混沌理论概要讲解

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作为集智俱乐部的开源科学项⽬，集智百科希望打造复杂性科学领域最全⾯的百科全书，欢迎对复杂性科学感兴趣、热爱知识整理和分享的朋友加⼊！今天分享复杂性科学领域⾥⾯⼀个⾮常本质的理论：混沌理论。

本⽂将介绍混沌理论的基本概念，相关概念，著名学者，⼀些学习资源推介，供⼤家深⼊学习。

⽬录⼀、什么是混沌理论？⼆、混沌理论的相关概念三、混沌理论的⼏个典型⽰例四、相关资源推荐五、集智百科词条志愿者招募1、什么是混沌理论？“南美洲⼀只蝴蝶扇⼀扇翅膀，就可能会在佛罗⾥达引起⼀场飓风。

”想必⼤家对这样⼀句话都不陌⽣，这⾥描述的就是⼀种典型的混沌现象：蝴蝶效应。

混沌是⼀个由⾮线性效应引起的⼀个相当独特的现象，具有对初值的敏感性、⽆周期性、长期不可预测性以及分形性和普适性等特点。

混沌理论则是研究这⼀类典型现象的理论，是系统从有序突然变为⽆序状态的⼀种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。

2.混沌的重要概念混沌边缘（Edge of chaos）混沌边缘（Edge of chaos）是⼀个⽤来形容由计算机科学家克⾥斯托弗·朗顿发现的现象。

最开始该现象被⽤来描述⼀个变量λ的⼀段取值范围，该变量是作为细胞⾃动机的⼀个参数。

当λ变化，细胞⾃动机的⾏为会产⽣相变。

克⾥斯托弗·朗顿（Christopher Langton)发现λ的某⼀⼩段取值可以使细胞⾃动机具有通⽤计算的能⼒。

根据λ的连续变化能够得到四种细胞⾃动机之间的过渡转化图景即：固定点->周期->复杂->混沌，因此我们说，复杂的结构诞⽣于混沌的边缘。

点击官⽹链接体验不同阈值下的混沌边缘状态吸引⼦（Attractor）吸引⼦（Attractor）是微积分和系统科学论中的⼀个概念。

⼀个系统有朝某个稳态发展的趋势，这个稳态就叫做吸引⼦。

第一章混沌理论概述引言混沌是指确定动力系统长期行为的初始状态,或系统参数异常敏感, 却又不发散, 而且无法精确重复的现象, 它是非线性系统普遍具有的一种复杂的动力学行为。

混沌变量看似杂乱的变化过程, 其实却含有内在的规律性。

利用混沌变量的随机性、遍历性和规律性可以进行优化搜索, 其基本思想是把混沌变量线性映射到优化变量的取值区间, 然后利用混沌变量进行搜索。

但是, 该算法在大空间、多变量的优化搜索上, 却存在着计算时间长、不能搜索到最优解的问题。

因此, 可利用一类在有限区域内折叠次数无限的混沌自映射来产生混沌变量,并选取优化变量的搜索空间, 不断提高搜索精度等方法来解决此类难题。

混沌是非线性科学的一个重要分支, 它是非线性动力系统的一种奇异稳态演化行为, 它表征了自然界和人类社会中普遍存在的一种复杂现象的本质特征。

因此, 混沌科学倡导者Shlesinger和著名物理学家Ford 等一大批混沌学者认为混沌是20 世纪物理学第三次最大的革命, 前两次是量子力学和相对论, 混沌优化是混沌学科面对工程应用领域的一个重要的研究方向。

它的应用特点在于利用混沌运动的特性, 克服传统优化方法的缺陷, 从而使优化结果达到更优。

1.混沌的特征从现象上看，混沌运动貌似随机过程，而实际上混沌运动与随机过程有着本质的区别。

混沌运动是由确定性的物理规律这个内在特性引起的，是源于内在特性的外在表现，因此又称确定性混沌，而随机过程则是由外部特性的噪声引起的。

混沌有着如下的特性:（1）内在随机性混沌的定常状态不是通常概念下确定运动的三种状态:静止、周期运动和准周期运动，而是一种始终局限于有限区域且轨道永不重复的，形势复杂的运动。

第一，混沌是固有的，系统所表现出来的复杂性是系统自身的，内在因素决定的，并不是在外界干扰下产生的，是系统的内在随机性的表现。

第二，混沌的随机性是具有确定性的。

混沌的确定性分为两个方面，首先，混沌系统是确定的系统;其次，混沌的表现是貌似随机，而并不是真正的随机，系统的每一时刻状态都受到前一状态的影响是确定出现的，而不是像随机系统那样随意出现，混沌系统的状态是可以完全重现的，这和随机系统不同。

一、混沌理论简介：混沌理论源于对混沌现象的研究和揭示。

混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生了始料未及的后果，也就是混沌状态。

混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间是相互牵引的，因此，混沌现象尤为多见，如教育的复杂过程。

定义：混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中无法用单一的数据关系，而必须用整体，连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。

混沌理论创始人之一的诺曼·帕卡德用三个名称概括了混沌的特征和含义：蝴蝶效应、对初值的敏感依赖以及信息繁殖。

具体而言，混沌理论具有随机性、敏感性、分维性、普适性和标度律等特性。

二、混沌理论与高校学生管理工作高校的学生管理工作的管理对象十分特殊，即在校大学生，他们是社会中最活跃、最具个性的人群。

同时，由于教育的过程基本上依循一定的准则，并历经长期的互动，因此，相当符合混沌理论的架构。

对于混沌系统而言，初值的差异很小，但是经过长时间的复杂变化，系统的结果就会出现显著的差异。

而蝴蝶效应则是指由于现实所能提供的有限精确度引起的差异因混沌运动对初始条件的敏感而使运动出现不确定性。

在学生管理工作中，教育者的每一次谈话、每一次激励、每一次批评，都会对学生的认知、情绪、信念、心理、行为产生重要的影响，一点细节上的偏差，经过每个环节逐步的放大之后都有可能导致学生整个人生的失败。

教育者对学生的误解会为学生的管理工作带来严重的后果。

这是高校学生管理管理工作中，混沌现象的典型。

二、混沌理论对高校学生管理工作的意义（一)体育教育研究应视体育教育为混沌现象,必须符合混沌规律。

高校学生管理工作作为复杂的现象,既不是决定性现象,也不是随机性现象,而是一种混沌现象。

管理对象大学生,作为健康人的生理、心理活动显然呈混沌形态。

因此，在管理工作中的管理方法也必然受混沌规律的制约，在实际工作中不能“一刀切”，应注重因人而异。

动力学中的混沌理论混沌理论是动力学的一个重要分支，是研究复杂系统中的非线性现象、复杂性和不确定性的一种数学理论。

混沌理论的应用范围相当广泛，包括天文学、化学、生物学、经济学等方面，这是因为混沌现象本身在我们的日常生活中无所不在。

简单的说，混沌现象是指那些看似不规律的、无序的、不可预测的系统行为，实际上，混沌现象的本质是一种有序的、确定的、规律性的行为，只是这种行为非常复杂，难以通过我们的常规思维方法进行预测。

混沌理论最早的研究起点是在20世纪60年代，科学家Lorenz观察到大气运动的非线性行为，他提出了“蝴蝶效应”这个著名的概念，即即使是微不足道的变化，也可能对某些天气模式产生重大影响。

这个例子表明，即使我们已知原始条件，只进行这些条件的简单变化就足以导致模型行为的绝对变化，从而导致我们无法预测这个系统的未来行为。

混沌理论中的三要素混沌理论是一门复杂而又有深度的学科，它涉及到许多数学方面的知识，其中最为重要的三个方面是：1. 非线性非线性是混沌理论中最为基本的要素。

普通的线性方程在我们进行预测时，通常只要知道初值和方程的形式就可以进行预测，但是混沌现象则不同。

混沌理论研究的都是非线性方程，而非线性方程具有复杂多变的特点，初始条件发生轻微的变化，结果也可能迥异，这是造成混沌现象出现的重要原因。

2. 敏感依赖初值混沌现象最为重要的特点就是初始条件的微小变化可能会导致整个系统的运动轨迹产生很大的变化，这种情况被称为“敏感依赖初值”。

如果初值的精确性高，那么经过一段时间，系统的轨迹可能是收敛到一个确定的点或曲线，如果初值的精确性稍微低一些，那么系统将会是发生逐渐偏离，最终系统将处于一种混沌状态。

3. 复杂性混沌现象的行为表现往往是复杂、多变的。

正如前面所讲述的，混沌现象的本质是一种有序的、规律性的行为，该行为的规律和复杂性需要通过数学方法来描述。

发现混沌现象是一个不稳定的形态，而这种不稳定的形态之所以会导致复杂性，是因为本身的性质往往是由多个因素的复杂组合进行构建。

混沌理论简介混沌理论（Chaos theory）是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中（如：人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等）无法用单一的数据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。

混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法。

混沌理论的主导思想是，宇宙本身处于混沌状态，在其中某一部分中似乎并无关联的事件间的冲突，会给宇宙的另一部分造成不可预测的后果。

这意味着，系统具有放大作用。

一个微小的运动经过系统的放大，最终影响会远远超过该运动的本身。

所以，当有人说，因为英国的一只蝴蝶扇了一下翅膀，中国可能会遭受一场台风时，他的观点里就包含着混沌理论的思想。

两个基本的概念：第一，未来无法确定。

如果你某一天确定了，那是你撞上了。

第二，事物的发展是通过自我相似的规律来实现的。

看见云彩，知道他是云彩，看见一座山，就知道是一座山，凭什么？就是自我相似。

有三个原则：1、能量永远会遵循阻力最小的途径。

2、始终存在着通常不可见的根本结构，这个结构决定阻力最小的途径。

3、这种始终存在而通常不可见的根本结构，不仅可以被发现，而且可以被改变。

起因混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。

所谓「差之毫厘，失之千里」正是此一现象的最佳批注。

具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果，也就是混沌状态。

但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的的混乱状况，此一混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。

混沌现象虽然最先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间相互牵引，混沌现象尤为多见。

如股票市场的起伏、人生的平坦曲折、教育的复杂过程。

混沌理论的特性混沌理论有以下几个特性：1，随机性．2，敏感性． 3，分维性． 4，普适性．5，标度律．运用混沌理论在教育行政、课程与教学、教育研究、教育测验等方面已经有些许应用的例子。

第一章混沌理论1.1混沌理论简介在科学技术尚不发达的年代里，大自然被当作变幻莫测的创造物，因为人类对所观察和感觉到的许多自然现象不能给出合理的解释，认为冥冥之中存在着某种超自然的力量，无法想象自然界存在什么规律性。

某种与生俱来的冲动，促使人类力图理解自然界中万物运动的规律性，寻找隐藏在宇宙万物相互复杂关系背后的法则，从而对未来进行预测。

几千年来，人们一直致力于用恒古不变的定律精确地确定或预测宇宙中万物乃至每一个粒子的运动，科学和科学家的任务就是发现能够揭示宇宙万物运动规律的定律。

经过人类持续不断的努力，到18世纪，科学在揭示自然界的规律方面成绩斐然。

例如，人类已经拥有精确预测季节变化的历法、预测行星运行规律和日、月食的天文学，等等。

总之，人们认为，只要知道初始状态和规律性，大自然就可以被分析、预测和利用。

于是，次序或规律成为我们头脑中的一个固有概念。

爱因斯坦在给波恩的信中就这样说道，“你相信掷骰子的上帝，我却相信完备的定律和次序。

”18世纪的法国著名数学家拉格朗日（Laplace，1749~1827）以雄辩的口吻说道：假使有一位智者在任一给定的时刻都能洞察所有支配自然界的力和组成自然界的万物的相互位置，假使这位智者的智力足以使他对自然界中的所有数据进行分析，他就能将宇宙中万物—包括最大的天体和最小的原子—的运动统统纳入某个单一的公式之中。

这样一来，对这位智者来说，没有什么是不能确定的，未来和过去样样都历历在目。

这是一个可怕的陈述。

著名的Newton三条定律处处体现了次序与规律的思想，那就是，大自然万物的运动有规律，我们可以发现它们。

Newton把他的定律提炼成数学方程式，用一些量及其变化率来描述万物的运动。

例如，Newton万有引力定律的物理意义是，宇宙中两个物体，例如两个粒子，相互吸引，其吸引力的大小与它们的质量之积成正比，与它们之间的距离成反比，可以用一个简洁的公式精确计算出来。

可以说，时至今日，Newton定律始终以对大自然终极描述的姿态在物理学等领域占据崇高的统治地位。

混沌理论概述1混沌理论的发展 (1)2混沌的主要特征 (2)(1)有界性 (2)遍历性 (2)内随机性 (2)分维性 (3)标度性 (3)普适性 (3)统计特征、正Lyapunov指数及连续功率谱等。

(3)3 混沌理论在保密通信中的应用 (3)1混沌理论的发展所谓混沌，粗略的说是一种在确定系统中所表现出来的类似随机而无规则运动的动力学行为。

由于混沌系统的奇异性和复杂性至今尚未被人们彻底了解，因此，至今混沌还没有一个统一的定义。

混沌是非线性确定性系统的一种内在的随机现象，对混沌现象的研究有助于人们对客观世界的正确认识和把握。

它揭示了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性，反映了世界上无序和有序之间、确定性与随机性之间的辩证统一关系。

在混沌动力学的研究中，主要有三个方面的内容，一是研究系统从有序到混沌态的过渡，即探讨系统进入混沌状态的机制与途径;二是研究混沌中的有序行为，即探讨混沌中的普适性和标度不变性;三是研究如何有效地控制混沌或主动地利用混沌。

最先对混沌的研究可以追溯到19世纪，公认为真正发现混沌的第一位学者是法国数学、物理学家H. Poincare，他是在研究太阳系的三体运动时发现混沌的。

20世纪70年代，特别是1975年以后，是混沌科学发展史上光辉灿烂的年代。

在这一时期，混沌学作为一门新兴的学科正式诞生了。

1971年，法国的数学物理学家D. Ruelle和荷兰的F. Takens发表了著名论文《论湍流的本质》，在学术界首次提出用混沌来描述湍流形成机理的新观点，并为耗散系统引入了“奇怪吸引子”这一概念。

进入20世纪80年代，混沌研究己发展成为一个具有明确研究对象和基本课题、具有独特的概念体系和方法论框架的新学科。

从80年代中后期开始，混沌学更是与其它学科相互渗透、相互促进，无论是在生物学、生理学、心理学、数学、物理学、电子学、信息科学，还是在天文学、气象学、经济学，甚至在音乐、艺术等领域，混沌都得到了广泛的应用。

混沌理论是对不规则而又无法预测的现象及其过程的分析。

一个混沌过程是一个确定性过程，但它看起来是无序的、随机的。

像许多其他知识一样，混沌和混沌行为的研究产生于数学和纯科学领域，之后被经济学和金融学引用。

一、什么是混沌理论混沌理论的主导思想是，宇宙本身处于混沌状态，在其中某一部分中似乎并无关联的事件间的冲突，会给宇宙的另一部分造成不可预测的后果。

混沌理论在许多科学学科中得到广泛应用，包括：数学、生物学、信息技术、经济学、工程学、金融学、哲学、物理学、政治学、人口学、心理学和机器人学。

二、混沌理论的发展背景混沌理论是对不规则而又无法预测的现象及其过程的分析。

一个混沌过程是一个确定性过程，但它看起来是无序的、随机的。

像许多其他知识一样，混沌和混沌行为的研究产生于数学和纯科学领域，之后被经济学和金融学引用。

在这些领域里，由于人们想知道在某些自然现象背后是否存在着尚未被认识的规律，因而激发了人们对于混沌的研究。

科学家已经注意到了某些现象，例如行星运动，是有稳定规律的，但其他的，比如像天气之类，则是反复无常的。

因此，关键问题在于天气现象是否是随机的。

曾经一度被认为是随机的后来又被证实是混沌的，这个问题激发了人们探索真理的热情。

如果一个变量或一个过程的演进、或时间路径看似随机的，而事实上是确定的，那么这个变量或时间路径就表现出混沌行为。

这个时间路径是由一个确定的非线性方程生成的。

在此，我们有必要介绍一下混沌理论的发展史。

人们对于混沌动态学的最初认识应当归功于Weis(1991)，而Weis又是从几百年前从事天体力学的法国数学家HenryPoincare那里得到的启示。

Poincare提出，由运动的非线性方程所支配的动态系统是非线性的。

然而，由于那个时代数学工具的不足，他未能正式探究这个设想。

Poincare之后的很长一段时间，对于这个论题的研究趋于涅灭。

然而，在20世纪60-70年代间，数学家和科学家们又重新开始了对这个论题的研究。

动态系统中的混沌理论混沌理论是一种数学分支，用来描述非线性系统中的复杂运动行为。

它是20世纪70年代以来出现的，是对传统几何力学的重要补充。

混沌理论在普通人眼中看来是一种模糊的概念，实际上它是非常精确的数学理论。

本文将围绕着混沌理论展开，逐一阐述其定义、特点、遇到的问题以及发展前景。

第一部分：混沌理论的定义混沌理论的起源可以追溯到19世纪皮埃尔·路易·梅尚尼在研究天体力学问题时对三体问题的研究。

他曾经用解析法研究过简单情况下的三体问题，但是当他想要更深入地研究时，他发现解析法行不通了。

为了解决这个问题，他引入了图像法来分析三体问题的运动轨迹。

在对图像法进行研究时，他发现一些看起来规律的轨迹实际上是非常复杂的，看似完全随机。

自此诞生了混沌理论。

混沌理论最初是用来描述天体力学问题中三体问题的一些复杂性质。

后来它被拓展到了其他领域，如流体力学、分形几何、电路系统等，成为了一种通用的方法论。

混沌理论的核心是混沌现象。

混沌现象是指非线性运动系统中构成运动的各种力量、形状等相互作用所产生的复杂效应。

这些效应可以表现为极度敏感的依赖于初始条件的轨迹变化、长期趋于随机的周期和在不同的时间尺度上的不规则重复性。

混沌现象表现在定性上的特点就是看似极度复杂的演化行为，但实际上是有规律可寻的。

第二部分：混沌理论的特点混沌理论的主要特点有以下几点：1. 非线性耦合混沌理论中，系统的演化受到多种因素的影响，这些因素之间相互作用、相互影响。

因此，一旦系统出现微小变化，就会对整个系统的演化产生影响，直至演化出现大的变化。

2. 灵敏依赖于初始条件混沌理论中，微小的初始变化就会导致后期的极大差异。

这种初始变化的影响程度随着系统演化时间的增加而增加。

3. 混沌图混沌图是一种描述非线性系统演化行为的方法，它利用混沌性质强调系统演化的局限性，通过可视化来揭示系统的运动规律。

第三部分：混沌理论遇到的问题混沌理论的许多问题尚未解决，这是因为非线性运动系统本身就是复杂的。