單峰映象

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單峰映象是種多項式映射,顯示了簡單非線性動力方程能帶來混沌的結果。這種映射因生物學家Robert May在1976年發表的一篇論文而著名。單峰映象原本被Pierre François Verhulst用作一個人口學模型,後來應用在物種受到限制因素之下的數目。這是根據兩個平常現象:

  1. 繁殖增加的人口跟物種的原本的總數目(大約)正比;
  2. 餓死的數目,跟環境資源的「最大容量」減去物種中成員死亡的數目成正比。

數學上可寫成x_{n+1} = r x_n (1-x_n),其中x_n是介於0和1之間的數,表示在第n年的物種數目。r是正整數,是根據繁殖和餓死率而得出的數。

[编辑] r的值對結果的影響

不論x_0(開始數目)的大小,r的值:

  • 0和1之間:x_n會越來越少,趨近0;
  • 1和2之間:經過幾次迭代,x_n便為(r-1)/r,穩定地發展;
  • 2和3之間:經過幾次迭代,x_n也會越來越接近(r-1)/r,但最初會在這個值左右振動,而這個趨近率是線性的;
  • 3:x_n仍然會越來越接近(r-1)/r,但趨近率极为缓慢,不是線性的;
  • 3和1+√6(約3.45)之間:x_n會在2個值之間週期出現,即它可能循環地為a,b,a,b...一直下去。
  • 約大於1+√6:x_n會在4个、8個、16個、32個值……之間出現,至於r何時會令x_n的值由n個到2n個,則和費根鮑姆常數\delta=4.669...有關。
  • 約為3.57:這樣的振動消失,整個系統在混亂的狀態之中。不過,當中有些值還是有週期性的情形出現。例如當r約大於3.82,會出現3個值的週期、6個的、12個的……亦有5個值、7個值的週期等,總之所有週期都可以出現。
  • 大於4:系統将逐渐抛离区间[0,1],并发散。

這些情況可用分枝圖表示:

LogisticMap BifurcationDiagram.png

分枝圖是一個碎形

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