Реферат
По
дисциплине: Математика
„
Аттрактор Лоренца “
Аттрактор Лоренца
решение системы
при r=0,3
решение системы
при r=1,8
решение системы
при r=3,7
решение системы
при r=10
решение системы
при r=16
решение системы
при r=24,06
решение системы
при r=28 ― собственно, это и есть аттрактор Лоренца
решение системы
при r=100 ― виден режим автоколебаний в системе
Аттрактор
Лоренца (от англ. to attract — притягивать) ― компактное
инвариантное множество в трехмерном фазовом пространстве
гладкого потока,
которое имеет определённую сложную топологическую структуру и является
асимптотически устойчивым, оно устойчиво
по Ляпунову и все траектории из некоторой окрестности
стремятся к при (отсюда
название).
Аттрактор Лоренца был
найден в численных экспериментах Лоренца,
исследовавшего поведение траекторий нелинейной системы:
при следующих значениях
параметров: σ=10, r=28, b=8/3. 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:
где —
скорость течения, — температура жидкости, — температура верхней границы (на нижней поддерживается ), — плотность, —
давление, — сила тяжести, — 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.
Применимость и
соответствие реальности
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 , так как система
приходит к странному аттрактору
только при значениях, больших 24,74, при меньших поведение оказывается
совершенно иным.
Поведение решения
системы
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<1 —
аттрактором является начало координат, других устойчивых точек нет.
· 1<r<13,927 —
траектории спирально приближаются (это соответствует наличию затухающих
колебаний) к двум точкам, положение которых определяется формулами:
Эти точки определяют состояния
стационарного режима конвекции, когда в слое формируется структура из
вращающихся валов жидкости.
· r≈13,927 —
если траектория выходит из начала координат, то, совершив полный оборот вокруг
одной из устойчивых точек, она вернется обратно в начальную точку —
возникают две гомоклинические петли. Понятие гомоклинической траектории
означает, что она выходит и приходит в одно и то же положение равновесия.
· r>13,927 — в
зависимости от направления траектория приходит в одну из двух устойчивых точек.
Гомоклинические петли перерождаются в неустойчивые предельные циклы, также
возникает семейство сложно устроенных траекторий, не являющееся аттрактором, а
скорее наоборот, отталкивающее от себя траектории. Иногда по аналогии эта
структура называется «странным репеллером» (англ. to repel —
отталкивать).
· r≈24,06 —
траектории теперь ведут не к устойчивым точкам, а асимптотически приближаются к
неустойчивым предельным циклам — возникает собственно аттрактор Лоренца.
Однако обе устойчивые точки сохраняются вплоть до значений r≈24,74.
При больших значениях параметра
траектория претерпевает серьезные изменения. Шильников и Каплан показали, что
при очень больших r система переходит в режим автоколебаний, при этом,
если уменьшать параметр, будет наблюдаться переход к хаосу через
последовательность удвоений периода колебаний.
Значимость модели
Модель Лоренца является
реальным физическим примером динамических систем
с хаотическим поведением, в отличие от различных искусственно сконструированных
отображений («зуб
пилы», «тент»,
преобразование пекаря,
отображение
Фейгенбаума и др.).
Программы,
моделирующие поведение системы Лоренца
Borland C
#include <graphics.h>
#include <conio.h>
void main()
{
double x = 3.051522, y =
1.582542, z = 15.62388, x1, y1, z1;
double dt = 0.0001;
int a = 5, b = 15, c =
1;
int gd=DETECT, gm;
initgraph(&gd,
&gm, "C:\\BORLANDC\\BGI");
do {
x1 = x +
a*(-x+y)*dt;
y1 = y +
(b*x-y-z*x)*dt;
z1 = z + (-c*z+x*y)*dt;
x = x1; y = y1; z =
z1;
putpixel((int)(19.3*(y
- x*0.292893) + 320),
(int)(-11*(z
+ x*0.292893) + 392), 9);
} while (!kbhit());
closegraph();
}
Mathematica
data = Table[
With[{N = 1000, dt =
0.01, a = 5, b = 1 + j, c = 1},
NestList[Module[{x, y,
z, x1, y1, z1},
{x, y, z} = #;
x1 = x + a (-x + y)
dt;
y1 = y + (b x - y - z
x) dt;
z1 = z + (-c z + x y)
dt;
{x1, y1, z1}] &,
{3.051522, 1.582542,
15.62388}, N
]
],
{j, 0, 5}];
Graphics3D@MapIndexed[{Hue[0.1
First[#2]], Point[#1]} &, data]
Borland Pascal
Program Lorenz;
Uses CRT, Graph;
Const
dt = 0.0001;
a = 5;
b = 15;
c = 1;
Var
gd, gm: Integer;
x1, y1, z1, x, y, z: Real;
Begin
gd:=Detect;
InitGraph(gd, gm,
'c:\bp\bgi');
x := 3.051522;
y := 1.582542;
z := 15.62388;
While not KeyPressed Do
Begin
x1 := x + a*(-x+y)*dt;
y1 := y +
(b*x-y-z*x)*dt;
z1 := z +
(-c*z+x*y)*dt;
x := x1;
y := y1;
z := z1;
PutPixel(Round(19.3*(y
- x*0.292893) + 320),
Round(-11*(z
+ x*0.292893) + 392), 9);
End;
CloseGraph;
ReadKey;
End.
FORTRAN
program LorenzSystem
real,parameter::sigma=10
real,parameter::r=28
real,parameter::b=2.666666
real,parameter::dt=.01
integer,parameter::n=1000
real x,y,z
open(1,file='result.txt',form='formatted',status='replace',action='write')
x=10.;y=10.;z=10.
do i=1,n,1
x1=x+sigma*(y-x)*dt
y1=y+(r*x-x*z-y)*dt
z1=z+(x*y-b*z)*dt
x=x1
y=y1
z=z1
write(1,*)x,y,z
enddo
print *,'Done'
close(1)
end program LorenzSystem
QBASIC/FreeBASIC(«fbc -lang qb»)
DIM x, y, z, dt, x1, y1, z1
AS SINGLE
DIM a, b, c AS INTEGER
x = 3.051522: y = 1.582542:
z = 15.62388: dt = 0.0001
a = 5: b = 15: c = 1
SCREEN 12
PRINT "Press Esc to
quit"
WHILE INKEY$ <>
CHR$(27)
x1 = x + a * (-x + y) *
dt
y1 = y + (b * x - y - z
* x) * dt
z1 = z + (-c * z + x *
y) * dt
x = x1
y = y1
z = z1
PSET ((19.3 * (y - x *
.292893) + 300), (-11 * (z + x * .292893) + 360)), 9
WEND
END
JavaScript и HTML5
<html>
<body>
<canvas height='500'
width='500' id='cnv'></canvas>
<script>
var cnv =
document.getElementById("cnv");
var cx =
cnv.getContext('2d');
var x = 3.051522, y
= 1.582542, z = 15.62388, x1, y1, z1;
var dt = 0.0001;
var a = 5, b = 15, c
= 1;
var h =
parseInt(cnv.getAttribute("height"));
var w =
parseInt(cnv.getAttribute("width"));
var id =
cx.createImageData(w, h);
var rd = Math.round;
var idx = 0;
i=1000000; while
(i--) {
x1 = x +
a*(-x+y)*dt;
y1 = y + (b*x-y-z*x)*dt;
z1 = z +
(-c*z+x*y)*dt;
x = x1; y =
y1; z = z1;
idx=4*(rd(19.3*(y - x*0.292893) + 320) + rd(-11*(z + x*0.292893) + 392)*w);
id.data[idx+3] = 255;
}
cx.putImageData(id,
0, 0);
</script>
</body>
</html>
IDL
PRO Lorenz
n=1000000 &
r=dblarr(n,3) & r[0,*]=[3.051522,1.582542,15.62388] & a=5. & b=15.
& c=1.
FOR i=0.,n-2. DO
r[i+1,*]=r[i,*] + [ a*(r[i,1]-r[i,0]), b*r[i,0]-r[i,1]-r[i,2]*r[i,0],
r[i,0]*r[i,1]-c*r[i,2] ]*0.0001
plot,19.3*(r[*,1]-r[*,0]*0.292893)+320.,-11*(r[*,2]+r[*,0]*0.292893)+392.
END
Литература
· Кузнецов
С. П., Лекция 3. Система Лоренца; Лекция 4. Динамика системы Лоренца.
// Динамический хаос (курс лекций). —
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.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.