Gymnasium
Kleine Burg
Abteilung
Leopoldstraße
Facharbeit
im
Leistungskurs Mathematik
„Die
Chaostheorie“
Lynn
Vincent
Klasse
12N2
März
2010
Inhalt:
1
Einleitung
1.1 Einführung
in die Chaostheorie
2 Erklärung
der Chaostheorie und zentraler Begriffe
2.1 Attraktor
2.2 Die
Periodenverdopplung
2.3 Der
Schmetterlingseffekt
2.4
Evolution und Chaos
2.5 Der Ljapunov-Exponent
2.6
Determinismus
2.7 Fraktale
3
Bedeutende Personen hinsichtlich der Chaostheorie
3.1
Jules Henri Poincaré
3.2
Edward Norton Lorenz
3.3 Benoît
B. Mandelbrot
3.4
Mitchell Jay Feigenbaum
4
Anwendungsgebiete
4.1 Wettervorhersage
4.2
Chaos und das Sonnensystem
4.3 Geistes-und
sozialwissenschaftliche Beispiele für die Chaostheorie
4.4
Naturwissenschaftliche Beispiele für die Chaostheorie
5 Wege
ins Chaos
6 Das
chaotische Leben -chaotisches System Gehirn
7 Nützliches
Chaos
7.1
Satellitenbahnen
8
Vorhersagbarkeit
9 Anhang:
9.1
Abbildungen
9.2 Literaturverzeichnis
9.3
Verweise
1
Einleitung
Auf den
folgenden Seiten wird die Chaostheorie und -Forschung behandelt. Es wird auf
die grundlegenden Begriffe eingegangen und diese werden erklärt.
Des
Weiteren werden Anwendungsgebiete und Beispiele aufgezeigt. Ebenfalls werden
bedeutungsvolle Personen und deren Beitrag zur Chaostheorie genannt. Zum
Schluss werden weitere wichtige Punkte der Chaosforschung aufgeführt.
1.1 Einführung
in die Chaostheorie
In der
Umgangssprache bedeutet Chaos Unordnung und Durcheinander.
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Deshalb
spricht man vom deterministischen Chaos. Eine Änderung der Anfangsbedingungen führt
nach einer bestimmten Zeit zu einem anderen Verhalten. Dies nennt man sensible
Abhängigkeit von Anfangswerten. Es gibt generell kein periodisches und reguläres
Verhalten.
Weitere
Bezeichnungen für die Chaostheorie sind: „Chaosforschung“, „Theorie dynamischer
/ komplexer Systeme“ und „Theorie nichtlinearer Systeme“.
Die
Chaostheorie besteht aus Teilgebieten der Mathematik und Physik, aber auch der
Astronomie, denn die Bewegung der Himmelskörper unter
wechselseitigem
Einfluss der Gravitation ist ein chaotisches System. Ein chaotisches System ist
nicht langfristig vorhersagbar. Chaotische Systeme sind zum Beispiel der
Verkehrsstau, die Wirtschaftskreisläufe und das Wetter.
2 Erklärung
der Chaostheorie und zentraler Begriffe
2.1 Attraktor
Menschen
sind nicht in der Lage den Verlauf für drei unterschiedliche Himmelskörperbahnen
mit der notwendigen Differentialgleichung zu berechnen. Deshalb wurden dazu
Computer genutzt. Die Ergebnisse zeigten, dass chaotische Systeme trotzdem
differenzierten geordneten Mustern folgen.
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Jeder
Zustand wird zu jedem Zeitpunkt durch einen Punkt dargestellt. Die Dynamik lässt
sich somit als Bahn im Phasenraum interpretieren. Attraktoren sind Bahnen die
zu einer bestimmten Bahn konvergieren. Kleine und kleinste Ursachen
beziehungsweise Unterschiede bei den Anfangsbedingungen in rückgekoppelten
Systemen erzeugen größte Wirkungen und unvorhersehbare Abweichungen.
Es gibt
vier verschiedene Attraktoren: Den „Fixpunkt-Attraktor“, welcher unabhängig von
den Anfangsbedingungen ist und sich auf den Punkt zu bewegt, den „Grenzzyklus-Attraktor“,
welcher einer ebenen Kurve entspricht und den „Torus-Attraktor“, dieser
entspricht ebenfalls einer ebenen Kurve und ist räumlich gedehnt. Diese drei Attraktoren
sind vorhersehbar.
Außerdem
gibt es noch die „seltsamen Attraktoren“, diese haben eine hochdifferenzierte,
komplexe, räumliche Struktur. Sie sind fraktal, nicht periodisch und unendlich
gefaltet. Seltsame Attraktoren halten sich im begrenzten Gebiet im Phasenraum
auf. Es gibt keine Gleichheit zwischen seltsamen Attraktoren. Sie besitzen eine
innere geometrische Struktur. Ein seltsamer Attraktor ist der „Lorenz-Attraktor“.
2.2 Die
Periodenverdopplung
Chaotische
Systeme haben geordnete Strukturen, vor allem im Rahmen der Attraktorenforschung.
Otto E. Rössler1 gelang dies nachzuweisen.
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System, welches sich an sogenannten Bifurkationsstellen zwischen zwei oder
mehreren Wegen entscheiden muss. Die Periodenverdopplung wird auch Feigenbaum
Szenario genannt.
2.3 Der
Schmetterlingseffekt
Edward
Lorenz hat die Frage aufgeworfen, ob ein Flügelschlag eines Schmetterlings in
Brasilien einen Tornado in Texas auslösen kann.
Ein
chinesisches Sprichwort sagt, dass die Kräfte von Schmetterlingsschwingungen
noch auf der anderen Seite der Erde zu spüren sind. Das Aufschaukeln von
kleinen Effekten zu großen Störungen nennt man Schmetterlingseffekt.
Der
Schmetterlingseffekt wird hauptsächlich auf das Wetter bezogen. Bei dem
Berechnen von Wetterstrukturen durch Edward Lorenz kam es zu Abweichungen im Zeitverlauf
zwischen zwei Berechnungen, da Lorenz bei der zweiten Berechnung die
Anfangswerte gerundet hatte, um Zeit zu sparen. So kam es zur Entdeckung des
Schmetterlingseffektes. Bei komplexen Systemen mit deterministischen
chaotischen Verhalten führen kleine Abweichungen mit der Zeit zu einem
exponentiellen Anwachsen. Die Konsequenz daraus ist keine langfristige
Vorhersagbarkeit.
2.4
Evolution und Chaos
„Evolution
ist gleich Chaos plus Rückkoppelung2.“ sagte James Ford3. (Huber, Andreas: „Chaosforschung“.
Heyne Verlag, München 1996, S.45)
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Das „Werden
der Welt“ ist Grundzustand der Chaostheorie. In Nichtlinearität und Rückkoppelung
sind alle Voraussetzungen angelegt, um Strukturen, wie die des Gehirns,
entfalten zu können. Das Verständnis der Evolution stellt größte Rätsel und
Herausforderungen an unser Erkenntnisvermögen dar.
2.5 Der Ljapunov-Exponent
Der Ljapunov-Exponent
ist eine der wichtigsten Kenngrößen deterministisch chaotischer Systeme. Der
Exponent wurde nach dem russischen Mathematiker Alexander Ljapunov4 benannt.
Der Exponent bestimmt wie schnell zwei nahe benachbartete startende Bahnen
auseinander laufen. Der Abstand d(t) zur Zeit t wächst exponentiell an.
In mehrdimensionalen
Systemen wird es mehrere Ljapunov-Exponenten geben, für jede Richtung einen.
Sie können positiv sein, wenn die Bahnen in dieser Richtung auseinander laufen.
Sie können aber auch negativ sein, wenn Bahnen in dieser Richtung zusammen
laufen.
2.6
Determinismus
Determinismus
ist eine Form von der Weltsicht, bei der alle Ereignisse und Vorgänge durch
mathematische, physikalische oder chemische Gesetzmäßigkeiten ablaufen.
James
Gleick5 sagte: „Wo Chaos beginnt, hört die klassische Wissenschaft auf.“
(Huber, Andreas: „Chaosforschung“. Heyne Verlag, München 1996)
Der
Determinismus bezieht sich ebenfalls auf den Schmetterlingseffekt, denn
kleinste Ursachen können große Wirkungen nach sich ziehen.
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