吸引子

✍ dations ◷ 2025-07-11 17:21:02 #吸子

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。

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。

t {\displaystyle t} 代表时间、 f ( t , ) {\displaystyle f(t,\cdot )} 是用来确定动态系统状态的函数。也就是说,如果 a {\displaystyle a} n {\displaystyle n} 维相空间的一个点,代表系统的初始状态,则 f ( 0 , a ) = a {\displaystyle f(0,a)=a} 且对每个正实数 t {\displaystyle t} f ( t , a ) {\displaystyle f(t,a)} 代表经过 t {\displaystyle t} 单位时间后的状态。举例来说,如果一系统描述一维上某不受力粒子的演进,此时相空间是平面 R 2 {\displaystyle \mathbb {R} ^{2}} ,其坐标 ( 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。那么就有

而吸引子是相空间中的子集 A {\displaystyle A} ,并有以下几个特征:

吸引子还有许多其它种的定义,例如有些作者要求吸引子有正的测度(以避免吸引子中只有一个点),但其他作者只要求 B ( A ) {\displaystyle B(A)} 是邻域。

吸引子是动态系统中相空间的子集。在公元1960年代前,吸引子仍被认为有“简单的”几何形状,例如点、直线、平面等。但吸引子的形状事实上可能相当复杂, 斯梅尔证明其马蹄映射的吸引子有康托尔集的结构。

两种简单的吸引子是不动点和极限环。也有的吸引子无法使用基本的几何物件的组合来描述,那么他就被称作奇异吸引子。

一个吸引子被称为奇异(strange)如果他具有分形结构,这常常出现在动态系统是混乱的时,但奇异非混乱吸引子也是存在的。

若一奇异吸引子是混沌的,则其对初始条件敏感。也就是任意两个极为接近的初始点,在一定数量的迭代运算后,两者可以相距甚远;也可以再经过一定数量的迭代运算后又变得极为靠近。也因此,一个具有混沌吸引子的动态系统在局域是不稳定的,然而广域来看却可以是稳定的,因为这些动态点再怎么彼此分离,也都不会离开吸引子。

奇异吸引子这个词最早是由吕埃勒与Floris Takens(英语:Floris Takens)所命名,用以描述流体系统经一连串分岔所产生的吸引子结果。

奇异吸引子在一些方向上常是可微的,但一些例子则如同康托尘则不可微。奇异吸引子亦可出现在有噪声的场合。

奇异吸引子的例子包括多卷波混沌吸引子、艾侬吸引子、热斯勒吸引子,以及洛伦茨吸引子。

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