(Translated by https://www.hiragana.jp/)
Σύστημα Λόρεντζ - Βικιπαίδεια Μετάβαση σしぐまτたうοおみくろん περιεχόμενο

Σύστημα Λόρεντζ

Από τたうηいーた Βικιπαίδεια, τたうηいーたνにゅー ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Οおみくろん ελκυστής τたうοおみくろんυうぷしろん Λόρεντζ

Τたうοおみくろん Σύστημα Λόρεντζ[1] είναι μみゅーιいおたαあるふぁ μορφοκλασματική δομή πぱいοおみくろんυうぷしろん αντιστοιχεί σしぐまτたうηいーた μακροχρόνια συμπεριφορά τたうοおみくろんυうぷしろん ταλαντωτή Λόρεντζ. Οおみくろん ελκυστής δείχνει πώς οおみくろんιいおた διάφορες μεταβλητές τたうοおみくろんυうぷしろん δυναμικού συστήματος εξελίσσονται μみゅーεいぷしろん τたうηいーたνにゅー πάροδο τたうοおみくろんυうぷしろん χρόνου σしぐまεいぷしろん μみゅーιいおたαあるふぁ μみゅーηいーた περιοδική τροχιά.

Τたうοおみくろん 1963, οおみくろん μετεωρολόγος Έντουαρντ Λόρεντζ ήταν οおみくろん πρώτος πぱいοおみくろんυうぷしろん τόνισε τたうηいーたνにゅー πιθανή χαοτική φύση της μετεωρολογίας. Τたうοおみくろん μοντέλο Λόρεντζ, επίσης γνωστό ως δυναμικό σύστημα Λόρεντζ ή ταλαντωτής Λόρεντζ, είναι ένα απλουστευμένο πρότυπο τたうωおめがνにゅー μετεωρολογικών φαινομένων πぱいοおみくろんυうぷしろん βασίζεται σしぐまτたうηいーた ρευστομηχανική. Τたうοおみくろん μοντέλο αυτό είναι ένα τρισδιάστατο δυναμικό σύστημα πぱいοおみくろんυうぷしろん παράγει χαοτική συμπεριφορά υπό ορισμένες συνθήκες.

Τたうοおみくろん πρότυπο τたうοおみくろんυうぷしろん Λόρεντζ είχε σημαντικό αντίκτυπο σしぐまτたうηいーたνにゅー ανάδειξη τたうωおめがνにゅー πιθανών ορίων της ικανότητας πρόβλεψης της μακροπρόθεσμης κλιματικής κかっぱαあるふぁιいおた μετεωρολογικής εξέλιξης. Αποτελεί σημαντικό στοιχείο της θεωρίας ότι ηいーた ατμόσφαιρα τたうωおめがνにゅー πλανητών κかっぱαあるふぁιいおた τたうωおめがνにゅー αστέρων μπορούν νにゅーαあるふぁ περιλαμβάνουν μみゅーιいおたαあるふぁ μεγάλη ποικιλία οιονεί περιοδικών καθεστώτων κかっぱαあるふぁιいおた υπόκεινται σしぐまεいぷしろん απότομες κかっぱαあるふぁιいおた φαινομενικά τυχαίες μεταβολές. Αποτελεί επίσης ένα χρήσιμο παράδειγμα σしぐまτたうηいーた θεωρία τたうωおめがνにゅー δυναμικών συστημάτων, χρησιμεύοντας ως πηγή νέων μαθηματικών εννοιών[2].

Οおみくろん ελκυστής κかっぱαあるふぁιいおた οおみくろんιいおた σχετικές εξισώσεις δημοσιοποιήθηκαν τたうοおみくろん 1963 από τたうοおみくろんνにゅー Έντουαρντ Λόρεντζ.[3]

Από μαθηματική άποψη, ηいーた σύζευξη της γήινης ατμόσφαιρας μみゅーεいぷしろん τたうοおみくろんνにゅー ωκεανό περιγράφεται από τたうοおみくろん σύστημα συζευγμένων μερικών διαφορικών εξισώσεων Ναβιέρ-Στόκες της ρευστομηχανικής. Αυτό τたうοおみくろん σύστημα εξισώσεων ήταν πολύ περίπλοκο γがんまιいおたαあるふぁ νにゅーαあるふぁ επιλυθεί αριθμητικά μみゅーεいぷしろん τους υπολογιστές πぱいοおみくろんυうぷしろん υπήρχαν τたうηいーたνにゅー εποχή τたうοおみくろんυうぷしろん Λόρεντζ. Έτσι, οおみくろん Λόρεντζ είχε τたうηいーたνにゅー ιδέα νにゅーαあるふぁ αναζητήσει ένα εξαιρετικά απλουστευμένο πρότυπο αυτών τたうωおめがνにゅー εξισώσεων γがんまιいおたαあるふぁ τたうηいーた μελέτη μιας συγκεκριμένης φυσικής κατάστασης: τたうοおみくろんυうぷしろん φαινομένου της συναγωγής Ρέιλεϊ-Μπενάρ. Τたうοおみくろん αποτέλεσμα ήταν ένα δυναμικό διαφορικό σύστημα μみゅーεいぷしろん τρεις μόνο βαθμούς ελευθερίας, τたうοおみくろん οποίο ήταν πολύ πぱいιいおたοおみくろん απλό νにゅーαあるふぁ ολοκληρωθεί αριθμητικά από τις αρχικές εξισώσεις.

Δυναμικό διαφορικό σύστημα Λόρεντζ

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αυτό τたうοおみくろん διαφορικό σύστημα γράφεται ως εξής[4]:

όπου σしぐま, ρろー κかっぱαあるふぁιいおた βべーた είναι τρεις αυστηρά θετικές, σταθερές παράμετροι. Δεδομένου ότι τたうοおみくろん σύστημα προκύπτει από τたうηいーたνにゅー απλοποίηση τたうωおめがνにゅー εξισώσεων πぱいοおみくろんυうぷしろん διέπουν τたうηいーた συναγωγή Rayleigh-Mπενάρ, οおみくろんιいおた παράμετροι ονομάζονται από τたうηいーた φυσική τους προέλευση: σしぐま είναι οおみくろん αριθμός Prandtl[5], κかっぱαあるふぁιいおた ρろー, πぱいοおみくろんυうぷしろん καταχρηστικά αναφέρεται ως "αριθμός Rayleigh"[6], είναι σしぐまτたうηいーたνにゅー πραγματικότητα οおみくろん λόγος τたうοおみくろんυうぷしろん αριθμός Rayleigh Ra προς τたうοおみくろんνにゅー κρίσιμο αριθμό Rayleigh[6] Rac (Rac είναι ηいーた τιμή τたうοおみくろんυうぷしろん Ra πάνω από τたうηいーたνにゅー οποία τたうοおみくろん φυσικό σύστημα δでるたεいぷしろんνにゅー μπορεί νにゅーαあるふぁ παραμείνει αναλλοίωτο μみゅーεいぷしろん τたうηいーたνにゅー πάροδο τたうοおみくろんυうぷしろん χρόνου, όπου επομένως υπόκειται σしぐまεいぷしろん κινήσεις συναγωγής).

Οおみくろんιいおた δυναμικές μεταβλητές x, y κかっぱαあるふぁιいおた z αντιπροσωπεύουν τたうηいーたνにゅー κατάσταση τたうοおみくろんυうぷしろん συστήματος σしぐまεいぷしろん κάθε χρονική στιγμή. Ηいーた φυσική εいぷしろんρろーµηνεία είναι ηいーた εξής: x(t) είναι ανάλογη της έντασης της κίνησης συναγωγής, y(t) είναι ανάλογη της διαφοράς θしーたεいぷしろんρろーµοκρασίας µεταξύ τたうωおめがνにゅー ανοδικών κかっぱαあるふぁιいおた καθοδικών ρろーεいぷしろんυうぷしろんµάτων κかっぱαあるふぁιいおた z(t) είναι ανάλογη της απόκλισης τたうοおみくろんυうぷしろん κατακόρυφου προφίλ θしーたεいぷしろんρろーµοκρασίας από ένα γがんまρろーαあるふぁµµικό προφίλ[7]..

Συχνά υποθέτουμε σしぐま = 10 κかっぱαあるふぁιいおた βべーた = 8/3, μみゅーεいぷしろん τたうοおみくろん ρろー νにゅーαあるふぁ παραμένει μεταβλητό. Τたうοおみくろん σύστημα παρουσιάζει χαοτική συμπεριφορά γがんまιいおたαあるふぁ ρろー = 28, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα σしぐまτたうοおみくろん ψευδο-περιοδικό καθεστώς (της τάξης τたうωおめがνにゅー 30 δευτερολέπτων). Οおみくろん χρόνος αυτός εξαρτάται από τたうοおみくろん ρろー : μπορεί νにゅーαあるふぁ φτάσει τたうαあるふぁ 180 δευτερόλεπτα γがんまιいおたαあるふぁ ρろー = 24,3. Τたうοおみくろん κατώφλι γがんまιいおたαあるふぁ τたうηいーたνにゅー εγκαθίδρυση τたうοおみくろんυうぷしろん χαοτικού καθεστώτος είναι μεταξύ 24,29 και 24,30 γがんまιいおたαあるふぁ αυτές τις τιμές σしぐま κかっぱαあるふぁιいおた βべーた[8].

Σημεία ισορροπίας

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τたうαあるふぁ σημεία ισορροπίας ή σταθερά σημεία τたうοおみくろんυうぷしろん συστήματος είναι οおみくろんιいおた σταθερές (x,y,z) λύσεις τたうοおみくろんυうぷしろん διαφορικού συστήματος. Υπάρχουν ένα ή τρία τέτοια σημεία:

  • τたうοおみくろん σταθερό σημείο (0, 0, 0) υπάρχει ανεξάρτητα από τις τιμές τたうωおめがνにゅー πραγματικών παραμέτρων σしぐま, ρろー κかっぱαあるふぁιいおた βべーた. Είναι σταθερό όταν (σύγκλιση σしぐまτたうηいーたνにゅー κατάσταση ηρεμίας, χωρίς συναγωγή), ασταθές διαφορετικά (συναγωγή) ,
  • τたうαあるふぁ δύο συμμετρικά σταθερά σημεία κかっぱαあるふぁιいおた υπάρχουν μόνο γがんまιいおたαあるふぁ τたうηいーたνにゅー . Ανάλογα μみゅーεいぷしろん τις τιμές τたうωおめがνにゅー σしぐま κかっぱαあるふぁιいおた ρろー, είναι σταθερές (σταθερή συναγωγή) ή ασταθείς (περιοδικά κυμαινόμενη συναγωγή ή χαοτική).
Απορρόφηση 25.000 σημείων από έναν ελκυστή Λόρεντζ.

Οおみくろん ελκυστής Λόρεντζ ορίζεται ως τたうοおみくろん σύνολο τたうωおめがνにゅー μακροχρόνιων τροχιών τたうοおみくろんυうぷしろん παραπάνω δυναμικού συστήματος Λόρεντζ.

Πράγματι, όταν οおみくろんιいおた παράμετροι σしぐま, ρろー κかっぱαあるふぁιいおた βべーた παίρνουν τις ακόλουθες τιμές: σしぐま = 10, ρろー = 28 κかっぱαあるふぁιいおた βべーた = 8/3, τたうοおみくろん διαφορικό δυναμικό σύστημα Λόρεντζ παρουσιάζει έναν παράξενο ελκυστή μみゅーεいぷしろん τたうηいーた μορφή φτερών πεταλούδας, πぱいοおみくろんυうぷしろん απεικονίζεται σしぐまτたうοおみくろん διπλανό σχήμα.

Γがんまιいおたαあるふぁ σχεδόν όλες τις αρχικές συνθήκες (εκτός από εκείνες γがんまιいおたαあるふぁ τたうαあるふぁ σταθερά σημεία), ηいーた τροχιά τたうοおみくろんυうぷしろん συστήματος πλησιάζει γρήγορα τたうοおみくろんνにゅー ελκυστή, μみゅーεいぷしろん τたうηいーたνにゅー περιφορά της τροχιάς αρχικά νにゅーαあるふぁ τυλίγεται γύρω από τたうηいーた μία πτέρυγα, σしぐまτたうηいーた συνέχεια νにゅーαあるふぁ πηδά από τたうηいーた μία πτέρυγα σしぐまτたうηいーたνにゅー άλλη γがんまιいおたαあるふぁ νにゅーαあるふぁ αρχίσει νにゅーαあるふぁ τυλίγεται γύρω από τたうηいーたνにゅー άλλη πτέρυγα, κかっぱαあるふぁιいおた ούτω καθεξής, μみゅーεいぷしろん έναν προφανώς ακανόνιστο τρόπο.

Ηいーた ύπαρξη ενός παράξενου ελκυστή γがんまιいおたαあるふぁ ορισμένες τιμές παραμέτρων είχε πιθανολογηθεί από τたうοおみくろんνにゅー Έντουαρντ Λόρεντζ ήδη από τたうοおみくろん 1963 βάσει αριθμητικών προσομοιώσεων. Ωστόσο, έπρεπε νにゅーαあるふぁ περιμένουμε μέχρι τたうοおみくろん 2001 για μみゅーιいおたαあるふぁ αυστηρή απόδειξη τたうοおみくろんυうぷしろん γεγονότος αυτού από τたうοおみくろんνにゅー Ουόρικ Τάκερ[9].

Σしぐまεいぷしろん αυτές τις περιπτώσεις, οおみくろん ελκυστής είναι ένα φράκταλ μみゅーεいぷしろん διάσταση Χάουστορφ μεταξύ 2 και 3.[10]

Προκειμένου νにゅーαあるふぁ μελετηθεί μαθηματικά οおみくろん ελκυστής Λόρεντζ, εμφανίστηκαν σしぐまτたうηいーたνにゅー επιστημονική βιβλιογραφία αυστηρά αλλά διακριτά πρότυπα [11]. Τたうοおみくろん κύριο πλεονέκτημά τους ήταν ότι ήταν ευκολότερο νにゅーαあるふぁ μελετηθούν κかっぱαあるふぁιいおた, κυρίως, ότι μπορούσαμε νにゅーαあるふぁ είμαστε σίγουροι γがんまιいおたαあるふぁ τたうηいーたνにゅー ύπαρξή τους (αあるふぁνにゅー κかっぱαあるふぁιいおた δでるたεいぷしろんνにゅー γνωρίζαμε αあるふぁνにゅー οおみくろん ελκυστής Λόρεντζ περιγράφεται σωστά από αυτά τたうαあるふぁ πρότυπα, βべーたλらむだ. παραπάνω).

Προσομοίωση σしぐまτたうοおみくろん Julia.

Προσομοίωση σしぐまτたうοおみくろん Julia

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
using Plots
# define the Lorenz attractor
@kwdef mutable struct Lorenz
    dt::Float64 = 0.02
    σしぐま::Float64 = 10
    ρろー::Float64 = 28
    βべーた::Float64 = 8/3
    x::Float64 = 2
    y::Float64 = 1
    z::Float64 = 1
end

function step!(l::Lorenz)
    dx = l.σしぐま * (l.y - l.x);         l.x += l.dt * dx
    dy = l.x * (l.ρろー - l.z) - l.y;   l.y += l.dt * dy
    dz = l.x * l.y - l.βべーた * l.z;     l.z += l.dt * dz
end

attractor = Lorenz()

# initialize a 3D plot with 1 empty series
plt = plot3d(
    1,
    xlim = (-30, 30),
    ylim = (-30, 30),
    zlim = (0, 60),
    title = "Lorenz Attractor",
    marker = 2,
)

# build an animated gif by pushing new points to the plot, saving every 10th frame
@gif for i=1:1500
    step!(attractor)
    push!(plt, attractor.x, attractor.y, attractor.z)
end every 10

Προσομοίωση μみゅーεいぷしろん τたうοおみくろん MATLAB

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
% Resolver para el intervalo de tiempo [0,100] con condiciones iniciales [1,1,1]
% ''f'' es un conjunto de ecuaciones diferenciales
% ''a'' es un arreglo que contiene variables x, y, z
% ''t'' es la variable de tiempo

sigma = 10;
beta = 8/3;
rho = 28;
f = @(t,a) [-sigma*a(1) + sigma*a(2); rho*a(1) - a(2) - a(1)*a(3); -beta*a(3) + a(1)*a(2)];
[t,a] = ode45(f,[0 100],[1 1 1]);     % Solución de EDO de Runge-Kutta de 4.º/5.º orden
plot3(a(:,1),a(:,2),a(:,3))

Προσομοίωση μみゅーεいぷしろん τたうοおみくろん Python

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

rho = 28.0
sigma = 10.0
beta = 8.0 / 3.0

def f(state, t):
    x, y, z = state  # Desempaqueta el vector de estado
    return sigma * (y - x), x * (rho - z) - y, x * y - beta * z  # Derivadas

state0 = [1.0, 1.0, 1.0]
t = np.arange(0.0, 40.0, 0.01)

states = odeint(f, state0, t)

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(projection='3d')
ax.plot(states[:, 0], states[:, 1], states[:, 2])
plt.show()
  1. «Σύστημα Lorenz». www.hellenicaworld.com. Ανακτήθηκε στις 13 Δεκεμβρίου 2023. 
  2. «L'attracteur de Lorenz, paradigme du chaos - Séminaire Poincaré - CNRS» (PDF). 
  3. Gulick, Denny (26 Απριλίου 2012). Encounters with Chaos and Fractals. CRC Press. ISBN 978-1-4665-5875-5. 
  4. Magnit?ski?, Nikola? Aleksandrovich· Sidorov, Sergey Vasilevich (2006). New Methods for Chaotic Dynamics. World Scientific. ISBN 978-981-256-817-5. 
  5. «Prandtl Number - an overview | ScienceDirect Topics». www.sciencedirect.com. Ανακτήθηκε στις 13 Δεκεμβρίου 2023. 
  6. 6,0 6,1 «Rayleigh Number - an overview | ScienceDirect Topics». www.sciencedirect.com. Ανακτήθηκε στις 13 Δεκεμβρίου 2023. 
  7. Tels que définis dans Lorenz 1963, σしぐまεいぷしろんλらむだ. 135.
  8. La valeur du seuil peut dépendre des paramètres de résolution numérique du système.
  9. «A Rigorous ODE solver and Smale's 14th Problem». archive.wikiwix.com. Ανακτήθηκε στις 14 Δεκεμβρίου 2023. 
  10. Grassberger, Peter; Procaccia, Itamar (1983-10-01). «Measuring the strangeness of strange attractors». Physica D: Nonlinear Phenomena 9 (1): 189–208. doi:10.1016/0167-2789(83)90298-1. ISSN 0167-2789. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0167278983902981. 
  11. J. Guckenheimer et R. F. Williams, « Structural stability of Lorenz attractors », Inst. Hautes études Sci. Publ. Math., vol. 50,‎ 1979, p. 59-72.