《物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）非线性电路与混沌

非线性电路与泥沌

非线性电路与混沌

目录 引言 混沌的发现 、混沌运动的主要特征 四、倍周期分叉、阵发混沌和奇怪吸引子 五、实验原理、仪器介绍、内容和现象 六、混沌和现代科学

—— 目 录 —— 二、混沌的发现 四、倍周期分叉、阵发混沌和奇怪吸引子 三、混沌运动的主要特征 五、实验原理、仪器介绍、内容和现象 六、混沌和现代科学 一、引言

引言 非线性特性才是自然界的基本特 性和本质存在 ◇混沌学揭示的随机性存在于确定 性之中的这一科学事实,最有力的 说明客观实体可以兼有确定性和随 机性

引 言 ❖非线性特性才是自然界的基本特 性和本质存在 ❖混沌学揭示的随机性存在于确定 性之中的这一科学事实，最有力的 说明客观实体可以兼有确定性和随 机性

湿冲现象的发现 公认的最早发现混沌的是伟大的法国数学家, 物理学家一庞加莱,他是在研究天体力学,特别 是在研究三体问题时发现混沌的。他发现三体引 力相互作用能产生惊人的复杂行为,确定性动力 学方程的某些解有不可预见性。他在《科学的价 值》一书中写道:“初始条件的微小差别在最后 的现象中产生了极大的差别;前者的微小误差促 成了后者的巨大误差,于是预言变的不可能了 这些描述实际上已经蕴涵了“确定性系统具有内 在的随机性”这一混沌现象的重要特征

混沌现象的发现 公认的最早发现混沌的是伟大的法国数学家， 物理学家—庞加莱，他是在研究天体力学，特别 是在研究三体问题时发现混沌的。他发现三体引 力相互作用能产生惊人的复杂行为，确定性动力 学方程的某些解有不可预见性。他在《科学的价 值》一书中写道：“初始条件的微小差别在最后 的现象中产生了极大的差别；前者的微小误差促 成了后者的巨大误差，于是预言变的不可能了”。 这些描述实际上已经蕴涵了“确定性系统具有内 在的随机性”这一混沌现象的重要特征

混地运动的主要特征 初值敏感性 长期行为的不可预见性 (例:洛仑兹的天气模型 下一页

混沌运动的主要特征 ➢ 初值敏感性 ➢ 长期行为的不可预见性 （例：洛仑兹的天气模型） 下一页

MN 看两条轨道是如何分道扬镳的 (初值分别为0506,0.506127)

看两条轨道是如何分道扬镳的 （初值分别为0.506，0.506127）

倍周期分含 解释倍周期分岔现象,我们从混沌描述中最重要的的一维 非线性迭代方程式入手。这类方程中最有典型意义的是虫口方程 n+ 式中的是与虫口增长率有关的控制参数,同时它的大小也 反映了系统非线性的强弱。当1<λ≤3时,不管初值是多少, 经过足够长的迭代,结果都会达到同一个确定值→1-1/ 这个值就叫做周期一或不动点,我们可以把这一结果想象成每 年的虫口都一样 下一页

倍周期分岔 解释倍周期分岔现象，我们从混沌描述中最重要的的一维 非线性迭代方程式入手。这类方程中最有典型意义的是虫口方程。 (1 ) n 1 n n x = x − x +  式中的  是与虫口增长率有关的控制参数，同时它的大小也 反映了系统非线性的强弱。当 时，不管初值是多少， 经过足够长的迭代，结果都会达到同一个确定值 1   3 x  →1−1/ 这个值就叫做周期一或不动点，我们可以把这一结果想象成每 年的虫口都一样。 下一页

继续增大参数λ,当入>3,周期一点不再稳 定。初值稍有变化,迭代的结果就再也不会 回到周期一点1-1八,而出现了周期 例如: 当=3时,0.7是周期一点。现用0669去 迭代,就会出现周期二。迭代情况如下: 0.669-0.738-0.644--0.764-0.601-0.799 0.545--0.829-0.472--0.830--0469-0.830 0.470--0.830--0.470 下一页

继续增大参数，当>3，周期一点不再稳 定。初值稍有变化，迭代的结果就再也不会 回到周期一点 1-1/，而出现了周期二。 例如： 当= 时，0.7是周期一点。现用0.669去 迭代，就会出现周期二。迭代情况如下： 0.669---0.738---0.644---0.764---0.601---0.799--- 0.545---0.829---0.472---0.830---0.469---0.830--- 0.470---0.830---0.470…… 3 下一页 3 1 3

现在,让参数λ再增大,当λ=3.449时,周期二解 也变的不稳定了,取而代之的是稳定的周期四解。当 参数继续增大,使得λ=3.544时,周期四解又变的不稳 定了,取而代之的是稳定的周期八解。一直迭代下去 还会出现周期十六、周期三十二等等。这就是著名的 倍周期分岔现象。 值得注意的是,周期倍增过程没有限制,可以 直这样分下去,但对应的入值却有一个极限入,到达 υ时,迭代的稳定解是2∞周期解-周期无穷大,也就 是没有周期。所以这时得到的是非周期解,迭代的数 据到处乱跑,无法把握,系统进入混沌状态 倍周期分岔产生的混沌,在心脏生理学方面有潜 在的应用价值。心律不齐,心肌梗塞这些医学难题, 有可能找到正确的答案。 下一页

现在，让参数再增大，当=3.449时，周期二解 也变的不稳定了，取而代之的是稳定的周期四解。当 参数继续增大，使得=3.544时，周期四解又变的不稳 定了，取而代之的是稳定的周期八解。一直迭代下去， 还会出现周期十六、周期三十二等等。这就是著名的 倍周期分岔现象。 值得注意的是，周期倍增过程没有限制，可以一 直这样分下去，但对应的值却有一个极限, ，到达 , 时，迭代的稳定解是2 周期解---周期无穷大，也就 是没有周期。所以这时得到的是非周期解，迭代的数 据到处乱跑，无法把握，系统进入混沌状态。 倍周期分岔产生的混沌，在心脏生理学方面有潜 在的应用价值。心律不齐，心肌梗塞这些医学难题， 有可能找到正确的答案。 下一页

SP 6p 2P 2.92H l 3.92 倍周期分岔图

倍周期分岔图