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分枝現象與理論 (第 3 頁)

林松山

 

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.原載於數學傳播十五卷四期
.作者當時任教於交通大學應數系、所
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3、更多的分枝現象

本節中我們再來看幾個典型又有歷史性的分枝現象。

例1:平流 (Laminar flow) 到紊流 (Turbulent flow):
若觀察水管、水溝或江河中的水流。當水流的流速小時,水流就較平而有序。 而當流速增大,則漸漸成複雜的水流,終至波濤洶湧。 此時,以流速當參數 λ,則水流的型式依 λ 的增加由簡入繁。 早些年,蘇俄的物理學家 Landau 就提出從平流到紊流的一個模型: 經無窮多次的分枝所造成的現象。但近年來的數學理論及流體力學觀測, 似乎不必經過無窮多次的分枝,即可到達非常複雜的混沌 (Chaos) 狀況,請見下面二例。

例2:大氣預測與勞倫茲吸子 (Lorenz attractor):
勞倫茲在研究大氣物理時,把描述流體運動的 Navier-Srokes 方程簡化成含三個未知函數的非線性常微分方程組。 中間含有物理參數λ等。他發現這個看起來不起眼的三個方程組, 竟然表現出與通常二個未知函數的非線性方程組有極大的差異。 在他的三個方程組問題裡,可能一開始兩個相差一點點的初期狀態 (initial state)。 到後來,在歷經複雜的軌跡後,有很大的差異。 從而得到要長期預測天氣幾乎是不可能的事!詳見參考資料2。

例3:疊代映射(Iteration Map):
考慮有一個由閉區間[0,1]映射到它自己的連續函數f(x)。今用疊代法去計算:

\begin{displaymath}x_{n+1}=\lambda f(x_n), n=0,1,2,\cdots,\end{displaymath}

而令x0為給定的0與1間的初始值。 若有一$\bar{x}\in$ [0,1]及正整數p使得疊代p次後有 $\bar{x_p}=\bar{x}$$\bar{x_j}\neq\bar{x_i}$$i\neq j$$0\leq i,j\leq p-1$。 則稱為$\bar{x}$週期p的解。 若取f(x)=x(1-x), $\lambda \in[1,4]$。漸漸地,變大λ, 則可找到週期 2,4,8,…,2n 的週期解。而李天岩教授及其老師 J. Yorke 更發現, 若有週期 3 的解,則有混沌出現。詳見「參考資料 2」及李教授在本刊的文章(47期及51、52期)。讀者也可自己用 PC 玩玩看上述的有趣的疊代現象。

例4:受驚嚇的狗:
野狗人見人厭也人見人怕。但野狗也會怕惡人。當一條野狗在外頭碰到一個做勢要打牠的惡人時, 常常地,野狗會夾著尾巴,閃到一旁。但是惡人真的會打牠,而牠又無處可逃時, 往往野狗會由驚怕進而發怒而反擊此惡人。俗語說「狗急跳牆」。但若牆太高, 跳不過而人又逼得太急,只好咬人衝開一條血路了。 此中攻擊與反應常可用下面的分枝圖來表示。λ表示惡人威脅的程度, 而θ表示野狗的反應:



圖3

圖3裡,當惡人的威脅還不到臨界點 $\lambda_c$ 時,野狗是在怕的狀態,能逃則逃。 但狗若覺得牠受到的威脅已經無法忍受時,即 $\lambda>\lambda_c$,則在驚怒之下, 只好放牙一摶了。相當於在圖3中由狀態 D 直接跳上狀態 E。 所以我們最好謹記老祖宗的名言「得饒狗處且饒狗」。 這種突然產生非常激烈反應的變化,在生物及社會科學上是常見的。 如男女朋友間突然的來電。或個人因挫折、失望、羞辱進而發怒、尋仇、報復等等皆是。 所謂「老羞成怒」即是。只是這些科學,很難量化, 因此很難判定兩間敵意發展到什麼程度就走向戰爭, 或人民不滿到什麼程度就會起而革命。 但這種突然激烈反應的現象在劇變理論 (Catastrophe Theory) 裡有所討論。

   

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編輯:寸盈敏 / 校對:黃怡碧 / 繪圖:簡立欣 最後修改日期:6/17/2002