隱藏吸引子(hidden attractor)是动力系统中一種特別的吸引子,系統中不但有穩定的振荡(極限環或混沌吸引子),也存在唯一的穩定平衡點。
在动力系统的分岔理論中,若有不失去平穩集穩定性的有界振荡,會稱為是隱藏振盪(hidden oscillation)。在非線性控制理論中,非時變系統出現狀態有界的隱藏振盪,表示其越過了參數域的邊界,平穩集的局部穩定性也表示全域的穩定性(卡爾曼猜想)。若隱藏振盪(或是动力系统相空間內的某隱藏振盪子集)可以吸引鄰近幾乎所有的振盪,則稱為是隱藏吸引子(hidden attractor)。
針對有單一平衡點,而且平衡點具有全域吸引性的动力系统,隱藏振盪的出現表示其行為特性的改變,由單穩定性變成雙穩定性(bi-stability)。一般來說,动力系统會變成多穩態,同時在相空間中會同時出現局部的吸引子。平凡吸引子(穩定的平衡點)可以用解析或是數值的方式求得。但要找极限环(週期吸引子)或混沌吸引子的困難度就很高了(參考希爾伯特第十六問題)。
將吸引子分為隱藏或自激兩類
為了要識別物理系統或是數值實驗中的局部吸引子,需要在吸引子的吸引區域(basin of attraction)中選定一點為初始狀態,觀察系統狀態從初始狀態開始後,吸引子的特性。將吸引子分為隱藏或自激兩類,本身就反映出在相空間中找局部吸引子吸引區域的困難點。
定义
若吸引子的吸引區域沒有和其他平衡點的開放鄰域有交集,此吸引子稱為隱藏吸引子(hidden attractor),否則,此吸引子稱為自激吸引子(self-excited attractor)。
將吸引子分為隱藏或自激的想法是由和提出的,和2009年首次發現蔡氏電路中的隱藏吸引子有關。同樣的,任何有界的振盪,若在相空間中不一定有開鄰界的吸引區域,則可以分類為自激振盪或隱藏振盪。
中的混沌自激吸引子(綠色區域)。
初始位置在二個鞍點附近(藍色)或零平衡點附近(橘色)的軌跡會朝向吸引子(綠色)]]
中的混沌隱蔵吸引子(綠色區域)。
初始位置在二個鞍點附近(藍色)軌跡會朝向零平衡點(橘色)或是往無窮遠處(黑色箭頭)]]
的反例以及卡爾曼猜想的反例,這些猜想都是有關非線性控制系統的單穩定性)。最早提出的相關理論問題是希爾伯特第十六問題的後半部,此問題是有關二維多項式系統中,極限環的數量以及相互的位置,而嵌套的穩定極限環就是隱藏的週期吸引子。隱藏吸引子的概念已成為許多應用的動態模型中,發現隱藏吸引子的催化劑。
一般而言,有關隱藏吸引子的問題,沒有通用直接的方式來追蹤或是預測系統是否會有隱藏吸引子(例如)。不過針對二維系統,可以用解析方式觀測隱藏吸引子(例如希爾伯特第十六問題的第二個問題)。若要研究複雜非線性多維系統的穩定性和振盪,多半會用數值方法進行。
在多維系統中,不太可能用亂數初始資料進行軌跡積分來找區域性的隱藏吸引子,原因是其吸引區域可能很小,而且其維度可能比系統的維度要小很多。因此這種問題的數值區域化需要發展特殊的數值解析計算程序。
參考資料
書籍
- Chaotic Systems with Multistability and Hidden Attractors (Eds.: Wang, Kuznetsov, Chen), Springer, 2021 ([https://www.springer.com/gp/book/9783030758202 doi:10.1007/978-3-030-75821-9] )
- Nonlinear Dynamical Systems with Self-Excited and Hidden Attractors (Eds.: Pham, Vaidyanathan, Volos et al.), Springer, 2018 ([https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-71243-7 doi:10.1007/978-3-319-71243-7])
外部連結
- [http://www.math.spbu.ru/user/nk/PDF/Hidden-attractor-coexistence-multistability.pdf Hidden attractors in dynamical systems: systems with no equilibria, multistability and coexistence of attractors. Fundamental problems (16t Hilbert problem, Aizerman and Kalman conjectures) and engineering models (PLL, aircraft control systems, drilling systems, Chua circuits)]
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