从直观的意义上来理解,混沌和统计两个术语,显而易见地意味着不确定性。而当我们深入到数学的细微处,却会发现,混沌的特征往往发生在确定性意义上,而从内在不确定的统计意义出发,却可以找寻到混沌的几许确定性。其间向我们展示着混沌的不尽风光。
这篇科普文章如同它的标题所言,关心的是“从统计的角度看混沌”,但为了进入这个主题,我们不得不首先谈论“确定性意义上的混沌”,这也是人们通常所理解的“混沌”所指。只有对通常意义上的混沌基本概念至少略知一二,历经“从有序到无序”的函数迭代风光之旅,才会合乎逻辑并从容不迫地进一步追问:确定性意义上的混沌在概率统计的意义上会发生什么?
让我们考察一个映射 y = S(x),它把定义域映到自身内,这样我们就可以迭代 S,即取定义域内的一个初始点 x0,带入到 S 的表达式中计算出其对应的映射值,得到下一个点 x1,再将 x1 带入到 S 的表达式中进行计算,就得到再下一个点 x2,一般地,对所有的自然数 n = 1, 2, 3, …,在得到第 n-1 个迭代点 xn-1 后,将它带入到 S 的表达式中计算,就得到第 n 个迭代点 xn。
如此这般,我们获得 S 的一个迭代点列(也称为 S 的一个迭代点轨道,或简称为轨道):x0,x1,x2,… ,xn,…
如果映射 S 的定义域中有个点 x*,满足 S(x*) = x*,这个点就称为 S 的一个不动点。不动点在代数上的意义就是方程 S(x) = x 的解,而在几何上的意义就是映射 S 在 xy-直角坐标系中的图像与坐标轴的对角线 y = x 的交点。
总之,对于像帐篷映射 T 和逻辑斯蒂映射 S4 这样看似十分简单的非线性映射,对于几乎所有的迭代点列,其未来的最终走向是不可预测的。这是在“确定性意义”上的混沌,即当迭代的当前点知道后,下一个迭代点是由映射唯一所确定的,但从全局来看,迭代点又像随机数那样到处乱走,看上去似乎没有什么规律可循。
由于这种迭代点的随机性并非来自像掷骰子那样的完全随机性,而是可以被认为是“局部确定性,长期随机性”,故此时混沌点列最终走向乱七八糟的状态也被称为“拟随机性”。