本書主要面向非線性動力學(xué)與混沌領(lǐng)域的初學(xué)者，特別是首次選擇該課程的學(xué)生。本書非常系統(tǒng)地給出了相關(guān)理論，從一階微分方程及其分岔開始，其次是相平面分析、極限環(huán)以及它們的分岔，后以Lorenz方程、混沌、迭代映射、倍周期分岔、重整化、分形和奇怪吸引子作為結(jié)尾。本書的一個特色是突出了應(yīng)用。主要包括機械振動、激光、生物節(jié)律、超導(dǎo)電路、昆蟲爆發(fā)、化學(xué)振蕩器、基因控制系統(tǒng)、混沌水車，乃至利用混沌加密信息的技術(shù)。所有情形都給出了基本的科學(xué)背景，并與數(shù)學(xué)理論緊密結(jié)合。在本書首次出版以來的20年里，非線性動力學(xué)的思想與方法已被應(yīng)用到很多激動人心的新領(lǐng)域，如系統(tǒng)生物學(xué)、演化博弈論和社會物理學(xué)。本書的第2版給出了很多關(guān)于前沿進展的新練習(xí)題，例如關(guān)于視覺中的雙目競爭與名著《亂世佳人》中紛亂的愛情動力學(xué)。本書可作為數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理、化學(xué)、生物、控制科學(xué)、機械等工程專業(yè)高年級本科生或研究生教材。
第2版前言
在本書第一次出版以來的20年里，非線性動力學(xué)的思想與方法已被應(yīng)用到很多激動人心的新領(lǐng)域，如系統(tǒng)生物學(xué)、演化博弈論、社會物理學(xué)等。為了介紹一些新的進展，我已增加了20道重要的練習(xí)題，希望能吸引讀者學(xué)習(xí)更多內(nèi)容。這些領(lǐng)域和應(yīng)用包括（相關(guān)的練習(xí)題在其后的圓括號中列出）
動物行為： 日本樹蛙的叫聲節(jié)律（8.6.9）
經(jīng)典力學(xué)：具有二次阻尼的驅(qū)動擺（8.5.5）
生態(tài)學(xué)：獵食模型；周期性捕魚 （7.2.18、8.5.4）
演化博弈論：石頭-剪刀-布（6.5.20、7.3.12）
語言學(xué)：語言消亡（2.3.6）
生命起源前的化學(xué)反應(yīng)：超循環(huán)（6.4.10）
心理學(xué)與文學(xué)作品《亂世佳人》中的愛情動力學(xué)（7.2.19）
宏觀經(jīng)濟學(xué)：國民經(jīng)濟的凱恩斯交叉模型（6.4.9）
數(shù)學(xué)：反復(fù)取冪（10.4.11）
神經(jīng)科學(xué)：視覺中的雙目競爭（8.1.14、8.2.17）
社會物理學(xué)：觀點動力學(xué)（6.4.11、8.1.15）
系統(tǒng)生物學(xué)：蛋白質(zhì)動力學(xué)（3.7.7、3.7.8）
感謝我的同事 Danny Abrams、Bob Behringer、Dirk Brockmann、Michael Elowitz、Roy Goodman、Jeff Hasty、Chad HigdonTopaz、Mogens Jensen、Nancy Kopell、Tanya Leise、Govind Menon、Richard Murray、Mary Silber、Jim Sochacki、JeanLuc Thiffeault、John Tyson、Chris Wiggins,以及Mary Lou Zeeman對新增練習(xí)題提出的建議。特別感謝Bard Ermentrout 設(shè)計的關(guān)于日本樹蛙（8.6.9）與雙目競爭的練習(xí)題（8.1.14、8.2.17），以及Jordi GarciaOjalvo能分享關(guān)于系統(tǒng)生物學(xué)的練習(xí)題(3.7.7、3.7.8)。
另外，除了某些地方的更正與更新之外，第1版的目標、組織結(jié)構(gòu)與文字都未改動。感謝來信提出建議的所有師生。
很高興能與Westview出版社的Sue Caulfield、Priscilla Mcgeehon, 以及Cathleen Tetro一起合作。多謝你們的指導(dǎo)與無微不至的關(guān)心。
最后，我深深地感謝我的妻子Carole、女兒Leah和Jo，以及我的小狗Murray，容忍我在本書寫作中造成的各種干擾，并帶給我歡笑。
第1版前言
本書主要面向非線性動力學(xué)與混沌領(lǐng)域的初學(xué)者，特別是第一次選擇該課程的學(xué)生。它的基礎(chǔ)是我已在麻省理工學(xué)院教過多年的為期一學(xué)期的課程。目標是盡可能清楚地解釋數(shù)學(xué)知識，并展示如何用數(shù)學(xué)來理解非線性世界中的很多奧秘。
本書的數(shù)學(xué)處理簡單易懂，雖不太正式，卻也非常謹慎。強調(diào)結(jié)合具體例子使用分析方法和直觀的幾何方法。本書非常系統(tǒng)地給出了相關(guān)理論，從一階微分方程和分岔開始，以重點討論洛倫茲方程、極限環(huán)、迭代映射、倍周期分岔、重整化、分形和奇怪吸引子作為結(jié)尾。
本書的一個特色是突出了應(yīng)用。主要內(nèi)容包括機械振動、激光、生物節(jié)律、超導(dǎo)電路、昆蟲爆發(fā)、化學(xué)振蕩器、基因控制系統(tǒng)、混沌水車，以及利用混沌加密信息的方法。所有情形都給出了基本的科學(xué)背景，并與數(shù)學(xué)理論緊密結(jié)合。
前提要求：
學(xué)習(xí)本書必不可少的前提是單變量微積分，包括畫曲線草圖、泰勒級數(shù)，以及可分離變量微分方程。有些地方也使用了多變量微積分 （如偏導(dǎo)數(shù)、雅可比矩陣、散度定理）和線性代數(shù)（特征值與特征向量）。物理學(xué)的入門知識在本書也會用到。其他科學(xué)的前提知識將視考慮的應(yīng)用而定，但不管怎樣，相應(yīng)的入門知識應(yīng)該足夠了。
本書可用于下面一些類型的課程：
一門非線性動力學(xué)的概括性入門課程，主要面向沒有接觸過本學(xué)科的學(xué)生。（我已教過此類課程。）在這里，讀者可以通讀全書，先閱讀每章開頭的核心內(nèi)容，選擇一些應(yīng)用問題深入探討，對更深入的理論內(nèi)容可稍加練習(xí)或完全略過。一種合理的時間安排是利用七周讀完第1～8章，再利用五周或六周來學(xué)習(xí)第9～12章。確保在學(xué)期內(nèi)有足夠的時間來學(xué)習(xí)混沌、映射與分形。
一門非線性常微分方程的傳統(tǒng)課程，但更多地強調(diào)應(yīng)用，而減少對攝動理論的介紹。這樣的課程應(yīng)該集中在第1～8章。
一門關(guān)于分岔、混沌、分形及其應(yīng)用的現(xiàn)代課程，針對已學(xué)習(xí)過相平面分析的學(xué)生而言。相關(guān)的主題可主要從第3、4章，以及8～12章挑選。
對上述課程，應(yīng)該從每章結(jié)尾的習(xí)題中給學(xué)生布置作業(yè)。他們也可以做計算機設(shè)計；構(gòu)建混沌電路與機械系統(tǒng)；或查閱相關(guān)參考文獻來了解當前的研究。不論學(xué)習(xí)還是教授這門課程，這些內(nèi)容都令人激動，希望你能喜歡。
每節(jié)中的方程都按照順序編號。例如在5.4節(jié)，第三個方程稱為（3）或者方程（3），而在本節(jié)之外卻稱之為（5.4.3）或方程（5.4.3）。圖、例題與練習(xí)題一直稱其全名，如練習(xí)題1.2.3。例題和證明都用明顯的停頓結(jié)尾，用符號■表示。
Steven H. Strogatz，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士，康奈爾大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系 Schurman 教授，國際非線性動力學(xué)專家，主要研究領(lǐng)域是非線性動力學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)，目前已發(fā)表論文200多篇，其著作被引用次數(shù)達到16300多次。
Strogatz教授曾獲得麻省理工學(xué)院高教學(xué)獎以及數(shù)學(xué)普及終身成就獎等榮譽，他的關(guān)于多種非線性系統(tǒng)的研究已被 Scientific American,Nature, Discover, Business Week 以及 The NewYork Times 等作為特輯報導(dǎo)。
孫梅，江蘇大學(xué)理學(xué)院副院長，博士生導(dǎo)師，二級教授。從事非線性動力系統(tǒng)理論及應(yīng)用、復(fù)雜系統(tǒng)分析及建模的研究。主持國家自然科學(xué)基金面上項目3項，發(fā)表SCI檢索論文43篇，出版專著3部，主編教材1部。曾獲江蘇省優(yōu)秀博士學(xué)位論文、教育部科學(xué)研究優(yōu)秀成果一等獎、江蘇省哲社優(yōu)秀成果一等獎�，F(xiàn)任校級科研機構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)分析研究院院長，省重點學(xué)科控制科學(xué)與工程博士點學(xué)科方向帶頭人，江蘇省數(shù)學(xué)學(xué)會常務(wù)理事。
汪小帆教授，上海交通大學(xué)致遠學(xué)院常務(wù)副院長，長江學(xué)者特聘教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。長期從事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究，曾獲IEEE電路與系統(tǒng)匯刊zui佳論文獎、上海市自然科學(xué)一等獎、上海市領(lǐng)軍人才、國家教學(xué)成果一等獎和國家自然科學(xué)二等獎，入選人事部“新世紀百千萬人才工程國家隊人選”，享受政府特殊津貼�，F(xiàn)為國際自動控制聯(lián)合會（IFAC）復(fù)雜大系統(tǒng)技術(shù)委員會主席、國際網(wǎng)絡(luò)科學(xué)學(xué)會理事會成員、中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)控制專委會主任。
譯者的話
第2版前言
第1版前言
1概述1
10混沌、分形與動力學(xué)1
11動力學(xué)簡史2
12非線性的重要性5
13世界的動力學(xué)視角9
第1部分一維流
2直線上的流15
20引言15
21幾何的思維方式16
22不動點與穩(wěn)定性18
23種群增長21
24線性穩(wěn)定性分析24
25存在性與唯一性26
26振動的不可能性29
27勢30
28利用計算機解方程32
第2章練習(xí)題36
3分岔45
30引言45
31鞍結(jié)分岔46
32跨臨界分岔51
33激光閾值54
34叉式分岔56
35旋轉(zhuǎn)環(huán)上的過阻尼球62
36不完美分岔與災(zāi)變70
37昆蟲爆發(fā)74
第3章練習(xí)題80
4圓上的流95
40引言95
41例子與定義95
42均勻振子97
43非均勻振子98
44過阻尼擺103
45螢火蟲105
46超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)108
第4章練習(xí)題115
第2部分二維流
5線性系統(tǒng)125
50引言125
51定義與例子125
52線性系統(tǒng)的分類131
53戀愛139
第5章練習(xí)題141
6相平面146
60引言146
61相圖146
62存在性、唯一性與拓撲結(jié)果149
63不動點與線性化150
64兔子與羊156
65保守系統(tǒng)160
66可逆系統(tǒng)164
67鐘擺169
68指數(shù)理論174
第6章練習(xí)題181
7極限環(huán)200
70引言200
71例子201
72排除閉軌203
73龐加萊本迪克松定理207
74李納系統(tǒng)214
75松弛振蕩215
76弱非線性振子219
第7章練習(xí)題232
8再探分岔248
80引言248
81鞍結(jié)分岔、跨臨界分岔與叉式分岔 248
82霍普夫分岔255
83振蕩化學(xué)反應(yīng)261
84環(huán)的全局分岔267
85驅(qū)動鐘擺與約瑟夫森結(jié)滯后現(xiàn)象272
86耦合振子與準周期性280
87龐加萊映射285
第8章練習(xí)題291
第3部分混沌
9洛倫茲方程315
90引言315
91混沌水車316
92洛倫茲方程的簡單性質(zhì)325
93奇怪吸引子上的混沌331
94洛倫茲映射339
95探究參數(shù)空間343
96利用混沌傳送秘密信息348
第9章練習(xí)題354
10一維映射362
100引言362
101不動點和蛛網(wǎng)模型363
102邏輯斯諦映射：數(shù)值方法367
103邏輯斯諦映射：解析方法371
104周期窗口375
105李雅普諾夫指數(shù)379
106普適性與實驗383
107重整化393
第10章練習(xí)題401
11分形414
110引言414
111可數(shù)集與不可數(shù)集415
112康托爾集417
113自相似分形的維數(shù)420
114盒維數(shù)425
115點態(tài)維數(shù)與關(guān)聯(lián)維數(shù)427
第11章練習(xí)題432
12奇怪吸引子439
120引言439
121簡例439
122埃農(nóng)映射445
123若斯勒系統(tǒng)450
124化學(xué)混沌與吸引子重構(gòu)453
125受迫雙井振子457
第12章練習(xí)題464
部分練習(xí)題答案471
參考文獻484
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