Bỏ qua nội dung chính

Mô phỏng tương tác Bộ hút Lorenz

Toán học · Bộ hút Lorenz · Trung học phổ thông

Giới thiệu mô phỏng này

Edward Lorenz tìm ra ba phương trình này vào năm 1963 khi rút gọn một mô hình thời tiết tới mức tối giản. Trong đó chẳng có gì ngẫu nhiên và chẳng có gì gần đúng: cho cùng ba con số ban đầu hai lần thì bạn nhận được cùng một quỹ đạo hai lần, mãi mãi. Vậy mà chỉ cần đổi chữ số thập phân thứ tám của một trong ba số ấy, thì trong khoảng hai mươi đơn vị thời gian hai quỹ đạo đã nằm ở hai cánh đối nhau của con bướm. Đó là sự phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện ban đầu, và đó là tính chất của phương trình chứ không phải lỗi của máy tính. Nó cũng có một cái công tắc tắt: tâm của hai cánh nằm ở ±căn(bêta(rô − 1)) và vẫn ổn định cho tới khi rô vượt quá xichma(xichma + bêta + 3)/(xichma − bêta − 1), mà với chính bộ số của Lorenz thì bằng 470/19, khoảng 24,74. Dưới ngưỡng đó, cả hai bản sao đều lắng về cùng một điểm và tương lai hoàn toàn đoán trước được. Trên ngưỡng đó, chẳng còn chỗ nào để lắng lại. (Nói cho chặt chẽ, một bộ hút lạ đã tồn tại song song với các điểm ổn định ấy từ khoảng rô = 24,06, nên trong khoảng hẹp giữa hai giá trị thì kết cục phụ thuộc vào chỗ bạn xuất phát.) Học sinh có thể thay đổi tốc độ x đuổi theo y và mức thúc mạnh rồi so sánh điều gì xảy ra. Hãy dùng cho hoạt động khám phá toán học với Trung học phổ thông, trên máy chiếu hoặc thiết bị của từng học sinh.

Chuẩn kiến thức: Common Core CCSS.MATH.CONTENT.HSF.IF.B.4

Học sinh có thể khám phá điều gì

  • Chạy với chính bộ số của Lorenz rồi quan sát hai đầu quỹ đạo có màu: chúng đi như một trong khoảng năm giây, rồi sân khấu báo đúng lúc chúng tách ra và ghi lại thời điểm đó
  • Kéo rô xuống 15 rồi thả lại — giờ cả hai bản sao đều xoắn vào cùng một tâm cánh, và số đọc khoảng cách thu hẹp lại thay vì lớn lên
  • Kéo rô xuống dưới 1 rồi xem mọi quỹ đạo trượt về gốc tọa độ và dừng lại: không tồn tại cánh nào cả
  • Đặt độ lệch ban đầu của bản sao ở mức nhỏ nhất rồi bấm giờ xem chúng ở cùng nhau lâu thêm bao nhiêu — mỗi chữ số thập phân thêm vào chỉ mua được khoảng một giây
  • Kéo điểm xuất phát lại gần trục thẳng đứng, nơi x và y gần bằng 0, rồi xem quỹ đạo trượt một quãng dài trước khi bị hất ra một cánh: trục ấy là chỗ nghỉ mà không gì đậu lại được thật sự

Mục tiêu học tập

  1. 1Dự đoán việc thay đổi tốc độ x đuổi theo y sẽ ảnh hưởng thế nào đến khoảng cách tới tâm cánh, rồi kiểm chứng dự đoán đó.
  2. 2Dùng bằng chứng từ phép tính trực tiếp và hình ảnh minh họa để giải thích kết quả.

Câu hỏi giáo viên thường đặt ra

Mô phỏng Bộ hút Lorenz có miễn phí không?

Có. Hãy mở mô phỏng Bộ hút Lorenz trên trình duyệt hiện đại, không cần tải về hay đăng ký.

Mô phỏng có phù hợp với Trung học phổ thông không?

Mô phỏng có sẵn các mức học tập bao trùm Trung học phổ thông. Hãy chọn mức phù hợp với lớp của bạn rồi dùng trên máy chiếu hoặc thiết bị của học sinh.

Nhúng mô phỏng này

Đặt vào hệ thống học tập, blog hoặc trang lớp của bạn — miễn phí.

<iframe src="https://kiwibee.io/vn/simulations/lorenz-attractor-simulation/embed" title="Mô phỏng tương tác Bộ hút Lorenz | KiwiBee" loading="lazy" allowfullscreen style="width:100%;height:min(70vh,620px);min-height:420px;border:0;border-radius:16px"></iframe>

Tiếp tục khám phá

Ảnh xem trước của Phòng thí nghiệm vòng quay xác suất

Quay vòng quay, tung đồng xu hoặc gieo xúc xắc, rồi quan sát hai nhóm cột: xác suất mà hình dạng dự đoán và kết quả bạn thật sự nhận được. Mười lần quay chẳng chứng minh được gì; sau vài trăm lần, hai nhóm gần như không phân biệt nổi.

Ảnh xem trước của Công cụ vẽ đồ thị hàm số

Gõ bất kì hàm số nào và thấy ngay hình dạng của nó. Vẽ tối đa ba hàm cùng lúc bằng ba màu để so sánh, kéo điểm dò để đọc một giá trị trên đường cong, và xem mỗi hàm cắt trục hoành ở đâu.

Ảnh xem trước của Mô phỏng bài toán ba vật

Hai vật chuyển động dưới tác dụng của hấp dẫn sẽ vẽ nên một elip mãi mãi, và bạn viết được công thức. Thêm vật thứ ba thì công thức ấy không tồn tại. Hãy chạy quỹ đạo hình số tám, chỉnh nhẹ một khối lượng, rồi xem một khuôn mẫu ổn định trở nên không đoán trước được trong khi năng lượng toàn phần vẫn y nguyên.

Ảnh xem trước của Mô phỏng tổng Ri-man và tích phân

Xấp xỉ diện tích dưới đường cong bằng các dải và chọn cách mỗi dải lấy chiều cao: mép trái, mép phải, điểm giữa hay đỉnh nghiêng. Tăng số dải rồi xem sai số giảm xuống, còn tổng cộng dồn được vẽ thành một đường cong riêng.

Ảnh xem trước của Công cụ vẽ đồ thị y = mx + b

Đổi m rồi xem đường thẳng nghiêng đi; đổi b rồi xem nó trượt lên xuống. Hoặc kéo hai điểm trên đường thẳng và đọc phương trình mà nó viết lại cho bạn. Bậc thang «lên trên chia sang ngang» leo dọc đường thẳng để hệ số góc trở thành thứ bạn đếm được.

Mang khoa học tương tác vào lớp học của bạn

Không gian giáo viên miễn phí của KiwiBee gộp soạn bài, phiếu bài tập, công cụ lớp học và sổ điểm vào cùng một nơi.

Bắt đầu miễn phí và tạo lớp học đầu tiên

hoặc khám phá không gian giáo viên →