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費根鮑姆常數


FeigenbaumConstantBifurcation

費根鮑姆常數 delta 是函式透過 混沌 經由 倍週期分岔 逼近時的一個普適常數。它由費根鮑姆在 1975 年發現 (Feigenbaum 1979),當時他正在研究迭代函式的不動點

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

並描述了當引數 mu 增大時,分岔引數向其極限值的幾何逼近,對於固定的 x。上面的圖是透過迭代方程 (1) 與 r=2 數百次,對於一系列離散但緊密間隔的 mu 值,丟棄前一百個左右的點,在迭代穩定到其不動點之前,然後繪製剩餘的點而製成的。

FeigenbaumConstantIteration

一個更直接顯示週期的類似圖可以透過繪製 f^n(x)-x 作為 mu 的函式來構建。上面的圖 (Trott, 私人通訊) 顯示了 n=1、2 和 4 的結果曲線。

mu_n 為週期 2^n-迴圈出現的點,並將收斂值表示為 mu_infty。假設幾何收斂,則該值與 mu_n 之間的差值表示為

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

其中 Gamma 是一個常數,delta>1 是一個常數,現在被稱為費根鮑姆常數。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)。另一個常數 alpha,定義為從一個倍週期到下一個倍週期,倍週期分岔 吸引子 的相鄰元素之間的分離,其值為

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

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

對於方程 (1) 與 r=2,分岔的開始發生在 mu=0.75、1.25、1.368099、1.39405、1.399631、...,給出 delta 的收斂值,對於 n=1、2、3、... 分別為 4.23374、4.5515、4.64617、....

對於 Logistic 對映

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 被稱為費根鮑姆常數,alpha 是相關的“約化引數”。

Briggs (1991) 計算了 delta 到 84 位數字,Briggs (1997) 計算到 576 位小數(其中 344 位是正確的),Broadhurst (1999) 計算到 1018 位小數。目前尚不清楚費根鮑姆常數 delta 是否是代數的,或者是否可以用其他數學常數來表示 (Borwein and Bailey 2003, p. 53)。

Briggs (1991) 計算了 alpha 到 107 位數字,Briggs (1997) 計算到 576 位小數(其中 346 位是正確的),Broadhurst (1999) 計算到 1018 位小數。

令人驚訝的是,費根鮑姆常數 delta 和相關的約化引數 alpha 對於所有一維 對映 f(x) 都是“普適的”,如果 f(x) 具有一個區域性二次 最大值。這是費根鮑姆的猜想,並由 Lanford (1982) 對 r=2 的情況進行了嚴格證明,Epstein (1985) 對所有 r<14 的情況進行了證明。

更具體地說,如果 施瓦茨導數

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

在有界區間內為 負值,則費根鮑姆常數對於一維 對映 是普適的 (Tabor 1989, p. 220)。普適對映的例子包括 Hénon 對映Logistic 對映Lorenz 吸引子、Navier-Stokes 截斷和正弦對映 x_(n+1)=asin(pix_n)。費根鮑姆常數的值可以使用函式群重整化理論顯式計算。普適常數也出現在物理學中的相變中。

普適對映的 alpha 值可以從函式群重整化理論的零階近似中透過求解得到

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

可以將其改寫為 五次方程

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

數值求解最小實根得到 alpha=-2.48634...,僅比實際值偏離 0.7% (Feigenbaum 1988)。

對於 保面積 二維 對映

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

費根鮑姆常數為 delta=8.7210978... (Tabor 1989, p. 225)。

對於 形式為 (1) 的函式,對於不同的 r,費根鮑姆常數在下表中給出 (Briggs 1991, Briggs et al. 1991, Finch 2003),該表更新了 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) 考慮了其他的費根鮑姆常數。令 g(x)f(x) 為偶函式,其中 g(0)=f(0)=1 並且

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

delta 儘可能大。令 (b,c,d) 為正數,其中

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

(b,c^2+d^2) 儘可能小。另令 kappa 為最近奇點的階數,其中

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

z 趨於零時。這些常數的值總結在下表中。

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

參見

吸引子, 分岔, 費根鮑姆常數近似值, 費根鮑姆函式, 線性穩定性, Logistic 對映, 倍週期分岔, 帳篷對映

使用 探索

參考文獻

Borwein, J. 和 Bailey, D. 實驗數學:21 世紀的合理推理。 Wellesley, MA: A K Peters, p. 53, 2003.Briggs, K. "混沌動力學中的簡單實驗。" Amer. J. Phys. 55, 1083-1089, 1987.Briggs, K. "如何在您的 PC 上計算費根鮑姆常數。" Austral. Math. Soc. Gaz. 16, 89-92, 1989.Briggs, K. "費根鮑姆常數的精確計算。" Math. Comput. 57, 435-439, 1991.Briggs, K. M. "離散動力系統中的費根鮑姆標度。" 博士論文。澳大利亞墨爾本:墨爾本大學, 1997.Briggs, K.; Quispel, G.; 和 Thompson, C. "Mandelsets 的特徵值。" J. Phys. A: Math. Gen. 24, 3363-3368, 1991.Broadhurst, D. "費根鮑姆常數精確到小數點後 1018 位。" 電子郵件日期為 1999 年 3 月 22 日。 http://pi.lacim.uqam.ca/piDATA/feigenbaum.txt.Campanino, M. 和 Epstein, H. "關於費根鮑姆不動點的存在性。" Commun. Math. Phys. 79, 261-302, 1981.Campanino, M.; Epstein, H.; 和 Ruelle, D. "關於費根鮑姆函式方程。" Topology 21, 125-129, 1982.Collet, P. 和 Eckmann, J.-P. "區間到自身的連續對映的性質。" 理論物理中的數學問題 (Ed. K. Osterwalder). New York: Springer-Verlag, 1979.Collet, P. 和 Eckmann, J.-P. 區間上的迭代對映作為動力系統。 Boston, MA: Birkhäuser, 1980.Derrida, B.; Gervois, A.; 和 Pomeau, Y. "分岔的普適度量性質。" J. Phys. A 12, 269-296, 1979.Eckmann, J.-P. 和 Wittwer, P. 應用於費根鮑姆方程的計算機方法和 Borel 可加性。 New York: Springer-Verlag, 1985.Epstein, H. "費根鮑姆函式存在性的新證明。" Inst. Hautes Études Sco., Report No. IHES/P/85/55, 1985.Feigenbaum, M. J. "非線性變換的普適度量性質。" J. Stat. Phys. 21, 669-706, 1979.Feigenbaum, M. J. "倍週期分岔的度量普適性質和通往湍流的路徑的譜。" Ann. New York. Acad. Sci. 357, 330-336, 1980.Feigenbaum, M. J. "一類非線性變換的定量普適性。" J. Stat. Phys. 19, 25-52, 1978.Feigenbaum, M. J. "表示函式、不動點和標度函式動力學理論。" J. Stat. Phys. 52, 527-569, 1988.Finch, S. R. "費根鮑姆-庫萊-特雷澤常數。" §1.9 in 數學常數。 Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 65-76, 2003.Gleick, J. 混沌:一門新科學的誕生。 New York: Penguin Books, pp. 173-181, 1988.Karamanos, K. 和 Kotsireas, I. "附錄:關於費根鮑姆常數首位數字的統計分析。" J. Franklin Inst. 343, 759-761, 2006.Lanford, O. E. III. "費根鮑姆猜想的計算機輔助證明。" Bull. Amer. Math. Soc. 6, 427-434, 1982.Lanford, O. E. III. "費根鮑姆不動點存在性的更簡短證明。" Commun. Math. Phys. 96, 521-538, 1984.Michon, G. P. "最終答案:數值常數。" http://home.att.net/~numericana/answer/constants.htm#feigenbaum.Pickover, C. A. "最著名的十五個超越數。" J. Recr. Math. 25, 12, 1993.Pickover, C. A. "15 個最著名的超越數。" Ch. 44 in 數字奇觀,數學、思維和意義的冒險。 Oxford, England: Oxford University Press, pp. 103-106, 2000.Rasband, S. N. 非線性系統的混沌動力學。 New York: Wiley, 1990.Sloane, N. J. A. 序列 A006890/M3264, A006891/M1311, A098587, A119277, A119278, A119279, 和 A119280 在 "整數序列線上百科全書" 中。Stephenson, J. W. 和 Wang, Y. "費根鮑姆方程的數值解。" Appl. Math. Notes 15, 68-78, 1990.Stephenson, J. W. 和 Wang, Y. "費根鮑姆方程解之間的關係。" Appl. Math. Let. 4, 37-39, 1991.Stoschek, E. "Modul 33: 帶數字的演算法遊戲。" http://marvin.sn.schule.de/~inftreff/modul33/task33.htm.Thompson, C. J. 和 McGuire, J. B. "費根鮑姆方程的漸近和本質奇異解。" J. Stat. Phys. 51, 991-1007, 1988.Tabor, M. 非線性動力學中的混沌和可積性:導論。 New York: Wiley, 1989.Trott, M. "Mathematica 指南 附加材料:第二個費根鮑姆常數。" http://www.mathematicaguidebooks.org/additions.shtml#S_1_07.Wolfram, S. 一種新科學。 Champaign, IL: Wolfram Media, p. 920, 2002.

在 中引用

費根鮑姆常數

請引用本文為

Weisstein, Eric W. "費根鮑姆常數。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/FeigenbaumConstant.html

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