動力系統、分岔與混沌

邏輯斯諦映射(logistic map)

/ low-JIS-tik map /

對明年的族群採用能想到最簡單的規則:今年族群的固定比例,外加一個在族群太擁擠時就啟動的剎車。套用一次,得到明年;再套用一次,得到後年;不斷迭代。這條單行的離散規則——不是微分方程而是它逐步推進的表親——就是邏輯斯諦映射,而令人驚訝的是,這個玩具竟生成了秩序崩塌為混沌的全部戲碼。

這個映射是 x_(n+1) = r x_n (1 - x_n),其中 x_n 是介於 0 與 1 之間的族群比例,r 是成長參數,通常介於 0 與 4 之間。每一步你把當前值代入,得到下一個:r x_n 那部分是繁殖,(1 - x_n) 這個因子是擁擠剎車,當 x 趨近 1 時縮減成長。現在把 r 往上掃,觀察長期行為。當 r 小(不超過 3)時,迭代值安頓到單一個固定值——一個穩定族群。越過 r = 3 後那個不動點變得不穩定,數值開始在兩個之間交替——一個 2 週期(每隔一年榮枯)。越過約 3.449 後,2 週期分裂為 4 週期,再為 8,再為 16,分裂來得越來越快。越過大約 r = 3.5699 後,週期實際上變成無窮:序列永不重複,表現得混沌。

邏輯斯諦映射是與混沌的標準初次相遇,因為它極其基本——一個你能在計算機上迭代的二次式——卻包含了週期倍增串級、敏感依賴與一張分形的分岔圖。它深刻的驚奇,由費根鮑姆所揭示,是普適性:週期倍增加速的比率(一個接近 4.669 的常數)對邏輯斯諦映射、以及對整類截然不同、只有單一個駝峰的系統,都是一樣的。所以這條幼稚園般簡單的方程,揭示了一條秩序如何變成混沌的定量定律,而自然界在遠超模型本身的範圍內都遵循它。

從 x_0 = 0.5 迭代 x_(n+1) = 3.9 x_n (1 - x_n):你得到 0.975、0.0951、0.3354、0.8687、0.4453、…——被界在 (0,1) 內卻毫無模式,永不安定也永不重複。改從 x_0 = 0.5001 開始,幾十步之內這兩條序列就看起來毫不相干,這正是一行公式中混沌的標誌。

在 r = 3.9 時,原本給出穩定族群的同一個二次式,現在產生有界卻不可預測、永不重複的數值。

邏輯斯諦映射是一個離散迭代,不是邏輯斯諦微分方程。連續的邏輯斯諦常微分方程 x' = r x (1 - x/K) 是溫馴的、永不混沌——它是一維的,所以只能單調地上升或下降。正是映射的離散性,才在單一變量中解鎖了振盪與混沌。

又称
quadratic maplogistic difference equation邏輯斯諦差分方程