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无穷多状态动力学系统

到目前为止,我们给出的例子的状态空间都只有有限多个状态。我们有理由提出一个具有无穷多个状态的动力学系统。例如,想象在一条直线上有无穷多个离散点——就像一个在往返方向上有无穷多个车站的铁道。假设某种记号笔可以根据某种规则从一个点跳到另一个点。为了描述这个系统,我们可以像之前给离散的时间步标记一样,用整数给直线上这些点标记。因为我们已经用了符号 n 表示离散的时间步,这里我们用大写的 N 代表直线上的点。标志物的历史由函数 N n )构成,告诉你在每个时间步 n 它所处直线 N 上的位置。图1-11展示了这个状态空间的一部分。

图1-11 某无穷多状态系统的状态空间

如图1-12所示,这个系统的一个非常简单的动力学定律是:每隔一个时间步将标记物沿着正方向移动一个单位。

图1-12 某无穷多状态系统的动力学规则

这个规则是合理的,因为每个状态对应一个指入的箭头和一个指出的箭头。我们可以方便地用一个方程式描述这个规则:

下面是其他一些可能的规则,但并不是全都合理。

本讲经典力学练习

练习3: 判断一下,公式(2)~(5)描述的动力学定律哪些是合理的。

在公式(1)中,无论你从哪里出发,最终都会向前或向后到达另一个点。我们称它为单无限循环。然而对于公式(3),如果你从 N 的奇数值出发,那么你永远不会到达偶数值,反之亦然。因此我们称它为双无限循环。

如图1-13所示,我们还可以给系统增加性质不同的状态来创造更多的循环。

图1-13 将一个无限状态空间分解为有限循环和无限循环

一方面,如果我们从一个数值出发,那么我们会沿着直线向正方向前进。另一方面,如果我们从状态A或B开始,那么我们就会在它们之间循环。因此,我们可以得到混合形态的状态空间,我们在一些状态空间中循环,或者在另一些状态空间中向无穷远移动。 vKYkFgiNeB0r4gemGWzit4CRoK4vDzk/a1AbAiBMILz9JK7x4FLTELewXrcl5O0h

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