Wie funktioniert die Formel von Chaostheorie?
07.04.2006 um 23:23oje oje, gehts schon wieder los hier mit dem typischen "begriffe-um-sich-schmeissen"und
de facto versteht keiner auch nur ansatzweise, was user XY da schnell mal ausmnetz
kopiert hat.
na ja, dann möchte ich meinen wochenendbeitrag zurallgemeinen
bildung leisten und überhaupt mal den begriff "chaos" grundlegendsowie
fachlich/physikalisch (mathematisch) ein wenig "sinnvoll" darlegen.
wir
fangen an mit einer kleinen "grundlagenüberlegung" (ganz wie in dergrundschule):
chaos - die allgemeine definition lautet: einungeordneter und schwer
vorhersagbarer zustand.
das "chaos" beinhaltetverschiedene freiheitsgrade.
was bedeutet: viele elemente, welche an einem systemteilhaben. je höher dieser anteil,
desto chaotischer das system. erstaunlicherweiseist seit kürzerer zeit die beobachtung
gemacht worden, das systeme mit einem geringenfreiheitsgrad ebenso chaotisches verhalten
an den tag legen (-> z.B. ein periodischespendel) eine solche art von chaos heisst dann
deterministisches chaos
nun ja, reduziert man dies nun auf die
reine betrachtungsweise logischenblickes, dann sollte man annehmen, dass sich hier
offensichtlich ein wiederspruchkonstituiert: "wie kann etwas determinisiert werden, wenn
es doch unvorhersagbar ist?"dazu findet sich folgende (im grunde auch recht simple)
erklärung:
"um z.B.eben das zeitverhalten unseres pendels zu beschreiben,
bedienen wir uns schlicht derdifferentialgleichungen. dies bedeutet wiederum, wir können
die schrittweisetrajektorie berechnen. aber um all dies möglich zu machen, brauchen wir
etwas sehrwichtiges: die kenntniss des anfangszustandes!!"
jetzt
verhält essich so, dass deterministisch chaotische systeme die eigenschaft haben, dass
kleinsteänderungen der anfangsbedingungen im verlauf der zeit "exponentiell" wachsen
(bzw.sich einfach verstärken)! und für diesen fakt gibt es denbegriff
schmetterlingseffekt. (wens interessiert, dies stammt vom meteorologenE.Lorenz)
nun, was ist zu beachten? -> wichtig ist folgendes:
dieanfangsbedingungen
sind experimentell immer nur mit einer "endlichen" genauigkeitbekannt und somit gibt es
auch "immer" einen fehler zu beginn. verstärkt sich diesernun, wird ein solches system
eben unvorhersagbar. und dabei gibt es eine sehr wichtigevoraussetzung, für das
deterministische chaos:
"das jeweilige system MUSS[b]nichtlinear
sein!!!"
warum??
nun, wenn wir einependelgleichung betrachten,
dann sehen wir, dass ein ausdruck erhalten ist, der daheisst:
sin0.
nun wird der ausdruck schlicht durch 0 (null) ersetztund wir sehen KEIN chaotisches
verhalten.
wenn wir dies nun mathematischbetrachten (was leider gottes von
nöten ist, ich mags aber genausowenig ^^) dannerkennen wir, dass alle nichtlinearen
dynamischen systeme mit jeweils mehr als "zwei"freiheitsgraden eben chaotisches
verhalten zeigen und damit eben unvorhersagbarwerden. es erfolgt dadurch eine einteilung
chaotischer systeme:
-[b]dissipative systeme <energie muss zugeführt
werden)
und
- [b]konservative systeme (energie bleibt
erhalten)
beispiele dafürsind dann:
- dissipative systeme:
angetriebenes pendel, laser, einechemische reaktion etc.
. konservative
systeme: klassische mechanik (fastalle systeme dabei), planetenbewegungen etc.
hab keine lust, da jetzt allesanzuführen.
nun gibt es etwas wichtiges,
um das deterministische chaosüberhaupt zu verstehen bzw. genauer, um zu verstehen, wie
es zustande kommt. die sog.[b]bernoulli-abbildung. (anmerkung: das ganze ist
verdammt mathematisch undehrlich gesagt schwer zu verstehen!)
also, eine
iterativebernoulli-abbildung lautet wie folgt:
o(x^t) = x^t+1 = 10x^t mod10
dabei sind die ausdrücke t und t+1 aber keine exponentensondern
iterations-indizes!!
dies erzeugt nun nichts anderes als eine"chaotische
punktfolge"!
was erkennen wir darin??
zweieigenschaften:
1. kleine fehler in den anfangsbedingungen verstärken sich.
2. die
trajektorie wird immer wieder zurückgefaltet und zwar auf ein"endliches" (!) intervall
als beispiel: wenn sich zwei anfangswerte um E0unterscheiden, dann erhöht
sich nach einem einzigen iterationsschritt die differenzder beiden werte um den faktor
10!! die verstärkung der fehler erfolgt damitexponentiell mit dem zeitverlauf -> t: E^t
= E^0 x 10^t = :E^0 x e^λt.
( λ ist dabei der sog.
"ljapunow-exponent". eigentlich nichts anderes alsdie angabe der exponentiellen
fehlerverstärkung. )
ok, soweit so gut. jetztkommt die wirklich interessante
sache dabei. ich übernehme dafür mal ein beispiel:
wir schauen uns eine
bestimmte auswirkung. und zwar:
x^0 = pi =3,14159....
-> x^1 =
(31,4159....) mod 10 = 1,4159...
-> x^2 = (14,159....) mod 10 = 4,159...
dabei erkennt man, dass bei jederiteration die ziffern um eine stelle nach links
gehen und die stellen VOR dem kommawerden, bis auf eine einzige stelle, abgeschnitten.
das bedeutet, dass alle stellenNACH dem komma schritt für schritt nach vorne rutschen
und somit quasi sichtbarwerden.ok, jetzt stellen wir den bezug her, den wir brauchen:
wir nehmenan, dass unsere "anfangsbedingung" eine zahl ist und zwar eine, die
wir auf dreistellen genau nach dem komma kennen. geschrieben wäre das beispielsweise:
x^0 =p0,p1,p2,p3???....
die fragezeichen sind natürlich die uns nicht
bekanntenziffern (stellen). wenn wir jetzt drei iterationsschritte durchführen (mit
o[x]),bekommen wir: x^3 = p3,???.... was heisst das? nun, das bedeutet, dass x^4=
?,???.... wäre. also in worten ausgedrückt: der vierte iterationsschritt ergibt füruns
nur noch fragezeichen ,also somit nur noch völlige unbekannte.
umgesetzt
heisst das, wir können somit keine vorhersagen mehr treffen und unser systemwird
chaotisch. jedoch kann man auch sehen, dass die drei bekannten schritte beweisen,dass
unser chaotisches system bis dahin berechnet und vorhergesagt werden kann.
so, das war im grunde das wichtige mathematische konstrukt, welches zumverständnis nötig
ist.
"Erklärt man die Unterschiede von Herkunft, Religion und Geschlecht für gleichgültig, treten die Begabungsunterschiede hervor. Sie rechtfertigen Rangfolge und Vorrecht, nur der Geist darf, seine Herrschaft entfaltend, diskriminieren - Intelligenz trennt strenger als Stand."
[/b][/b][/b][/b]
de facto versteht keiner auch nur ansatzweise, was user XY da schnell mal ausmnetz
kopiert hat.
na ja, dann möchte ich meinen wochenendbeitrag zurallgemeinen
bildung leisten und überhaupt mal den begriff "chaos" grundlegendsowie
fachlich/physikalisch (mathematisch) ein wenig "sinnvoll" darlegen.
wir
fangen an mit einer kleinen "grundlagenüberlegung" (ganz wie in dergrundschule):
chaos - die allgemeine definition lautet: einungeordneter und schwer
vorhersagbarer zustand.
das "chaos" beinhaltetverschiedene freiheitsgrade.
was bedeutet: viele elemente, welche an einem systemteilhaben. je höher dieser anteil,
desto chaotischer das system. erstaunlicherweiseist seit kürzerer zeit die beobachtung
gemacht worden, das systeme mit einem geringenfreiheitsgrad ebenso chaotisches verhalten
an den tag legen (-> z.B. ein periodischespendel) eine solche art von chaos heisst dann
deterministisches chaos
nun ja, reduziert man dies nun auf die
reine betrachtungsweise logischenblickes, dann sollte man annehmen, dass sich hier
offensichtlich ein wiederspruchkonstituiert: "wie kann etwas determinisiert werden, wenn
es doch unvorhersagbar ist?"dazu findet sich folgende (im grunde auch recht simple)
erklärung:
"um z.B.eben das zeitverhalten unseres pendels zu beschreiben,
bedienen wir uns schlicht derdifferentialgleichungen. dies bedeutet wiederum, wir können
die schrittweisetrajektorie berechnen. aber um all dies möglich zu machen, brauchen wir
etwas sehrwichtiges: die kenntniss des anfangszustandes!!"
jetzt
verhält essich so, dass deterministisch chaotische systeme die eigenschaft haben, dass
kleinsteänderungen der anfangsbedingungen im verlauf der zeit "exponentiell" wachsen
(bzw.sich einfach verstärken)! und für diesen fakt gibt es denbegriff
schmetterlingseffekt. (wens interessiert, dies stammt vom meteorologenE.Lorenz)
nun, was ist zu beachten? -> wichtig ist folgendes:
dieanfangsbedingungen
sind experimentell immer nur mit einer "endlichen" genauigkeitbekannt und somit gibt es
auch "immer" einen fehler zu beginn. verstärkt sich diesernun, wird ein solches system
eben unvorhersagbar. und dabei gibt es eine sehr wichtigevoraussetzung, für das
deterministische chaos:
"das jeweilige system MUSS[b]nichtlinear
sein!!!"
warum??
nun, wenn wir einependelgleichung betrachten,
dann sehen wir, dass ein ausdruck erhalten ist, der daheisst:
sin0.
nun wird der ausdruck schlicht durch 0 (null) ersetztund wir sehen KEIN chaotisches
verhalten.
wenn wir dies nun mathematischbetrachten (was leider gottes von
nöten ist, ich mags aber genausowenig ^^) dannerkennen wir, dass alle nichtlinearen
dynamischen systeme mit jeweils mehr als "zwei"freiheitsgraden eben chaotisches
verhalten zeigen und damit eben unvorhersagbarwerden. es erfolgt dadurch eine einteilung
chaotischer systeme:
-[b]dissipative systeme <energie muss zugeführt
werden)
und
- [b]konservative systeme (energie bleibt
erhalten)
beispiele dafürsind dann:
- dissipative systeme:
angetriebenes pendel, laser, einechemische reaktion etc.
. konservative
systeme: klassische mechanik (fastalle systeme dabei), planetenbewegungen etc.
hab keine lust, da jetzt allesanzuführen.
nun gibt es etwas wichtiges,
um das deterministische chaosüberhaupt zu verstehen bzw. genauer, um zu verstehen, wie
es zustande kommt. die sog.[b]bernoulli-abbildung. (anmerkung: das ganze ist
verdammt mathematisch undehrlich gesagt schwer zu verstehen!)
also, eine
iterativebernoulli-abbildung lautet wie folgt:
o(x^t) = x^t+1 = 10x^t mod10
dabei sind die ausdrücke t und t+1 aber keine exponentensondern
iterations-indizes!!
dies erzeugt nun nichts anderes als eine"chaotische
punktfolge"!
was erkennen wir darin??
zweieigenschaften:
1. kleine fehler in den anfangsbedingungen verstärken sich.
2. die
trajektorie wird immer wieder zurückgefaltet und zwar auf ein"endliches" (!) intervall
als beispiel: wenn sich zwei anfangswerte um E0unterscheiden, dann erhöht
sich nach einem einzigen iterationsschritt die differenzder beiden werte um den faktor
10!! die verstärkung der fehler erfolgt damitexponentiell mit dem zeitverlauf -> t: E^t
= E^0 x 10^t = :E^0 x e^λt.
( λ ist dabei der sog.
"ljapunow-exponent". eigentlich nichts anderes alsdie angabe der exponentiellen
fehlerverstärkung. )
ok, soweit so gut. jetztkommt die wirklich interessante
sache dabei. ich übernehme dafür mal ein beispiel:
wir schauen uns eine
bestimmte auswirkung. und zwar:
x^0 = pi =3,14159....
-> x^1 =
(31,4159....) mod 10 = 1,4159...
-> x^2 = (14,159....) mod 10 = 4,159...
dabei erkennt man, dass bei jederiteration die ziffern um eine stelle nach links
gehen und die stellen VOR dem kommawerden, bis auf eine einzige stelle, abgeschnitten.
das bedeutet, dass alle stellenNACH dem komma schritt für schritt nach vorne rutschen
und somit quasi sichtbarwerden.ok, jetzt stellen wir den bezug her, den wir brauchen:
wir nehmenan, dass unsere "anfangsbedingung" eine zahl ist und zwar eine, die
wir auf dreistellen genau nach dem komma kennen. geschrieben wäre das beispielsweise:
x^0 =p0,p1,p2,p3???....
die fragezeichen sind natürlich die uns nicht
bekanntenziffern (stellen). wenn wir jetzt drei iterationsschritte durchführen (mit
o[x]),bekommen wir: x^3 = p3,???.... was heisst das? nun, das bedeutet, dass x^4=
?,???.... wäre. also in worten ausgedrückt: der vierte iterationsschritt ergibt füruns
nur noch fragezeichen ,also somit nur noch völlige unbekannte.
umgesetzt
heisst das, wir können somit keine vorhersagen mehr treffen und unser systemwird
chaotisch. jedoch kann man auch sehen, dass die drei bekannten schritte beweisen,dass
unser chaotisches system bis dahin berechnet und vorhergesagt werden kann.
so, das war im grunde das wichtige mathematische konstrukt, welches zumverständnis nötig
ist.
"Erklärt man die Unterschiede von Herkunft, Religion und Geschlecht für gleichgültig, treten die Begabungsunterschiede hervor. Sie rechtfertigen Rangfolge und Vorrecht, nur der Geist darf, seine Herrschaft entfaltend, diskriminieren - Intelligenz trennt strenger als Stand."
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