逻辑斯蒂映射的分叉图
逻辑斯蒂映射(Logistic Map)是最简单却也最能展示混沌现象的非线性迭代:
其中
xn+1 = r·xn(1−xn)r = 3.300周期 2
完整分叉图(r 从 2.6 到 4.0)。点击画布:按横向位置设定 r,竖线标注当前 r,亮点为其吸引子。
如何阅读这张图
- 横轴是控制参数
(取值范围 ),纵轴是长期稳定后 可能取到的值(吸引子)。 - 竖线随当前
移动,线上的亮点就是该 的实际吸引子取值。 - 对每个
,我们从一个初值出发反复迭代,丢弃前段暂态之后,把剩下的 全部描成点。 较小时所有点收缩为一条线——无论从哪出发,都收敛到同一个不动点。 - 随着
增大,一条线会分裂成两条:系统开始在两值间来回振荡,进入周期 2;随后再次分叉为周期 4、周期 8 …… 这就是周期倍化(period doubling)。 - 到了
附近,分叉迅速堆积,系统进入混沌:吸引子不再是有限个点,而是一整段连续的带状结构。 - 混沌区域内又隐藏着许多透明的「窗口」,例如
附近重新出现周期 3 的稳定轨道。
关键参数与临界点
| 事件 | 说明 | |
|---|---|---|
| 稳定不动点 | 非零不动点 | |
| 首次分叉 | 不动点失稳,出现周期 2 | |
| 周期 4 | 第二次分叉 | |
| 混沌开始 | 周期倍化级联的聚点 | |
| 周期 3 窗口 | 混沌中的稳定窗口,也是「周期三蕴含混沌」的著名例子 |
相邻两次分叉的间隔之比趋于一个常数,即 Feigenbaum 常数:
奇怪的是,这个
实现细节
- 完整分叉图采用密度累积:横轴按像素列切分,每个
值反复迭代映射,先丢掉前几百步(暂态)再留下长期行为;把留下的每个 投影到纵轴的一列像素并在该处计数,最后把「被访问的次数」换算成亮度——访问次数越多越亮。这样,周期区里被反复访问的少数几个点会非常醒目,而混沌区里铺满整个区间、每个值只偶被访问的点也能累积成一条可见的带;若不累积、每个点等重画出,混沌带会淡到几乎看不见。 - 对当前
自动检测渐近循环的周期(存在微小容差内重复即认为周期),用于显示「不动点 / 周期 / 混沌」,并叠加竖线与吸引子亮点。