吸引子 (Attractor )是微积分 和系统科学 论中的一个概念。一个系统有朝某个稳态 发展的趋势,这个稳态就叫做吸引子。
吸引子分为平庸吸引子 和奇异吸引子 (Strange Attractor)。例如一个钟摆系统,它有一个平庸吸引子,这个吸引子使钟摆系统向停止晃动的稳态发展。平庸吸引子有不动点(平衡)、极限环(周期运动)和整数维环面(概周期运动)三种模式。而不属于平庸的吸引子的都称为奇异吸引子,它表现了混沌系统中非周期性,无序的系统状态,例如天气系统。
对于吸引子,学术上并没有完善的定义,目前仅处于概念阶段。吸引子中的奇异吸引子对于混沌系统 的研究意义重大。
定義
設
t
{\displaystyle t}
代表時間、
f
(
t
,
⋅
)
{\displaystyle f(t,\cdot )}
是用來確定動態系統 狀態的函數。也就是說,如果
a
{\displaystyle a}
是
n
{\displaystyle n}
維相空間 的一個點,代表系統的初始狀態,則
f
(
0
,
a
)
=
a
{\displaystyle f(0,a)=a}
且對每個正實數
t
{\displaystyle t}
有
f
(
t
,
a
)
{\displaystyle f(t,a)}
代表經過
t
{\displaystyle t}
單位時間後的狀態。舉例來說,如果一系統描述一維上某不受力粒子的演進,此時相空間 是平面
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
,其坐標
(
x
,
v
)
{\displaystyle (x,v)}
中的
x
{\displaystyle x}
是粒子的位置 ,
v
{\displaystyle v}
是粒子的速度 。那麼就有
f
(
t
,
(
x
,
v
)
)
=
(
x
+
t
v
,
v
)
.
{\displaystyle f(t,(x,v))=(x+tv,v).\ }
而吸子 是相空間 中的子集
A
{\displaystyle A}
,並有以下幾個特徵:
A
{\displaystyle A}
在
f
{\displaystyle f}
下不隨時間變化,從而如果
a
∈
A
{\displaystyle a\in A}
就有
f
(
t
,
a
)
∈
A
{\displaystyle f(t,a)\in A}
對所有正實數
t
{\displaystyle t}
。
存在
A
{\displaystyle A}
的鄰域
B
(
A
)
{\displaystyle B(A)}
(英文是basin of attraction),使得該域中任何點在時間趨於無限時都會趨近
A
{\displaystyle A}
,或者更精準的是滿足以下敘述: 對任何
A
{\displaystyle A}
的鄰域
N
{\displaystyle N}
和
b
∈
B
(
A
)
{\displaystyle b\in B(A)}
,存在正實數
T
{\displaystyle T}
使得
f
(
t
,
b
)
∈
N
{\displaystyle f(t,b)\in N}
對所有
t
>
T
{\displaystyle t>T}
。 不存在
A
{\displaystyle A}
的非空 子集可以取代
A
{\displaystyle A}
滿足前面兩點性質。 吸子還有許多其它種的定義,例如有些作者要求吸子有正的測度 (以避免吸子中只有一個點),但其他作者只要求
B
(
A
)
{\displaystyle B(A)}
是鄰域[1] 。
種類
吸子是動態系統 中相空間 的子集 。在西元1960年代前,吸子仍被認為有「簡單的」幾何形狀,例如點、直線、平面等。但吸子的形狀事實上可能相當複雜, 斯梅爾 證明其馬蹄映射 的吸子有康托尔集 的結構。
兩種簡單的吸子是不動點和極限環。也有的吸子無法使用基本的幾何物件的組合來描述,那麼他就被稱作奇異吸子。
不動點
有限個點
極限環
極限環面
奇異吸子
勞侖次奇異吸子的圖,其中用到參數ρ=28, σ = 10, β = 8/3。
一個吸子被稱為奇異 (strange )如果他具有碎形 結構[2] ,這常常出現在動態系統 是混亂的 時,但奇異非混亂吸子也是存在的。
若一奇異吸子是混沌的,則其對初始條件 敏感。也就是任意兩個極為接近的初始點,在一定數量的疊代 運算後,兩者可以相距甚遠;也可以再經過一定數量的疊代運算後又變得極為靠近。也因此,一個具有混沌吸子的動態系統在局域是不穩定的,然而廣域來看卻可以是穩定的,因為這些動態點再怎麼彼此分離,也都不會離開吸子。
奇異吸子 這個詞最早是由呂埃勒 與Floris Takens 所命名,用以描述流體系統經一連串分岔 所產生的吸子結果。[3]
奇異吸子在一些方向上常是可微 的,但一些例子則如同康托塵 則不可微。奇異吸子亦可出現在有雜訊 的場合。[4]
奇異吸子的例子包括多卷波混沌吸引子 、艾儂吸子 、熱斯勒吸子 ,以及勞侖次吸子 。
參考資料
^ Milnor, J. (1985). "On the Concept of Attractor." Comm. Math. Phys 99: 177–195.
^ Boeing, G. Visual Analysis of Nonlinear Dynamical Systems: Chaos, Fractals, Self-Similarity and the Limits of Prediction . Systems. 2016, 4 (4): 37 [2016-12-02 ] . arXiv:1608.04416 . doi:10.3390/systems4040037 . (原始内容存档 于2016-12-03).
^ Ruelle, David; Takens, Floris. On the nature of turbulence . Communications in Mathematical Physics. 1971, 20 (3): 167–192 [2019-07-22 ] . doi:10.1007/bf01646553 . (原始内容存档 于2015-06-23).
^ Chekroun M. D., Simonnet E., and Ghil M. Stochastic climate dynamics: Random attractors and time-dependent invariant measures. Physica D. 2011, 240 (21): 1685–1700. doi:10.1016/j.physd.2011.06.005 .