Кіріспе

Хаотикалық Росслер жүйесінің тартымдылығы – Росслер тартымдылығы /ˈrɒslər/ – 1970 жылдары Отто Росслер зерттеген үш сызықтық емес дифференциалдық теңдеулер жүйесінің тартымдылығы болып табылады. Бұл дифференциалдық теңдеулер тартымдылықтың фракталдық қасиеттерімен байланысты хаотикалық динамиканы көрсететін үздіксіз уақыт динамикалық жүйені анықтайды. Росслер оны илемелі қантты тарту машинасының формализациясы ретінде түсіндірді. Росслер жүйесінің кейбір қасиеттерін меншік векторлар сияқты сызықтық әдістер арқылы анықтауға болады, бірақ жүйенің негізгі ерекшеліктері Поанкаре карталары және бифуркация диаграммалары сияқты сызықтық емес әдістерді талап етеді. Росслердің бастапқы мақаласында Росслер тартымдылығы Лоренц тартымдылығына ұқсас болуға, бірақ сапалық талдауды жеңілдетуге арналған еді. Росслер осы теңдеулер жиынтығын қалай тапқанын Летелье және Месседжер зерттеді.

Поинкаре картасы

Поанкаре картасы функцияның мәні белгілі бір бағытта белгіленген жазықтықтан өтетін әр сәтте оның мәнін сызу арқылы құрастырылады. Мысалы, Лоренц аттракторын зерттегенде жиі қолданылатындай, x-тің теріс мәннен оң мәнге өтетін жазықтықтан өтетін әр сәтте мәнді сызу. Ресслер аттракторының жағдайында yz жазықтығы қызығушылық тудырмайды, себебі карта әрқашан yz жазықтығын y=0 нүктесінде қиып өтеді, бұл Ресслер теңдеулерінің ерекшелігінен туындайды. x=0, y=0, z=0 жазықтығында Поанкаре картасы Ресслер графигінің өсу және бұрылу бөлігіне сәйкес келіп, z мәндерінің өсуін көрсетеді. Осы Поанкаре графигіндегі нүктелер саны шексіз, бірақ басқа x мәні қолданылса, нүктелер саны өзгеруі мүмкін. Мысалы, x=4 болғанда Поанкаре картасында тек бір нүкте болады, себебі функция бір периоды бар периодтық орбита береді, ал егер x=12.8 деп белгіленсе, алты периоды бар орбитаға сәйкес алты нүкте болады.

Лоренц картасы

Лоренц картасы – траекториядағы координатаның кезекті максималдық мәндері арасындағы байланыс. Атрактордағы траекторияны қарастырайық, және оның x координатасының n-ші максималдық мәні болсын. Осы мәндердің диаграммасы (scatterplot) дерлік қисық сызық болып табылады, яғни біреуін білгенде, екіншісін дерлік толыққанды болжауға болады.

Жергілікті максималарды карталау

Лоренц тартымдылығы туралы алғашқы мақаласында Эдвард Лоренц жергілікті максимумдарды бірден алдыңғы жергілікті максимумдармен салыстырып талдады. Көрнекілендірілгенде, график шатыр картасына ұқсады, бұл карта мен тартымдылық арасында ұқсас талдаулар қолдануға болатынын көрсетеді. Росслер тартымдылығы үшін, жергілікті максимум келесі жергілікті максимумға қарсы қойылғанда, алынған график (мұнда , , үшін көрсетілген) бір модулді болып келеді және қисайған Хенон картасына ұқсайды. Росслер тартымдылығын псевдо 1D карта жасау үшін қолдануға болатынын білгеннен кейін, сондай-ақ ұқсас талдау әдістерін қолдану логикалық. Бифуркациялық диаграмма – әсіресе пайдалы талдау әдісі.

Параметрлердің өзгеруі

Ресслер аттракторының мінез-құлқы негізінен оның тұрақты параметрлерінің – , және – мәндерімен анықталады. Жалпы алғанда, әрбір параметрді өзгерту жүйеге периодты орбитаға, тұрақты нүктеге немесе шексіздікке қарай қашуға алып келіп, салыстырмалы түрде әсер етеді, бірақ әрбір параметр үшін нақты диапазондар мен мінез-құлықтар едәуір өзгеше болады. Ресслер жүйесінің периодты орбиталары немесе "бірлік циклдары" циклдер тізбегі қайталана бастағанға дейін орталық нүкте төңірегінде пайда болатын айналымдар санымен сипатталады. Бифуркациялық диаграммалар динамикалық жүйелердің мінез-құлқын талдау үшін қолданылатын кең таралған құрал болып табылады, және Ресслер аттракторы да олардың бірі. Олар жүйе теңдеулерін есептеу арқылы жасалады, мұнда бір айнымалы өзгертіліп, қалғандары тұрақты ұсталады. Содан кейін, өткісіп кеткен факторлар бейтараптандырылғаннан кейін, өзгертілген айнымалының нақты мәніне сәйкес келетін нүктелердің графигі салынады. Хаотикалық аймақтар графиктерде боялған бөліктермен көрсетіледі.

b әр түрлі

Мұнда 0,2-ге бекітілген, 5,7-ге бекітілген, ал өзгеріп тұрады. Қоса берілген диаграммада көрсетілгендей, -нің 0-ге жақындағанда тартымдылық шексіздікке жақындайды (өте кішкентай мәндердегі өсуді ескеріңіз). Басқа параметрлермен салыстырғанда, -ні өзгерту 3-ші және 6-шы кезеңдік орбиталардың пайда болуына байланысты кеңірек диапазонды қамтамасыз етеді. - мен -ке қарағанда, -нің жоғары мәндері 1-ші кезеңге жуықтайды, хаотикалық күйге өтпейді.

Түрлі c

Мұнда және өзгерістер болады. Бифуркация диаграммасы төмен мәндердің периодты екенін, бірақ артқан сайын тез хаотикалық болатынын көрсетеді. Бұл үлгі артқан сайын қайталанады – периодты бөліктер хаос кезеңдерімен кезектесіп, тренд жоғары периодты орбиталарға қарай бағытталған. Мысалы, бірінші периодты орбита шамамен 4 мәнінде ғана пайда болады және бифуркация диаграммасында қайтадан табылмайды. Үшінші периодпен де осы құбылыс байқалады; дейін үшінші периодты орбиталарды табуға болады, бірақ одан кейін олар пайда болмайды. мәндер диапазонында өзгеретін тартымдылықтың графикалық иллюстрациясы осы параметрлік талдаулардың барлығында байқалатын жалпы мінез-құлықты көрсетеді – периодтылық пен апериодтылық арасындағы жиі ауысулар. Жоғарыдағы суреттер жиынтығы Rössler жүйесінің өзгеруін көрсетеді, мәні өзгергенде. Бұл суреттер 1 периодты орбитасымен жасалған. , 2 периодты орбитасы. , 4 периодты орбитасы. , 8 периодты орбитасы. , сирек хаотикалық тартымдылық. , 3 периодты орбитасы. , 6 периодты орбитасы. , сирек хаотикалық тартымдылық. , 5 периодты орбитасы. , толтырылған хаотикалық тартымдылық.

Периодикалық орбиталар

Атрактор тығыздықпен толы периодты орбиталармен: яғни, нөлдік емес мәнге ие болатын шешімдер бар, сондықтан осы қызықты шешімдерді Ньютон әдісін қолдану арқылы сандық түрде алуға болады. Периодты орбиталар функцияның түбірі болып табылады, мұнда – уақыт бойынша эволюция, ал – бірлік матрицасы. Динамиканың көп бөлігі x-y жазықтықта жүздейтіндіктен, периодты орбиталарды проекциядан кейін орталық тепе-теңдік нүктесінің айналасындағы оралу саны бойынша жіктеуге болады. Сандық тәжірибелер көрсеткендей, барлық оң оралу саны үшін бірегей периодты орбита бар. Бұл дегенерацияның болмауы, көбінесе проблеманың симметрияның жоқтығынан туындайды. Атракторды қарастыруға оңай инвариантты көптүрліліктерге бөлуге болады: 1D периодты орбиталар және 2D тұрақты және тұрақсыз периодты орбиталардың көптүрліліктері. Бұл инвариантты көптүрліліктер, рационалды сандар нақты сандардың құрамындағыдай, аттрактордың табиғи қаңқасын құрайды. Динамикалық жүйелер теориясы үшін осы көптүрліліктердің топологиялық инварианттарына қызығушылық тууы мүмкін. Периодты орбиталар – кеңістікте орналасқан көшірмелер, сондықтан олардың топологиялық қасиеттерін түйін теориясы арқылы түсінуге болады. 1 және 2 оралу санына ие периодты орбиталар Хопф байланысын құрайды, бұл ешқандай диффеоморфизм осы орбиталарды бөле алмайтынын көрсетеді.

Басқа тақырыптарға сілтемелер

Ресслер тартымдылығында көрінетін жолақтар, орта нүктесі бойынша бұрылған Кантор жиынтығына ұқсас. Сонымен қатар, Ресслер тартымдылығындағы жартылай бұрылыс тартымдылықтың тек бір бөлігіне ғана әсер етеді. Ресслер өз тартымдылығының, іс жүзінде, "қалыпты жолақ" және Мёбиус жолағының комбинациясы екенін көрсетті.