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第3节
逻辑斯谛赛博链

为了使上一节的相关结果更加深刻,本节聚焦于一种特殊的赛博链,称为逻辑斯谛(Logistic)赛博链,即

J ( y , a )= ay (1- y )

它具有非常广泛的实际含义,比如, y n )既可表示第 n 代生物极限群体数的百分比,又可表示计算机病毒第 n 轮感染的机器极限群体数的百分比,还可以表示网络系统中的许多行为等,那么, y n )所满足的赛博链便是

y ( n +1, a )= J ( y ( n ), a )= ay ( n )[1- y ( n )]

对该二次函数族

J ( y , a )= ay (1- y )

运用上一节的双曲点的轨迹定理,即结论3.5,便可得出结论3.7。

结论3.7 (二次函数族轨迹特性1,可参考《混沌动力学》 [8] 的命题5.3、例4.10和命题5.2):若1< a <3,记 ,那么对任意 x ∈(0,1),都有

即不动点 b 是吸引的;换句话说,点 b 可被区间(0,1)中的任意点,用系统

J ( y , a )= ay (1- y )

来管理。

a >1时, J y a )有两个不动点,分别是0和 ,而且0点是排斥不动点。

a >1时,若 y <0,则有

y >1,则也有

由此可见,二次函数族赛博链的一切有趣轨迹现象,都只出现在闭区间[0,1]中;因为当 a <1时,二次函数族 J y a )的轨迹特性也不太复杂。换句话说,对1< a <3,二次函数族的轨迹特性就很清楚了:在[0,1]中,0是不动点; J (1, a )=0,随后 J n (1, a )且 n >1就永远停留在0点了,即

J n (1, a )=0

而对所有 x ∈(0,1),有

二次函数族系统的轨迹,还具有很奇怪的一些其他特性,也称为混沌性。为了介绍方便,先引入以下四个概念。

(1)映射 J F F 是拓扑传递的,如果对 F 中的任意一组开集 U V ,都存在正整数 k >0,使得

J k ( U )∩ V ≠φ

即非空集。

形象地说,拓扑传递映射有这样的一些点,它们在迭代下,从一个任意小的邻域最终移动到其他任何邻域。因此,赛博系统 J (·)不能被分解为两个在映射下不变的,非相交的开集。此处的“开集”是这样的集合 X :对其中的任何点 x ,都存在某个相应的邻域 a x b ,使得区间( a b )都包含在集合 X 之中。

(2)映射 J F F 称为对初始条件具有敏感依赖性,如果存在 δ >0,使得对任何 x F x 的任何邻域 N ,都存在 y N n ≥0,使得

| J n ( x )- J n ( y )|> δ

形象地说,某映射具有对初始条件的敏感依赖性,意味着:如果存在任意接近 x 的点,在 J (·)的迭代下,最终和 x 分离至少 δ 。注意,这里并未要求 x 附近的所有点都需要在迭代下与 x 分离,而是在 x 的每一个邻域中都至少存在一个这样的点。如果某映射具有对初始条件的敏感依赖性,那么对单个轨迹 J (·)就不能进行数值计算了。因为计算中由四舍五入产生的微小误差,经过迭代后,就可能被放大,轨迹的数值计算结果将与实际轨道有着天壤之别。

(3)设 V 是一个集合。如果满足: J 具有对初始条件的敏感依赖性, J 是拓扑传递的, J 的周期点在 V 中是稠密的,那么映射 J V V 称为在 V 上是混沌的。简要地说,混沌的映射具有三个要素:不可预测性,不可分解性,还有一种规律性的成分。因为具有对初始条件的敏感依赖性,所以混沌的系统是不可预测的;因为具有拓扑传递性,所以它不能被细分或不能被分解为两个在 J 映射下不相互影响的子系统(两个不变的开子集)。然而,在这混乱的性态当中,也含有规律性的成分,即稠密的周期点。

(4)映射 J F F 称为是扩展的,如果存在 δ >0,使得对任何 x y F ,存在 n ,使得

| J n ( x )- J n ( y )|> δ

注意: 扩展性不同于敏感依赖性,此处一切邻近点都将最终分离至少 δ

结论3.8 (可参考《混沌动力学》 [8] 的定理7.5和例8.8):当 时,二次函数族

J ( y , a )= ay (1- y )

n 周期点的个数为2 n ,并且该 J y a )在区间(0,1)的某个子集(其实是一个康托尔集) A 中是混沌的。进一步地,可以知道(可参考《混沌动力学》 [8] 的例8.9),下列等式表示的映射

J ( y ,4)=4 y (1- y )

在闭区间[0,1]上是混沌的。

为了介绍二次函数族的其他一些轨迹特性,先引入以下几个概念。

(1)设 J A B 是某个映射,若它满足:当 x y 时, J x )≠ J y ),则称 J (·)是一对一的;若它满足:对任意 y B ,都存在 x A ,使得 J x )= y ,则称 J (·)是满的;若 J (·)既是一对一的,又是满的,而且 J (·)和 J -1 (·)都是连续的,那么,就称 J (·)是一个同胚。

(2)设 F A A J B B 是两个映射,如果存在一个同胚 H A B ,使得

H · F = J · H

则称 F J 是拓扑共轭的。同胚 H 被称为拓扑共轭。这里 H · F 等代表复合映射,比如, H · F x )= H [ F x )]等。换句话说,对于拓扑共轭的各种映射,它们的轨迹特性是完全等价的。例如,若 F 通过 H 拓扑共轭于 J ,并且 p F 的不动点,则 H p )就为 J 的不动点;此外, H 还给出了 F n 周期点集合与 J n 周期点集合之间的一一对应等。

(3)设 F J 是实数域 R 中的两个映射。 F J 之间的 C 0 -距离,记为 d 0 F J ),由等式

所定义。同理, C r -距离 d r F J )由

所定义。这里 F k x )和 J k x )分别表示 F (·)和 J (·)的 k 次导数。直观地说,如果它们及其前 r 个导数仅相差一个微量,那么这两个映射是 C r -接近的。

(4)映射 J A A 称为在 A 上是 C r -结构稳定的,如果存在 δ >0,使得对任何映射 F A A ,只要 d r J F )< δ 总有 J 拓扑共轭于 F 。简略地说,映射 J 是结构稳定的,如果它的每一个“邻近”的映射,都拓扑共轭于 J ,因而也就基本上具有相同的轨迹性态。这里的“邻近”就是上面的某个 C r -接近。换句话说,如果 J 是结构稳定的,那么,不论我们如何稍微扰动 J 或改变 J ,都将得到一个轨迹特性等价的赛博系统。

结论3.9 (可参考《混沌动力学》 [8] 的定理9.5):当 时,则二次函数族

J ( y , a )= ay (1- y )

就是 C 2 -结构稳定的。但是,当 a =1时

J ( y ,1)= y (1- y )

却非结构稳定。

结论3.10 (可参考《混沌动力学》 [8] 的推论11.10):假定

J ( y , a )= ay (1- y )

则对每一个 a ,至多存在一个周期吸引点,也至多存在一个吸引周期轨迹。甚至当 a =4时

J ( y , a )= ay (1- y )

可能根本不存在吸引周期轨迹。

结论3.11 (可参考《混沌动力学》 [8] 的定理9.8):设 p J 的双曲不动点,并设

J '( p )= λ ,| λ |≠0,1

则存在 p 的邻域 U ,实数0∈ R 的邻域 V 及同胚 H U R ,使得 J U 上共轭于 V 上的线性映射

L ( x )= λx

换句话说,双曲不动点邻近的映射,总是局部拓扑共轭于自身的导数。

提醒 :此处的 J 并不限于是二次函数,它本该放在上一节,但由于那时还没介绍同胚或共轭等概念,所以,只好放在此处。 80AO7TQUKQ2khzVa4I83UrUY2kfVFp03ERysHXHenRYDTg/OiiDOXT0smxE69kuW

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