stringtranslate.com

аттрактор Рёсслера

Аттрактор Рёсслера
Аттрактор Рёсслера как стереограмма с , ,

Аттрактор Рёсслера ( / ˈ r ɒ s l ər / ) — это аттрактор для системы Рёсслера , системы из трех нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, первоначально изученной Отто Рёсслером в 1970-х годах. [1] [2] Эти дифференциальные уравнения определяют непрерывную во времени динамическую систему , которая демонстрирует хаотическую динамику, связанную с фрактальными свойствами аттрактора. [3] Рёсслер интерпретировал ее как формализацию машины для вытягивания ирисок . [4]

Некоторые свойства системы Рёсслера можно вывести с помощью линейных методов, таких как собственные векторы , но основные характеристики системы требуют нелинейных методов, таких как отображения Пуанкаре и бифуркационные диаграммы . В оригинальной статье Рёсслера говорится, что аттрактор Рёсслера должен был вести себя аналогично аттрактору Лоренца , но также был бы проще для качественного анализа. [1] Орбита внутри аттрактора следует по внешней спирали близко к плоскости вокруг нестабильной неподвижной точки. Как только график достаточно закручивается, вторая неподвижная точка влияет на график, вызывая подъем и поворот в -измерении . Во временной области становится очевидным, что, хотя каждая переменная колеблется в фиксированном диапазоне значений, колебания хаотичны. Этот аттрактор имеет некоторое сходство с аттрактором Лоренца, но он проще и имеет только одно многообразие . Отто Рёсслер разработал аттрактор Рёсслера в 1976 году [1] , но первоначально теоретические уравнения впоследствии оказались полезными при моделировании равновесия в химических реакциях.

Определение

Определяющие уравнения системы Рёсслера: [3]

Рёсслер изучал хаотический аттрактор с , , и , хотя свойства , , и с тех пор использовались чаще. Другая линия пространства параметров была исследована с использованием топологического анализа. Она соответствует , , и была выбрана в качестве параметра бифуркации. [5] То, как Рёсслер открыл этот набор уравнений, было исследовано Летелье и Мессаже. [6]

Анализ устойчивости

плоскость аттрактора Ресслера с , ,

Элегантность аттрактора Рёсслера отчасти обусловлена ​​тем, что два его уравнения являются линейными; установка позволяет исследовать поведение на плоскости

Устойчивость в плоскости затем может быть найдена путем вычисления собственных значений якобиана , которые равны . Из этого мы можем видеть, что при , собственные значения являются комплексными и оба имеют положительный действительный компонент, что делает начало координат неустойчивым с внешней спиралью на плоскости . Теперь рассмотрим поведение плоскости в контексте этого диапазона для . Так что пока меньше , член будет удерживать орбиту близкой к плоскости. По мере того как орбита приближается к большему , значения начинают расти. Однако по мере того как поднимается, в уравнении для останавливает рост в .

Фиксированные точки

Для того чтобы найти неподвижные точки, три уравнения Ресслера устанавливаются в ноль, а координаты ( , , ) каждой неподвижной 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 Рёсслера выше, одна из этих неподвижных точек находится в центре петли аттрактора, а другая лежит относительно далеко от аттрактора.

Собственные значения и собственные векторы

Устойчивость каждой из этих неподвижных точек можно проанализировать, определив их собственные значения и собственные векторы. Начиная с якобиана:

собственные значения можно определить, решив следующее кубическое уравнение:

Для центрально расположенной фиксированной точки исходные значения параметров Ресслера 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 центральных собственных векторов неподвижной точки: Синяя линия соответствует стандартному аттрактору Ресслера, созданному с помощью , , и .
Аттрактор Рёсслера с , ,

Эти собственные векторы имеют несколько интересных следствий. Во-первых, две пары собственных значений/собственных векторов ( и ) отвечают за устойчивое скольжение наружу, которое происходит в основном диске аттрактора. Последняя пара собственных значений/собственных векторов притягивает вдоль оси, которая проходит через центр многообразия, и учитывает движение z, которое происходит внутри аттрактора. Этот эффект примерно продемонстрирован на рисунке ниже.

На рисунке рассматриваются центральные собственные векторы неподвижной точки. Синяя линия соответствует стандартному аттрактору Рёсслера, сгенерированному с помощью , и . Красная точка в центре этого аттрактора — . Красная линия, пересекающая эту неподвижную точку, является иллюстрацией отталкивающей плоскости, сгенерированной и . Зеленая линия является иллюстрацией притягивающего . Пурпурная линия генерируется путем шага назад по времени от точки на притягивающем собственном векторе, которая находится немного выше — она иллюстрирует поведение точек, которые становятся полностью подчиненными этому вектору. Обратите внимание, что пурпурная линия почти касается плоскости аттрактора, прежде чем ее втягивает вверх в неподвижную точку; это говорит о том, что общий вид и поведение аттрактора Рёсслера в значительной степени являются продуктом взаимодействия между притягивающей и отталкивающей плоскостями и . В частности, это означает, что последовательность, генерируемая из уравнений Рёсслера, начнет зацикливаться , начнет втягиваться вверх в вектор, создавая восходящую часть кривой, которая слегка изгибается внутрь по направлению к вектору, прежде чем снова вытолкнется наружу по мере ее притяжения к отталкивающей плоскости.

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

Собственные векторы, соответствующие этим собственным значениям:

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

Карта Пуанкаре

Карта Пуанкаре для аттрактора Рёсслера с , ,

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

Карта Лоренца

Карта Лоренца — это отношение между последовательными максимумами координаты в траектории. Рассмотрим траекторию на аттракторе, и пусть будет n-м максимумом ее x-координаты. Тогда — диаграмма рассеяния — это почти кривая, то есть зная, что можно почти точно предсказать . [8]

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

Картографирование локальных максимумов

против.

В оригинальной статье об аттракторе Лоренца [9] Эдвард Лоренц проанализировал локальные максимумы по сравнению с непосредственно предшествующими локальными максимумами. При визуализации график напоминал карту палатки , подразумевая, что аналогичный анализ может быть использован между картой и аттрактором. Для аттрактора Рёсслера, когда локальный максимум наносится на график по отношению к следующему локальному максимуму, , результирующий график (показанный здесь для , , ) является унимодальным, напоминающим перекошенную карту Хенона . Зная, что аттрактор Рёсслера может быть использован для создания псевдо 1-мерной карты, затем следует использовать аналогичные методы анализа. Бифуркационная диаграмма является особенно полезным методом анализа.

Изменение параметров

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

Бифуркационные диаграммы являются распространенным инструментом для анализа поведения динамических систем , одним из которых является аттрактор Рёсслера. Они создаются путем запуска уравнений системы, удерживая все переменные, кроме одной, постоянными и изменяя последнюю. Затем строится график точек, которые посещает определенное значение измененной переменной после нейтрализации переходных факторов. Хаотические области обозначены заполненными областями графика.

Варьируя а

Здесь фиксируется на 0,2, фиксируется на 5,7 и изменяется. Численное исследование поведения аттрактора при изменении предполагает, что оно оказывает непропорциональное влияние на поведение аттрактора. Результаты анализа таковы:

Варьируется б

Бифуркационная диаграмма для аттрактора Рёсслера для различных

Здесь, фиксируется на 0,2, фиксируется на 5,7 и изменяется. Как показано на прилагаемой диаграмме, по мере приближения к 0 аттрактор стремится к бесконечности (обратите внимание на подъем для очень малых значений ). По сравнению с другими параметрами, варьирование создает больший диапазон, когда будут возникать орбиты периода 3 и периода 6. В отличие от и , более высокие значения сходятся к периоду 1, а не к хаотическому состоянию.

Варьируется c

Бифуркационная диаграмма для аттрактора Рёсслера для различных

Здесь и изменяется. Бифуркационная диаграмма показывает, что низкие значения являются периодическими, но быстро становятся хаотичными по мере увеличения. Эта закономерность повторяется по мере увеличения — есть участки периодичности, перемежающиеся периодами хаоса, и тенденция направлена ​​к орбитам с более высокими периодами по мере увеличения. Например, орбита периода один появляется только для значений около 4 и никогда больше не встречается на бифуркационной диаграмме. То же явление наблюдается с периодом три; 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.

Варьируется c

Вышеприведенный набор изображений иллюстрирует изменения в постпереходной системе Ресслера, которые изменяются 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 численно вывести с помощью метода Ньютона . Периодические орбиты являются корнями функции , где — эволюция по времени , а — тождество. Поскольку большая часть динамики происходит в плоскости xy, периодические орбиты можно затем классифицировать по их числу витков вокруг центрального равновесия после проекции.

Таблица периодических орбит по числу витков k
Время не в масштабе. Были использованы исходные параметры (a,b,c) = (0.2,0.2,5.7).

Из численных экспериментов следует, что существует уникальная периодическая орбита для всех положительных чисел обмотки. Это отсутствие вырожденности, вероятно, происходит из-за отсутствия симметрии в задаче. Аттрактор можно разбить на более простые для понимания инвариантные многообразия : одномерные периодические орбиты и двумерные устойчивые и неустойчивые многообразия периодических орбит. Эти инвариантные многообразия являются естественным скелетом аттрактора, так же как рациональные числа являются скелетом действительных чисел .

Для целей теории динамических систем , можно было бы заинтересоваться топологическими инвариантами этих многообразий. Периодические орбиты являются копиями вложенных в , поэтому их топологические свойства можно понять с помощью теории узлов . Периодические орбиты с числами намотки 1 и 2 образуют зацепление Хопфа , показывая, что никакой диффеоморфизм не может разделить эти орбиты.

Ссылки на другие темы

Очевидная полосатость в аттракторе Рёсслера похожа на множество Кантора , вращающееся вокруг своей средней точки. Кроме того, полуповорот, который происходит в аттракторе Рёсслера, влияет только на часть аттрактора. Рёсслер показал, что его аттрактор на самом деле является комбинацией «нормальной ленты» и ленты Мёбиуса . [10]

Ссылки

  1. ^ abc Рёсслер, OE (1976), "Уравнение для непрерывного хаоса", Physics Letters , 57A (5): 397–398, Bibcode : 1976PhLA...57..397R, doi : 10.1016/0375-9601(76)90101-8.
  2. ^ Рёсслер, OE (1979), «Уравнение для гиперхаоса», Physics Letters , 71A (2, 3): 155–157, Bibcode : 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. Дютертр; Б. Мае (1995). «Неустойчивые периодические орбиты и шаблоны системы Рёсслера: к систематической топологической характеристике». Хаос . 5 (1): 272–281. Bibcode :1995Chaos...5..271L. doi : 10.1063/1.166076 . PMID  12780181.
  6. ^ Летелье, К.; В. Мессаже (2010). «Влияния на раннюю работу Отто Э. Рёсслера о хаосе». Международный журнал бифуркации и хаоса . 20 (11): 3585–3616. Bibcode : 2010IJBC...20.3585L. doi : 10.1142/s0218127410027854.
  7. ^ Мартинес-Арано, Х.; Гарсия-Перес, Б. Э.; Видалес-Уртадо, М. А.; Трехо-Вальдес, М.; Эрнандес-Гомес, Л. Х.; Торрес-Торрес, К. (2019). «Хаотические сигнатуры, проявляемые плазмонными эффектами в наночастицах золота с ячейками». Датчики . 19 (21): 4728. Bibcode : 2019Senso..19.4728M . doi : 10.3390/s19214728 . PMC 6864870. PMID  31683534. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  8. ^ Олсен, Ларс Фолке; Дегн, Ханс (май 1985). «Хаос в биологических системах». Quarterly Reviews of Biophysics . 18 (2): 165–225. doi :10.1017/S0033583500005175. ISSN  1469-8994. PMID  3912797.
  9. ^ Лоренц, EN (1963), "Детерминированный непериодический поток", J. Atmos. Sci. , 20 (2): 130–141, Bibcode :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