動力系統、分岔與混沌
吸引子(attractor)
在碗裡滾一顆彈珠,不論你怎麼彈它,摩擦最終都把它安頓在碗底。把擺鐘推得太輕或太重,它都會鬆弛回到同一個穩定的滴答。系統會朝某種最終行為漂去、然後一直維持,無論一開始的細節如何,只要它從「附近」出發。這個長期的歸宿,就是吸引子。
吸引子是一個不變集 A,所有鄰近的軌跡在時間趨於無窮時都收斂向它,而且它不能再被拆成具有同樣性質的更小片段。「不變」表示一旦落在 A 上就留在 A 上;「吸引」表示存在一圈周圍鄰域,其中每條軌跡都逼近 A。最簡單的吸引子是單個穩定平衡點(碗底的彈珠,系統最終靜止不動)和穩定極限環(系統鎖定的穩定振盪,如鐘擺規律的擺動)。所有最終匯入某個吸引子的起點所成的集合,就是它的吸引域。
吸引子正是實驗與模擬實際給你看到的東西,因為起始的暫態行為會衰減,只有吸引子上的行為會持續到被觀察到。混沌的戲劇性發現在於:吸引子不一定是一個點或一個環,它可以是奇異吸引子,是一個分形集合,運動在其上永不重複卻永遠保持有界。所以「系統穩定下來」不總是表示「系統安靜下來」,有時它穩定進入的是永恆、繁複、永不重複的運動。
阻尼單擺 y'' + 0.3 y' + sin(y) = 0 以下垂的靜止狀態(y = 0、y' = 0)作為點吸引子:從幾乎任何不太大的角度釋放,它都會以遞減的振幅擺動,直到靜止下垂。相對地,范德波振盪器有一個極限環吸引子,是一個固定的振盪環,鄰近的起點都螺旋盤繞到它上面。
同一個概念的兩張面孔:吸引子可以是單一靜止點,也可以是鄰近軌跡鎖定上去的永久振盪。
作為穩定平衡點,並不完全等同於最強意義下的吸引子:中心(被閉軌道環繞)是穩定的,卻不吸引任何東西,因為鄰近軌跡永遠繞圈而非逼近。吸引要求軌跡真正向內移動,而不僅是保持靠近。
又稱
另見