
洛伦兹方程描绘出一条发光的 3D 蝴蝶曲线。学生改变 σ、ρ 和 β,并比较两个几乎相同的起点,观察它们分离的速度。
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爱德华·洛伦茨在 1963 年把一个天气模型削到只剩骨架时,找到了这三个方程。其中没有任何随机成分,也没有任何近似:给出同样的三个初始数两次,你就会得到同样的轨迹两次,永远如此。然而,只要把其中一个数的小数点后第八位改动一下,大约二十个时间单位之后,两条轨迹就分别落在蝴蝶的两只翅膀上了。这就是对初始条件的敏感依赖,它是方程本身的性质,而不是计算机的缺陷。它也有一个“开关”:两只翅膀的中心位于 ±根号(β(ρ − 1)),并且在 ρ 超过 σ(σ + β + 3)/(σ − β − 1) 之前都是稳定的——按照洛伦茨自己用的那组数,这个阈值是 470/19,约 24.74。低于它,两条孪生轨迹会停在同一个点上,未来完全可以预测;高于它,就再也没有可以停下来的地方了。(严格来说,从大约 ρ = 24.06 起,就已经有一个奇怪吸引子与那些稳定点共存了,所以在两个数值之间那道狭窄的窗口里,结局取决于你从哪里出发。)学生可以改变x 追赶 y 的快慢和驱动的强度,并比较结果的变化。可用于与高中一起开展数学探究,投影演示或让学生各自使用设备均可。
课程标准: Common Core CCSS.MATH.CONTENT.HSF.IF.B.4
免费。用现代浏览器打开洛伦茨吸引子模拟实验即可,无需下载,也无需注册。
该模拟实验内置覆盖高中的学习难度预设。选择与你班级相符的难度,然后投影演示或让学生在自己的设备上使用。
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洛伦兹方程描绘出一条发光的 3D 蝴蝶曲线。学生改变 σ、ρ 和 β,并比较两个几乎相同的起点,观察它们分离的速度。
输入任意函数,立刻看到它的形状。最多可以用三种颜色同时画三条曲线来比较,拖动追踪点从曲线上读出数值,并看看每条曲线在哪里穿过零点。
转动转盘、抛硬币或掷骰子,同时观察两组柱形:图形所预测的概率,以及你实际得到的结果。转十次说明不了什么;转上几百次,两者就几乎难以区分了。
移动 m,看直线如何倾斜;移动 b,看它如何上下平移。或者拖动直线上的两个点,读出它回写给你的方程。一段“上升比水平”的阶梯沿着直线往上爬,让斜率变成可以数出来的东西。
比较双体轨道与三体的八字形运动,再添加至最多十二个天体。改变初始质量、速度和位置,观察轨迹及数值能量误差。
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