İnfografik
Ana Sayfa » Ankara Üniversitesi ANKADEM » Mühendislik Fakültesi » Computer Simulation and Modelling
← Ünite 3
Computer Simulation and Modelling

Ünite 3: Chaoticsystems

Feigenbaum Evrensel Sabiti
M.J. Feigenbaum tarafından keşfedilen ve δ sembolüyle gösterilen 4.6692016091... değerindeki bu evrensel sayı, periyot ikiye katlanma bifurkasyonlarının geometrik olarak hangi oranda yakınsadığını gösterir.
Rössler Çekicisinin Tasarımı
Otto Rössler tarafından 1976 yılında tasarlanan Rössler çekicisi, orijinalinde teorik denklemler olarak kurulmuş ancak sonradan kimyasal reaksiyonlardaki denge durumlarının modellenmesinde son derece işlevsel olduğu anlaşılmıştır.
Canonical Henon Parametreleri
Henon haritası iki parametreye (a ve b) dayanır ve standart (canonical) Henon haritası için bu değerler a = 1.4 ve b = 0.3 olarak belirlenmiştir; bu değerlerde sistem net bir şekilde kaotik davranış sergiler.
Lorenz Modeli Parametre Değerleri
Hava durumu ve iklim tahminleri için kritik olan Lorenz osilatör denklemlerinde σ = 10 ve β = 8/3 sabit tutulurken, ρ parametresi 28 yapıldığında sistem belirgin kaotik davranış göstermektedir.

Anahtar Kavramlar

Kaotik SistemlerBaşlangıç koşullarına aşırı duyarlılık gösteren, uzun vadeli davranışlarının öngörülmesi imkansız olan doğrusal olmayan dinamik sistemlerdir. Metinde termal konveksiyon ve zorlanmış sarkaç bu sistemlere örnek gösterilmiştir.
Faz UzayıBir dinamik sistemin olası tüm durumlarının temsil edildiği çok boyutlu uzaydır. Sabit noktalardan yörüngelerin izlediği yollar bu uzayda tanımlanır.
Sabit Nokta (Fixed Point)Dönüşüm veya mapping altında değişmeyen, x* = f(x*) kuralını sağlayan noktalardır. Harmonik osilatör için (0,0) noktası buna örnektir.
Kararlı Sabit NoktaSistem başlangıçta sabit noktanın yakınındayken yine o nokta yakınında kalmaya devam ediyorsa bu durum kararlı sabit nokta olarak adlandırılır.
Kararsız Sabit NoktaSabit nokta etrafındaki tüm yörüngelerin zamanla bu noktadan uzaklaştığı durumdur; pertürbasyonlar üstel olarak büyür.
Çekici (Attractor)Sabit nokta etrafında kapalı bir döngü oluşturan ya da sistemin zamanla yerleştiği yörünge kümesidir. Van der Pol denklemi çözümü buna örnektir.
Sabit Nokta ÇekicisiBaşlangıç noktası ne olursa olsun sistemin her zaman aynı denge noktasına yaklaştığı çekici türüdür. Sürtünmeli ortamdaki yaya bağlı kütle bunun örneğidir.
Kaotik ÇekiciBaşlangıç konumundaki ufak bir farkın zamanla tamamen ilişkisiz konumlara yol açtığı, öngörülemez yörüngelerle temsil edilen çekicidir.
Limit DöngüsüYakınındaki diğer yörüngelerin kapalı olmadığı, yalıtılmış kapalı ve periyodik yörüngedir. Sadece non-linear disipatif sistemlerde görülür.
Lojistik Harita (Logistic Map)x_n+1 = 4λ x_n (1 - x_n) formülüyle verilen, kaotik davranışları incelemede kritik rol oynayan tek boyutlu bir dönüşüm modelidir.
İkinci İtirat (Second Iterate)f^2(x) = f(f(x)) şeklinde tanımlanan ve fonksiyonun kendi içine ardışık uygulanmasıyla elde edilen matematiksel ifadedir.
Periyot İkiye Katlanma (Period Doubling)Parametre değişimine bağlı olarak sistemin periyodunun 2, 4, 8 gibi katlanarak artması sürecidir. Lojistik haritada ve Henon haritasında gözlenir.
Feigenbaum SabitiPeriyot ikiye katlanma bifurkasyonlarının yakınsama hızını belirleyen δ ≈ 4.6692016091... değerindeki evrensel sayıdır.
Henon Haritasıİki parametreye (a ve b) bağlı olan, düzlemdeki bir noktayı başka bir noktaya haritalayan ve kaotik davranış sergileyen kesikli zamanlı dinamik sistemdir.
Çekim Kümesi Bazı (Basis of Attraction)Bir çekici üzerine yakınsayan tüm (x_n, y_n) noktalarının kümesidir.
Rössler ÇekicisiOtto Rössler tarafından 1976'da tasarlanan, kimyasal reaksiyonlardaki dengeyi modellemede kullanılan non-linear denklemlerin çekicisidir.
Lorenz Çekicisiİklim ve hava durumu tahminlerinde önemli implikasyonları olan, σ, ρ ve β parametreleriyle yönetilen kaotik osilatör modelidir.
Duffing Osilatörüx'' + kx' + x^3 = B cos(t) denklemiyle tanımlanan ve Runge-Kutta yöntemiyle simüle edilebilen non-linear salınıcı sistemdir.
Volterra-Lotka ModeliAv ve avcı popülasyonlarının etkileşimini inceleyen ve faz uzayında kapalı eğriler oluşturan popülasyon dinamiği modelidir.
Öz-Sınırlayıcı Terim (Self-limiting Term)Popülasyon modellerinde besin sınırlılığı gibi etkenlerle büyüme hızını baskılayan c_22 x_2^2 benzeri denklemsel terimdir.
Lyapunov ExponentKaotik davranışı belirlemede kullanılan, başlangıç yörüngelerinin uzaklaşma oranını ölçen üç temel yöntemden biridir.
Power SpectrumKaotik sistemlerin kimliğini belirlemek adına kullanılan üç temel analiz yönteminden frekans alanı tabanlı olanıdır.
Correlation FunctionDinamik sistemlerde zaman serilerinin ilişkisini inceleyerek kaos tespiti yapmada kullanılan üç temel yöntemden biridir.
Disipatif SistemSürtünme veya sönümleme kuvvetleri barındıran, enerji kaybı yaşayan doğrusal olmayan sistem türüdür.
Equilibrium PointSistemin hız vektörlerinin sıfırlandığı ve dengede kaldığı denge noktasıdır; sabit nokta ile eş anlamlıdır.

Diğer Önemli Bilgiler

Lojistik Harita λ Sınır Noktası

Lojistik haritada λ∞ = λ* = 0.8924864... limit noktasının ötesinde, sistem periyodik pencereler haricinde herhangi bir periyodiklik barındırmayan tamamen kaotik bir dizi haline gelmektedir.

Lojistik Haritada 3-Çevrim Örneği

Lojistik harita parametresi λ = 0.959 olarak seçildiğinde, sistemde 0.9588, 0.1515 ve 0.4931 değerlerinden oluşan dikkat çekici bir 3-çevrim (3-cycle) yapısı ortaya çıkmaktadır.

Van der Pol Denklemi Parametresi

Van der Pol denkleminde b > 0 koşulu aranır ve b = 0.1 alındığında elde edilen çözüm bir çekici (attractor) için somut bir örnek teşkil eder; bu denklemcoupled birinci dereceden türevlere dönüştürülebilir.

Duffing Osilatörü Parametre Dizisi

Duffing osilatörü simülasyonlarında yay sabiti k = 10.1 olarak alınırken, B kuvvet parametresi 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 ve 16 gibi farklı değerler verilerek test edilmektedir.

Lojistik Harita İki-Çevrim Salınımı

λ = 0.76 parametre değerinde lojistik harita, başlangıçtaki geçici durumlar sönümlendikten sonra 0.7306 ve 0.5984 değerleri arasında iki-çevrimli (two-cycle) salınımlara yerleşir.

Ankara Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Kaynağı

Ders materyali Semra Gündüç tarafından Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'nde 2014-2015 Bahar Dönemi için hazırlanmış Computer Simulations ders notlarına dayanmaktadır.

Volterra-Lotka Denge Noktası

Av-avcı modelinde x2 = a1/b12 ve x1 = a2/b21 ifadeleri sistemin benzersiz denge (equilibrium) noktasını tanımlar ve faz uzayında kapalı eğri aileleri üretir.

Duffing Simülasyonu Zaman Sınırı

Duffing osilatörünün C dilindeki kod örneklerinde dt = 0.01 zaman adımı kullanılırken, zaman sınırı (t_end) 100 birim olarak ayarlanmıştır ve Runge-Kutta yöntemi uygulanmaktadır.

Rössler Alternatif Parametreleri

Rössler denklemlerinde başlangıçta a = 0.2, b = 0.2 ve c = 5.7 değerleri incelenmiş olsa da, daha sonraki çalışmalarda a = 0.1, b = 0.1 ve c = 14 parametreleri çok daha yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Lorenz C Kodu Örnek Başlangıç Değerleri

Lorenz çekicisi simülasyon kodunda x0 = 0.01, y0 = 1.2 ve z0 = 0.3 başlangıç koordinatları seçilmiş, adım büyüklüğü h = 0.01 ve N = 1000 iterasyon çalıştırılmıştır.

Lojistik Harita λ Aralıkları

λ < 1.4 için x*=0 kararlı sabit noktayken, 1/4 <= λ <= 3/4 aralığında x*=1-1/(4λ) kararlı sabit noktadır ve 3/4 <= λ <= 1 aralığında ise lojistik haritanın hiç sabit noktası kalmaz.

Sınavda Dikkat Et

  • Sabit nokta kararlılık şartı olan |f'(x*)| < 1 (kararlı) ve |f'(x*)| > 1 (kararsız) kurallarını mutlaka ezberleyin; sınavlarda türev hesabı üzerinden sıkça sorulur.
  • Feigenbaum sabitinin sayısal değeri olan 4.6692016091... ve bunun periyot ikiye katlanma bifurkasyonlarıyla ilişkisini unutmayın.
  • Lojistik harita denkleminin (xn+1 = 4λxn(1-xn)) formunu ve farklı λ aralıklarındaki (0-1/4, 1/4-3/4, vb.) sabit nokta değişimlerini iyi kavrayın.
  • Kaotik sistemlerde düzensizliğin dış gürültüden değil, başlangıç yörüngelerinin üstel olarak ayrılmasından kaynaklandığı bilgisini karıştırmayın.
  • Lorenz modelinde kaotik davranışın hangi parametre değerlerinde (σ=10, β=8/3, ρ=28) ortaya çıktığına dikkat edin.
  • Limit döngülerinin yalnızca sürtünme içeren doğrusal olmayan disipatif sistemlerde görüldüğü kuralını göz ardı etmeyin.