倍週期(period doubling)
系統安定於一個穩定重複的節奏——滴、滴、滴,每一拍都相同。輕推某參數,忽然間拍子開始交替:強、弱、強、弱,於是要兩拍之後花樣才真正重複。節奏的週期加倍了。繼續推,它再倍成四、再成八,愈來愈快,直到重複性溶解為混沌。
倍週期是離散映射(或流在龐加萊截面上的回歸映射)的一種分岔:一個週期-n 循環失去穩定,生出一個穩定的週期-2n 循環。對映射 x_{n+1} = F(x_n),當乘子 F'(x*) 的絕對值小於 1 時,不動點(週期-1 循環)穩定;當此乘子通過 -1 時,發生翻轉分岔。負號是關鍵所在:軌道每一步都越過到另一側,因此必須造訪兩個相異值才返回,使週期加倍。分析二次迭代映射 F(F(x)),可把每次這樣的事件還原成類似叉形的分裂。
這些倍週期的無窮串接——週期 2、4、8、16……——在一個有限參數值處堆積,是通往混沌的普適途徑之一,可見於邏輯斯蒂映射、滴水的水龍頭、受驅單擺、非線性電路,以及瑞利-貝納(Rayleigh-Benard)對流。值得注意的是,此串接以幾何方式收斂,其速率由費根鮑姆常數主宰,而對一大類系統而言這是同一個數。堆積點之外便是混沌,但其間交錯著恢復週期性的狹窄「窗口」。
在邏輯斯蒂映射 x_{n+1} = r x_n (1 - x_n) 中,穩定的單一值在 r = 3 讓位給 2-循環,在約 r = 3.449 成 4-循環,在約 r = 3.544 成 8-循環,依此類推,倍週期在 r_infinity = 3.5699... 處堆積,混沌自此開始。
一次次加倍朝著一個有限臨界值擁擠而去——通往混沌的門扉。
倍週期不同於受驅系統偶然以驅動頻率之半回應;它是一種內稟的失穩,由弗洛凱乘子(Floquet multiplier,映射特徵值)通過 -1 所標誌,且其串接在數量上是普適的。