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关于 “Li-Yorke 浑沌” 的故事

好玩的数学  · 公众号  · 数学  · 2020-11-07 07:01

正文


作者 | 李天岩(作者任教于美国密西根州大学)

来源 | 原载于《数学传播》第十二卷第三期,好玩的数学获授权载转,在此感谢!


李天岩教授(1945--2020)


在科学界,关于浑沌 (Chaos) 现象和奇异吸引子 (Strange Attractor) 的研究领域里,名气最大的奇异吸引子大概就是所谓的 Lorentz 吸引子吧。在 Lorentz 吸引子成名的过程中,有一个关键性的教授 Allen Feller 的名字却很少有人知道。


我在美国马里兰大学作研究生时,我的博士论文的指导教授 J.A. Yorke 先生所属的研究所是流体动力学与应用数学所(现在已更名为物理科学与技术研究所)。那个研究所 所包含的领域非常之广。比如说,固态物理、等离子体物理、化学工程、应用数学, 等等。其中有一个非常奇怪的小组,叫做气象组,A. Feller 是这个小组的教授。


大约在1972年时,Feller 教授将 E.N. Lorentz 所写关于“气象预测”模型 的 4 篇文章交给 Yorke 教授。当时 Feller 教授觉得 Lorentz 的文章太过于理论化、数学化,他们不感兴趣。也许我们搞数学的会比较感兴趣。那 4 篇文章都是在气象的期刊上登的。若不是 Feller 教授,我们也许不太可能有机会接触到它。那段时间,我们读了那几篇 Lorentz 写的文章,觉得很有意思。


在1973年4月中的一天下午,我到 Yorke 教授的办公室。那时他对我说:“I have a good idea for you!(我给你一个好点子!)”那时我在做微分方程方面的研究。我以为他所谓的“good idea”是关于微分方程方面的高深 idea。但是我却开玩笑地说:“Is your idea good enough for Monthly?”


Yorke 教授


Monthly(编者按:指《American Mathemaical Monthly》)是一个相当普遍的月刊。它就好像日本的《数学研讨班》一样,是一般学生都能看懂的浅近杂志。它并不刊载非常高深的 idea。(这种学生向老师开玩笑的事,在美国非常普遍,但是在国内好像并不多见。)Yorke 教授听了我的话后,只是笑了一下。当时他告诉我的 idea 就是后来出名的 Li-Yorke 定理:对于一个从 上的函数 ,我们用 来代表 。如果对一点 ,我们有 , ,则我们称 a 是周期 k 的点。


定理:


假设 f 是从实数空间 R 到实数空间 R 的连续函数。同时假设 f 有一周期 3 的点。则


(a)对任何一个正整数 n ,都存在一个周期 n 的点 x n


(b)

  1. 存在一个不可数的子集合 S ,对其中的任何两点 。我们有


    以及


    的性质


  2. 对任何一周期点 以及 S 里的点 x ,我们有



这个 idea 的原始出发点是在 Lorentz 那些文章之中。我听了这个 idea 之后,马上感慨的说:“It will be a perfect work for Monthly!”的确是如此,因为它根本不牵涉高深的语言。一般学生都应看得懂,不是吗?


大约两星期后,我就完全证明了这个定理,证明过程中所用到的只是初等微积分里的“介值定理”,写的不是太“高深”。我们将它写好之后,就真的投到 Monthly 去了。那时那篇文章的参考文献只有 Lorentz 的那 4 篇文章。


没想到,没过多久那篇文章就被 Monthly 退回。他们说,我们这篇文章过于偏向“研究性”,并不适合Monthly这个期刊的读者。因此,他们建议我们将原稿转寄其他的期刊。但是我们若一定要投回Monhly,他们建议我们把它改写到一般学生都看得懂的地步。


文章退回以后,Yorke 教授还是坚持要寄回 Monthly,因为 Monthly 比较一般化,它的读者群非常之大。(其实,我真恨不得他能同意我转寄别的期刊。)当初我们研究这个问题,以及写这篇文章,只是著迷于它本身的趣味。这和我博士论文的内容根本无关。因此我并没有花功夫去改它。事实上,我也不知道该怎么改。于是乎,这篇文章就在我桌上躺了将近一年。


1974年是 马里兰大学数学系的生物数学的“特殊年”。在这一年里,每星期都要请“生物数学”这个领域里最杰出的学者来校演讲。在5月的第一个星期,他们所邀请的学者是赫赫有名的 Robert May 教授。他是当时普林斯顿大学生物系的教授。R. May 教授在那一星期中,每一天都给一个演讲。最后一天演讲的内容是函数 0


May教授(1936--2020)


关于这个函数的 迭代,现在已是举世皆知。但是 R. May 教授当时只是述说了前面一部分较规则的动态。也就是说,当 r 较小时我们做 这样的 迭代,对于“任意”取的 ,{ } 这个数列最后都趋于一个点。但是当 r 慢慢变大,当它超过 3 时,{ } 这个数列却走向一对周期二的点。当r 再变大,而超过某一个数值时,{ } 走向一组周期 4 的点。然后,随 r 的逐渐变大,{ } 最后会趋近一组周期 的点。但是当 r 大于某个数值后,却会出现一些“奇怪的现象”。比方说,对于某些 r 来说{ } 最后走向一组周期 5 的点,对于某些 r 来说 { }最后趋近一组周期 6 的点。对于某些 r 来说{ } 在两个区间之间跑来跑去。尤其当 r=4 时,{







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