2,4K подписчиков

Бардак в идеальном мире

2,1K прочитали

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями. Иногда это даже рассматривается как недостаток: мол, модели ваши, конечно, элегантны, изящны и красивы, но реальный мир быстро наведёт в этих идеальных построениях такой бардак, что на самом деле всё будет совсем не так, как вы, математики, описываете. И линий-то идеально прямых не бывает, и число 𝛑 мы никогда "точно" не узнаем, и большинство уравнений на свете решается только приближённо, в общем, это всё нереально правильно и упорядочено.

Всё верно, но математика, как Чак Норрис, настолько крута, то способна порождать и внутри идеальных моделей хаос, непредсказуемость и чёрт знает что! И, как полагается неимоверно крутому персонажу, она способна, как породить этот хаос, так и дать ему математически точное объяснение. Да, я из философов, считающих, что всемогущий создатель может создать камень, который он не сможет поднять. Знакомство с теорией разрешимости, собственно, и делает эту задачу признаком всемогущества. Об этом мы уже говорили на этом канале:

Мы начнём понемногу знакомиться с элементами теории хаоса. И для разгона, нам стоит познакомиться с некоторыми примерами систем, демонстрирующими крайне сложное поведение при исключительной простоте своей структуры.

За последние полвека сформировался набор классических примеров, кочующих из одного популярного введения в другое: аттрактор Лоренца, логистическое уравнение, двойной маятник, подкова Смэйла и т.п. Я, конечно, их упомяну, но мне бы хотелось показать что, кроме классики, есть хаотические системы, обойдённые вниманием, но, тем не менее, имеющие малую размерность и, порою, вполне ясные физические модели, при этом способные порождать красивые и сложные, примеры хаотического поведения, поддающиеся объяснению.

Поначалу мы не полезем в дебри теории, а просто поупражняемся в решении несложных задач математического моделирования, чтобы наработать опыт и полюбоваться прикольными картинками, как правило, фрактальными. Ведь все же любят фракталы, верно? Ну, поехали!

Прыгающий шарик

Первым примером станут идеальные прыжки идеального шарика на идеальном столике с идеальной пружинкой в поле силы тяжести, конечно же, идеальном.

Задачка, практически из учебника.
Задачка, практически из учебника.

Падение шарика линейно, колебания столика на пружинке линейно, все уравнения решаются аналитически. Что же может пойти не так?

Давайте засучим рукава и пройдёмся по этой задачке, как физики, начав с уравнений движения. Для падающего с высоты h шарика с массой m получим такую задачу Коши (дифференциальное уравнение, плюс начальные условия):

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-2

Для подпружиненного столика, на который падает шарик, такую задачу:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-3

Оба уравнения не выражают ничего сложнее второго закона Ньютона. Координаты x и y отсчитываются в одной системе, с нулём в точке равновесия столика. Для простоты, положим что и столик и шарик имеют одинаковую массу.

При любом анализе мы заинтересованы в минимизации числа параметров. В нашем случае их четыре: масса шарика и столика, ускорение свободного падения, жёсткость пружины и начальное положение шарика. Подбирая подходящие масштабы длины и времени, мы способны свести их к одному параметру. Для этого станем измерять величины x и y в неизвестных пока единицах L, а время — в единицах T. Тогда наши уравнения и начальные условия можно переписать так:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-4

Здесь переменные x и y безразмерны, а две точки обозначают производную по безразмерному времени.

Теперь мы можем выбрать такие масштабы, какие нам надо. Например, подобрать их так, чтобы все коэффициенты в уравнениях стали единичными:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-5

Решив эту систему, получим:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-6

в таких масштабах наши уравнения примут чудесный безразмерный вид:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-7

с единственным параметром, тоже безразмерным — начальным положением шарика:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-8

который, как нетрудно видеть, является отношением сил упругости пружины и тяжести.

Ну, что же, оба наших уравнения прекрасно решаются безо всяких премудростей в аналитическом виде: шарик — падает, столик — колеблется:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-9

Здесь все параметры A, B, C, D берутся из начальных условий. Остался один нюанс: когда шарик, падая, сталкивается со столиком, они идеально упруго обмениваются импульсами, а так как массы у них одинаковые, то в момент их соударения происходит обмен скоростями, то есть, первыми производными.

Получается, что вместо численного решения дифференциальных уравнений можно просто рассчитать параболу и синусоиду, найти точку их пересечения, и в ней поменять начальные условия, передав шарику скорость столика, а столику — скорость шарика. После это продолжить расчёт. Точку пересечения параболы и синусоиды можно отыскивать численно, надёжным методом Ньютона.

Вот как может выглядеть решение, для x₀ = 1:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-10
Обмен импульсами приводит к тому, что траектории шарика и столика гладко переходят друг в друга, образуя две гладкие траектории, в которых верхние кусочки это параболы, а нижние — синусоиды.
Обмен импульсами приводит к тому, что траектории шарика и столика гладко переходят друг в друга, образуя две гладкие траектории, в которых верхние кусочки это параболы, а нижние — синусоиды.

Ну, что же, шарик прыгает, столик дрыгается. Энергия в системе сохраняется (всё же идеально!), так что прыгать и дрыгаться таким образом система может неограниченно долго. Чего же тут может быть интересного?

Включаем стробоскоп

Смотреть на траектории шарика и столика прикольно только на протяжении пары десятков ударов, дальше, становится неинтересно, потому что информация не накапливается и анализировать её приходится в динамике, что непросто. Здесь может пригодиться полезный прибор — стробоскоп. Помните, как занятно замирают танцующие люди в мерцающем стробоскопическом свете? Пока происходит свободное движение шарика со столом, смотреть особенно не на что, мы можем включать "вспышку" стробоскопа в момент их соударения и фиксировать состояние системы в эти моменты. Так мы сможем накопить информацию о сотнях и тысячах соударений.

Высоты десяти тысяч соударений для начального положения шарика x₀ = 1.
Высоты десяти тысяч соударений для начального положения шарика x₀ = 1.

Своеобразная картина: не просто невнятный туман, а туман с каким-то намёком на структуру. Впрочем, никакой особой закономерности в этом "сигнале" не усматривается. Давайте воспользуемся нашей единственной "ручкой" настройки системы и станем менять высоту с которой падает шарик на неподвижный столик.

Меняем начальную высоту шарика и начинаются чудеса.
Меняем начальную высоту шарика и начинаются чудеса.

Система "ожила". Для небольших начальных высот движение регулярное, но по мере достижения определённого порога оно становится сложным и напоминает какие-то инопланетные сигналы из научной фантастики.

Простое регулярное (периодическое) движение можно различить глазами, но лучше с этим справляется спектр сигнала. Вот как он меняется при изменении x₀:

Численные значения частоты здесь не играют особой роли и носят условный характер.
Численные значения частоты здесь не играют особой роли и носят условный характер.

Теперь отчётливо видно, что при значениях параметра x₀ ≥ 1 нарушается периодичность ударов и начинается сложный сигнал. Кроме того, отклонения от периодичности появляются на интервале 0.7 < x₀ < 0.9. Спектральный анализ часто используется при работе с динамическими системами и позволяет получить качественную характеристику процессу, наряду с другими инструментами, такими как экспонента Ляпунова или размерность Хаусдорфа.

Однако частоты не сильно помогают нам выявить какую-то структуру сложного сигнала: видно, что он становится сложным и содержит все частоты, приближаясь по своим спектральным характеристикам к шуму. Для того чтобы увидеть нечто большее, стоит отказаться от временной шкалы и рассмотреть поведение нашей системы в фазовом пространстве.

Фазовым пространством называют пространство возможных состояний системы. В нашем случае двух уравнений второго порядка, это четырёхмерное пространство, образованное координатами шарика и столика, а также их скоростями. Задав точку в таком пространстве, мы полностью определяем систему и готовы рассчитать её будущее и описать её прошлое, ведь зная положения и скорости всех тел, мы способны корректно поставить и решить задачу Коши. По мере развития динамического процесса во времени, в фазовом пространстве формируется траектория этого процесса. Наша система распадается на две почти независимые подсистемы, взаимодействующие только в моменты столкновений. Так что фазовые траектории шарика и столика можно изобразить на одной плоскости. Вот как они выглядят в примере с x₀ = 1:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-15

Фазовые траектории шарика принадлежат семейству параллельных парабол, а траектории столика представляют дуги концентрических окружностей. Однако, рассматривая траектории целиком, мы быстро получим невнятный клубок. Разобраться в нём нам опять поможет стробоскопический метод. Если мы сосредоточим своё внимание на моментах соударения шарика со столиком, то их координаты в эти моменты будут всегда одинаковы. Это означает, что множество всех состояний системы в моменьы столкновений оказывается целиком вложено в трёхмерную гиперплоскость четырёхмерного фазового пространства, для которой x = y. Давайте посмотрим на это множество для x₀ = 1:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-16

Стало интереснее! Во-первых, мы видим уже не беспорядочное облако точек, в нëм проглядывается кое-какая структура с более или менее симметрично расположенными пустотами в море хаоса. Но самое примечательно свойство этого множества то, что оно, похоже, лежит на сфере, то есть, двумерно. Это означает, что существует какая-то жёсткая связь между координатами, какое-то уравнение, описывающее поверхность, которой принадлежат точки состояний.

С точки зрения физики, такое уравнение очевидно — это закон сохранения энергии в изолированной системе. Запишем сумму всех видов энергии в какой-то момент времени:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-17

В безразмерном виде это выражение запишется так:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-18

А так как в момент соударения x = y, то для множества стробоскопических точек мы получаем уравнение:

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-19

которое, действительно, описывает в пространстве (x, , ) сферу c радиусом √(2x₀+1) и с центром в точке (−1, 0, 0). В этом легко убедиться, прибавив единицу к обеим частям уравнения и выделив полный квадрат по x.

Ну, что же, сфера это неплохо! Для неё можно построить карту, которая будет плоской и обозримой без всяких вращений, анимаций и прочих ухищрений. Но этим мы займëмся в следующий раз. А напоследок, позволю себе в качестве тизера, показать фазовый портрет нашей системы для фиксированного значения полной энергии системы, но с разными начальными условиями. Неправда ли, он похож на гигантскую газовую планету!

Математика — наука точная и имеет дело с идеальными моделями.-20

Продолжение здесь:

────────────────────────

Хотите, чтобы в вашей ленте Дзена было больше интересных и глубоких материалов? Подскажите алгоритму Дзена, что там нравятся публикации, подобные этой, подпишитесь, поставьте лайк или прокомментируйте.

Давайте формировать информационную среду вместе!