Нелинейный минимум

• Введение
• Отображения на примере школьной задачи
• Логистическое отображение и бифуркационное дерево
• Прыгающий шарик
• Отображение Эно
• Фазовое пространство и аттракторы
• Карты динамических режимов
• Ляпуновские показатели
• Карты ляпуновских показателей

Введение

Успехи механики в XVII-XIX веках были столь впечатляющими, что стало казаться возможным представить себе всю Вселенную как гигантскую динамическую систему. Эту позицию четко сформулировал Лаплас: «Состояние системы природы в настоящем есть, очевидно, следствие того, каким оно было в предыдущий момент, и, если мы представим себе разум, который в данное мгновение постиг все связи между объектами Вселенной, то он сможет установить соответствующие положения, движения и общие воздействия этик объектов в любое время в прошлом или будущем» (1776 г.). Эта доктрина, получившая название лапласовского детерминизма, выразила в концентрированном виде идеал научного познания, каким он виделся в те времена. Понадобился длительный путь развития науки и научного мировоззрения (термодинамика и статистическая физика, квантовая механика), чтобы убедиться в несостоятельности такого представления о мире. И все же лапласовский детерминизм совсем недавно казался незыблемым для простых моделей типа осциллятора.

Конец XX века привнес ощущение научной революции, сравнимой с возникновением собственно научного метода в эпоху Галилея. В центре внимания исследователей вновь оказались самые фундаментальные свойства окружающего мира: эволюция систем во времени и геометрия природы. Однако характер интереса к этим понятиям изменился. Картина мира стала переосмысляться, наполняясь новыми образами (катастрофы, бифуркации, хаос, фракталы). Весьма характерны в этом смысле слова нобелевского лауреата И.Пригожина: "Если в физике и химии где-то и существует простота, то заведомо не в микроскопических моделях. Она скорее кроется в идеализированных макроскопических представлениях, например, о простых движениях типа гармонического осциллятора". Модели в виде осцилляторов, различных одномерных отображений и др. оказались во многом центральными объектами интенсивно развивающихся синтетических научных дисциплин, к которым относятся теория колебаний, теория бифуркаций, теория динамических систем, теория динамического хаоса и др.

В 1963 г. американский метеоролог Э. Лоренц опубликовал статью "Детерминированное непериодическое течение", в которой обсуждались результаты численного исследования достаточной простой системы дифференциальных уравнений, моделирующих динамику жидкости при конвекции в подогреваемом снизу слое. Лоренц подверг полученные результаты тщательному и глубокому обсуждению, акцентируя внимание на связь между сложным поведением системы и присущей ей неустойчивости. Позднее это свойство пропагандировалось им как "эффект бабочки" ("butterfly effect"): в приложении к метеорологии взмах крыльев бабочки может через достаточно время повлечь существенное изменение погоды. Таким образом оказывается невозможно предсказать поведение даже простой системы.

К настоящему времени соответствующие представления развиты настолько глубоко, что можно говорить о теории динамического хаоса – науке о "непредсказуемом" поведении простых динамических систем.

Цель нашего кружка – дать представление о порядке и хаосе в терминах нелинейной динамики. Следует иметь в виду, что нелинейная динамика сейчас это уже и не физика, и не математика, хотя имеет в них глубокие корни и взаимосвязана с ними. Это новая наука, со своими понятиями, терминологией, методами и подходами. .