MathLabs
Định lýĐã chứng minh

Số mũ Lyapunov của ánh xạ logistic hoàn toàn hỗn loạn bằng ln 2

Phát biểu

Tại r=4r=4, ánh xạ logistic xn+1=r xn(1−xn)x_{n+1} = r\,x_n(1-x_n) có số mũ Lyapunov ln⁡2\ln 2 với hầu hết mọi điều kiện ban đầu x0∈(0,1)x_0\in(0,1) theo nghĩa Lebesgue.

Vì sao đúng?

Ánh xạ tại r = 4 thoạt nhìn không giống một ánh xạ nhân đôi đơn giản chút nào, nhưng một phép đổi biến khéo léo (một liên hợp trơn) biến nó thành chính xác ánh xạ nhân đôi, có hệ số kéo giãn rõ ràng bằng 2 tại mọi điểm — sự méo mó thêm vào do phép đổi biến trung bình hóa về không sau thời gian dài.

Phác thảo chứng minh

Bước 1 (liên hợp). Đặt x=sin⁡2(πy)x=\sin^2(\pi y). Dùng công thức góc nhân đôi, 4x(1−x)=4sin⁡2(πy)cos⁡2(πy)=sin⁡2(2πy)4x(1-x)=4\sin^2(\pi y)\cos^2(\pi y)=\sin^2(2\pi y). Nếu ta cũng đặt y′=T(y)y' = T(y) cho ánh xạ nhân đôi T(y)=2y mod 1T(y)=2y \bmod 1, thì sin⁡2(πy′)=sin⁡2(2πy)\sin^2(\pi y') = \sin^2(2\pi y) khớp chính xác với vế phải ở trên, vậy f(h(y))=h(T(y))f(h(y)) = h(T(y)) với h(y)=sin⁡2(πy)h(y)=\sin^2(\pi y): ánh xạ logistic tại r = 4 liên hợp trơn với ánh xạ nhân đôi.

Bước 2 (số mũ Lyapunov của ánh xạ nhân đôi). Ánh xạ nhân đôi tuyến tính từng khúc với T′(y)=2T'(y)=2 ở mọi nơi nó khả vi, nên dọc theo mọi quỹ đạo, 1n∑i=0n−1ln⁡∣T′(yi)∣=ln⁡2\tfrac1n\sum_{i=0}^{n-1}\ln|T'(y_i)| = \ln 2 đúng, với mọi nn — giới hạn tầm thường là ln⁡2\ln 2.

Bước 3 (chuyển số mũ qua liên hợp). Lấy đạo hàm f(h(y))=h(T(y))f(h(y))=h(T(y)) theo quy tắc dây chuyền cho f′(h(y))h′(y)=h′(T(y))T′(y)f'(h(y))h'(y)=h'(T(y))T'(y), tức ln⁡∣f′(x)∣=ln⁡∣h′(T(y))∣+ln⁡∣T′(y)∣−ln⁡∣h′(y)∣\ln|f'(x)| = \ln|h'(T(y))| + \ln|T'(y)| - \ln|h'(y)| tại x=h(y)x=h(y). Cộng đẳng thức này dọc theo một quỹ đạo y0,y1,…,yn−1y_0,y_1,\dots,y_{n-1} rồi chia cho nn, các số hạng giữa triệt tiêu theo kiểu domino: 1n∑i=0n−1ln⁡∣f′(xi)∣=ln⁡2+1n[ln⁡∣h′(yn)∣−ln⁡∣h′(y0)∣]\tfrac1n\sum_{i=0}^{n-1}\ln|f'(x_i)| = \ln2+\tfrac1n\big[\ln|h'(y_n)|-\ln|h'(y_0)|\big].

Bước 4 (số hạng biên tiến về không). Vì h′(y)=πsin⁡(2πy)h'(y)=\pi\sin(2\pi y) bị chặn (độ lớn không bao giờ vượt quá π\pi), số hạng trong ngoặc ln⁡∣h′(yn)∣−ln⁡∣h′(y0)∣\ln|h'(y_n)|-\ln|h'(y_0)| vẫn bị chặn khi n→∞n\to\infty với mọi quỹ đạo tránh được tập đếm được các không điểm của h′h' — một tập có độ đo Lebesgue bằng không. Chia một đại lượng bị chặn cho nn cho kết quả tiến về 00, vậy số mũ Lyapunov của ánh xạ logistic tại r = 4 bằng ln⁡2\ln 2 với hầu hết mọi điều kiện ban đầu.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. Steven H. Strogatz (2015). Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering
  2. Edward N. Lorenz (1963). Deterministic Nonperiodic Flow
  3. Robert M. May (1976). Simple mathematical models with very complicated dynamics
  4. Warwick Tucker (2002). A Rigorous ODE Solver and Smale's 14th Problem