离散动力系统:不动点、周期轨道与吸引域
父级:orbit
基础层:X 是一个集合(涉及稳定性问题时取为度量空间),f:X→X,轨道 Of(x) 的定义见 orbit。
术语
Definition
- x∗ 是不动点,如果 f(x∗)=x∗。
- x 是周期为 p 的周期点,如果 fp(x)=x 且 p 是满足此式的最小正整数;其轨道 {x,f(x),…,fp−1(x)} 称为一个 p-循环。
- x 是最终周期的,如果 fm(x) 对某个 m≥0 是周期点(在有限集 X 上,每一个点都是最终周期的——鸽笼原理)。
- 当 X 是度量空间时:不动点 x∗ 是吸引的,如果它有一个邻域 U,满足 f(U)⊆U,且 fn(u)→x∗ 对所有 u∈U 成立。吸引域定义为 {x:fn(x)→x∗}。
稳定性判据(一维)
设 f:R→R 是 C1 的,且 f(x∗)=x∗。若 ∣f′(x∗)∣<1,则 x∗ 是吸引的;若 ∣f′(x∗)∣>1,则是排斥的。对于 p-循环 {x1,…,xp},把此判据用在 fp 上;由链式法则 (fp)′(x1)=f′(x1)f′(x2)⋯f′(xp)——一个数就决定了整个循环的稳定性。
共轭是"同一个系统"这一概念的形式化:g=h∘f∘h−1,其中 h 是某个双射(在拓扑范畴中是同胚)。共轭把轨道映到轨道、周期映到周期——它是问题在不同系统之间搬运的方式(在 symbolic-dynamics 与 complex-dynamics 中被反复使用)。
例题:logistic 映射
fr(x)=rx(1−x) 定义在 [0,1] 上,参数 0<r≤4。于是 fr′(x)=r−2rx。
不动点:解方程 rx(1−x)=x,得 x∗=0 或 x∗=1−r1。
- 在 0 处:fr′(0)=r,当且仅当 r<1 时吸引。
- 在 1−r1 处:fr′(1−r1)=r−2r(1−r1)=2−r,当且仅当 ∣2−r∣<1(即 1<r<3)时吸引。
在 r=3 处不动点失去稳定性,一个 2-循环随之诞生。继续取 r=3.2:2-循环的点满足 f(f(x))=x(把不动点的因子除去后),数值解为 x1≈0.5130,x2≈0.7995。验证它们互相交换:
f(0.5130)=3.2⋅0.5130⋅0.4870≈0.7995,f(0.7995)=3.2⋅0.7995⋅0.2005≈0.5130.✓
该循环的稳定性:(f2)′(x1)=f′(x1)f′(x2)=(3.2−6.4⋅0.5130)(3.2−6.4⋅0.7995)≈(−0.083)(−1.917)≈0.16,且 ∣0.16∣<1:吸引。✓
继续增大 r,周期不断加倍(倍周期级联),在 r≈3.5699 处进入混沌;在 r=4 处该映射与帐篷映射共轭,完全混沌——区间上的故事在 topological-dynamics 中继续,其统计性质见 ergodic-theory-of-orbits。