解法:塔克利用区间算术给出的严格计算机辅助证明(1999年)
塔克的证明把整个问题按地理位置一分为二。在原点处那个棘手鞍点周围的一个小立方体内部,他完全放弃数值模拟,转而使用来自标准形理论的精确、纸笔式的估计——这个区域足够小、足够简单,单靠微积分就能完全描述其中发生的一切。在这个立方体之外,流动表现良好、回归时间有界的地方,他让计算机接手,追踪的不是单个点,而是整块整块的小区域,并带有数学上有保证的误差界。
整个构造的目标,是验证由此得到的回归映射与一份已知的蓝图相符——即多年前由约翰·古根海默与罗伯特·威廉姆斯设计的「几何洛伦兹模型」——该模型的性质早已被知晓能保证一个真正稳健的混沌吸引子存在,只要能证明真实的方程确实满足该蓝图的各项要求。
塔克的策略(在他1999年的公告及2002年的完整论文中有所描述)把吸引子的一个邻域划分为两个处理方式截然不同的区域。在原点周围,选取一个足够小的立方体 ,使得一个坐标变换(其合理性来自经典的标准形理论,因为原点处线性化的特征值满足非共振条件)能把那里的流化为明确、可精确求解的形式;经过 边界的进入与离开行为,便可以用直接计算而非模拟来界定,从而完全绕开鞍点附近回归时间的发散问题。
在 之外,轨道以有界速率运动,并可以定义一个具有有界回归时间的真正庞加莱回归映射到某个截面,塔克转而采用严格的计算机辅助估计(在接下来的步骤中详述)。这两种处理方式在边界 处衔接起来,内部的解析估计在此直接交棒给外部的数值估计。
在此明确的整个构造的目标,是约翰·古根海默与罗伯特·F·威廉姆斯(1979年)以及罗伯特·威廉姆斯(1979年)提出的几何洛伦兹模型:一个具有奇异双曲吸引子的流的抽象模板,由一个具有特定组合与扩张性质集合的扩张一维回归映射构建而成。古根海默与威廉姆斯此前已经证明,任何满足该模板的流都拥有一个稳健的奇异双曲奇异吸引子;剩下的——自1979年以来一直悬而未决的——就是证明经典参数下真实的洛伦兹方程确实满足该模板的假设,而这正是其余步骤要验证的内容。
- 标准形
- 在平衡点附近通过变量替换得到的一种简化坐标系,在其中微分方程呈现出尽可能简单的代数形式(通常只剩线性部分),使其解显式且易于估计。
- 庞加莱回归映射
- 给定一个与微分方程的流横截的曲面,该映射把曲面上一点送到其轨道再次穿过该曲面的下一个点;它把连续时间的流转化为一个通常容易分析得多的离散时间动力系统。