Введение

В изучении динамических систем термин «функция Фейгенбаума» используется для описания двух различных функций, предложенных физиком Митчеллом Фейгенбаумом:
решение функционального уравнения Фейгенбаума — Цвитановича; и
функция масштабирования, описывающая структуру аттрактора логистического отображения.

Периодический путь к хаосу

В логистической карте у нас есть функция, и мы хотим изучить, что происходит при многократном применении этой карты. Карта может прийти к фиксированной точке, фиксированному циклу или хаосу. Когда карта стабилизируется в фиксированном цикле длины , мы обнаружим, что графики функций и пересекаются в точках, и наклон графика ограничен в этих точках пересечения. Например, когда , у нас есть одна точка пересечения с наклоном, ограниченным в , что указывает на стабильную фиксированную точку. При увеличении до значений больше , точка пересечения расщепляется на две, что соответствует удвоению периода. Например, когда , есть три точки пересечения, из которых средняя нестабильна, а две другие стабильны. По мере приближения к , происходит еще одно удвоение периода аналогичным образом. Удвоения периода происходят все чаще и чаще, пока при определенном значении они не становятся бесконечными, и карта переходит в состояние хаоса. Это каскад удвоений периода, ведущий к хаосу.

Пределы масштабирования

Глядя на изображения, можно заметить, что в точке хаоса кривая напоминает фрактал. Более того, при повторении удвоений периода графики кажутся похожими друг на друга, за исключением того, что они сжимаются к центру и поворачиваются на 180 градусов. Это наводит нас на мысль о пределе масштабирования: если мы многократно удваиваем функцию, а затем масштабируем её в раз, где – некоторая постоянная, то в пределе мы получим функцию, удовлетворяющую . Далее, по мере того как интервалы удвоения периода становятся всё короче, отношение между двумя последовательными интервалами удвоения периода стремится к пределу – первой константе Фейгенбаума. Константу можно численно определить, перебирая различные возможные значения. При неверных значениях отображение не сходится к пределу, но при правильном значении оно сходится. Это вторая константа Фейгенбаума.

Хаотический режим

В хаотическом режиме предел последовательности итераций отображения становится хаотичными темными полосами, чередующимися с нехаотичными светлыми полосами.

Ренормализация

Функция Фейгенбаума может быть выведена с помощью аргумента перенормировки. Функция Фейгенбаума выполняется для любого отображения на действительной прямой в момент наступления хаоса.

Функция масштабирования

Функция масштабирования Фейгенбаума обеспечивает полное описание аттрактора логистического отображения в конце каскада удвоения периода. Аттрактор является множеством Кантора, и подобно множеству Кантора со средней третью, он может быть покрыт конечным набором сегментов, каждый из которых больше минимального размера dn. Для фиксированного dn набор сегментов формирует покрытие Δn аттрактора. Отношение сегментов из двух последовательных покрытий, Δn и Δn+1, можно представить в виде приближения функции σ – функции масштабирования Фейгенбаума.