混沌理论的运用

1. 混沌理论的运用

2. 混沌学的简述

什么是混沌呢？混沌是决定性动力学系统中出现的一种貌似随机的运动，其本质是系统的长期行为对初始条件的敏感性。如我们常说“差之毫厘，失之千里”。西方控制论的创造者维纳对这种情形作了生动的描述：钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭。钉子缺这样一微不足道的小事，经逐级放大竟导致了国家的灭亡。系统对初值的敏感性又如美国气象学家洛仑兹蝴蝶效应中所说：“一只蝴蝶在巴西煽动翅膀，可能会在德州引起一场龙卷风”，这就是混沌。环顾四周，我们的生存空间充满了混沌。混沌涉及的领域――物理、化学、生物、医学、社会经济，甚至触角伸进了艺术领域。混沌学的传道士宣称，混沌应属于20世纪3大科学之一。相对论排除了绝对时空观的牛顿幻觉，量子论排除了可控测量过程中的牛顿迷梦，混沌则排除了拉普拉斯可预见性的狂想。混沌理论将开创科学思想上又一次新的革命。混沌学说将用一个不那么可预言的宇宙来取代牛顿、爱因斯坦的有序宇宙，混沌学者认为传统的时钟宇宙与真实世界毫不相关。

3. 混沌理论简述

混沌，已成为具有严格定义的科学概念，成为一门新科学的名字.混沌，它揭示有序与无序的关系，确定性和随机性的统一，覆盖面广到包括自然科学与社会科学的几乎各个领域.
自然界现象遵循的原则可以看成是一部机器（见图6-1（a））.当我们向机器输入初始条件时，机器会产生一个输出，它告诉我们未来将是怎样的.如果说初始条件Ⅰ发生了很小的变化δ，当这部机器是个线性系统时，输出A只会发生很小的变化δA.我们熟知的牛顿力学方程组就是构成这部机器的核心，这样的动力学方程组确定了过去、现在和将来的关系.因果一一对应是这种机器的特征，这种动力学模型叫做确定性模型.我们在地球科学中遇到的绝大多数模型都属于这种确定性模型.这在科学上是一种传统的经典的模型.但是，自然界还存在着另一种模型：当输入初始条件发生很小变化δi（i=1，2，…，∞）时，机器的输出却发生显著的变化，输出的结果分别为Ai（i=1，2，…，∞）.在许多情况下，初始条件δi变化是如此之小，以至难于被测量所察觉.然而，一种奇怪现象发生了〔见图6-1（b）〕：一部确定性机器，可以输出许多不同的结果Ai.从有限的观测精度来看，这部机器的输入都是Ⅰ，但输出却是不同的A1，A2，…，A∞，每个Ai的出现是以概率pi这种统计形式显示出其规律性的.这种对初始条件极端敏感的动力学行为，叫做混沌（Chaos）.不难证明，产生混沌行为的机器的动力学方程组必须是非线性的.因此，混沌动力学是现代非线性理论研究的核心问题之一.在目前已知的绝大多数情况下，输出状态Ai的集合，是一种统计分形集合.

图6-1（a）传统的动力学——确定论；（b）非线性动力学——混沌

混沌概念在稳定的确定性的解和不稳定的确定性的解之间起着桥梁作用.混沌解必须从统计学上进行处理.混沌解在时间演化上以指数方式敏感于初值条件.一个确定解，当其在时间演化时，如果初值相差很少的两个解以指数方式发散，则定义为混沌解.在演化中解的可预测性仅有统计学意义.一个解是混沌的必要条件是支配方程是非线性方程.
混沌体系是一种行为不规则而且对初始条件高度敏感的体系.这种体系的行为又是决定论的，即可用数学方法（常常是很简单的方程）来描述.
混沌现象是非常有意思的，它使决定性系统看起来是非决定性的、杂乱无章的.其实不然，混沌的理论找到了从决定性到非决定性的解释.发现混沌的根源是系统的非线性，而不是外在的因素所致，这无疑是个非常重要的突破.
混沌理论的广泛适用范围和独特的数学手段，使它能够更加全面、准确地揭示和描述客观世界的属性及其复杂的规律性，无论对自然科学研究还是社会科学研究，均有重要的方法论意义.
混沌理论在一定程度上实现了系统行为确定性描述与随机性描述的沟通和统一.在方法论上，它把自然科学中长期存在着的系统行为的确定性和随机性二种不相容的描述体系，即确定性描述和随机性描述沟通起来.混沌理论揭示出，系统行为的随机性在一个确定论的发展过程中作为内在的必然行为而产生出来，这就使我们把系统行为的原因理解为确定性和随机性二种因素.这一事实说明，在描述系统混沌行为时，在一定程度上沟通和统一了确定性和概率论这二种不相容描述体系演化的方法，这是方法论体系的丰富和扩展.
混沌理论表明，混沌现象是系统演化传统概念的有序与无序的中介态.这种形态依赖于形态演化的内在规律性及系统与环境的相互作用，它不是固定不变的，而是系统运动过程中的一种暂态.这就给了我们这样的启示：由于系统行为中有序与无序的相对性以及系统演化为混沌的阶段性，我们要在普遍存在混沌的世界里掌握系统演化的这种机制，加以合理控制，从而有可能利用或避免混沌现象.
混沌理论已向我们展开了广阔的理论和应用前景.在理论上，它深化了人类对客观世界的观察与分析，大大丰富了我们对客观事物的认识，它丰富和发展了系统理论，这或许要影响乃至改变我们对若干问题的看法.在应用上，有可能在一定程度上实现对混沌现象的预测、控制和利用.
混沌有以下几个特性：
（1）随机性.体系处于混沌状态是由体系内部动力学随机性产生的不规则性行为，常称之为内随机性.例如，在一维非线性映射中，即使描述系统演化行为的数学模型中不包含任何外加的随机项，即使控制参数、初始值都是确定的，而系统在混沌区的行为仍表现为随机性.这种随机性自发地产生于系统内部，与外随机性有完全不同的来源与机制，显然是确定性系统内部一种内在随机性和机制作用.体系内的局部不稳定是内随机性的特点，也是对初值敏感性的原因所在.
（2）敏感性.系统的混沌运动，无论是离散的或连续的，低维的或高维的，保守的或耗散的，时间演化的还是空间分布的，均具有一个基本特征，即系统的运动轨道对初值的极度敏感性.这种敏感性，一方面反映出在非线性动力学系统内，随机性系统运动趋势的强烈影响；另一方面也将导致系统长期时间行为的不可预测性.气象学家洛仑兹（E.N.Lorenz）提出的所谓“蝴蝶效应”，就是对这种敏感性的突出而形象的说明.
（3）分维性.混沌具有分维性质，是指系统运动轨道在相空间的几何形态可以用分维来描述.例如，Koch雪花曲线的分维数是1.26；描述大气混沌的洛仑兹模型的分维数是2.06.体系的混沌运动在相空间无穷缠绕、折叠和扭结，构成具有无穷层次的自相似结构.
（4）普适性.当系统趋于混沌时，所表现出来的特征具有普适意义.其特征不因具体系统的不同和系统运动方程的差异而变化.这类系统都与费根鲍姆常数相联系.这是一个重要的普适常数δ=4.66920160910299097….
（5）标度律.混沌现象是一种无周期性的有序态，具有无穷层次的自相似结构，存在无标度区域.只要数值计算的精度或实验的分辨率足够高，则可以从中发现小尺寸混沌的有序运动花样，所以具有标度律性质.例如，在倍周期分叉过程中，混沌吸引子的无穷嵌套自相似结构，从层次关系上看，具有结构的自相似，具备标度变换下的结构不变性，从而表现出有序性.
混沌定义：令f（x）为区间I到自身的连续映射，如果满足下列条件：
（1）f的周期点的周期无上界.
（2）存在I的不可数子集S，满足
a.对于任何x，y∈S，当x≠y时有
b.对于任何x，y∈S，有
则称f（x）描述的系统为混沌系统，S为f的混沌集.
在日常生活里，洛伦兹所指出的对初始条件的敏感性比比皆是.如一个男人早上晚离家了30分钟，一个花瓶只有毫米之差险些打破他的头，随后他被一辆卡车撞倒.或者说，他没赶上每10分钟一趟的公共汽车，因而耽误了每一小时一趟的火车.一个人日常轨道中的小小扰动可能留下巨大的后果.
对初始条件的敏感性并非一个新概念，民谣中早已有之：缺掉一枚钉，坏了一支蹄铁；缺了一支蹄铁，跌翻了一匹马；翻了一匹马，死了一个骑马的武士；死了这位骑马武士，失去这场战争的胜利；失去了这个胜利，亡掉了这一个帝国！

4. 科学混沌理论|从混沌哲学，到数据教条，再到混沌科学

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  混沌科学观|科学与迷信争论的终结机者 
  
  
 　　混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性－－不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是【 非线性系统普遍存在的现象】 。【 牛顿确定性理论】 能够充分处理的多维线性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，【 混沌是无处不在的】。 
  
  
 　　1972年12月29日，美国麻省理工学院教授、混沌学开创人之一E.N.洛伦兹在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为《蝴蝶效应》的论文，提出一个貌似荒谬的论断：在巴西一只蝴蝶翅膀的拍打能在美国得克萨斯州产生一个龙卷风，并由此提出了天气的不可准确预报性。
  
 时至今日，这一论断仍为人津津乐道，更重要的是，它激发了人们对混沌学的浓厚兴趣。 今天，伴随计算机等技术的飞速进步，混沌学已发展成为一门影响深远、发展迅速的前沿科学。 　　
  
 一般地，如果一个接近实际而没有内在随机性的模型仍然具有貌似随机的行为，就可以称这个真实物理系统是混沌的。一个随时间确定性变化或具有微弱随机性的变化系统，称为动力系统，它的状态可由一个或几个变量数值确定。而一些动力系统中，两个几乎完全一致的状态经过充分长时间后会变得毫无一致，恰如从长序列中随机选取的两个状态那样，这种系统被称为敏感地依赖于初始条件。而对初始条件的敏感的依赖性也可作为混沌的一个定义。　　
  
 与我们通常研究的线性科学不同，混沌学研究的是一种非线性科学，而非线性科学研究似乎总是把人们对“正常”事物“正常”现象的认识转向对“反常”事物“反常”现象的探索。例如，孤波不是周期性振荡的规则传播；“多媒体”技术对信息贮存、压缩、传播、转换和控制过程中遇到大量的“非常规”现象产生所采用的“非常规”的新方法；混沌打破了确定性方程由初始条件严格确定系统未来运动的“常规”，出现所谓各种“奇异吸引子”现等。　　
  
 混沌来自于非线性动力系统，而动力系统又描述的是任意随时间发展变化的过程，并且这样的系统产生于生活的各个方面。举个例子，生态学家对某物种的长期性态感兴趣，给定一些观察到的或实验得到的变量（如捕食者个数、气候的恶劣性、食物的可获性等等），建立数学模型来描述群体的增减。如果用Pn表示n代后该物种极限数目的百分比，则著名的“罗杰斯蒂映射”：Pn+1=kP(1-Pn）(其中k是依赖于生态条件的常数，“n+1”是脚标）可以用于在给定Po，k条件下，预报群体数的长期性态。如果将常数k处理成可变的参数k，则当k值增大到一定值后，“罗杰斯蒂映射”所构成的动力系统就进入混沌状态。最常见的气象模型是巨型动力系统的一个例子：温度、气压、风向、速度以及降雨量都是这个系统中随时间变化的变量。洛伦兹（E.N.Lorenz）教授于1963年《大气科学》杂志上发表了“决定性的非周期流”一文，阐述了在气候不能精确重演与长期天气预报者无能为力之间必然存在着一种联系，这就是非周期性与不可预见性之间的关系。洛伦兹在计算机上用他所建立的微分方程模拟气候变化的时候，偶然发现输入的初始条件的极细微的差别，可以引起模拟结果的巨大变化。洛伦兹打了个比喻，即我们在文首提到的关于在南半球巴西某地一只蝴蝶的翅膀的偶然扇动所引起的微小气流，几星期后可能变成席卷北半球美国得克萨斯州的一场龙卷风，这就是天气的“蝴蝶效应”。　　
  
  混沌不是偶然的、个别的事件，而是普遍存在于宇宙间各种各样的宏观及微观系统的，万事万物，莫不混沌。混沌也不是独立存在的科学，它与其它各门科学互相促进、互相依靠， 由此派生出许多交叉学科，如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。混沌学不仅极具研究价值，而且有现实应用价值，能直接或间接创造财富。　　
  
 混沌（Chaos），指确定性系统产生的一种对初始条件具有敏感依赖性的回复性非周期运动。浑沌与分形(fractal)和孤子(soliton)是非线性科学中最重要的三个概念。浑沌理论隶属于非线性科学，只有非线性系统才能产生浑沌运动。据1991年出版的《浑沌文献总目》统计，已收集到与浑沌研究有直接关系的书269部、论文7157篇。到1996年底，还不断有新的浑沌研究成果发表。科学史上只有量子力学的攻坚热情可与之媲美。
  
 　　现代科学所讲的混沌，其基本含义可以概括为：聚散有法，周行而不保守系统(能量守恒的无摩擦系统)中的混沌殆，回复而不闭。意思是说混沌轨道的运动完全受规律支配，但相空间中轨道运动不会中止，在有限空间中永远运动着，不相交也不闭合。浑沌运动表观上是无序的，产生了类随机性，也称内在随机性。浑沌模型一定程度上更新了传统科学中的周期模型，用浑沌的观点去看原来被视为周期运动的对象，往往有新的理解。80年代中期开始浑沌理论已被用于社会问题研究，如经济学、社会学和哲学研究。　　
  
  大自然并不缺少混沌，现代科学重新发现了混沌。以浑沌理论为标志的非线性科学强调自然的自组织机制，强调看待事物的整体性原则，与古代哲人所说的“前现在浑沌”有千丝万缕的联系，因而常常被后现代主义者看好。　　 
  
 探求浑沌的科学定义，追索浑沌古义，被认为是浑沌语义学、非线性科学史、后现代主义科学观研究等必须认真对待的一门学问。　　
  
 古人面对浩渺陌生的宇宙万物与今人面对错综复杂的宏观现象，情景大概是一样的。在古代，为捕捉外部世界，几乎所有民族都构造了自己的浑沌自然哲学；今天，为理解宏观复杂性，世界各国的科学家并肩奋战，创立了具有革命性的浑沌新科学。这门新科学展示了一幅恢弘的科学世界图景，也暗示了一种新的自然哲学。　　
  
 从更大的范围看，浑沌研究只是复杂性科学中的一支，新的自然哲学必然建立在整个复杂性科学的基础之上。现在就匆忙从整体上进行全面的概括，为时尚早。
  
 　　在非线性科学中，“混沌”这个词的含义和本意相似但又不完全一致，非线性科学中的混沌现象指的是一种确定的但不可预测的运动状态。它的外在表现和纯粹的随机运动很相似，即都不可预测。但和随机运动不同的是，混沌运动在动力学上是确定的，它的不可预测性是来源于运动的不稳定性。或者说混沌系统对无限小的初值变动和微绕也具于敏感性，无论多小的扰动在长时间以后，也会使系统彻底偏离原来的演化方向。混沌现象是自然界中的普遍现象，天气变化就是一个典型的混沌运动。混沌现象的一个著名表述就是蝴蝶效应：南美洲一只蝴蝶扇一扇翅膀，就会在佛罗里达引起一场飓风。　　
  
 混沌系统具有三个关键要素：一是对初始条件的敏感依赖性；二是临界水平，这里是非线性事件的发生点；三是分形维，它表明有序和无序的统一。混沌系统经常是自反馈系统，出来的东西会回去经过变换再出来，循环往复，没完没了，任何初始值的微小差别都会按指数放大，因此导致系统内在地不可长期预测。　　
  
 混沌确定系统是庞加莱在研究三体问题时第一次发现的。

5. 混沌理论的介绍

《混沌理论》是2007年上映的美国电影，由托尼·基格里奥导演。瑞恩·雷诺兹，艾米莉·莫迪默， 斯图尔特·汤森德，萨拉·乔克主演。《混沌理论》讲述弗兰克（瑞安·雷诺兹 Ryan Reynolds 饰）是一位小有名气的作家，他所撰写的《五分钟效率训练》在年轻人之间引起了很大的反响。在生活中，弗兰克同样是一个注重效率和计划的人，在他的世界里，每一分钟每一秒每一件事的发生都经过了他精心的策划和安排，绝无意外的发生。  作为弗兰克的妻子和女儿，苏珊（艾米莉·莫迪默 Emily Mortimer 饰）和杰西（伊莉莎白·哈诺伊斯 Elisabeth Harnois 饰）也被迫过着和弗兰克一样的“计划人生”，这种失去了刺激和新意的生活让两个女人简直是要发疯。无奈之下，苏珊决定帮弗兰克做一点改变，可是，令苏珊没有想到的是，自己小小的举动，却让弗兰克陷入了万劫不复的境地。

6. 混沌理论的介绍

《混沌理论》是2007年上映的美国电影，由托尼·基格里奥导演。瑞恩·雷诺兹，艾米莉·莫迪默， 斯图尔特·汤森德，萨拉·乔克主演。《混沌理论》讲述弗兰克（瑞安·雷诺兹 Ryan Reynolds 饰）是一位小有名气的作家，他所撰写的《五分钟效率训练》在年轻人之间引起了很大的反响。在生活中，弗兰克同样是一个注重效率和计划的人，在他的世界里，每一分钟每一秒每一件事的发生都经过了他精心的策划和安排，绝无意外的发生。  作为弗兰克的妻子和女儿，苏珊（艾米莉·莫迪默 Emily Mortimer 饰）和杰西（伊莉莎白·哈诺伊斯 Elisabeth Harnois 饰）也被迫过着和弗兰克一样的“计划人生”，这种失去了刺激和新意的生活让两个女人简直是要发疯。无奈之下，苏珊决定帮弗兰克做一点改变，可是，令苏珊没有想到的是，自己小小的举动，却让弗兰克陷入了万劫不复的境地。

7. 求解混沌学

不知道混沌学讲的什么，但我也思考过楼主的问题。楼主只是思考了一小部分，其实你可以继续追溯。如你所说，电热器的发明由煮水的因而得，你继续往前推，煮水要发现火，而火又是由什么来的，一直追溯到宇宙之初，你就发现，总有一时刻的果你找不到因，比如大爆炸奇点的由来。所以宇宙最开始的因是随机而来的，估计混沌学就是说这个因是不确定的无序随机的，才会导致世界向不同方向发展。
个人不太同意混沌学，比较坚信决定论。混沌学恰恰证明了事情都是由因导致果的，真正的混沌只有世界之初那一瞬间。

8. 什么是混沌学？

众所周知，混沌，量子力学，相对论是现代科学的基本理论的三大支柱。
与相对论和量子力学研究起点一致的是，混沌学是从改变经典力学开始的：经典力学是拉普拉斯的决定论;只要给定初始条件，就可计算出下一时刻的整个世界；而混沌学告诉我们即使遵循牛顿力学的，通常尺度下的完全决定论的系统，但由于运动对于初值的敏感性，我们也可以得到随机结果；换句话就是确定性的规律中得到不确定结果，最形象的就是海岸边上的蝴蝶扇动翅膀导致龙卷风的童话故事。如果说量子力学的测不准原理揭示了微观世界的不可预测性，那么混沌学彻底宣告了经典力学的决定论哲学的失败。
本书通过三个物理例子简要阐述了混沌学;从牛顿力学的限制性三体问题到19世纪末庞加莱创立的利用拓扑学定性研究微分方程（P69：李雅诺普理论：动力学系统混沌的充分必要条件就是它有足够多的具有正李雅诺普夫指数的有界轨道，使得它们在相空间中的维数大于一）；从经典动力系统中吸引子理论（不动点，极限环，面包圈（准周期）到混沌学的建立标志典型例子之一的1963年洛伦茨用数值方法研究大气热对流模型时发现的的奇异吸引子（P44;吸引子类似蝴蝶样子同时也就是书名的《蝴蝶效应之谜》的原因)；甚至从高中学过的线性近似条件下的计时工具的单摆实验到非线性单摆实验的演变条件，书中利用图形完备展示了有序到混沌的理论的本质,P115）。其实关于混沌的历史：早在一百多前，波尔兹曼推导他的著名的H定理，就曾经提出分子混沌假设，但是那时候“混沌”的意义仅仅是与宏观系统统计相关的无序特征。
关于相对论和量子力学的教科书及科普书汗牛充栋，而介绍混沌的，则显的小众化了，不仅是混沌学建立的时间较晚，更是因为混沌学对于数学和计算机要求较高。不同于其他科普书排斥数学公式，本书最小的程度的使用公式并辅助图形揭示了混沌的本质:分形中的曼德勃罗集（非线性迭代公式P26，分形是混沌的几何形式），气象学中著名的洛伦茨微分方程组（P41),对于迭代方程添加的非线性项修正的生态学逻辑斯蒂方程（P60）等等，这样引导初学者顺利进入混沌学的数学思考。
如果说相对论和量子力学是研究者必须理解的理论，那么混沌学在大多数时候，就与我们所有人的日常生活密切相关的，例如经济政策中宏观调控的原理，或者通讯中的CDMA的基本原理，甚至你为什么是穷人，都可以在混沌理论找到答案（本书第五章），其实自然界的现象多是非线性理论，我们只有通过了物理问题的非线性理论（KAM定理）才可以找到线性理论（哈密尔顿可积系统）的限度。所以，一本介绍和普及混沌学的书对于大众就非常的迫切了。不同于讲解混沌的教材的枯燥古板，也不同与其他同类科普书的天马星空和不着边际，这本由理论物理博士张天蓉写的书兼具专业化的精神和科普的趣味不仅讲解了混沌学的始末，而且达到了授人以渔的效果。
当拿到书的时候，我正好要外出，由于行李太重，不想携带本书的，但是翻着翻着才发现它太粘人人，不仅让我拿着它在出租车读，甚至在长途火车上借着手机的灯光读，竟然花了一天，通读了一遍，有点找回过去读武侠小说的感觉。书中的物理知识让人受益匪浅，即使是现在，书放在手边，没事的时候，随手翻看，有一种常读常新的感觉。数学家serge lang曾经说：数学的学习从来不是一页一页读下来的。