ロジスティック写像:カオスへの道

Strogatz 10.3節:ロジスティック写像

xn+1 = r · xn (1 − xn)

最も単純な離散力学系の一つ。1次元写像でありながらカオスを示す

xn ∈ [0, 1]: 個体数(正規化)、r: 成長率パラメータ

クモの巣図法(Cobweb Diagram)

y = f(x) と y = x
時系列 n vs xn
y = rx(1-x)
y = x
クモの巣
成長率 r 2.80
初期値 x0 0.20
固定点に収束
現在 xn
0.200
反復 n
0
固定点 x*
0.643
Lyapunov λ
---

分岐図(Bifurcation Diagram)

横軸:r、縦軸:アトラクターの x 値
周期倍分岐カスケード
周期 分岐点 rn δn = (rn-rn-1)/(rn+1-rn)
1 → 2 r1 = 3.0
2 → 4 r2 ≈ 3.449
4 → 8 r3 ≈ 3.544 4.751
8 → 16 r4 ≈ 3.564 4.656
∞(カオス) r ≈ 3.5699... δ = 4.669...
Feigenbaum の普遍性(10.6節)

δ = 4.669201609...(Feigenbaum定数)

驚くべきことに、この定数は写像の詳細によらず普遍的

これは繰り込み群の考え方で説明される(Strogatz 10.7節)

Strogatz との接続

10.0節: 1次元写像の導入

10.1節: 固定点と安定性(|f'(x*)| < 1)

10.3節: ロジスティック写像の詳細分析

10.4節: 周期窓、カオスの中の秩序

10.6節: Feigenbaum定数と普遍性

8.7節: ポアンカレ写像(連続系→離散系)

r の値と振る舞い

r の範囲 振る舞い 安定性条件
0 < r < 1 絶滅(x → 0) x* = 0 が安定
1 < r < 3 固定点に収束 |f'(x*)| < 1
3 < r < 3.449... 周期2軌道 |(f∘f)'| < 1
3.449... < r < 3.57... 周期 2n 軌道 周期倍分岐カスケード
r > 3.5699... カオス(+ 周期窓) 正のLyapunov指数
r > 4 発散 x が [0,1] を脱出