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解法: 区間演算による厳密な計算機支援証明、Tucker(1999年)

ステップ 5/8: 数千個の長方形:流れが決して脱出できない領域を証明する
ざっくり言うと

原点近くの小さな立方体の外側で、Tuckerはアトラクタを横切る平らな断面(平面 z=27z=27)を選び、それを数千個の小さな長方形に細かく分割する。各長方形について、その中のすべての点が軌道が再び断面を横切る次の時点でちょうどどこに行き着くかについて、区間演算を用いて保証された包含を計算するようコンピュータに求める。

すべての単一の長方形についての包含が、すべての長方形の合併の内側に着地することを確認することで、Tuckerは特定の、正確に区切られた領域が罠であることを証明する:軌道がひとたびそこに入れば、どれだけ長く追跡しても決して脱出できない。この一つの事実だけで、アトラクタがひそかに無限遠や空間のまったく別の部分へ漏れ出ることが排除される。

Σ⊂{z=27}=⨆iRi,P(Ri)⊂rigorously-verified image⊂Σ\Sigma \subset \{z = 27\} = \bigsqcup_i R_i, \qquad P(R_i) \subset \text{rigorously-verified image} \subset \Sigma
詳しい解説

在小立方体 U0U_0 之外,Tuckerは平面 {z=27}\{z=27\} 内の二次元Poincaré断面 Σ\Sigma を固定する(原点の鞍点の上に位置し、アトラクタと横断的に交わるために選ばれる)。そして Σ\Sigma の関連部分を、数千個の小さな長方形 {Ri}\{R_i\} からなる細かいメッシュに分割する。各長方形 RiR_i について、Lorenz流の区間演算に基づく厳密な数値積分により、Σ\Sigma への初回帰還写像 PP のもとでの RiR_i の真の像を含むことが保証された箱 P^(Ri)⊃P(Ri)\widehat{P}(R_i) \supset P(R_i) を計算する(軌道がたまたま U0U_0 を通過するときは前段階の解析的評価を差し込む)。

各長方形について、P^(Ri)\widehat{P}(R_i) が合併 ⋃iRi\bigcup_i R_i に含まれることを確認することで、この合併が前方不変であることが証明される:その中で始まる軌道はそこから決して出られない。これは、Lorenzの絵に対して論理的に可能な二つの失敗モードのうちの一つ—見かけ上のアトラクタが実際には有界でないこと、あるいは浮動小数点誤差を厳密に考慮するとまったく異なる長期的挙動へ漏れ出ることを排除する。

それ自体では、前方不変性はある有界で複雑な集合が流れを罠にかけることを示すにすぎない;その罠にかけられた領域内での運動がカオス的であるか、それともひそかに長周期の安定軌道であるかについては何も語っていない。その区別は次の段階の主題である。

このステップで使う知識