Модель лоренца. «Моделирование аттрактора Лоренца. Инструменты теории хаоса

И все траектории из некоторой окрестности texvc стремятся к Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): L при Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): t\to\infty (отсюда название).

Аттрактор Лоренца был найден в численных экспериментах Лоренца , исследовавшего поведение траекторий нелинейной системы:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \begin{cases} \dot x = \sigma (y - x) \\ \dot y = x (r - z) - y \\ \dot z = x y - b z \end{cases}

при следующих значениях параметров: σ=10, r =28, b =8/3, x(0)=1, y(0)=0, z(0)=0. Эта система вначале была введена как первое нетривиальное галёркинское приближение для задачи о конвекции морской воды в плоском слое, чем и мотивировался выбор значений σ, r и b , но она возникает также и в других физических вопросах и моделях:

• конвекция в замкнутой петле;
• вращение водяного колеса;
• модель одномодового лазера ;
• диссипативный гармонический осциллятор с инерционной нелинейностью.

Исходная гидродинамическая система уравнений:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \begin{cases} \frac { \partial \vec v }{\partial t} + \left(\vec v \nabla \right) \vec v = -\frac {\nabla p}{\rho} + \nu \nabla ^2 \vec v + \vec g \\ \frac { \partial \rho }{\partial t} + \nabla \cdot \left(\rho \vec v \right) = 0 \\ \frac { \partial T }{\partial t} + \nabla \cdot \left(T \vec v \right) = \chi \nabla ^2 T \\ \rho = \rho_0 \left(1 - \gamma \left(T - T_0 \right) \right) \end{cases},

где Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \vec v - скорость течения, Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): T - температура жидкости, Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): T_0 - температура верхней границы (на нижней поддерживается Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): T_0 + \Delta T ), Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \rho - плотность, Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): p - давление, Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \vec g - сила тяжести, Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \gamma,\ \chi,\ \nu - соответственно коэффициент теплового расширения , коэффициент температуропроводности и кинематической вязкости .

В задаче о конвекции модель возникает при разложении скорости течения и температуры в двумерные ряды Фурье и последующей их «обрезки» с точностью до первых-вторых гармоник. Кроме того, приведённая полная система уравнений гидродинамики записывается в приближении Буссинеска . Обрезка рядов в определённой мере оправдана, так как Сольцмен в своих работах продемонстрировал отсутствие каких-либо интересных особенностей в поведении большинства гармоник .

Обозначим физический смысл переменных и параметров в системе уравнений применительно к упомянутым задачам.

• Конвекция в плоском слое. Здесь x отвечает за скорость вращения водяных валов, y и z - за распределение температуры по горизонтали и вертикали, r - нормированное число Рэлея , σ - число Прандтля (отношение коэффициента кинематической вязкости к коэффициенту температуропроводности), b содержит информацию о геометрии конвективной ячейки.
• Конвекция в замкнутой петле. Здесь x - скорость течения, y - отклонение температуры от средней в точке, отстоящей от нижней точки петли на 90°, z - то же, но в нижней точке. Подведение тепла производится в нижней точке.
• Вращение водяного колеса. Рассматривается задача о колесе, на ободе которого укреплены корзины с отверстиями в дне. Сверху на колесо симметрично относительно оси вращения льётся сплошной поток воды. Задача равнозначна предыдущей, перевернутой «вверх ногами», с заменой температуры на плотность распределения массы воды в корзинах по ободу.
• Одномодовый лазер. Здесь x - амплитуда волн в резонаторе лазера, y - поляризация , z - инверсия населённостей энергетических уровней , b и σ - отношения коэффициентов релаксации инверсии и поля к коэффициенту релаксации поляризации, r - интенсивность накачки .

Стоит указать, что применительно к задаче о конвекции модель Лоренца является очень грубым приближением, весьма далёким от реальности. Более-менее адекватное соответствие существует в области регулярных режимов, где устойчивые решения качественно отображают экспериментально наблюдаемую картину равномерно вращающихся конвективных валов (Ячейки Бенара). Хаотический режим, присущий модели, не описывает турбулентной конвекции в силу существенной обрезки исходных тригонометрических рядов.

Интересным является существенно большая точность модели при некоторой её модификации, применяемая в частности для описания конвекции в слое, подвергаемом вибрации в вертикальном направлении либо переменному тепловому воздействию. Такие изменения внешних условий приводят к модулированию коэффициентов в уравнениях. При этом высокочастотные Фурье-компоненты температуры и скорости существенно подавляются, улучшая соответствие модели Лоренца и реальной системы.

Примечательно везение Лоренца при выборе значения параметра Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): r , так как система приходит к странному аттрактору только при значениях, больших 24,74, при меньших поведение оказывается совершенно иным.

Рассмотрим изменения в поведении решения системы Лоренца при различных значениях параметра r. На иллюстрациях к статье приведены результаты численного моделирования для точек с начальными координатами (10,10,10) и (-10,-10,10). Моделирование производилось с помощью приведённой ниже программы, написанной на языке Фортран , построение графиков по полученным таблицам - из-за слабых графических возможностей Фортрана с помощью Compaq Array Viewer.

• r load(draw)$ draw3d(point_size=0.01, points_joined=true, point_type=filled_circle,points(x,y,z))$
  Напишите отзыв о статье "Аттрактор Лоренца"Примечания Литература
  • Кузнецов С. П. , Лекция 3. Система Лоренца; Лекция 4. Динамика системы Лоренца. // - М.: Физматлит, 2001.
  • Saltzman B . Finite amplitude free convection as an initial value problem. // Journal of the atmospheric science, № 7, 1962 - p. 329-341.
  • Лоренц Э . Детерминированное непериодическое движение // Странные аттракторы. - М., 1981. - С. 88-116.
  См. также Отрывок, характеризующий Аттрактор Лоренца– Ну, конечно же, об этом упоминалось, Изидора! Да и не только упоминалось... Лучшие художники когда-то рисовали картины, изображая Магдалину, гордо ждущую своего наследника. Только мало что от этого осталось, к сожалению. Церковь не могла допустить такого «скандала», так как это никак не вписывалось в создаваемую ею «историю»... Но кое-что всё же осталось до сих пор, видимо по недосмотру или невнимательности власть имущих, Думающих Тёмных...

  – Как же они могли допустить такое? Я всегда думала, что Думающие Тёмные достаточно умны и осторожны? Это ведь могло помочь людям увидеть ложь, преподносимую им «святыми» отцами церкви. Разве не так?
  – Задумался ли кто-то, Изидора?.. – Я грустно покачала головой. – Вот видишь... Люди не доставляют им слишком большого беспокойства...
  – Можешь ли ты показать мне, как она учила, Север?..
  Я, как дитя, спешила задавать вопросы, перескакивая с темы на тему, желая увидеть и узнать как можно больше за отпущенное мне, уже почти полностью истёкшее, время...
  И тут я снова увидела Магдалину... Вокруг неё сидели люди. Они были разного возраста – молодые и старые, все без исключения длинноволосые, одетые в простые тёмно-синие одежды. Магдалина же была в белом, с распущенными по плечам волосами, покрывавшими её чудесным золотым плащом. Помещение, в котором все они в тот момент находились, напоминало произведение сумасшедшего архитектора, воплотившего в застывшем камне свою самую потрясающую мечту...

  Как я потом узнала, пещера и вправду называется – Кафедральная (Сathedral) и существует до сих пор.
  Пещеры Лонгрив (Longrives), Languedoc

  Это была пещера, похожая на величественный кафедральный собор... который, по странной прихоти, зачем-то построила там природа. Высота этого «собора» достигала невероятных размеров, уносясь прямо «в небо» удивительными, «плачущими» каменными сосульками, которые, где-то наверху слившись в чудотворный узор, снова падали вниз, зависая прямо над головами сидящих... Природного освещения в пещере, естественно, не было. Также не горели и свечи, и не просачивался, как обычно, в щели слабый дневной свет. Но несмотря на это, по всему необычному «залу» мягко разливалось приятное и равномерное золотистое сияние, приходившее неизвестно откуда и позволявшее свободно общаться и даже читать...
  Сидящие вокруг Магдалины люди очень сосредоточенно и внимательно наблюдали за вытянутыми вперёд руками Магдалины. Вдруг между её ладонями начало появляться яркое золотое свечение, которое, всё уплотняясь, начало сгущаться в огромный голубоватый шар, который на глазах упрочнялся, пока не стал похожим на... планету!..
  – Север, что это?.. – удивлённо прошептала я. – Это ведь наша Земля, не так ли?
  Но он лишь дружески улыбнулся, не отвечая и ничего не объясняя. А я продолжала завороженно смотреть на удивительную женщину, в руках которой так просто и легко «рождались» планеты!.. Я никогда не видела Землю со стороны, лишь на рисунках, но почему-то была абсолютно уверена, что это была именно она. А в это время уже появилась вторая планета, потом ещё одна... и ещё... Они кружились вокруг Магдалины, будто волшебные, а она спокойно, с улыбкой что-то объясняла собравшимся, вроде бы совершенно не уставая и не обращая внимания на удивлённые лица, будто говорила о чём-то обычном и каждодневном. Я поняла – она учила их астрономии!.. За которую даже в моё время не «гладили» по голове, и за которую можно было ещё всё так же легко угодить прямиком в костёр... А Магдалина играючи учила этому уже тогда – долгих пятьсот лет тому назад!!!
  Видение исчезло. А я, совершенно ошеломлённая, никак не могла очнуться, чтобы задать Северу свой следующий вопрос...
  – Кто были эти люди, Север? Они выглядят одинаково и странно... Их как бы объединяет общая энергетическая волна. И одежда у них одинаковая, будто у монахов. Кто они?..
  – О, это знаменитые Катары, Изидора, или как их ещё называют – чистые. Люди дали им это название за строгость их нравов, чистоту их взглядов и честность их помыслов. Сами же катары называли себя «детьми» или «Рыцарями Магдалины»... коими в реальности они и являлись. Этот народ был по-настоящему СОЗДАН ею, чтобы после (когда её уже не будет) он нёс людям Свет и Знание, противопоставляя это ложному учению «святейшей» церкви. Они были самыми верными и самыми талантливыми учениками Магдалины. Удивительный и чистый народ – они несли миру ЕЁ учение, посвящая этому свои жизни. Они становились магами и алхимиками, волшебниками и учёными, врачами и философами... Им подчинялись тайны мироздания, они стали хранителями мудрости Радомира – сокровенных Знаний наших далёких предков, наших Богов... А ещё, все они несли в своём сердце негаснущую любовь к их «прекрасной Даме»... Золотой Марии... их Светлой и загадочной Магдалине... Катары свято хранили в своих сердцах истинную историю прерванной жизни Радомира, и клялись сохранить его жену и детей, чего бы им это ни стоило... За что, позже, два столетия спустя, все до одного поплатились жизнью... Это по-настоящему великая и очень печальная история, Изидора. Я не уверен, нужно ли тебе её слушать.
  – Но я хочу узнать о них, Север!.. Скажи, откуда же они появились, все одарённые? Не из долины ли Магов, случаем?
  – Ну, конечно же, Изидора, ведь это было их домом! И именно туда вернулась Магдалина. Но было бы неправильно отдавать должное лишь одарённым. Ведь даже простые крестьяне учились у Катаров чтению и письменности. Многие из них наизусть знали поэтов, как бы дико сейчас для тебя это не звучало. Это была настоящая Страна Мечты. Страна Света, Знания и Веры, создаваемая Магдалиной. И эта Вера распространялась на удивление быстро, привлекая в свои ряды тысячи новых «катар», которые так же яро готовы были защищать даримое им Знание, как и дарившую его Золотую Марию... Учение Магдалины ураганом проносилось по странам, не оставляя в стороне ни одного думающего человека. В ряды Катар вступали аристократы и учёные, художники и пастухи, землепашцы и короли. Те, кто имели, легко отдавали катарской «церкви» свои богатства и земли, чтобы укрепилась её великая мощь, и чтобы по всей Земле разнёсся Свет её Души.
  – Прости, что прерву, Север, но разве у Катар тоже была своя церковь?.. Разве их учение также являлось религией?
  – Понятие «церковь» очень разнообразно, Изидора. Это не была та церковь, как понимаем её мы. Церковью катаров была сама Магдалина и её Духовный Храм. То бишь – Храм Света и Знания, как и Храм Радомира, рыцарями которого вначале были Тамплиеры (Тамплиерами Рыцарей Храма назвал король Иерусалима Болдуин II. Temple – по-французски – Храм.) У них не было определённого здания, в которое люди приходили бы молиться. Церковь катар находилась у них в душе. Но в ней всё же имелись свои апостолы (или, как их называли – Совершенные), первым из которых, конечно же, была Магдалина. Совершенными же были люди, достигшие самых высших ступеней Знания, и посвятившие себя абсолютному служению ему. Они непрерывно совершенствовали свой Дух, почти отказываясь от физической пищи и физической любви. Совершенные служили людям, уча их своему знанию, леча нуждающихся и защищая своих подопечных от цепких и опасных лап католической церкви. Они были удивительными и самоотверженными людьми, готовыми до последнего защищать своё Знание и Веру, и давшую им это Магдалину. Жаль, что почти не осталось дневников катар. Всё, что у нас осталось – это записи Радомира и Магдалины, но они не дают нам точных событий последних трагичных дней мужественного и светлого катарского народа, так как происходили эти события уже спустя две сотни лет после гибели Иисуса и Магдалины.
  – Скажи, Север, как же погибла Золотая Мария? У кого хватило столь чёрного духу, чтобы поднять свою грязную руку на эту чудесную женщину?..
  – Церковь, Изидора... К сожалению, всё та же церковь!.. Она взбесилась, видя в лице катар опаснейшего врага, постепенно и очень уверенно занимавшего её «святое» место. И осознавая своё скорое крушение, уже не успокаивалась более, пытаясь любым способом уничтожить Магдалину, справедливо считая её основным виновником «преступного» учения и надеясь, что без своей Путеводной Звезды катары исчезнут, не имея ни вождя, ни Веры. Церковь не понимала, насколько сильно и глубоко было Учение и Знание катар. Что это была не слепая «вера», а образ их жизни, суть того, ДЛЯ ЧЕГО они жили. И поэтому, как бы ни старались «святые» отцы привлечь на свою сторону катар, в Чистой Стране Окситании не нашлось даже пяди земли для лживой и преступной христианской церкви...
  – Получается, подобное творил не только Караффа?!.. Неужели же такое было всегда, Север?..
  Меня объял настоящий ужас, когда я представила всю глобальную картину предательств, лжи и убийств, которые свершала, пытаясь выжить, «святая» и «всепрощающая» христианская вера!..
  – Как же такое возможно?! Как вы могли наблюдать и не вмешиваться? Как вы могли с этим жить, не сходя с ума, Север?!!
  Он ничего не ответил, хорошо понимая, что это всего лишь «крик души» возмущённого человека. Да и я ведь прекрасно знала его ответ... Потому мы какое-то время молчали, как заблудшие в темноте, одинокие души...
  – Так как же всё-таки погибла Золотая Мария? Можешь ли ты рассказать мне об этом? – не выдержав затянувшейся паузы, снова спросила я.
  Север печально кивнул, показывая, что понял...
  – После того, как учение Магдалины заняло большую половину тогдашней Европы, Папа Урбан II решил, что дальнейшее промедление будет смерти подобно для его любимой «святейшей» церкви. Хорошенько продумав свой дьявольский план, он, не откладывая, послал в Окситанию двух верных «выкормышей» Рима, которых, как «друзей» катар, знала Магдалина. И опять же, как это слишком часто бывало, чудесные, светлые люди стали жертвами своей чистоты и чести... Магдалина приняла их в свои дружеские объятия, щедро предоставляя им еду и крышу. И хотя горькая судьба научила её быть не слишком доверчивым человеком, подозревать любого было невозможно, иначе её жизнь и её Учение потеряли бы всякий смысл. Она всё ещё верила в ДОБРО, несмотря ни на что...

  Обычно говорят, что хаос является более высокой формой порядка, однако более правильно считать хаос другой формой порядка - с неизбежностью в любой динамической системе за порядком в обычном его понимании следует хаос, а за хаосом порядок. Если мы определим хаос как беспорядок, то в таком беспорядке мы обязательно сможем увидеть свою, особенную форму порядка. Например, дым от сигарет сначала поднимается в виде упорядоченного столба под влиянием внешней среды принимает все более причудливые очертания, а его движения становятся хаотичными. Еще один пример хаотичности в природе - лист с любого дерева . Можно утверждать, что вы найдете много похожих листов, например дуба, однако ни одной пары одинаковых писем. Разница определена температурой, ветром, влажностью и многими другими внешними факторами, кроме чисто внутренних причин (например, генетической разницей).

  Теория хаоса Движение от порядка к хаосу и обратно, по всей видимости, является сущностью Вселенной, способствующие проявлению ее мы не изучали. Даже в человеческом мозгу одновременно присутствует упорядоченное и хаотическое начала. Первое отвечает левому полушарию мозга, а второе - правому. Левое полушарие отвечает за сознательное поведение человека, за выработку линейных правил и стратегий в поведении человека, где четко определяется «если..., то...». В правом же полушарии царит нелинейность и хаотичность. Интуиция является одним из проявлений правого полушария мозга. Теория хаоса изучает порядок хаотической системы, которая выглядит случайной, беспорядочной. При этом теория хаоса помогает построить модель такой системы, не ставя задачу точного предсказания поведения хаотической системы в будущем. История теории хаоса Первые элементы теории хаоса появились еще в XIX веке, однако настоящий научное развитие эта теория получил во второй половине XX века, вместе с работами Эдварда Лоренца (Edward Lorenz) из Массачусетского технологического института и франко-американского математика Бенуа Б. Мандельброта (Benoit B . Mandelbrot). Эдвард Лоренц в свое время (начало 60-х годов XX века, работа опубликована в 1963 году) рассматривал, в чем возникает трудность при прогнозировании погоды. К работе Лоренца в мире науки господствовало два мнения относительно возможности точного прогнозирования погоды на бесконечно длительный срок. Первый подход сформулировал еще в 1776 году французский математик Пьер Симон Лаплас . Лаплас заявил, что «... если мы представим себе разум, который в данное мгновение постиг все связи между объектами во Вселенной, то он сможет установить соответствующее положение, движения и общие воздействия всех этих объектов в любое время в или прошлом в будущем ». Этот его подход был очень похож на известные слова Архимеда: «Дайте мне точку опоры, и я переверну весь мир». Таким образом, Лаплас и его сторонники говорили, что для точного прогнозирования погоды необходимо только собрать больше информации о всех частицы во Вселенной, их местоположении, скорости, массе, направлении движения, ускорении и т.п. Лаплас полагал, чем больше человек будет знать, тем точнее будет его прогноз относительно будущего. Второй подход к возможности прогнозирования погоды раньше всех наиболее четко сформулировал другой французский математик, Жюль Анри Пуанкаре . В 1903 году он сказал: «Если бы мы точно знали законы природы и положение Вселенной в начальный момент, мы могли бы точно предсказать положение того же Вселенной в последующий момент. Но даже если бы законы природы открыли нам все свои тайны, мы и тогда могли бы знать начальное положение только приближенно. Если бы это позволило нам предсказать последующее положение с тем же приближением, это было бы все, что нам нужно, и мы могли бы сказать, что явление было предсказано, что оно управляется законами. Но это не всегда так может случиться, что малые различия в начальных условиях вызывают очень большие различия в конечном явлении. Малая ошибка в первых породит огромную ошибку в последнем. Предсказание становится невозможным, и мы имеем дело с явлением, развивающийся по воле случая ». В этих словах Пуанкаре мы находим постулат теории хаоса о зависимости от начальных условий. Последующее развитие науки, особенно квантовой механики, опровергло детерминизм Лапласа. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг открыл и сформулировал принцип неопределенности . Этот принцип объясняют, почему некоторые случайные явления не подчиняются лапласовому детерминизму. Гейзенберг показал принцип неопределенности на примере радиоактивного распада ядра. Так, за очень малых размеров ядра невозможно знать все процессы, происходящие внутри него. Поэтому, сколько бы информации мы не собирали о ядре, точно предсказать, когда это ядро распадется невозможно. Инструменты теории хаоса Какими же инструментами располагает теория хаоса. В первую очередь это аттракторы и фракталы. Аттрактор (от англ. To attract - притягивать) - геометрическая структура, характеризующая поведение в фазовом пространстве в конце длительного времени. То есть аттрактор - это то, к чему стремится прийти система, к чему она притягивается. Простейшим типом аттрактора является точка. Такой аттрактор характерен для маятника при наличии трения. Независимо от начальной скорости и положения, такой маятник всегда придет в состояние покоя, т.е. в точку. Следующим типом аттрактора является предельный цикл, имеющий вид замкнутой кривой линии. Примером такого аттрактора является маятник, на который не влияет сила трения. Еще одним примером предельного цикла является биение сердца. Частота биения может снижаться и возрастать, однако она всегда стремится к своему аттрактору, своей замкнутой кривой. Третий тип аттрактора - тор. На рисунке 1 тор показан в верхнем правом углу.
  Рисунок 1 - Основные типы аттракторов Вверху показаны три предсказуемых, простых аттрактора. Внизу три хаотических аттрактора. Несмотря на сложность поведения хаотических аттракторов, иногда называемых странными аттракторами, знание фазового пространства позволяет представить поведение системы в геометрической форме и соответственно прогнозировать его. И хотя пребывание системы в конкретный момент времени в конкретной точке фазового пространства практически невозможно, область нахождения объекта и его стремление к аттрактору предсказуемы. Аттрактора Лоренца Первым хаотической аттрактором стал аттрактора Лоренца.
  Рисунок 2 - Хаотический аттрактор Лоренца Аттрактор Лоренца рассчитан на основе всего трех степеней свободы - три обыкновенных дифференциальных уравнения, три константы и три начальных условия. Однако, несмотря на свою простоту, система Лоренца ведет псевдослучайных (хаотическим) образом. Смоделировав свою систему на компьютере, Лоренц выявил причину ее хаотического поведения - разницу в начальных условиях. Даже микроскопическое отклонение двух систем в самом начале в процессе эволюции приводило к экспоненциального накопления ошибок и соответственно их стохастическом разногласия. Вместе с тем, любой аттрактор имеет граничные размеры, поэтому экспоненциальная расхождение двух траекторий разных систем не может продолжаться бесконечно. Рано или поздно орбиты вновь сойдутся и пройдут рядом друг с другом или даже совпадут, хотя последнее очень маловероятно. Кстати, совпадение траекторий является правилом поведения простых предсказуемых аттракторов. Сходимость-расхождение (говорят также, составление и вытягивание соответственно) хаотического аттрактора систематически устраняет начальную информацию и заменяет ее новой. При восхождении траектории сближаются и начинает проявляться эффект близорукости - возрастает неопределенность крупномасштабной информации. При расхождении траекторий наоборот, они расходятся и проявляется эффект дальнозоркости, когда возрастает неопределенность мелкомасштабной информации. В результате постоянной сходимости-расхождения хаотического аттрактора неопределенность стремительно нарастает, что с каждым моментом времени лишает нас возможности делать точные прогнозы. То, чем так гордится наука - способностью устанавливать связи между причинами и следствиями - в хаотических системах невозможно. Причинно-следственной связи между прошлым и будущем в хаосе нет. Здесь же необходимо отметить, что скорость сходимости-расхождения является мерой хаоса, т.е. численным выражением того, насколько система хаотична. Другой статистической мерой хаоса служит размерность аттрактора. Таким образом, можно отметить, что основным свойством хаотических аттракторов является сходимости-расходимость траекторий разных систем, что случайным образом постепенно и бесконечно перемешиваются.

  До настоящего момента мы изучали фракталы, которые являются статическими фигурами. Наш подход вполне приемлем до тех пор, пока не возникает необходимость рассмотрения таких природных явлений, как падающие потоки воды, турбулентные завихрения дыма, метеосистемы и потоки на выходе реактивных двигателей. В этих случаях один-единственный фрактал соответствует моментальному снимку данного феномена. Структуры, изменяющиеся во времени, мы определяем как динамические системы. Интуитивно понятно, что динамической противоположностью фрактала является хаос. Это означает, что хаос описывает состояние крайней непредсказуемости, возникающей в динамической системе, в то время как фрактальность описывает крайнюю иррегулярность или изрезанность, присущую геометрической конфигурации.

  Достаточно скоро стало ясно, что многие хаотические динамические системы, описыващие феномены окружащего нас мира, устроены очень сложно и не могут быть в полной мере представлены традиционными методами математического анализа. По-видимому, нет никакой возможности получить математические выражения для решений в замкнутом виде, даже если использовать бесконечные ряды или специальные функции.

  Рассмотрим знаменитый пример, весьма наглядно демонстрирующий, что стоит за термином «хаотическая динамика». Эдвард Лоренц из Массачусетского технологического института в 1961 году занимался численными исследованиями метеосистем, в частности моделированием конвекционных токов в атмосфере.

  Рис. 6.1. Аттрактор Лоренца

  Он написал программу для решения следующей системы дифференциальных уравнений:

  

  В дальнейших расчетах параметры постоянны и принимают значения

  Согласно описанию эксперимента, принадлежащему самому Лоренцу, он вычислял значения решения в течение длительного времени, а затем остановил счет. Его заинтересовала некоторая особенность решения, которая возникала где-то в середине интервала счета, и поэтому он повторил вычисления с этого момента. Результаты повторного счета, очевидно, совпали бы с результатами первоначального счета, если бы начальные значения для повторного счета в точности были равны полученным ранее значениям для этого момента времени.

  

  Рис. 6.2. Результаты численного эксперимента Лоренца

  Лоренц слегка изменил эти значения, уменьшив число верных десятичных знаков. Ошибки, введенные таким образом, были крайне невелики. Но самое неожиданное было впереди. Вновь сосчитанное решение некоторое время хорошо согласовывалось со старым. Однако, по мере счета расхождение возрастало, и постепенно стало ясно, что новое решение вовсе не напоминает старое (см. рис. 6.1, 6.2).

  Лоренц вновь повторял и проверял вычисления (вероятно, не доверяя компьютеру), прежде чем осознал важность эксперимента. То, что он наблюдал, теперь называется существенной зависимостью от начальных условий - основной чертой, присущей хаотической динамике. Существенную зависимость иногда называют эффектом бабочки. Такое название относится к невозможности делать долго статье «Предсказуемость: может ли взмах крылышек бабочки в Бразилии привести к образованию торнадо в опубликованной в 1979 году .

  Несмотря на большую значимость эксперимента Лоренца, в настоящем тексте не будут рассматриваться модели, связанные с динамическими системами, описываемыми дифференциальными уравнениями. Напротив, мы будем рассматривать наиболее простые модели хаотической динамики. Это означает, что мы ограничимся изучением только дискретных динамических систем, а не непрерывных типа странного аттрактора Лоренца, описанного выше. Но не расстраивайтесь. Обнаружение хаотической динамики в поведении дискретных динамических систем столь же неожиданно, как и в непрерывном случае. Многие известные и эффектные графические примеры соответсвуют именно дискретным системам. В числе их можно упомянуть знаменитое и вездесущее множество Мандельброта и сопутствующие ему множества Жюлиа.

  
  

  Хаотические, странные аттракторы соответствуют непредсказуемому поведению систем, не имеющих строго периодической динамики, это математический образ детерминированных непериодических процессов. Странные аттракторы структурированы и могут иметь весьма сложные и необычные конфигурации в трехмерном пространстве.

  Рис. 1.

  и фазовые портреты (нижний ряд) для трех различных систем

  (Глейк, 2001)

  Хотя в работах некоторых математиков ранее была установлена возможность существования странных аттракторов, впервые построение странного аттрактора (рис. 2) как решение системы дифференциальных уравнений осуществил в работе по компьютерному моделированию термоконвекции и турбулентности в атмосфере американский метеоролог Э. Лоренц (E.Lorentz, 1963). Конечное состояние системы Лоренца чрезвычайно чувствительно к начальному состоянию. Сам же термин «странный аттрактор» появился позже, в работе Д. Рюэлля и Ф. Такенса в (D.Ruelle, F. Takens, 1971: см. Рюэль, 2001) о природе турбуленции в жидкости; авторы отмечали, что размерность странного аттрактора отлична от обычной, или топологической.Позже Б. Мандельброт (B.Mandelbrot) отождествил странные аттракторы, траектории которых при последовательных вычислениях компьютера бесконечно расслаиваются, расщепляются, с фракталами.

  

  Рис. 2. (Хаотические траектории в системе Лоренца). Аттрактор Лоренца (Кроновер, 2000)

  Лоренц (Lorenz, 1963) обнаружил, что даже простая система из трех нелинейных дифференциальных уравнений может привести к хаотическим траекториям В свою очередь, движение воздушных потоков в плоском слое жидкости постоянной толщины при разложении скорости течения и температуры в двойные ряды Фурье с последующем усечением до первых-вторых гармоник:

  

  где s, r и b -- некоторые положительные числа, параметры системы. Обычно исследования системы Лоренца проводят при s =10, r =28 и b =8/3 (значения параметров).

  Таким образом, системы, поведение которых детерминируется правилами, не включающим случайность, с течением времени проявляют непредсказуемость за счет нарастания, усиления, амплификации малых неопределенностей, флуктуаций. Наглядный образ системы с нарастанием неопределенности - так называемый биллиард Я.Г. Синая: достаточно большая последовательность соударений шаров неизбежно ведет к нарастанию малых отклонений от исчисляемых траекторий (за счет не идеально сферической поверхности реальных шаров, не идеально однородной поверхности сукна) и непредсказуемости поведения системы.

  В таких системах «случайность создается подобно тому, как перемешивается тесто или тасуется колода карт» (Кратчфилд и др., 1987). Так называемое «преобразование пекаря» с последовательным растягиванием и складыванием, бесконечным образованием складок - одна из моделей возникновения перехода от порядка к хаосу; при этом число преобразований может служить мерой хаоса. Есть Аттрактор Айдзавы, который является частным случаем аттрактора Лоренца.

  

  где а = 0,95, B = 0,7, с = 0,6, d = 3,5, е = 0,25, F = 0,1. Каждая предыдущая координата вводится в уравнения, полученное в результате значение, умноженное на значения времени.

  

  Примеры других странных аттракторов

  Аттрактор ВангСун

  

  Здeсь a, b, d, e?R, c> 0 и f< 0 являются константами, cf ? 0, и x, y, z а это переменные состояния.

  

  Аттрактор Рёсслера

  

  Где a,b,c= положительные постоянные. При значениях параметров a=b=0.2 и

  ЛОРЕНЦА СИСТЕМА

  ЛОРЕНЦА СИСТЕМА

  Система трёх нелинейных дифференц. ур-ний первого порядка:
  

  решения к-рой в широкой области параметров являются нерегулярными ф-циями времени и по мн. своим характеристикам неотличимы от случайных. Л. с. была получена Э. Лоренцем (Е. Lorenz) из ур-ний гидродинамики как модель для описания тепловой конвекции в горизонтальном слое жидкости, подогреваемой снизу ( Р r - Прандтля число, - приведённое Р э -лея число, b - определяется выбором в Фурье-разложении поля скорости и темп-ры).
  

  
  

  Рис. 1. Иллюстрация последовательных бифуркаций в системе Лоренца при увеличении параметра r : а) ; б) ; в) г) д) е)
  

  Л. с.- один из примеров динамической системы, имеющей простой физ. смысл; она демонстрирует стохастич. поведение системы. В фазовом пространстве этой системы в области параметров, указанных на рис. 1, существует странный аттрактор, движение изображающей точки на к-ром соответствует "случайному" - турбулентному течению жидкости при тепловой конвекции.
  

  

  Рис. 2. Конвективная петля - физическая модель, для которой выводятся уравнения Лоренца.

  Л. с. (при b =l) описывает, в частности, движение жидкости в конвективной петле, расположенной в вертикальной плоскости в однородном тяжести тороидальной полости, заполненной жидкостью (рис. 2). На стенках полости поддерживается не зависящая от времени (но зависящая от угла ) темп-pa Т(); ниж. часть петли теплее верхней. Ур-ния движения жидкости в конвективной петле сводятся к Л. с., где x(t] - скорость движения жидкости, у (t) - темп-pa в точке N , a z(t) - темп-pa в точке М при больших t. С ростом г характер движения жидкости меняется: сначала (при г