岭南师范学院 · 本科生通识课程

混沌理论与蝴蝶效应

从 Lorenz 的天气方程到 Mandelbrot 的分形几何
探索确定性系统中蕴藏的随机之美

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课程大纲

本课程为面向全校本科生开设的通识教育课程,共 8 周、16 学时,系统介绍混沌理论的核心概念、数学工具与典型应用。

第 1 周

引论:确定性中的随机

  • 混沌现象的发现历程
  • 庞加莱与三体问题
  • Lorenz 与蝴蝶效应
  • 确定性 vs 随机性
第 2 周

动力系统基础

  • 微分方程与相空间
  • 迭代映射与不动点
  • 稳定性分析
  • 李雅普诺夫指数
第 3 周

初值敏感性与蝴蝶效应

  • 指数发散与 Lyapunov 指数
  • 天气预报的可预测性
  • 影子引理
  • 数值模拟中的误差增长
第 4 周

Lorenz 系统与奇异吸引子

  • Lorenz 方程推导
  • 奇异吸引子的几何结构
  • 分形维数
  • Rössler 吸引子
第 5 周

逻辑斯蒂映射与倍周期分岔

  • 一维迭代映射
  • 倍周期分岔级联
  • Feigenbaum 常数
  • 混沌带与周期窗口
第 6 周

分形几何

  • Cantor 集与 Koch 曲线
  • Mandelbrot 集与 Julia 集
  • 盒维数与 Hausdorff 维数
  • 自然界中的分形
第 7 周

混沌的判定与表征

  • Poincaré 截面
  • 功率谱分析
  • 0-1 测试
  • 重构相空间
第 8 周

混沌控制、应用与课程总结

  • OGY 控制方法
  • 混沌同步与保密通信
  • 双摆与非线性行走
  • 课程总结与讨论
授课教师 许乐乐 · 岭南师范学院
课程类型 通识教育课程
学分 1.0
学时 16 学时
上课时间 第 1–8 周
电话:189 3402 9616 邮箱:xull@lingnan.edu.cn

视频讲座

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第 1 周

混沌现象导论

从三体问题到天气预报,混沌如何被发现。

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第 2 周

动力系统与相空间

微分方程、迭代映射与不动点稳定性。

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第 3 周

蝴蝶效应与 Lyapunov 指数

初值敏感性如何量化。

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第 4 周

Lorenz 奇异吸引子

三维耗散系统中的经典混沌吸引子。

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第 5 周

逻辑斯蒂映射与分岔

一维映射中的倍周期通往混沌之路。

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第 6 周

分形几何

Mandelbrot 集与自相似结构。

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文档资料

课件、讲义、参考文献及补充材料下载。

第 1 讲 · 混沌就在身边:从钟表宇宙到混沌革命

PPTX · 2.7MB
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第 2 讲 · 洛伦茨的蝴蝶:1961 年冬天的舍入误差

PPTX · 3.3MB
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第 3 讲 · 非线性:简单的规则,复杂的世界

PPTX · 20.8MB
下载

课后习题集

DOCX · 约 2MB

推荐参考书目

外部链接

期末项目指导书

PDF · 约 1MB

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交互模拟器

亲自动手调整参数,直观感受混沌系统的核心特征。每个模拟器均配有简要说明。

Lorenz 吸引子 — 蝴蝶效应演示

两条初始条件仅相差 0.0001 的轨迹,观察它们如何在有限时间内指数分离。调整参数 σ、ρ、β 探索不同行为。

轨迹 A — B 距离: 0.0000
模拟时间: 0.00 s

逻辑斯蒂映射 — 倍周期分岔之路

左侧为分岔图全景,右侧为实时迭代时间序列。拖动滑块改变参数 r,观察从稳定不动点到倍周期、再到混沌的转变。

分岔图
时间序列
当前状态: 混沌
迭代次数: 0

双摆系统 — 经典机械混沌

两个连接的摆构成了最简单的机械混沌系统。点击"重新开始"可随机初始角度,观察截然不同的运动轨迹。

Lorenz Map — Poincaré 截面 1D 返回映射

每当 Lorenz 轨道在 z 上达到一次极大值,就记下此时的 zn; 重复多次就得到一张 1D 返回映射图 zn+1 = f(zn), 其倒 N 形曲线解释了确定性系统中混沌振荡的来源。 点击 Compute Map 用大量初值采样得到完整曲线; 在地图上点击可放置新的起点,再按 Step 跟踪 Poincaré 跳跃。 ↗ 全屏演示

Linear Map — 离散动力系统最简形式 xn+1 = r · xn

把"投资年利率 10%"写成数学迭代式:每年余额乘以 r=1.10。 上方右侧画 Cobweb 蛛网图直观展示迭代路径与不动点 x* = 0; 下方画 余额随年份的演化曲线。 点击 Step / Iterate 跟踪一次/多次迭代;点击右侧图任意位置可设置新的初始余额。 ↗ 全屏演示

Logistic Map — 一维非线性映射 xn+1 = r xn (1 − xn)

经典的人口动力学模型:增长率 r 与资源限制 (1−x) 的乘积。 右侧 Cobweb 蛛网图展示抛物线映射与不动点; 下方展示种群随时间的演化。 拖动 r 从 0 到 4,观察周期倍增分岔(2→4→8…)和进入混沌的全过程。 点击右侧图任意位置可设置新的初始种群。 ↗ 全屏演示

桌球混沌 — 蝴蝶效应演示

两张台球桌初始条件几乎相同,仅有一个色球的位置相差 不到 1 像素。 白球从同一位置、以同一力度和角度击出,起初两条白线轨迹几乎重合, 但经过多次碰撞后,两条轨迹逐渐分道扬镳——这就是对初始条件的敏感依赖性。 点击画布可调整发射方向,拖动"位置差异"滑块观察微小扰动如何被指数放大。 ↗ 全屏演示

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