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非线性

2021-03-01 12:59:02  阅读:228  来源: 互联网

标签:相空间 质点 连续介质 非线性 力学 吸引


非线性nonlinear、随机stochastic、混沌chaos、分岔bifurcation、分形fractal

非线性

线性函数有两个性质:叠加性、齐次

非线性代数方程x^2+x-1=0 ,线性代数方程x-1=0
非线性微分方程u_x+u^2=0,线性微分方程u_x+u=0
非线性递回关系x_{n+1} = rx_n(1-x_n),线性递回关系 x_{n+1} = rx_n

0<r<1,x1=1,x_{n+1} = rx_n

虽然这个图像是曲线不是直线,但该递回关系是线性的。线性指的是输入与输出间的关系,而不是输出。

非线性的表现:经典混沌、多稳态、非周期振荡、振幅死亡、孤波

动力系统

动力系统:描述变量随时间变化的一组函数

变量:随时间变化,参数:不随时间变化
离散:时间不连续,连续:时间连续
随机:一对多,确定:一对一

确定性非线性动力系统

logistic差分方程

增长模型x(n+1)=rx(n)
限制增长模型(logistic映射)x(n+1)=rx(n)[1-x(n)]

横轴n,纵轴x,起始点x(1)=0.5
r=0.25,0.5,0.75                                 r=1.25,2,2.75                          

                      r=3.2                                                       r=3.54                                                   r=3.99

吸引子:一个系统有朝某个稳态发展的趋势,这个稳态就叫做吸引子。吸引子分为平庸吸引子和奇异吸引子。平庸吸引子有不动点(平衡)、极限环(周期运动)和整数维环面(概周期运动)三种模式。而不属于平庸的吸引子的都称为奇异吸引子,它表现了混沌系统中非周期性。
上面五张图,吸引子个数分别为:1、1、2、4、n。
r=3.2,分岔,周期为2
r=3.54,分岔,周期为4(excel里面计算过,比如前四个与后四个只是近似相等)
r=3.99,混沌

分岔图

纵轴为r对应的稳定值。r=1~3时,系统为单点吸引子;r超过3.57,系统混乱;但r超过3.57也有不混乱的,比如r=3.83为三点吸引子。

对初始条件敏感

x1=0.3与x=0.301      r=3.99                                                 x1=0.3与x=0.3000001     r=3.99

混沌

表观随机性、确定性、初值敏感

二维动力系统

x维数大于1,系统的状态由当前变量值描述,是相空间的一点

捕食者—猎物系统

捕食者—猎物系统,二维连续动力系统

二维离散动力系统x(n+1)=ax(n) - bx(n)^2

捕食者—猎物系统有四种情况

理想的捕食者—猎物系统

捕食者数量不增加,猎物数量变化

二维吸引子为极限环(一维为不动点)

屈曲


x为压杆的纵向位移,y为速度


a,b,m质量,c阻尼,这是参数

不同参数下的相图

吸引域:同时增加、同时减小、一增一减

三维动力系统

洛伦兹系统

大气动力学

极限点

attractor吸引子:最终轨迹趋于该点
repellors排斥子:最终轨迹远离该点
Saddle points鞍点:一些轨迹的吸引子,另一些轨迹的排斥子

分形

分形维:一条直线三等分去掉中间一个,一直迭代下去无穷次,形成cantor集。该集合点和实数一样多,但长度为0,听起来很奇怪?豪斯道夫提出不同维数要用不同的度量方法,而我们用0维测量该集合,说其长度为0。豪斯道夫维N图形测度放大倍数、r图形尺度放大的倍数,cantor集维数为log2/log3

为什么关注分形:自然物体是分形的;混沌轨迹是分形的

科克曲线:每条边都画一个三角形



补充

递归图:横轴x(n),纵轴x(n+1)
嵌入维:递归图是二维

period doubling周期倍增
asymptotic渐进
transient暂态
differential equations微分方程
difference equations差分方程

参考
Basic Concepts in Nonlinear Dynamics and Chaos https://www.vanderbilt.edu/AnS/psychology/cogsci/chaos/workshop/Workshop.html#IntroDS

相平面、相空间

一个质点的状态可由位置、速度描述,力学系统有n个质点,力学系统的所有可能状态构成相空间。一个质点的状态可由2个变量描述(位置x;速度v),则力学系统的所有可能状态构成相平面。
相:质点运动状态
相点:相空间的一点,即质点运动的某一状态
相图、相轨迹:相空间的一条曲线
奇点:相图上速度与加速度同时为0的点

参考
相平面 相空间 https://wenku.baidu.com/view/72678219580102020740be1e650e52ea5518ceb1.html

质点、流体质点

质点:有质量但不存在体积或形状的点。
流体质点:一个体积很小、但仍然大得足以满足连续介质假定的流体元。宏观尺寸非常小,而微观尺寸足够大。

经典力学:质点及刚体力学(课程:理论力学、分析力学等)、连续介质力学(课程:材料力学、弹性力学、流体力学、连续介质力学、转子动力学等)

力学假定——assumptions of mechanics

连续介质力学公理
物理学中的各公理
连续介质在力的作用下仍保持为连续介质
在物体内处处可以确定应力、应变
一点处的应力与该点处的应变以及应变随时间的变化率有关
参考:连续介质力学初级教程 冯元帧

经典力学假定
时间和空间是绝对的,长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关;只适用于与光速相比低速运动的情况;物质间相互作用的传递是瞬时到达的。
一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。

材料力学
连续:物理量密度、应力、形变、位移等连续
均匀:物体由同一材料组成
各向同性:物体内一点的弹性在各个方向都相同,即弹性常数不会随方向变化
微小位移与微小形变:位移小于物体原来尺寸,应变与转角小于1
参考:材料力学 刘鸿文

弹性力学假定
连续
完全弹性:完全服从胡克定律
均匀
各向同性
微小位移与微小形变
参考:弹性力学 徐芝纶

流体力学假定
密度为单值和连续可微函数\rho = \rho(x,y,z,t)
速度为单值和连续可微函数v=v(x,y,z,t)
内应力为单值和连续可微函数p=p(x,y,z,t),内应力:不受外力时,连续介质的应力
参考:工程流体力学 黄卫星

标签:相空间,质点,连续介质,非线性,力学,吸引
来源: https://blog.csdn.net/qq_37083038/article/details/113664623

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