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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:
而令x0為給定的0與1間的初始值。
若有一 [0,1]及正整數p使得疊代p次後有
且
,且
。
則稱為週期p的解。
若取f(x)=x(1-x),
。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
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圖3裡,當惡人的威脅還不到臨界點 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
,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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