2 吸引子及其分类
吸引子(attractor)位于状态空间中,是一种用以刻划状态空间中的长期行为的几何形式,也是系统行为的最终归宿。
(以下的分类参见:胡瑞安、胡纪阳、徐树公著,《分形的计算机图像及其应用》,中国铁道出版社,1995年)
第一类吸引子是状态空间中的不动点,是最简单的一类吸引子。在状态空间中随着时间的流逝,系统的轨迹趋于一个固定的点上,这个固定的不动点就叫做不动点。
第二类吸引子是状态空间中的闭环,或极限环,这是复杂性居第二位的吸引子,它描述的是稳定振荡,例如,钟摆的周期运动,和心脏的跳动,是刻划周期性行为的吸引子。
第三类吸引子为环面吸引子,它描述的是复合振荡的拟周期行为,它的轨道在状态空间中的一个环面上绕行。
以上这三类吸引子,统称为非混沌吸引子,它们的行为是可以预测的。
第四类吸引子是奇异吸引子,又称混沌吸引子。Lorenz吸引子就是它的第一个观察到的实例。它具有复杂的拉伸、折迭与伸缩的结构,可以使指数型发散保持在有限的空间中,就好象厨师揉面团做拉面一样,其过程如下:首先是“拉伸” ,面团的临近部分按指数规律拉长,数学上称之为发散。然后,再将拉伸长的面团“折迭”回来。随后,又是拉伸、折迭,不断的重复这一操作,反复进行。由此可知,混沌吸引子应是一种分维形态的结构,它是不可能用欧几里德几何学来描述的。
吸引子的产生,可以解释为:耗散系统在其运动与演化的过程中,相体积的不断收缩因而产生吸引子。收缩是由于阻尼等耗散项的存在所至。吸引子的维数一般比原始相空间低,这是由于耗散过程中,消耗了大量小尺度的运动模式,因而使得确定性系统中长时间行为的有效自由度减少。如果系统最终剩下一个周期运动,则称该系统具有极限环吸引子。二维以上的的吸引子,表现为相空间相应维数的环面。