15
1 ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΧΑΟΣ ΤΩΝ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Δρ. Κώστας Τσιαντής, Καθηγητής ΤΕΙ Αθήνας, Τμήμα Ενεργειακής Τεχνικής Περίληψη: Το άρθρο αυτό επικεντρώνεται στην κατανόηση των βασικών εννοιών και των συνθηκών υπό τις οποίες το διάνυσμα κατάστασης των μη γραμμικών συστημάτων μεταβαίνει σε κατάσταση χαοτικής συμπεριφοράς. Διερευνάται η φύση αυτής της συμπεριφοράς και καταδείχνεται η έντονη εξάρτησή της από τις αρχικές συνθήκες και την τιμή των παραμέτρων του συστήματος. Μελετάται η εξίσωση διαφορών x n+1 =x n 2 +a και επιλύεται το σύστημα των τριών διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν το ηλεκτρικό κύκλωμα του Chua. Στη βάση αυτή εξετάζεται η μετάβαση στο χάος με τη μέθοδο της εφαπτομενικής διακλάδωσης, της διακλάδωσης διπλασιασμού περιόδων και της διακλάδωσης Hopf, όπου και καταδείχνεται η εμφάνιση παράξενου ελκυστή και η διάσπαση των αναλλοίωτων τροχιών (οριακού κύκλου) κατά τη μετάβαση στο χάος.. Τεκμηριώνεται η σημασία που έχει η χρήση κατάλληλου λογισμικού στη μελέτη των μη γραμμικών συστημάτων και τονίζεται η προτεραιότητα που πρέπει να λάβει εδώ η ενεργός μεθοδολογία μάθησης. 1.ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Γενικά Η αλλαγή στη συμπεριφορά ενός μη γραμμικού συστήματος τους δεν είναι μια απλή συνάρτηση της μεταβολής που σημειώνεται στις συνθήκες. Το χάος είναι μια μορφή μη γραμμικής συμπεριφοράς. Η επιστήμη του χάους (York 1975) 1 , είναι σχετικά πρόσφατη, αλλά επηρεάζει πλέον κάθε μέρα και περισσότερο τη μελέτη, το σχεδιασμό, τη λειτουργία και τον έλεγχο των συστημάτων. Στην αφετηρία για την ανάπτυξη της επιστήμης αυτής βρίσκεται η έννοια του χώρου κατάστασης (state-space), που εισήγαγαν οι Hamilton και Jacobi, καθώς και η θεωρία για την ύπαρξη περιοδικών λύσεων (οριακών κύκλων) στις διαφορικές εξισώσεις των μη γραμμικών συστημάτων (Poincare, Andronov, Hopf) 2 . Την ώθηση για την επιστήμη αυτή έδωσε κατά τη δεκαετία του 1960΄ ο Edward Lorentz, στην πρσπάθειά του να επιλύσει ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων για την πρόβλεψη του καιρού 3 , και τη δεκαετία του 70 οι σημαντικές ανακαλύψεις του Feigenbaum στο Los Alamos (ΗΠΑ). Η εμφάνιση χαοτικής συμπεριφοράς αφορά πολλές κατηγορίες μη γραμμικών συστημάτων (τα γραμμικά συστήματα δεν παρουσιάζουν τέτοια συμπεριφιρά) όταν μεταβάλλεται η τιμή μιας παραμέτρου τους 4 . Είναι λόγου χάριν γνωστό ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας ενός υγρού ή με την αύξηση της ταχύτητάς του, η αρχικά γραμμική ροή του υγρού μεταπίπτει σταδιακά σε τυρβώδη. Είναι επίσης γνωστά πολλά ηλεκτρικά κυκλώματα που παρουσιάζουν χαοτική συμπεριφορά.(το περίφημο κύκλωμα του Chua, του Colpitts, και του Van der Pol) 5 ενώ πληθαίνουν κάθε μέρα τα σχετικά ενδιαφέροντα στους τομείς της βιολογίας, της χημείας, της φυσιολογίας και των λειτουργικών γενικά συστημάτων. Το πρόβλημα Το ερώτημα που τίθεται είναι: Κάτω από ποιες συνθήκες ένα μη γραμμικό σύστημα αρχίζει να παρουσιάζει χαοτική συμπεριφορά; Κάτω από ποία σχέση μεταβολής των παραμέτρων του μεταπίπτει ένα σύστημα από κανονικό σε χαοτικό; Πώς γίνονται αυτές οι μεταβάσεις από την κανονικότητα στο χάος; Είναι δυνατόν να προβλέψουμε την εμφάνισή τους και να υπολογίσουμε τις τιμές των φυσικών σταθερών που τις συνοδεύουν; Τα ερωτήματα αυτά στη γενική τους μορφή δεν έχουν ακόμα απαντηθεί. Σύμφωνα με το θεώρημα των Poincare-Bendixon, για ένα δυσδιάστατο μη γραμμικό δυναμικό σύστημα συνεχούς χρόνου x = (x) έχουμε μια από τις εξής τρεις πιθανές συμπεριφορές, καθώς το t (α) Να συγκλίνει σε ένα σταθερό σημείο {f(x)=0}, β) Να συγκλίνει στο άπειρο, και γ) Να προσεγγίζει μια περιοδική τροχιά {x(t)=x (t+T)} 6 , 7 . Η επιστημονική έρευνα των τελευταίων σαράντα χρόνων έρχεται να συμπληρώσει το παραπάνω θεώρημα τονίζοντας ότι ένα σύστημα μπορεί, εκτός από τις παραπάνω συμπεριφορές να εμφανίσει χαοτική συμπεριφορά. Τι σημαίνει αυτό? Να συμπεριφέρεται κατά μη περιοδικό (nonperiodic) και μη εκρηκτικό (nonexplosive) τρόπο, ο οποίος, παρότι μαθηματικά είναι πλήρως καθορισμένος, είναι παντελώς μη προβλέψιμος (nonpredictable)! Με τον τρόπο αυτό προσδιορίζει ο Sheinerman την έννοια της χαοτικής συμπεριφοράς 8 .

Κώστας Τσιαντής- Συνθήκες Μετάβασης στο Χάος των μη γραμμικών συστημάτων

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Θεωρία του Χάους και ο ρόλος των αρχικών συνθηκών

Citation preview

  • 1

    . , ,

    :

    .

    . xn+1 =xn2 +a

    Chua.

    , Hopf,

    ( )

    ..

    .

    1.

    . . (York 1975) 1, , , , . (state-space), Hamilton Jacobi, ( ) (Poincare, Andronov, Hopf) 2. 1960 Edward Lorentz, 3, 70 Feigenbaum Los Alamos (). ( ) 4. , . .( Chua, Colpitts, Van der Pol)

    5 , ,

    .

    : ; ; ; ; . Poincare-Bendixon,

    x = (x) , t () {f(x)=0}, ) , ) {x(t)=x (t+T)}6,7.

    ,

    . ? (nonperiodic)

    (nonexplosive) , , ,

    (nonpredictable)! Sheinerman 8.

  • 2

    . , , . . : : (1) H 9, (2) H (intermittency)

    10, (3) (- ) 11.

    2.

    12 , , ()

    () (continuos time) (discrete time)

    x = f (x) [ x =f(x,y) y =g(x,y)] x (k+1)= f (x(k)) xk+1 =f (xk)

    x(t0)=x0 x(k0)=x0

    , x=[x1,x2, xn] , f g t (x0,y0), k : 0,1,...n.

    (fixed point) x

    f( x) = x (1)

    x (stable), f ( x ) 1 (2)

    T x (unstable), f ( x ) 1 (3)

    .

    x(k)=f k (x) (4)

    f k (x)

    f k

    (x) =f[f[f[..f[x]..]]] k (5)

    f , k, x, f[x], f[f[x]]......

    x

    f k( x ) = x (6)

    k (7) x.

    f 2k

    (x) = f k

    [f k (x)] =f

    k (x)= x (7)

    , x k, 2k, 3k,

    4k, .

    x (prime period), k

    (7) x.

    4. . f(x) x, f 2 (x) x , f 3 (x) x, f 4 (x) = x.

    Sarkovskii13, f 3, f

    k k.

  • 3

    p, p. A

    f (p) 1 p, {p, f(p), f2(p),

    f3(p),...f

    k-1(p)}. A . f (p) 1, {p, f(p),

    f2(p), f

    3(p),...f

    k-1(p)}

    ( ), 14.

    3. f[x]=x2+a

    3.1 ()

    f(x)= x2+a .

    : 1) o (fixed

    points) f(x)=x , 2) (. f(x) ).

    x2+=x (1+ 1-4)/2 (1- 1-4)/2,

    1/4. 2x f(x) .

    1+ 1-4 1, ,

    1- 1-4 1, -3/4

    1/4. , 1-4 2. x (x ) , =1/4 ( .1)

    , =1/4 , 1/4.

    (bifurcation), f(x) =1/4

    y=x (saddle node bifurcation).

    , (fixed points) ,

    (stable) : -3/4 1/4

    3.2.

    , -3/4,

    , . = -3/4 .

    3/4 1, 2.

    1.5 1 0.5 0 0.5

    2

    0

    2

    2.0

    2.0

    y1

    i

    z1

    i

    y2

    i

    z2

    i

    0.51.5 a

    i

  • 4

    , : ? Mathcad xn+1 =xn

    2 +a

    n (. 2), x0 = -0.5 = -0.8.

    (n 100) xn+1. K Nest [f,-0.50, n] Mathematica x0 n=110 -0.276502, n=111 0.723547, n=112 0.27648, n=113 0.723559. , . n=1000 0.276393, n=1001 0.723607, n=1002 0276393, n=1003 0.723607.

    x0 = -0.5, = -0.8 n , xn+1

    .

    f 2k (x) = f k [f k (x)] =f k (x)= x. f[f[x]]=x f[f[-0.276393]]=f[-0.723607]=-0.276393,

    x=-0.276393 k=2.

    2k, 3k, 4k, . 0.723607. ,

    = -3/4

    (period-doubling pitchfork bifurcation). 2, f[f[x]]=x.

    (x^2+)^2+ = x

    (1+ 1-4)/2, (1- 1-4)/2, (-1+ -3-4)/2 (-1- -3-4)/2.

    f[x]=x. 1 2 2, ,

    -3/4.

    1, 2 , f[f[x]] . 1, f[1]=2 f[2]=1,

    f[f[x]] (1)=f [f[1]]*f [1]=f [2]*f [p1]=22*21=(-1- -3-4)* (-1+ -3-4)=4+4

    4+4 1 -5/4 -3/4 2, .

    0 50 100 150

    0.6

    0.4

    xn

    n

    0.6 0.4

    0.6

    0.4

    xn 1

    xn

  • 5

    3.3. 4

    1 2 5/4 4, 2 2 .. xn+1 =xn

    2 +a

  • 6

    ( n=1000:1017 x0 =0.50)

    [0.447814, -1.19046, 0.0262008, -1.39031,

    0.541972, -1.09727, -0.187006, -1.35603,

    0.447814, -1.19046, 0.0262008, -1.39031,

    0.541972, -1.09727, -0.187006, -1.35603,

    0.447814, -1.19046]

    ( n=1000:1020 x0 =0.50)

    [0.444978, -1.19599, 0.036404, -1.39267,

    0.545543, -1.09638, -0.191945, -1.35716,

    0.447876, -1.19341, 0.0302208, -1.39309,

    0.546691, -1.09513, -0.194692, -0.194692,

    -1.3561, 0.444994, -1.19598,0.036368,-1.39268]

    =-1.40 ( n=1000:1017 x0 =0.50) xn+1 32 f 32

    (x)= x

    [0.46702, -1.18189, -0.00313082, -1.39999, 0.559973, -1.08643, -0.219668, -1.35175,

    0.427217, -1.21749, 0.0822715, -1.39323, 0.541094, -1.10722, -0.174069, -1.3697,

    0.476078, -1.17335, -0.0232501, -1.39946, 0.558487, -1.08809, -0.216055, -1.35332,

    0.431476, -1.21383, 0.073379, -1.39462, 0.544952, -1.10303, -0.183332, -1.36639,

    0.46702, -1.18189]

    2, 4, 8, 16, 32, 64 . ( = 1.4)

    . = -1.5 = -2

    . :

    =-1.75

    0.5, -1.5, 0.5,- 1.5, 0.5

    2

    =-1.76

    1.3356, 0.0238308, -1.75943,

    1.3356, 0.0238308, -1.75943,13356

    3

    =-1.77

    0.0828164, -1.76314, 1.33867, 0.0220113,

    -1.76951, 1.36118, 0.0828164, -1.76314, 1.33867

    6

    =-1.63

    1.01663,-059646,-1.27424,-0.00632493,

    -1.62996,1.02677,-0.575744,-1.29852,

    0.0561505,-1.62685,1.01663,-0.59646,..

    10

    =-1.48

    0.706669,-0.980619,-0.518386,-1.21128,

    -0.0218103,-1.47986,0.709914,-0.976022,-0.527382,

    -1.20187,-0.0355118,-1.47874, 0.706669,-0.980619..

    12

    3.4. x0

    >-2 , , x0

    [-2, 2] f (x) n

    [-2, 2].

  • 7

    f(x) . f . , , f 15

    a = -1.95 x0= -0.50 xn+1 = xn

    2 +a ( ),

    xn+1 .

    (pattern), ( ) . . x0 , .. [-0.50 -0,50001] f[-0,5]-f[-0.50001] (..20) .

    , xn+1 ( ) f (x) ( )

    x. (.4) n 1000 1019 .

    ( n, ) , - ( Lorenz). . , / n, ! ( Cantor), .

    4. Hopf

    4.1.

    x1 = x1 + x2 - x13

    x2 = - x1 (8)

    x: f[-0,5]-f[-0,50001]

    20 n=[1000,1019]

    -4

    -2

    0

    2

    4

    1 4 7

    10

    13

    16

    19

  • 8

    x =[ x1 x2 ] T

    , (fixed points) f(x)=0.

    x = 0. Df =[Df1 Df2]

    T,

    Df1=[ f1/ x1 f1/ x2]

    Df2=[ f2/ x1 f2/ x2]

    Df(0), 1/2*(1+i 3), 1/2*(1-i 3),

    , . f( x )=0, .

    V(x)=x12 + x2

    2, V(x) 0, x 0.

    V(x) Lyapunov, 0 . ?

    dV(x)/dt = ( V/ x1)( x1/dt)+ ( V/ x2)( x2/dt) = 2x1

    2 (1-x1

    2 ) (9)

    dV(x)/dt 0. x1 1. , x1

    , 0. 0 .

    . , x(t) , x1. 0 . . 16.

    4.2.

    ? (8),

    ax0 ., x=0.

    ? , ,

    1/2*(+ 2-4), 1/2*(- 2-4). , ,

    x=0 . , 0 . Lyapunov 2x1

    2(a-x1

    2). a

    , Lyapunov, 0, . , V(x) Lyapunov, . , Poincare-Bendixson, . . . (0.5, 0.5) , 0. , ., - + , 0, , =0 1,

    . 0 ,

    , Hopf. Hopf . , . , Hopf =2, . (torus), .17

    4.3. . .

  • 9

    . Mathcad ( Runge-Kutta), [0.0001,0.0031] x n=1000 0 40.

    [x1 , x2] , [zn,1, zn,2],

    [zn,1, zn,2]. 0 ( x0),

    (5):

    5. CUA:

    .

    Hopf . Hopf , ( Van der Pol, Colpitts

    18,19

    .) Chua 20, 21, 22, 23, 24. , , . 25.

    m 0.1 x0.5

    0.5n ..0 500

    D( ),t x

    .m x0

    x1

    x0

    3

    x0 Z rkfixed( ),,,,x 0 20 500 D

    0 200 400

    0

    1

    Z,n 2

    n

    0 200 400

    0

    1

    Z,n 1

    n

    0.5 0 0.50.5

    0

    0.5

    Z,n 1

    Z,n 2

  • 10

    , , 26. 27:

    x=c1*(y-x-g(x)) (10) y=c2*(x-y+z) (11) z= -c1*y (12)

    g(x)=m1*x+0.5*(m0-m1)*( x+1 - x-1 )

    H g(x) - . c1, c2, c3, m0, m1 . . Chua Mathcad.( [x,y,z] [x0, x1, x2]) . [1, 1, 1] [0, 0, 1]. [x0, x1, x2] ( [z1, z2 ,z3]) .

    [1,1,1]

    . 0.0000002 c3, . , (.6, .7). c3=41.90 o , c3=42.90 , c3=43.90 , c3=44.90 , c3=45.90 , c3 =46.90 , c3 =47.90 , c3 =47.90 . c3 =44.90 c3 =47.90 . . H .

    c1 15.6 c2 1.0 c3 64.4683668m0

    8

    7m1

    5

    7

    g( )x .m1 x0

    .m0 m1

    2x0

    1 x0

    1x

    1

    1

    1

    n ..0 25000

    D( ),t x

    .c1 x1

    .c1 x0

    .c1 g( )x

    .x0

    x1

    x2

    c2

    .c3 x1

    Z rkfixed( ),,,,x 0 40 25000D D1

    Z,n 1

    D2

    Z,n 2

    D3

    Z,n 3

  • 11

    0 5000 1 104

    1.5 10410

    0

    10

    Z,n 3

    n

    2 0 2

    0Z ,n 1

    Z,n 2

    5 0 52

    0

    2

    Z,n 2

    Z,n 3

    2 0 210

    0

    Z,n 3

    Z,n 1

    3 2 1 0 1 2 34

    3

    2

    1

    0

    1

    2

    3

    Z,n 3

    Z,n 1

  • 12

    0,0000002 c3 ( c3=64.4683666 (. 7).

    [0, 0, 1]

    c3 , (1) (c3=50), (2) (c3=33.8), (3) (c3=33), (4) (c3=25.59)`.

    3 2 1 0 1 2 34

    3

    2

    1

    0

    1

    2

    3

    Z,n 3

    Z,n 1

  • 13

    1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 34

    3

    2

    1

    0

    1

    2

    Z,n 3

    Z,n 1

    1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 34

    3

    2

    1

    0

    1

    2

    Z,n 3

    Z,n 1

  • 14

    1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 34

    3

    2

    1

    0

    1

    2

    Z,n 3

    Z,n 1

    2 1 0 1 2 34

    3

    2

    1

    0

    1

    2

    3

    Z,n 3

    Z,n 1

  • 15

    6.

    . -, . , . . . . , , .

    1 J Gleick, Chaos, (Viking, New York, 1987), . 65.

    2 J.L. Moiola & G. Chen, Hopf bifurcation analysis: A frequency domain approach. Singapore, Ney Jersey: World

    Scinetific Series of Nonlinear Science (Ed. L.O. Chua), 1996. 3 . . Lorentz, J. Almos, Science, 20 , (1963), 130.

    4 A. , , (.

    . ), . , : . .. , 1989, .61. 5 H. K. Khalil, Nonlinear Systems, 2

    nd ed. New Jersey, Prentice Hall, 1996.

    6 . R Scheinerman, Invitation to Dynamical Systems, New Jersey: Prentice Hall, 1966, .153.

    7 H. K. Khalil, Nonlinear Systems, 2

    nd ed. New Jersey, Prentice Hall, 1996.

    8 . R Scheinerman, Invitation to Dynamical Systems, New Jersey: Prentice Hall, 1966, .153.

    9 M. Feigenbaum, Journal of Statistical Physics, 19, 25 (1978), J. Stat. Phys 21, 669(1979).

    10 Y. Pomeau & P. Manneville, Intermittent transition to turbulence in dissipative dynamical systems, Commun.

    Math. Phys. 74, 189 (1980). 11

    D. Ruelle & F. Takens, On the nature of turbulence, Commun. Math. Phys, 20, 167 (1971). 12

    , .. -. 2001 13

    . R Scheinerman, Invitation to Dynamical Systems, New Jersey: Prentice Hall, 1966, . 188-199. 14

    . . . 174. 15

    O....202-216 16

    .. . 158-160. 17

    A. , .., .117. 18

    M. P. Kennedy, Chaos in the Colpitts oscillator IEEE Trans. Circuits Syst. I. 1994, 41, (11), . 771-774. 19

    .P. Kennedy, On the relationship between the chaotic Colpitts oscillatos and Chuas oscillator, IEEE Trans.

    Circuits Sust. I, 1995, 42, (6), . 376-379. 20

    L. O. Chua, Chuas circuit: an overview ten years later, J. Circuits Syst. Comput. 1994, 4, (2), 117-159. 21

    L.O. Chua, M. Itoh, L. Kocarev & K. Eckert, Chaos synchronization in Chua circuit, R.N. Madam (E.):

    Chuas circuit: A paradigm for Chaos, World Scientific Publ. Co, Singapore, 1993, . 309-324. 22

    L.O Chua, Global unfolding of Chuas circuit , IEIECE Trans. Fundamentals Electronics, Communications and

    Computer Sciences, vol. E76-A, no. 5, 704-734, May 1993. 23

    M.P.Kennedy, Robust Op Amp Implementation of Chuas Circuit, Frequenz, vol. 46, n0. 3-4, pp. 66-80, 1992. 24

    M.T. Abuelma Atti, Chaos in an autonomus active-R circuit, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Fundam. Theory appl.,

    1995, 42, (1), . 1-5. 25

    , 7-8/94, . 109-110 26

    X. Rodet, Sound and Music from Chuas Circuit, Journal of Circuits, Systems and Computers, vol. 3, n0. 2, 49-61,

    1992. 27

    ..Alligood, T.D. Sauer & J.A. Yorke, Chaos: An introduction to dynamic systems, New York, Spinger, 1977,

    .375