章-混沌與分形模型初步匯總課件42第五章-混沌與分形模型初步匯總課件43第五章-混沌與分形模型初步匯總課件44第五章-混沌與分形模型初步匯總課件45第五章-混沌與分形模型初步匯總課件46第五章-混沌與分形模型初步匯總課件47第五章-混沌與分形模型初步匯總課件48第二部分

基于過程的動力學模型與應用

第五章混沌與分形模型初步第二部分

基于過程的動力學模型與應用第五章495.1動力學系統(tǒng)與混沌5.1.1混沌(chaos)的發(fā)現(xiàn)――洛侖茲關于大氣對流的模型圖5.2洛侖茲方程在相平面的投影軌跡5.1動力學系統(tǒng)與混沌5.1.1混沌(chaos)的發(fā)現(xiàn)―50洛侖茲Lorenz方程式中x、y和z分別與對流強弱、對流引起的水平溫差和垂直溫差有關的變量，、r和b分別與流體力學中的普蘭多數(shù)（Prandtl）、瑞利數(shù)和區(qū)域大小有關的參量。變量上面的“”表示該變量對時間t的一階導數(shù)。洛侖茲Lorenz方程式中x、y和z分別與對流強弱、對51蝴蝶效應蝴蝶效應52

1979年12月，洛倫茲在華盛頓的美國科學促進會的一次講演中提出：一只蝴蝶在巴西扇動翅膀，有可能會在美國的德克薩斯引起一場龍卷風。他的演講和結論給人們留下了極其深刻的印象。從此以后，所謂“蝴蝶效應”之說就不脛而走，名聲遠揚了。

“蝴蝶效應”之所以令人著迷、令人激動、發(fā)人深省，不但在于其大膽的想象力和迷人的美學色彩，更在于其深刻的科學內涵和內在的哲學魅力。

從科學的角度來看，“蝴蝶效應”反映了混沌運動的一個重要特征：系統(tǒng)的長期行為對初始條件的敏感依賴性。1979年12月，洛倫茲在華盛頓的美國科學促進會53一則西方寓言：丟失一個釘子，壞了一只蹄鐵；壞了一只蹄鐵，折了一匹戰(zhàn)馬；

馬蹄鐵上一個釘子是否會丟失，本是初始條件的十分微小的變化，但其“長期”效應卻是一個帝國存與亡的根本差別。這就是軍事和政治領域中的所謂“蝴蝶效應”。折了一匹戰(zhàn)馬，傷了一位騎士；輸了一場戰(zhàn)斗，亡了一個帝國。傷了一位騎士，輸了一場戰(zhàn)斗；一則西方寓言：丟失一個釘子，壞了一只蹄鐵；壞了一只蹄鐵，折54什么是混沌呢？

混沌學的任務就是尋求混沌現(xiàn)象的規(guī)律，加以處理和應用。60年代混沌學的研究熱悄然興起，滲透到物理學、化學、生物學、生態(tài)學、力學、氣象學、經濟學、社會學等諸多領域，成為一門新興學科。它的原意是指無序和混亂的狀態(tài)（混沌譯自英文Chaos）。這些表面上看起來無規(guī)律、不可預測的現(xiàn)象，實際上有它自己的規(guī)律。什么是混沌呢？混沌學的任務就是尋求混沌現(xiàn)象55混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動，一個確定性理論描述的系統(tǒng)，其行為卻表現(xiàn)為不確定性--不可重復、不可預測，這就是混沌現(xiàn)象。科學家給混沌下的定義是：混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機科學家給561）、對初始條件的敏感依賴性這是混沌系統(tǒng)的典型特征。初始條件的微小差別在最后的現(xiàn)象中產生極大的差別;或者說，起初小的誤差引起災難性后果。洛倫茲在他的玩具天氣模型中發(fā)現(xiàn)了這一特性。在生活中，人們知道一串事件往往具有一個臨界點，那里小小的變化會放大.然而混沌意味著這種臨界點比比皆是。它們無孔不入，無時不在。在天氣這樣的系統(tǒng)中，對初始條件的敏感依賴性乃是各種大小尺度的運動互相糾纏所不能逃避的后果，因此，洛倫茲斷言：長期預報注定要失敗。信息從小尺度傳向大尺度，把初始的隨機性放大。1）、對初始條件的敏感依賴性這是混沌系統(tǒng)的典型特征。初始條件572）、極為有限的可預測性當系統(tǒng)進入混沌過程后，系統(tǒng)或表現(xiàn)為整體的不可預言，或表現(xiàn)為局部的不可預言。混沌研究者們在自然界和社會中發(fā)現(xiàn)了大量混沌現(xiàn)象，如湍流中的旋渦，閃電的分支路徑，流行病的消脹、股市的升降、心臟的纖顫、精神病行為、城鎮(zhèn)空間分布及規(guī)模與數(shù)量等級等等。信息論認為，信息是對事物不確定性的一種量度。信息量大，消除不確定性的程度就大。我們擁有的關于某物的信息越多，對該事物的預測就會更準確。但是，當系統(tǒng)變得混沌以后，它成了一架產生信息的機器，成了連續(xù)的信息源，收集更多的信息變得毫無意義。2）、極為有限的可預測性當系統(tǒng)進入混沌過程后，583）、混沌的內部存在著超載的有序

混沌內部的有序是指混沌內部有結構，而且在不同層次上其結構具有相似性，即所謂的自相似性?；煦鐑炔康挠行蜻€表現(xiàn)為不同系統(tǒng)之間跨尺度的相似性，即所謂普適性。費根鮑姆通過兩種完全不同的反饋函數(shù)Xt+1=rXt(1-Xt)和Xt+1=rsinXt的迭代計算，即取一個數(shù)作輸入，產生另一個數(shù)作輸出，再將前次的輸出作輸入，如此反復迭代計算。當r值較小時，結果趨向一個定數(shù)，當r超過某值時，其軌跡出現(xiàn)分岔。。3）、混沌的內部存在著超載的有序混沌內部的有序是595.1.2生態(tài)系統(tǒng)中的振蕩與混沌令xn和xn+1分別表示親代和子代的種群數(shù)量。很容易看出，xn+1應與xn有關：子代數(shù)量xn+1與親代數(shù)量xn的關系應為5.1.2生態(tài)系統(tǒng)中的振蕩與混沌令xn和xn+160相當于二次函數(shù)迭代由f(x)所實現(xiàn)的映射稱為邏輯斯蒂（logistic）映射。相當于二次函數(shù)迭代由f(x)所實現(xiàn)的映射稱為邏輯斯蒂61第五章-混沌與分形模型初步匯總課件62當時，參數(shù)變化時，長時間xn演化的形態(tài)可以有好多種。時，xn0時，xn周期2，即在兩個值上跳動xn周期4，即在四個值上來回跳動

3.57=

xn混沌吸引子當時，參數(shù)變化時，長時間時，xn635.1.3混沌的其它例子滴水水龍頭5.1.3混沌的其它例子滴水水龍頭64混沌的特征1、對初始條件的敏感依賴性。3、混沌的內部存在著超載的有序。2、極為有限的可預測性?；煦绲奶卣?、對初始條件的敏感依賴性。3、混沌的內部655.1.4混沌判斷---李雅普諾夫指數(shù)穩(wěn)定5.1.4混沌判斷---李雅普諾夫指數(shù)穩(wěn)定66幾種混沌圖片（1）幾種混沌圖片（1）67幾種混沌圖片（2）幾種混沌圖片（2）68幾種混沌圖片（3）幾種混沌圖片（3）69幾種混沌圖片（4）幾種混沌圖片（4）705.2分形（fractal）現(xiàn)象與分形維數(shù)(Mandelprot)曾說過：“浮云不呈球形，山峰不呈錐體，海岸線不是圓圈，樹干不是光溜溜的，閃電永不會沿直線行進”

"Cloudsarenotspheres,mountainsarenotcones,coastlinesarenotcircles,andbarkisnotsmooth,nordoeslightningtravelinastraightline."5.2分形（fractal）現(xiàn)象與分形維數(shù)(Mandel71HowlongisthecoastofBritain?(Science,1967)Thetrueansweris:itdepends!Itdependsonthescaleatwhichyoumeasureit.Beno?tMandelbrot122869定義：部分以某種形式與整體相似的形狀叫做分形。特點：自相似性；無標度。英國的海岸線有多長？HowlongisthecoastofBrita725.2.1自然界分形現(xiàn)象的幾個實例1.菜花形狀的特征5.2.1自然界分形現(xiàn)象的幾個實例1.菜花形狀的特征732.Cantor集合Cantor集合中點數(shù)不可數(shù)（比有理數(shù)還多！），但其區(qū)間長度為零！2.Cantor集合Cantor集合中點數(shù)不可743.Weierstrass函數(shù)其中1<s<2

且，W(x)是處處連續(xù)、處處不可微的函數(shù)。對應s=1.4,

的圖象是3.Weierstrass函數(shù)其中1<s<2且754.VanKoch雪花曲線4.VanKoch雪花曲線765.（兩種不同的雪花結晶照片，由于晶體結晶的起始位置（晶種）具有一定的隨機性，和規(guī)則的分形結構相比這兩個雪花有些“瑕疵”。）5.（兩種不同的雪花結晶照片，由于晶體結晶的77大自然的不規(guī)則性：樹木花草、山川河流、煙霧云彩等是不規(guī)則的。晶體的生長，分子的運動軌跡等也是不規(guī)則的。如何用幾何來描述它？B.Mandelbrot觀察到英國海岸線與VanKoch曲線的關系，提出了一門描述大自然的幾何形態(tài)的學科---分形(Fractal)

大自然的不規(guī)則性：785.2.2隨機分形的幾個例子二維土壤切片的數(shù)字化