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费根鲍姆常数


FeigenbaumConstantBifurcation

费根鲍姆常数 delta 是函数通过 混沌 经由 倍周期分岔 逼近时的一个普适常数。它由费根鲍姆在 1975 年发现 (Feigenbaum 1979),当时他正在研究迭代函数的不动点

 f(x)=1-mu|x|^r,
(1)

并描述了当参数 mu 增大时,分岔参数向其极限值的几何逼近,对于固定的 x。上面的图是通过迭代方程 (1) 与 r=2 数百次,对于一系列离散但紧密间隔的 mu 值,丢弃前一百个左右的点,在迭代稳定到其不动点之前,然后绘制剩余的点而制成的。

FeigenbaumConstantIteration

一个更直接显示周期的类似图可以通过绘制 f^n(x)-x 作为 mu 的函数来构建。上面的图 (Trott, 私人通讯) 显示了 n=1、2 和 4 的结果曲线。

mu_n 为周期 2^n-循环出现的点,并将收敛值表示为 mu_infty。假设几何收敛,则该值与 mu_n 之间的差值表示为

 lim_(n->infty)mu_infty-mu_n=Gamma/(delta^n),
(2)

其中 Gamma 是一个常数,delta>1 是一个常数,现在被称为费根鲍姆常数。解出 delta 得到

 delta=lim_(n->infty)(mu_(n+1)-mu_n)/(mu_(n+2)-mu_(n+1))
(3)

(Rasband 1990, p. 23; Briggs 1991)。另一个常数 alpha,定义为从一个倍周期到下一个倍周期,倍周期分岔 吸引子 的相邻元素之间的分离,其值为

 alpha=lim_(n->infty)(d_n)/(d_(n+1)),
(4)

其中 d_n2^n 周期中,最接近 0 的周期元素的值 (Rasband 1990, p. 37; Briggs 1991)。

对于方程 (1) 与 r=2,分岔的开始发生在 mu=0.75、1.25、1.368099、1.39405、1.399631、...,给出 delta 的收敛值,对于 n=1、2、3、... 分别为 4.23374、4.5515、4.64617、....

对于 Logistic 映射

delta=4.669201609102990...
(5)
Gamma=2.637...
(6)
mu_infty=3.569945672...
(7)
alpha=-2.502907875....
(8)

(OEIS A006890, A098587, 和 A006891; Broadhurst 1999; Wolfram 2002, p. 920), 其中 delta 被称为费根鲍姆常数,alpha 是相关的“约化参数”。

Briggs (1991) 计算了 delta 到 84 位数字,Briggs (1997) 计算到 576 位小数(其中 344 位是正确的),Broadhurst (1999) 计算到 1018 位小数。目前尚不清楚费根鲍姆常数 delta 是否是代数的,或者是否可以用其他数学常数来表示 (Borwein and Bailey 2003, p. 53)。

Briggs (1991) 计算了 alpha 到 107 位数字,Briggs (1997) 计算到 576 位小数(其中 346 位是正确的),Broadhurst (1999) 计算到 1018 位小数。

令人惊讶的是,费根鲍姆常数 delta 和相关的约化参数 alpha 对于所有一维 映射 f(x) 都是“普适的”,如果 f(x) 具有一个局部二次 最大值。这是费根鲍姆的猜想,并由 Lanford (1982) 对 r=2 的情况进行了严格证明,Epstein (1985) 对所有 r<14 的情况进行了证明。

更具体地说,如果 施瓦茨导数

 D_(Schwarzian)=(f^(''')(x))/(f^'(x))-3/2[(f^('')(x))/(f^'(x))]^2
(9)

在有界区间内为 负值,则费根鲍姆常数对于一维 映射 是普适的 (Tabor 1989, p. 220)。普适映射的例子包括 Hénon 映射Logistic 映射Lorenz 吸引子、Navier-Stokes 截断和正弦映射 x_(n+1)=asin(pix_n)。费根鲍姆常数的值可以使用函数群重整化理论显式计算。普适常数也出现在物理学中的相变中。

普适映射的 alpha 值可以从函数群重整化理论的零阶近似中通过求解得到

 1-alpha^(-1)=(1-alpha^(-2))/([1-alpha^(-2)(1-alpha^(-1))]^2),
(10)

可以将其改写为 五次方程

 alpha^5+2alpha^4-2alpha^3-alpha^2+2alpha-1=0.
(11)

数值求解最小实根得到 alpha=-2.48634...,仅比实际值偏离 0.7% (Feigenbaum 1988)。

对于 保面积 二维 映射

x_(n+1)=f(x_n,y_n)
(12)
y_(n+1)=g(x_n,y_n),
(13)

费根鲍姆常数为 delta=8.7210978... (Tabor 1989, p. 225)。

对于 形式为 (1) 的函数,对于不同的 r,费根鲍姆常数在下表中给出 (Briggs 1991, Briggs et al. 1991, Finch 2003),该表更新了 Tabor (1989, p. 225) 中的值。

rdeltaalpha
35.9679687038...1.9276909638...
47.2846862171...1.6903029714...
58.3494991320...1.5557712501...
69.2962468327...1.4677424503...

Broadhurst (1999) 考虑了其他的费根鲍姆常数。令 g(x)f(x) 为偶函数,其中 g(0)=f(0)=1 并且

(g(alphax))/alpha=g(g(x))
(14)
(deltaf(alphax))/alpha=g^'(g(x))f(x)+f(g(x))
(15)

delta 尽可能大。令 (b,c,d) 为正数,其中

 g(b)=0=1/(g(c+id))
(16)

(b,c^2+d^2) 尽可能小。另令 kappa 为最近奇点的阶数,其中

 1/(g(c+id+z))=O(z^kappa)
(17)

z 趋于零时。这些常数的值总结在下表中。

常数OEIS
bA1192770.83236723690531642484...
cA1192781.8312589849371314853...
dA1192792.6831509004740718014...
kappaA1192801.3554618047064087438...

参见

吸引子, 分岔, 费根鲍姆常数近似值, 费根鲍姆函数, 线性稳定性, Logistic 映射, 倍周期分岔, 帐篷映射

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参考文献

Borwein, J. 和 Bailey, D. 实验数学:21 世纪的合理推理。 Wellesley, MA: A K Peters, p. 53, 2003.Briggs, K. "混沌动力学中的简单实验。" Amer. J. Phys. 55, 1083-1089, 1987.Briggs, K. "如何在您的 PC 上计算费根鲍姆常数。" Austral. Math. Soc. Gaz. 16, 89-92, 1989.Briggs, K. "费根鲍姆常数的精确计算。" Math. Comput. 57, 435-439, 1991.Briggs, K. M. "离散动力系统中的费根鲍姆标度。" 博士论文。澳大利亚墨尔本:墨尔本大学, 1997.Briggs, K.; Quispel, G.; 和 Thompson, C. "Mandelsets 的特征值。" J. Phys. A: Math. Gen. 24, 3363-3368, 1991.Broadhurst, D. "费根鲍姆常数精确到小数点后 1018 位。" 电子邮件日期为 1999 年 3 月 22 日。 http://pi.lacim.uqam.ca/piDATA/feigenbaum.txt.Campanino, M. 和 Epstein, H. "关于费根鲍姆不动点的存在性。" Commun. Math. Phys. 79, 261-302, 1981.Campanino, M.; Epstein, H.; 和 Ruelle, D. "关于费根鲍姆函数方程。" Topology 21, 125-129, 1982.Collet, P. 和 Eckmann, J.-P. "区间到自身的连续映射的性质。" 理论物理中的数学问题 (Ed. K. Osterwalder). New York: Springer-Verlag, 1979.Collet, P. 和 Eckmann, J.-P. 区间上的迭代映射作为动力系统。 Boston, MA: Birkhäuser, 1980.Derrida, B.; Gervois, A.; 和 Pomeau, Y. "分岔的普适度量性质。" J. Phys. A 12, 269-296, 1979.Eckmann, J.-P. 和 Wittwer, P. 应用于费根鲍姆方程的计算机方法和 Borel 可加性。 New York: Springer-Verlag, 1985.Epstein, H. "费根鲍姆函数存在性的新证明。" Inst. Hautes Études Sco., Report No. IHES/P/85/55, 1985.Feigenbaum, M. J. "非线性变换的普适度量性质。" J. Stat. Phys. 21, 669-706, 1979.Feigenbaum, M. J. "倍周期分岔的度量普适性质和通往湍流的路径的谱。" Ann. New York. Acad. Sci. 357, 330-336, 1980.Feigenbaum, M. J. "一类非线性变换的定量普适性。" J. Stat. Phys. 19, 25-52, 1978.Feigenbaum, M. J. "表示函数、不动点和标度函数动力学理论。" J. Stat. Phys. 52, 527-569, 1988.Finch, S. R. "费根鲍姆-库莱-特雷泽常数。" §1.9 in 数学常数。 Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 65-76, 2003.Gleick, J. 混沌:一门新科学的诞生。 New York: Penguin Books, pp. 173-181, 1988.Karamanos, K. 和 Kotsireas, I. "附录:关于费根鲍姆常数首位数字的统计分析。" J. Franklin Inst. 343, 759-761, 2006.Lanford, O. E. III. "费根鲍姆猜想的计算机辅助证明。" Bull. Amer. Math. Soc. 6, 427-434, 1982.Lanford, O. E. III. "费根鲍姆不动点存在性的更简短证明。" Commun. Math. Phys. 96, 521-538, 1984.Michon, G. P. "最终答案:数值常数。" http://home.att.net/~numericana/answer/constants.htm#feigenbaum.Pickover, C. A. "最著名的十五个超越数。" J. Recr. Math. 25, 12, 1993.Pickover, C. A. "15 个最著名的超越数。" Ch. 44 in 数字奇观,数学、思维和意义的冒险。 Oxford, England: Oxford University Press, pp. 103-106, 2000.Rasband, S. N. 非线性系统的混沌动力学。 New York: Wiley, 1990.Sloane, N. J. A. 序列 A006890/M3264, A006891/M1311, A098587, A119277, A119278, A119279, 和 A119280 在 "整数序列在线百科全书" 中。Stephenson, J. W. 和 Wang, Y. "费根鲍姆方程的数值解。" Appl. Math. Notes 15, 68-78, 1990.Stephenson, J. W. 和 Wang, Y. "费根鲍姆方程解之间的关系。" Appl. Math. Let. 4, 37-39, 1991.Stoschek, E. "Modul 33: 带数字的算法游戏。" http://marvin.sn.schule.de/~inftreff/modul33/task33.htm.Thompson, C. J. 和 McGuire, J. B. "费根鲍姆方程的渐近和本质奇异解。" J. Stat. Phys. 51, 991-1007, 1988.Tabor, M. 非线性动力学中的混沌和可积性:导论。 New York: Wiley, 1989.Trott, M. "Mathematica 指南 附加材料:第二个费根鲍姆常数。" http://www.mathematicaguidebooks.org/additions.shtml#S_1_07.Wolfram, S. 一种新科学。 Champaign, IL: Wolfram Media, p. 920, 2002.

在 Wolfram|Alpha 中引用

费根鲍姆常数

请引用本文为

Weisstein, Eric W. "费根鲍姆常数。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/FeigenbaumConstant.html

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