2026-08-28·by Sijie Wang#math

discrete-dynamical-systems

离散动力系统:不动点、周期轨道与吸引域

父级:orbit

基础层:XX 是一个集合(涉及稳定性问题时取为度量空间),f:XXf: X \to X,轨道 Of(x)O_f(x) 的定义见 orbit

术语

Definition

  • xx^*不动点,如果 f(x)=xf(x^*) = x^*
  • xx周期为 pp 的周期点,如果 fp(x)=xf^p(x) = xpp 是满足此式的最小正整数;其轨道 {x,f(x),,fp1(x)}\{x, f(x), \dots, f^{p-1}(x)\} 称为一个 pp-循环
  • xx最终周期的,如果 fm(x)f^m(x) 对某个 m0m \ge 0 是周期点(在有限集 XX 上,每一个点都是最终周期的——鸽笼原理)。
  • XX 是度量空间时:不动点 xx^*吸引的,如果它有一个邻域 UU,满足 f(U)Uf(U) \subseteq U,且 fn(u)xf^n(u) \to x^* 对所有 uUu \in U 成立。吸引域定义为 {x:fn(x)x}\{x : f^n(x) \to x^*\}
稳定性判据(一维)

f:RRf: \mathbb{R} \to \mathbb{R}C1C^1 的,且 f(x)=xf(x^*) = x^*。若 f(x)<1|f'(x^*)| < 1,则 xx^* 是吸引的;若 f(x)>1|f'(x^*)| > 1,则是排斥的。对于 pp-循环 {x1,,xp}\{x_1,\dots,x_p\},把此判据用在 fpf^p 上;由链式法则 (fp)(x1)=f(x1)f(x2)f(xp)(f^p)'(x_1) = f'(x_1) f'(x_2) \cdots f'(x_p)——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=hfh1g = h \circ f \circ h^{-1},其中 hh 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-dynamicscomplex-dynamics 中被反复使用)。

例题:logistic 映射

fr(x)=rx(1x)f_r(x) = r x (1-x) 定义在 [0,1][0,1] 上,参数 0<r40 < r \le 4。于是 fr(x)=r2rxf_r'(x) = r - 2rx

不动点:解方程 rx(1x)=xrx(1-x) = x,得 x=0x^* = 0x=11rx^* = 1 - \tfrac{1}{r}

  • 00 处:fr(0)=rf_r'(0) = r,当且仅当 r<1r < 1 时吸引。
  • 11r1 - \tfrac{1}{r} 处:fr ⁣(11r)=r2r(11r)=2rf_r'\!\left(1-\tfrac{1}{r}\right) = r - 2r\left(1 - \tfrac{1}{r}\right) = 2 - r,当且仅当 2r<1|2 - r| < 1(即 1<r<31 < r < 3)时吸引。

r=3r = 3 处不动点失去稳定性,一个 2-循环随之诞生。继续取 r=3.2r = 3.2:2-循环的点满足 f(f(x))=xf(f(x)) = x(把不动点的因子除去后),数值解为 x10.5130x_1 \approx 0.5130x20.7995x_2 \approx 0.7995。验证它们互相交换:

f(0.5130)=3.20.51300.48700.7995,f(0.7995)=3.20.79950.20050.5130.f(0.5130) = 3.2 \cdot 0.5130 \cdot 0.4870 \approx 0.7995, \qquad f(0.7995) = 3.2 \cdot 0.7995 \cdot 0.2005 \approx 0.5130. ✓

该循环的稳定性:(f2)(x1)=f(x1)f(x2)=(3.26.40.5130)(3.26.40.7995)(0.083)(1.917)0.16(f^2)'(x_1) = f'(x_1)\,f'(x_2) = (3.2 - 6.4\cdot 0.5130)(3.2 - 6.4\cdot 0.7995) \approx (-0.083)(-1.917) \approx 0.16,且 0.16<1|0.16| < 1:吸引。✓

继续增大 rr,周期不断加倍(倍周期级联),在 r3.5699r \approx 3.5699 处进入混沌;在 r=4r = 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

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