stringtranslate.com

Аттрактор Ресслера

Аттрактор Ресслера
Аттрактор Ресслера как стереограмма с , ,

Аттрактор Ресслера / ˈ r ɒ s l ər / — это аттрактор системы Ресслера , системы трёх нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, первоначально изученной Отто Рёсслером в 1970-х годах. [1] [2] Эти дифференциальные уравнения определяют динамическую систему с непрерывным временем , которая демонстрирует хаотическую динамику, связанную с фрактальными свойствами аттрактора. [3] Рёсслер интерпретировал это как формализацию машины по вытягиванию ириски . [4]

Некоторые свойства системы Рёсслера можно вывести с помощью линейных методов, таких как собственные векторы , но основные особенности системы требуют нелинейных методов, таких как карты Пуанкаре и бифуркационные диаграммы . В оригинальной статье Рёсслера говорится, что аттрактор Рёсслера должен был вести себя аналогично аттрактору Лоренца , но при этом его было легче анализировать качественно. [1] Орбита внутри аттрактора следует по внешней спирали, близкой к плоскости , вокруг нестабильной фиксированной точки. Как только график достаточно сильно раскручивается, на него начинает влиять вторая фиксированная точка, вызывая подъем и скручивание -мерности . Во временной области становится очевидным, что, хотя каждая переменная колеблется в пределах фиксированного диапазона значений, колебания хаотичны. Этот аттрактор имеет некоторое сходство с аттрактором Лоренца, но проще и имеет только одно многообразие . Отто Рёсслер разработал аттрактор Рёсслера в 1976 году [1] , но позже было обнаружено, что первоначально теоретические уравнения полезны при моделировании равновесия в химических реакциях.

Определение

Определяющими уравнениями системы Ресслера являются: [3]

Рёсслер изучал хаотический аттрактор с , , и , хотя с тех пор свойства , , и стали использоваться чаще. Другая линия пространства параметров была исследована с помощью топологического анализа. Он соответствует , , и был выбран в качестве параметра бифуркации. [5] Как Рёсслер открыл этот набор уравнений, исследовали Летелье и Мессагер. [6]

Анализ стабильности

плоскость аттрактора Ресслера с , ,

Элегантность аттрактора Ресслера отчасти объясняется тем, что два его уравнения являются линейными; настройка позволяет проверить поведение в самолете

Устойчивость на плоскости затем можно найти , вычислив собственные значения якобиана , которые равны . Отсюда мы видим, что когда собственные значения являются комплексными и оба имеют положительную действительную составляющую, что делает начало координат неустойчивым с направленной наружу спиралью на плоскости . Теперь рассмотрим поведение плоскости в контексте этого диапазона для . Таким образом, пока он меньше , этот член будет сохранять орбиту близкой к плоскости. Когда орбита приближается к величине, превышающей , значения - начинают расти. Однако по мере подъема в уравнении для останавливается рост .

Фиксированные точки

Чтобы найти неподвижные точки, три уравнения Ресслера приравниваются к нулю, а координаты ( , , ) каждой фиксированной точки определяются путем решения полученных уравнений. Это дает общие уравнения каждой из координат неподвижной точки: [7]

Что, в свою очередь, можно использовать для отображения фактических фиксированных точек для заданного набора значений параметров:

Как показано на общих графиках аттрактора Ресслера выше, одна из этих фиксированных точек находится в центре петли аттрактора, а другая находится относительно далеко от аттрактора.

Собственные значения и собственные векторы

Стабильность каждой из этих фиксированных точек можно проанализировать путем определения их соответствующих собственных значений и собственных векторов. Начиная с якобиана:

собственные значения можно определить, решив следующую кубику:

Для центральной фиксированной точки исходные значения параметров Рёсслера a = 0,2, b = 0,2 и c = 5,7 дают собственные значения:

Величина отрицательного собственного значения характеризует уровень притяжения вдоль соответствующего собственного вектора. Аналогично величина положительного собственного значения характеризует уровень отталкивания вдоль соответствующего собственного вектора.

Собственные векторы, соответствующие этим собственным значениям:

Исследование собственных векторов центральной фиксированной точки: синяя линия соответствует стандартному аттрактору Ресслера, сгенерированному с помощью , и .
Аттрактор Ресслера с , ,

Эти собственные векторы имеют несколько интересных последствий. Во-первых, две пары собственное значение/собственный вектор ( и ) отвечают за устойчивое скольжение наружу, которое происходит в главном диске аттрактора. Последняя пара собственное значение/собственный вектор притягивается вдоль оси, проходящей через центр многообразия и отвечающей за движение z, происходящее внутри аттрактора. Этот эффект примерно продемонстрирован на рисунке ниже.

На рисунке показаны центральные собственные векторы с фиксированной точкой. Синяя линия соответствует стандартному аттрактору Ресслера, созданному с помощью , и . Красная точка в центре этого аттрактора . Красная линия, пересекающая эту фиксированную точку, иллюстрирует отталкивающую плоскость, создаваемую и . Зеленая линия — иллюстрация притяжения . Пурпурная линия создается путем перехода назад во времени от точки притягивающего собственного вектора, которая находится немного выше — она иллюстрирует поведение точек, в которых этот вектор полностью доминирует. Обратите внимание, что пурпурная линия почти касается плоскости аттрактора, прежде чем ее потянет вверх в фиксированную точку; это говорит о том, что общий вид и поведение аттрактора Ресслера во многом являются продуктом взаимодействия притягивающего , отталкивающего и плоскости. В частности, это означает, что последовательность, сгенерированная из уравнений Ресслера, начнет зацикливаться , начнет втягиваться вверх в вектор, создавая восходящее плечо кривой, которое слегка изгибается внутрь по направлению к вектору, а затем снова выталкивается наружу по мере того, как оно тянется обратно к вектору. отталкивающая плоскость.

Для фиксированной точки выброса исходные значения параметров Рёсслера , и дают собственные значения:

Собственные векторы, соответствующие этим собственным значениям:

Хотя эти собственные значения и собственные векторы существуют в аттракторе Ресслера, их влияние ограничивается итерациями системы Ресслера, начальные условия которых находятся в общей близости от этой фиксированной точки выброса. За исключением тех случаев, когда начальные условия лежат на притягивающей плоскости, порожденной и , это влияние фактически включает в себя подталкивание результирующей системы к общему аттрактору Ресслера. По мере приближения результирующей последовательности к центральной неподвижной точке и самому аттрактору влияние этой удаленной фиксированной точки (и ее собственных векторов) будет ослабевать.

Карта Пуанкаре

Отображение Пуанкаре для аттрактора Ресслера с , ,

Карта Пуанкаре строится путем нанесения значения функции каждый раз, когда она проходит через заданную плоскость в определенном направлении. Примером может служить отображение значения каждый раз, когда оно проходит через плоскость, где оно меняется с отрицательного на положительное, что обычно делается при изучении аттрактора Лоренца. В случае аттрактора Ресслера плоскость неинтересна, поскольку отображение всегда пересекает плоскость из -за природы уравнений Ресслера. В плоскости для , , карта Пуанкаре показывает подъем значений по мере увеличения, как и следовало ожидать из-за подъема и скручивания участка графика Ресслера. Количество точек на этом конкретном графике Пуанкаре бесконечно, но когда используется другое значение, количество точек может меняться. Например, при значении 4 на карте Пуанкаре есть только одна точка, поскольку функция дает периодическую орбиту с периодом один, или, если установлено значение 12,8, будет шесть точек, соответствующих орбите с периодом шесть. .

Карта Лоренца

Отображение Лоренца — это связь между последовательными максимумами координаты на траектории. Рассмотрим траекторию на аттракторе, и пусть – n-й максимум ее координаты x. Тогда - диаграмма рассеяния представляет собой почти кривую, а это означает, что, зная, можно почти точно предсказать . [8]

Отображение Лоренца для аттрактора Ресслера с a = 0,2, b = 0,2, c = 5.

Отображение локальных максимумов

против.

В оригинальной статье об аттракторе Лоренца [9] Эдвард Лоренц проанализировал локальные максимумы в сравнении с непосредственно предшествующими локальными максимумами. При визуализации график напоминал карту палатки , подразумевая, что аналогичный анализ можно использовать между картой и аттрактором. Для аттрактора Ресслера, когда локальный максимум отображается в зависимости от следующего локального максимума, результирующий график (показанный здесь для , , ) является унимодальным, напоминающим перекошенную карту Энона . Зная, что аттрактор Ресслера можно использовать для создания псевдоодномерного отображения, следует использовать аналогичные методы анализа. Бифуркационная диаграмма является особенно полезным методом анализа.

Изменение параметров

Поведение аттрактора Ресслера во многом зависит от значений его постоянных параметров , , и . В общем, изменение каждого параметра имеет сопоставимый эффект, заставляя систему сходиться к периодической орбите, фиксированной точке или уходить в бесконечность, однако конкретные диапазоны и вызванное поведение существенно различаются для каждого параметра. Периодические орбиты или «единичные циклы» системы Ресслера определяются количеством петель вокруг центральной точки, которые происходят до того, как серия петель начинает повторяться.

Бифуркационные диаграммы — распространенный инструмент анализа поведения динамических систем , одним из которых является аттрактор Ресслера. Они создаются путем выполнения уравнений системы, в которых все переменные, кроме одной, остаются постоянными и варьируется последняя. Затем строится график точек, которые посещает конкретное значение измененной переменной после нейтрализации переходных факторов. Хаотические регионы обозначены заполненными областями графика.

Изменение

Здесь зафиксировано значение 0,2, зафиксировано значение 5,7 и изменено. Численное исследование поведения аттрактора при изменении показывает, что оно оказывает непропорциональное влияние на поведение аттрактора. Результаты анализа:

Варьирование б

Бифуркационная диаграмма аттрактора Ресслера при изменении

Здесь зафиксировано значение 0,2, зафиксировано значение 5,7 и изменено. Как показано на прилагаемой диаграмме, по мере приближения к 0 аттрактор приближается к бесконечности (обратите внимание на подъем при очень малых значениях ). По сравнению с другими параметрами, изменение создает больший диапазон, когда будут происходить орбиты периода 3 и периода 6. В отличие от и более высокие значения сходятся к периоду-1, а не к хаотическому состоянию.

Варьирование c

Бифуркационная диаграмма аттрактора Ресслера при изменении

Вот и изменения. Бифуркационная диаграмма показывает, что низкие значения являются периодическими, но по мере увеличения быстро становятся хаотичными . Эта картина повторяется по мере увеличения – существуют участки периодичности, перемежающиеся периодами хаоса, и по мере увеличения наблюдается тенденция к орбитам с более высоким периодом. Например, орбита с периодом один появляется только для значений около 4 и больше никогда не встречается на бифуркационной диаграмме. То же явление наблюдается и в третьем периоде; до тех пор , пока можно найти орбиты периода три, но после этого они не появляются.

Графическая иллюстрация изменения аттрактора в диапазоне значений иллюстрирует общее поведение, наблюдаемое для всех этих анализов параметров – частые переходы между периодичностью и апериодичностью.

Варьирование c

Приведенный выше набор изображений иллюстрирует изменения в постпереходной системе Ресслера, которые варьируются в диапазоне значений. Эти изображения были созданы с помощью .

Периодические орбиты

Аттрактор плотно заполнен периодическими орбитами : решениями, для которых существует ненулевое значение такое, что . Эти интересные решения можно получить численно с помощью метода Ньютона . Периодические орбиты являются корнями функции , где – эволюция по времени , – тождество. Поскольку большая часть динамики происходит в плоскости xy, периодические орбиты можно классифицировать по числу их витков вокруг центрального равновесия после проецирования.

Таблица периодических орбит по номеру витка k
Время не масштабируется. Использовались исходные параметры (a,b,c) = (0,2,0,2,5,7).

Численные эксперименты показывают, что существует уникальная периодическая орбита для всех положительных чисел витков. Отсутствие вырождения, вероятно, связано с отсутствием симметрии задачи. Аттрактор можно разделить на более простые для понимания инвариантные многообразия : одномерные периодические орбиты и двумерные стабильные и нестабильные многообразия периодических орбит. Эти инвариантные многообразия являются естественным скелетом аттрактора, точно так же, как рациональные числа являются действительными числами .

Для целей теории динамических систем могут быть интересны топологические инварианты этих многообразий. Периодические орбиты являются копиями вложенных в , поэтому их топологические свойства можно понять с помощью теории узлов . Периодические орбиты с номерами витков 1 и 2 образуют зацепление Хопфа , показывая, что никакой диффеоморфизм не может разделить эти орбиты.

Ссылки на другие темы

Полосы, наблюдаемые в аттракторе Ресслера, аналогичны канторовскому множеству, повернутому вокруг своей средней точки. Кроме того, полуповорот, происходящий в аттракторе Ресслера, затрагивает только часть аттрактора. Ресслер показал, что его аттрактор на самом деле представляет собой комбинацию «нормальной ленты» и ленты Мёбиуса . [10]

Рекомендации

  1. ^ abc Rössler, OE (1976), «Уравнение непрерывного хаоса», Physics Letters , 57A (5): 397–398, Бибкод : 1976PhLA...57..397R, doi : 10.1016/0375-9601(76) 90101-8.
  2. ^ Рёсслер, О.Э. (1979), «Уравнение гиперхаоса», Physics Letters , 71A (2, 3): 155–157, Бибкод : 1979PhLA...71..155R, doi : 10.1016/0375-9601(79) 90150-6.
  3. ^ аб Пейтген, Хайнц-Отто ; Юргенс, Хартмут ; Саупе, Дитмар (2004), «12.3 Аттрактор Ресслера», Хаос и фракталы: новые рубежи науки , Springer, стр. 636–646..
  4. ^ Рёсслер, Отто Э. (1 июля 1983). «Хаотическая иерархия». Zeitschrift für Naturforschung A. 38 (7): 788–801. дои : 10.1515/zna-1983-0714 . ISSN  1865-7109.
  5. ^ Летелье, К.; П. Дутертр; Б. Маэ (1995). «Нестабильные периодические орбиты и шаблоны системы Ресслера: к систематической топологической характеристике». Хаос . 5 (1): 272–281. Бибкод : 1995Хаос...5..271Л. дои : 10.1063/1.166076 . ПМИД  12780181.
  6. ^ Летелье, К.; В. Мессагер (2010). «Влияние на самую раннюю статью Отто Э. Рёсслера о хаосе». Международный журнал бифуркации и хаоса . 20 (11): 3585–3616. Бибкод : 2010IJBC...20.3585L. дои : 10.1142/s0218127410027854.
  7. ^ Мартинес-Арано, Х.; Гарсиа-Перес, Бельгия; Видалес-Уртадо, Массачусетс; Трехо-Вальдес, М.; Эрнандес-Гомес, Л.Г.; Торрес-Торрес, К. (2019). «Хаотические сигнатуры, проявляемые плазмонными эффектами в наночастицах Au с клетками». Датчики . 19 (21): 4728. Бибкод : 2019Senso..19.4728M. дои : 10.3390/s19214728 . ПМК 6864870 . ПМИД  31683534. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  8. ^ Олсен, Ларс Фольке; Дегн, Ганс (май 1985 г.). «Хаос в биологических системах». Ежеквартальные обзоры биофизики . 18 (2): 165–225. дои : 10.1017/S0033583500005175. ISSN  1469-8994.
  9. ^ Лоренц, Э.Н. (1963), «Детерминированный непериодический поток», J. Atmos. наук. , 20 (2): 130–141, Бибкод : 1963JAtS...20..130L, doi : 10.1175/1520-0469(1963)020<0130:DNF>2.0.CO;2.
  10. ^ Рёсслер, Отто Э. (1976). «Хаотическое поведение в простой реакционной системе». Zeitschrift für Naturforschung A. 31 (3–4): 259–264. Бибкод : 1976ZNatA..31..259R. дои : 10.1515/zna-1976-3-408 .

Внешние ссылки