非線性動力學與混沌

對初始條件的敏感依賴(sensitive dependence on initial conditions)

兩份天氣預報從幾乎完全相同的量測出發——只在最後一位小數不同,彷彿一份計入了一隻蝴蝶的振翅、另一份沒有。有一段時間它們的預測一致,然後開始分歧,一兩週之內便描述出截然不同的天氣。這種微小差異的失控放大,就是對初始條件的敏感依賴,通俗地稱為蝴蝶效應。

形式上,若起始任意靠近的軌跡以指數速率分離,系統便展現敏感依賴。若兩個初始狀態相差一個微小間隔 delta_0,則它們在時間 t 的間隔大致按 delta(t) ~ delta_0 e^(lambda t) 增長,其中 lambda 是一個正的李亞普諾夫指數。由於增長是指數式的,預測保持準確的時間,只隨你對初始狀態知識的改善而以對數方式增長——把初始誤差減半,只換得固定的一段額外可預測時間,而非加倍。敏感依賴,連同動態有界且非週期,正是決定性混沌的定義指紋。

一個關鍵而常被忽略的重點是:這類系統完全是決定性的:相同的初始條件永遠給出相同的未來,方程式中沒有任何隨機性。混沌不是雜訊。不可預測性純粹是實務上的,它源於我們無法以無窮精度指定初始狀態,再被動態無界地放大。愛德華·勞倫茲(Edward Lorenz)1961 年偶然發現此事:他把天氣模型的輸入從六位數捨入為三位數,竟得到全然不同的預報。這正是為何長期天氣預測有一道任何算力都推不過去的硬性視界。

在勞倫茲系統中,兩條相距百萬分之一啟動的軌跡,會有一陣子在視覺上難以區分,然後剝離,此後各自獨立地漫遊於吸引子上,共享其形狀卻不共享其時序。

既決定又不可預測——百萬分之一吋的疑慮無界地增長。

敏感依賴並不表示系統是隨機的,也不表示其方程含有雜訊;它完全是決定性的,可預測性的喪失純粹來自初始狀態中無可避免的不確定性被指數式放大。

又称
butterfly effectSDIC蝴蝶效應