一八三八年,比利時數學家 Pierre François Verhulst 發表了一個『人口成長』方程式,
,此處 是某時的人口數, 是自然成長率, 是環境承載力。求解後得到
,此處 是初始條件。 Verhulst 將這個函數稱作『logistic function』,於是那個微分方程式也就叫做『 logistic equation』。假使用 改寫成 ,將它『標準化』,取 與 ,從左圖的解答來看, ,也就是講人口數成長不可能超過環境承載力的啊!
如果求 的反函數,得到 ,這個反函數被稱之為『Logit』函數,定義為
,一般常用於『二元選擇』,比方說『To Be or Not To Be』的『機率分佈』,也用於『迴歸分析』 Regression Analysis 來看看兩個『變量』在統計上是『相干』還是『無干』的ㄡ!假使試著用『無窮小』數來看 和 ,或許更能體會『兩極性』的吧!!
一九七六年,澳洲科學家 Robert McCredie May 發表了一篇《Simple mathematical models with very complicated dynamics》文章,提出了一個『單峰映象』 logistic map 遞迴關係式 。這個遞迴關係式很像是『差分版』的『 logistic equation』,竟然是產生『混沌現象』的經典範例。假使說一個『遞迴關係式』有『極限值』 的話,此時 ,可以得到 ,於是 或者 。在 之時,『單峰映象』或快或慢的收斂到『零』;當 之時,它很快的逼近 ;於 之時,線性的上下震盪趨近 ;雖然 也收斂到 ,然而已經是很緩慢而且不是線性的了;當 時,對幾乎各個『初始條件』而言,系統開始發生兩值『震盪現象』,而後變成四值、八值、十六值…等等的『持續震盪』;最終於大約 時,這個震盪現象消失了,系統就步入了所謂的『混沌狀態』的了!!
『連續的』微分方程式沒有『混沌性』,『離散的』差分方程式反倒發生了『混沌現象』,那麼這個『量子』的『宇宙』到底是不是『混沌』的呢??回想之前『λ 運算』裡的『遞迴函式』,與數學中的『定點』定義,『單峰映象』可以看成函數 的『迭代求值』︰。當 ,這個 就是『定點』,左圖中顯示出不同的 值的求解現象,從有『定點』向『震盪』到『混沌』。如果我們將『 logistic equation』改寫成 ,假使取 ,可以得到 ,它的『極限值』 ,根本與 沒有關係,這也就說明了兩者的『根源』是不同的啊!然而這卻建議著一種『時間序列』的觀點,如將 看成 ,這樣 就說是『速度』的了,於是 便構成了假想的『相空間』,這可就把一個『遞迴關係式』轉譯成了一種『符號動力學』的了!!
在某些特定的 值,這個『遞迴關係式』有『正確解』 exact solution,比方說 時,,因為 ,所以 ,於是 ,因此 。再者由於『指數項』 是『偶數』,所以此『符號動力系統』不等速 ── 非線性 ── 而且不震盪的逼近『極限值』的啊。
對於 來講,它的解是
,此處 是『初始條件』參數,可由 來決定。假使 是『有理數』,那麼 這個『周期函數』,多次『迭代』後就可能產生『極限循環』;要是 是『無理數』,它有一個『不循環』的無窮小數成份,這個『符號動力系統』就彷彿是『隨機亂動』一般,因此才說它是『混沌』的啊!假使思考 是一個『有理數』的機會,怕是很渺茫的吧!!
之後,有人『擴張』了 方法的『解決範圍』,考慮了如下的方程式
,它的解是
。
並且探討了對於『整數』 ,當滿足 『定點』時的『情況』,在此我們就不多說的了。一般來說『非線性』方程式﹐很少能夠有『正確解』,通常多半需要依賴『數值分析』工具去『了解』它的內蘊,在此再次提醒讀者『樹莓派』上的『Mathematica』的『實用性』,並且給出兩個相關的鍊結給有興趣的讀者
【單峰映象】
。即使當一個『多項式方程式』的『次方數』超過了『四階』都沒有『一般解』,於是科學上也常用著『牛頓法』或又稱之為『牛頓-拉弗森法』 Newton-Raphson method 來『求』 的『解』,從『數值分析』上講,就是『求解』
的啊!假使說所『揣想』的『初始』答案 並不『適當』,難保不會發生前述的『各種現象』,那麼又該要怎麽『判斷』的呢??