Kaaosteoria

Kaaosteoria on matematiikkaa ja fysiikkaa yhdistävä tutkimusala, joka käsittelee tiettyjen ei-lineaaristen dynaamisten järjestelmien käyttäytymistä, jotka ilmenevät kaoottisina ja ovat äärimmäisen herkkiä pienillekin muutoksille alkuolosuhteissa (perhosvaikutus). Esimerkkejä sellaisista järjestelmistä tavataan ilmakehän dynamiikasta, aurinkokunnasta, laattatektoniikassa, pyörteisissä nesteissä, taloudessa, populaation kasvussa ja lääketieteessä.

Kaaosteorian mukaan todellisuus tulee ymmärtää dynaamiseksi, monimuotoiseksi ja ennustamattomaksi. Systeemin kaoottisuudelle on ominaista, että systeemin lopputulosta ei voida ennustaa systeemin alkutilasta. Olennaista kaaoksessa on säännöllisyyden puuttuminen siinä mielessä kuin se ilmenee klassisessa luonnontieteessä: jaksoittaisina liikeratoina ja alkuehdoista riittävällä tarkkuudella ennustettavina lopputuloksina. 

Matemaattinen kaaos on täysin deterministinen, ennalta määrätty. Yleisessä kielenkäytössä kaaos ja kaaosteoria sekoitetaan usein täyteen "kaaokseen" tai "epäjärjestykseen", satunnaisuuteen, joka on epälainalaisen järjestelmän tulos. 

Matemaattisesti kaoottinen järjestelmä voisi olla täysin ennustettavissa, jos alkuarvot ja prosessi tunnettaisiin täysin tarkkaan. Käytännössä alkuarvo- ja laskentatarkkuus rajoittaa
ennustushorisonttia ja lyhyessä ajassa järjestelmä tulee täysin ennustamattomaksi.

Esimerkki 1 
Esimerkiksi yksinkertainen rekursioyhtälö

on deterministinen, mutta myös kaoottinen ja alkuarvoherkkä. Lähtöarvot ja tulos
kuuluvat väliin [0,4]. (Epästabiileina kiintopisteinä ovat 0 ja 3).
Jos x0:sta lähdetään ja lasketaan, niin tavallinen laskin tulostaa
roskaa jo 30–40:n iteraation jälkeen, tietokoneohjelmalla 20:n desimaalinkin
tarkkuudella jo 55:n iteraation jälkeen. Lähtöarvossa oleva virhe keskimäärin 
kaksinkertaistuu jokaista iteraatiota kohti.

Taulukko 1. Iteraatioita kolmella hiukan toisistaan poikkeavalla alkuarvolla.
        a             b              c          c-a = virhe
 x0=  0,5          0,501        0,500001           1E-6
 x1   1,75         1,752999     1,750003           3E-6
 x2   3,9375       3,938990506  3,9375015          1,5E-6
 x3   0,24609375   0,240315818  0,246087938       -5,8E-6
 x4   0,923812866  0,903511578  0,923792477      -20E-6
 x5   2,841821253  2,797713141  2,841777368      -44E-6
 x6   3,291336978  3,363653744  3,291410864       73E-6
 x7   2,33244881   2,140448465  2,332257981     -190E-6
 x8   3,889477789  3,980274229  3,889604634      127E-6
 x9   0,429873685  0,07851398   0,429394328     -479E-6
 x10  1,534703356  0,307891473  1,533197823    -1505E-6
 x11  3,783499033  1,136768734  3,782095727    -1403E-6
 x12  0,8191312       ..        0,824134818     5004E-6
 x13  2,605548876               2,617341075    11792E-6
 x14  3,633310558               3,618889998   -14421E-6
 x15  1,33229662                1,379195176    46899E-6
 x16  3,554172197               3,61460137    0,06
 x17  1,584548783               1,393062416  -0,191
 x18  3,827400287               3,631626769  -0,196
 x19  0,660608193               1,337794087   0,677
 x20  2,206029587               3,561483329   1,355
       .....                         ....        ...

Nähdään, että kuuden numeron tarkkuudella ei päästä 20 askelta pitemmälle.
Itse asiassa laskettaessa esimerkiksi arvoa x100 se vastaa sitä, että laskettaisiin 101-terminen 2100:n asteen jättimäinen polynomi, jonka arvot (ja reaalijuuret) sijoittuvat välille 0..4, kun argumenttina on kyseiselle välille sijoittuva luku.

Esimerkki 2 
Tarkastellaan yhtälöä

Tämä on parametrin C ansiosta edellistä yleisempi tapaus.

Jos parametri C on suurempi kuin −1,402, niin raja-arvoa lähestyttäessä huomataan 2,4,8,16,... jakson haarautumisia eli bifurkaatioita, joiden haarautumiskohtien suhde lähenee tunnettua Feigenbaumin vakiota 4,6692016091...

Jos C on rajaa C∞ = −1,402... pienempi, niin tulos on täysin kaoottinen kuten esimerkissä 1.

Silti molempien esimerkkien yhtälöt ovat deterministisiä: jokainen xn:n arvo on matemaattisesti katsoen täysin määrätty millä tahansa alkuarvolla x0.

Lähteet

Kirjallisuutta 
 Aula, P. 1999. Organisaation kaaos vai kaaoksen organisaatio? Dynaamisen organisaatioviestinnän teoria. Akateeminen väitöskirja. Helsinki: Loki-Kirjat. 
 
 
 Hayles, N. K. 1991. Chaos and Order. Chicago: University of Chicago Press. 
 Kiel, L. D. 1994. Managing Chaos and Complexity in Government. Jossey-Bass: San Francisco.
 Lorenz, E. 1963. ”Deterministic non periodic flow.” Journal of Atmospheric Science, Vol. 20, ss. 130-141.

Aiheesta muualla 

 

 
Seulonnan keskeiset artikkelit