每周学点小知识:浅析预测策略的本质—关于混沌现象

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1.1 混沌现象

之前简单提过混沌现象, 今天和大家分享下该现象的发现始末。

在16世纪的大航海时代,航海家们迫切需要精准的天体定位来确定自身的位置和航向,这推动着天文学家们开始深入探究星体的运动规律。

在这个时期, 丹麦天文学家第谷·布拉赫对火星进行了精确的观测和记录,为后来的科学家们提供了宝贵的数据。17世纪初,约翰内斯·开普勒基于第谷的观测数据,建立了开创性的三大行星定律, 揭示了行星运动的规律。

然而, 真正的天文学变革始于艾萨克·牛顿的时代。在17世纪末, 他将前人的观测数据和理论结合,提出了万有引力理论, 成功解决了两体问题,比如求解地球在太阳作用下的运行轨迹。然而,当涉及到三体问题,即三个质量相互作用的天体在引力作用下的运动轨迹和行为时,牛顿发现这一问题的数学求解异常困难,甚至无法用解析方法获得准确解,这使得他曾表示“穷尽人类的智力也无法解决”三体问题。这个问题也正是刘慈欣所著《三体》系列小说的故事背景之一。

在牛顿时代之后,三体问题在数学和物理学领域持续引发了广泛的研究。1885年,瑞典国王将太阳系稳定性问题作为数学竞赛的难题并悬赏重金。法国物理学家和数学家亨利·庞加莱开始着手研究三体问题,并给出了一系列的解,最终获得了奖金。然而,在他准备发表论文时,一位审稿人指出部分内容不够清晰。通过与审稿人的交流,庞加莱意识到自己的解存在错误。在不断的修正过程中,庞加莱逐渐确认解析方法无法解决三体问题,因为微小的初始条件差异会引发完全不同的结果,这就是“混沌现象”。 庞加莱不仅严格地证明了三体问题的无解性, 还开创了非线性动力学这一新的研究领域。

混沌现象的发现揭示了在某些情况下,即使系统的基本规律是确定的,微小的初始差异也会导致难以预测的结果。因此,在处理复杂系统的行为时,不能仅仅依赖解析方法和确定性思维。

除了混沌现象,复杂系统还经常表现出”涌现”特征,这些将在后续的文章中进行更详细的探讨。

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