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Einführung in die Chaostheorie .txt

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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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Dies sind Gabelungen oder Verzweigungen in einem 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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