Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Динамический хаос (ИПИС, ФКС)

.pdf
Скачиваний:
64
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
5.81 Mб
Скачать

2) 0, , – предельный цикл (cм. рис. 114).

Рис. 114. Аттрактор в виде предельного цикла в трёхмерном фазовом пространстве.

3) 0,0, – двумерный тор (cм. рис. 115).

Рис. 115. Аттрактор в виде двумерного тора в трёхмерном фазовом пространстве.

4) ,0, – странный аттрактор (cм. рис. 116).

Рис. 116. Странный аттрактор в трёхмерном фазовом пространстве.

Для больших размерностей фазового пространства количество возможностей увеличивается. Например, при N 4 , помимо странного аттрактора с сигнатурой ,0, , , может существовать аттрактор с двумя положительными ляпуновскими показателями , ,0, – гиперхаос.

Ляпуновские показатели отображений

Рассмотрим динамическую систему, заданную рекуррентным отображением вида

 

 

xn 1 f (xn )

,

(254)

где

x N -мерный вектор,

n – индекс, обозначающий

дискретное время.

 

 

 

Пусть xn

и yn xn xn

две

близкие

траектории

динамической системы (254) при немного различающихся

начальных условиях. Подставим выражение

для yn в

отображение (254) и разложим правую часть в ряд Тейлора

по

xn.

 

 

 

 

В результате получим

 

xn 1 xn 1 f (xn ) a xn ,

(255)

где a a(xn ) – матрица, составленная из частных производных от компонент векторной функции f (x) по компонентам вектора x :

 

f1

 

x

 

1

 

f2

 

x1

a

 

 

 

fN

 

 

x

 

1

f1

x2

f2

x2

fN

x2

f1

xN

f2

xN

fN

xN

. (256)

Пренебрегая членами второго и более высокого порядка по xn и учитывая, что xn удовлетворяет уравнению (254), находим, что эволюция малого возмущения в линейном приближении описывается уравнением

xn 1 a xn .

(257)

Это позволяет ввести понятие о ляпуновских показателях по аналогии с тем, как это было сделано для потоков (241). Под ляпуновским показателем траектории xn будем понимать величину

lim 1 ln

xn

,

(258)

n n

 

 

 

где черта означает верхний предел.

В частном случае одномерных отображений

xn 1 f (xn )

уравнение (257) принимает вид

 

xn 1 f (xn ) xn .

(259)

Тогда

xn f (xn 1 ) xn 1 f (xn 1 ) f (xn 2 )xn 2

f (xn 1 ) f (xn 2 ) f (x1 ) f (x0 )x0 .

В итоге

 

n 1

 

xn

f (xi ) x0 .

(260)

i 0

Следовательно, ляпуновский показатель, согласно (258), будет равен

lim

1

ln xn

lim

1 n 1

f (xi )

 

 

ln

. (261)

n n

 

n n i 0

 

 

Примеры аналитического расчёта ляпуновских показателей

1. Отображение «зуб пилы»

x

 

2x ,

0 x

0,5

 

 

 

 

n

n

 

1

.

(262)

n 1

2xn 1,

0,5 xn

 

 

Из (262) видно, что производная f (x), везде, где она определена, равна 2, так что из (261) получаем

lim 1

n 1

f (xi ) lim 1

n 1

 

 

 

ln

ln 2 lim 1

(n ln 2)

ln 2 0,6931 .

n n i 0

n n i 0

n n

 

 

Отсюда можно сделать вывод, что т.к. 0 , то рассматриваемое отображение обладает хаотической динамипкой.