非線性動力學與混沌

勞倫茲吸引子(Lorenz attractor)

/ LOR-ents /

1963 年,氣象學家愛德華·勞倫茲把大氣對流簡化到僅剩三條方程,並在早期電腦上積分,本以為會得到簡單結果。不料解卻無止境地繞行兩個螺旋,既不安定也不重複,描出一個著名地形似蝴蝶雙翼的形狀。它成為第一個、也最具代表性的奇異吸引子,是現代混沌理論的誕生地。

勞倫茲系統是變數 x、y、z 的三條耦合常微分方程:dx/dt = sigma (y - x)、dy/dt = x (rho - z) - y、dz/dt = x y - beta z。此處 x 正比於對流翻轉,y 與 z 正比於水平與垂直的溫度變化,而 sigma(普朗特數)、rho(縮放後的瑞利數)與 beta 為參數。在經典值 sigma = 10、beta = 8/3、rho = 28 下,代表穩定對流的兩個對稱不動點皆不穩定,軌跡被拉到一個有界的碎形集——勞倫茲吸引子——維度約 2.06,其上運動為混沌、具正李亞普諾夫指數。此系統為耗散系統:相空間體積處處收縮(流的散度為常數 -(sigma + 1 + beta) < 0),故吸引子體積為零,軌跡卻永不收斂到一點。

勞倫茲吸引子是「簡單、低維、完全決定性的系統也可能本質上不可預測」的典範示範,並賦予蝴蝶效應其名與其標誌。誠實的告誡:這三條方程是流體動力學的劇烈截斷(僅保留三個模態的嚴苛伽遼金近似),故此模型是觀念上的典範,而非真實對流的定量模型;而「這個集合確實是奇異吸引子」的嚴格數學證明,直到瓦立克·塔克(Warwick Tucker)於 2002 年才完成,距其發現已數十年。

以 sigma = 10、beta = 8/3、rho = 28 從兩個幾乎相同的起點積分勞倫茲方程:兩者都描出同一對蝴蝶翼,但過一陣子便以完全不同的順序繞行兩瓣。

這幅三方程的天氣漫畫,其蝴蝶形狀開啟了混沌理論。

勞倫茲模型是三模態截斷,是對流的觀念漫畫而非忠實的流體模擬;而它作為真正奇異吸引子的地位,長期由數值計算視為理所當然,卻遲至 2002 年才獲嚴格證明。

又称
Lorenz systembutterfly attractor蝴蝶吸引子勞侖茲吸引子