home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / sci / nonlinear-faq < prev   
Text File  |  2003-10-16  |  101KB  |  1,976 lines

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!newsfeed.stanford.edu!headwall.stanford.edu!newshub.sdsu.edu!news-hog.berkeley.edu!ucberkeley!news.colorado.edu!jdm
  2. From: James Meiss <jdm@boulder.colorado.edu>
  3. Newsgroups: sci.nonlinear,sci.answers,news.answers
  4. Subject: Nonlinear Science FAQ
  5. Followup-To: poster
  6. Date: Wed, 15 Oct 2003 15:58:56 -0600
  7. Organization: University of Colorado
  8. Lines: 1955
  9. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  10. Message-ID: <jdm-6A0CAE.15585615102003@peabody.colorado.edu>
  11. NNTP-Posting-Host: denjoy.colorado.edu
  12. X-Trace: peabody.colorado.edu 1066255137 16074 128.138.249.124 (15 Oct 2003 21:58:57 GMT)
  13. X-Complaints-To: abuse@colorado.edu
  14. NNTP-Posting-Date: 15 Oct 2003 21:58:57 GMT
  15. Summary: Frequently asked questions about Nonlinear Science,
  16.                        Chaos, and Dynamical Systems
  17. User-Agent: MT-NewsWatcher/3.3b1 (PPC Mac OS X)
  18. Archive-name: sci/nonlinear-faq
  19. Posting-Frequency: annually
  20. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.nonlinear:13615 sci.answers:15559 news.answers:259875
  21.  
  22. This is version  2.0 (Sept. 2003) of the Frequently Asked Questions document 
  23. for the newsgroup sci.nonlinear. This document can also be found in
  24.  
  25.    Html format from:
  26.    http://amath.colorado.edu/faculty/jdm/faq.html Colorado,
  27.    http://www-chaos.engr.utk.edu/faq.html Tennessee,
  28.    http://www.fen.bris.ac.uk/engmaths/research/nonlinear/faq.html England, 
  29.    http://www.sci.usq.edu.au/mirror/sci.nonlinear.faq/faq.html Australia,
  30.    http://www.faqs.org/faqs/sci/nonlinear-faq/  Hypertext FAQ Archive
  31.    Or in other formats: 
  32.    http://amath.colorado.edu/pub/dynamics/papers/sci.nonlinearFAQ.pdf PDF Format,
  33.    http://amath.colorado.edu/pub/dynamics/papers/sci.nonlinearFAQ.rtf RTF Format,
  34.    http://amath.colorado.edu/pub/dynamics/papers/sci.nonlinearFAQ.tex old version in TeX,
  35.    http://www.faqs.org/ftp/faqs/sci/nonlinear-faq the FAQ's site
  36.    ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/sci/nonlinear-faq text format.
  37.  
  38.  
  39. This FAQ is maintained by Jim Meiss jdm@boulder.colorado.edu.
  40.  
  41.  
  42. Copyright (c) 1995-2003 by James D. Meiss, all rights reserved. This FAQ  may 
  43. be posted to any USENET newsgroup, on-line service, or BBS as long as it  is 
  44. posted in its entirety and includes this copyright statement. This FAQ may  
  45. not be distributed for financial gain. This FAQ may not be included in  
  46. commercial collections or compilations without express permission from the  
  47. author. 
  48.  
  49. [1.1] What's New?
  50.  
  51.       Fixed lots of broken and outdated links. A few sites seem to be gone, 
  52. and some new sites appeared.
  53.  
  54.    To some extent this FAQ is now been superseded by the Dynamical Systems site 
  55. run by SIAM. See http://www.dynamicalsystems.org There you will find a 
  56. glossary that contains most of the answers in this FAQ plus new ones. There is 
  57. also a growing software list. You are encouraged to contribute to this list, 
  58. and can do so interactively.
  59.  
  60.  
  61.  
  62. [1]   About Sci.nonlinear FAQ
  63. [1.1] What's New?
  64. [2]   Basic Theory
  65. [2.1] What is nonlinear?
  66. [2.2] What is nonlinear science?
  67. [2.3] What is a dynamical system?
  68. [2.4] What is phase space?
  69. [2.5] What is a degree of freedom?
  70. [2.6] What is a map?
  71. [2.7] How are maps related to flows (differential equations)?
  72. [2.8] What is an attractor?
  73. [2.9] What is chaos?
  74. [2.10] What is sensitive dependence on initial conditions?
  75. [2.11] What are Lyapunov exponents?
  76. [2.12] What is a Strange Attractor?
  77. [2.13] Can computers simulate chaos?
  78. [2.14] What is generic?
  79. [2.15] What is the minimum phase space dimension for chaos?
  80. [3]   Applications and Advanced Theory
  81. [3.1] What are complex systems?
  82. [3.2] What are fractals?
  83. [3.3] What do fractals have to do with chaos?
  84. [3.4] What are topological and fractal dimension?
  85. [3.5] What is a Cantor set?
  86. [3.6] What is quantum chaos?
  87. [3.7] How do I know if my data are deterministic?
  88. [3.8] What is the control of chaos?
  89. [3.9] How can I build a chaotic circuit?
  90. [3.10] What are simple experiments to demonstrate chaos?
  91. [3.11] What is targeting?
  92. [3.12] What is time series analysis?
  93. [3.13] Is there chaos in the stock market?
  94. [3.14] What are solitons?
  95. [3.15] What is spatio-temporal chaos?
  96. [3.16] What are cellular automata?
  97. [3.17] What is a Bifurcation?
  98. [3.18] What is a Hamiltonian Chaos?
  99. [4]   To Learn More
  100. [4.1] What should I read to learn more?
  101. [4.2] What technical journals have nonlinear science articles?
  102. [4.3] What are net sites for nonlinear science materials?
  103. [5]   Computational Resources
  104. [5.1] What are general computational resources?
  105. [5.2] Where can I find specialized programs for  nonlinear science?
  106. [6] Acknowledgments
  107.  
  108.  
  109. [2]   Basic Theory
  110. [2.1] What is nonlinear?
  111.  
  112. In geometry, linearity refers to Euclidean objects: lines, planes, (flat) 
  113. three-dimensional space, etc.--these objects appear the same no matter how we 
  114. examine them. A nonlinear object, a sphere for example, looks different on 
  115. different scales--when looked at closely enough it looks like a plane, and 
  116. from a far enough distance it looks like a point. 
  117.  
  118. In algebra, we define linearity in terms of functions that have the property 
  119. f(x+y) = f(x)+f(y) and f(ax) = af(x). Nonlinear is defined as the negation of 
  120. linear. This means that the result f may be out of proportion to the input x 
  121. or y. The result may be more than linear, as when a diode begins to pass 
  122. current; or less than linear, as when finite resources limit Malthusian 
  123. population growth. Thus the fundamental simplifying tools of linear analysis 
  124. are no longer available: for example, for a linear system, if we have two 
  125. zeros, f(x) = 0 and f(y) = 0, then we automatically have a third zero f(x+y) = 
  126. 0 (in fact there are infinitely many zeros as well, since linearity implies 
  127. that f(ax+by) = 0 for any a and b). This is called the principle of 
  128. superposition--it gives many solutions from a few. For nonlinear systems, each 
  129. solution must be fought for (generally) with unvarying ardor! 
  130.  
  131.  
  132. [2.2] What is nonlinear science?
  133.  
  134. Stanislaw Ulam reportedly said (something like) "Calling a science 'nonlinear' 
  135. is like calling zoology 'the study of non-human animals'. So why do we have a 
  136. name that appears to be merely a negative? 
  137.  
  138. Firstly, linearity is rather special, and no model of a real system is truly 
  139. linear. Some things are profitably studied as linear approximations to the 
  140. real models--for example the fact that Hooke's law, the linear law of 
  141. elasticity (strain is proportional to stress) is approximately valid for a 
  142. pendulum of small amplitude implies that its period is approximately 
  143. independent of amplitude. However, as the amplitude gets large the period gets 
  144. longer, a fundamental effect of nonlinearity in the pendulum equations (see 
  145. http://monet.physik.unibas.ch/~elmer/pendulum/upend.htm and [3.10]).
  146.  
  147. (You might protest that quantum mechanics is the fundamental theory and that 
  148. it is linear! However this is at the expense of infinite dimensionality which 
  149. is just as bad or worse--and 'any' finite dimensional nonlinear model can be 
  150. turned into an infinite dimensional linear one--e.g. a map x' = f(x) is 
  151. equivalent to the linear integral equation often called the Perron-Frobenius 
  152. equation
  153. p'(x) = integral [ p(y) \delta(x-f(y)) dy ]) 
  154. Here p(x) is a density, which could be interpreted as the probability of 
  155. finding oneself at the point x, and the Dirac-delta function effectively moves 
  156. the points according to the map f to give the new density. So even a nonlinear 
  157. map is equivalent to a linear operator.)
  158.  
  159. Secondly, nonlinear systems have been shown to exhibit surprising and complex 
  160. effects that would never be anticipated by a scientist trained only in linear 
  161. techniques. Prominent examples of these include bifurcation, chaos, and 
  162. solitons. Nonlinearity has its most profound effects on dynamical systems (see 
  163. [2.3]).
  164.  
  165. Further, while we can enumerate the linear objects, nonlinear ones are 
  166. nondenumerable, and as of yet mostly unclassified. We currently have no 
  167. general techniques (and very few special ones) for telling whether a 
  168. particular nonlinear system will exhibit the complexity of chaos, or the 
  169. simplicity of order. Thus since we cannot yet subdivide nonlinear science into 
  170. proper subfields, it exists as a whole. 
  171.  
  172. Nonlinear science has applications to a wide variety of fields, from 
  173. mathematics, physics, biology, and chemistry, to engineering, economics, and 
  174. medicine. This is one of its most exciting aspects--that it brings researchers 
  175. from many disciplines together with a common language.
  176.  
  177.  
  178. [2.3] What is a dynamical system?
  179.  
  180. A dynamical system consists of an abstract phase space or state space, whose 
  181. coordinates describe the dynamical state at any instant; and a dynamical rule 
  182. which specifies the immediate future trend of all state variables, given only 
  183. the present values of those same state variables. Mathematically, a dynamical 
  184. system is described by an initial value problem. 
  185.  
  186. Dynamical systems are "deterministic" if there is a unique consequent to every 
  187. state, and "stochastic" or "random" if there is more than one consequent 
  188. chosen from some probability distribution (the "perfect" coin toss has two 
  189. consequents with equal probability for each initial state). Most of nonlinear 
  190. science--and everything in this FAQ--deals with deterministic systems.
  191.  
  192. A dynamical system can have discrete or continuous time. The discrete case is 
  193. defined by a map, z_1 = f(z_0), that gives the state z_1 resulting from the 
  194. initial state z_0 at the next time value. The continuous case is defined by a 
  195. "flow", z(t) = \phi_t(z_0), which gives the state at time t, given that the 
  196. state was z_0 at time 0. A smooth flow can be differentiated w.r.t. time to 
  197. give a differential equation, dz/dt = F(z). In this case we call F(z) a 
  198. "vector field," it gives a vector pointing in the direction of the velocity at 
  199. every point in phase space.
  200.  
  201.  
  202. [2.4] What is phase space?
  203.  
  204. Phase space is the collection of possible states of a dynamical system. A 
  205. phase space can be finite (e.g. for the ideal coin toss, we have two states 
  206. heads and tails), countably infinite (e.g. state variables are integers), or 
  207. uncountably infinite (e.g. state variables are real numbers). Implicit in the 
  208. notion is that a particular state in phase space specifies the system 
  209. completely; it is all we need to know about the system to have complete 
  210. knowledge of the immediate future. Thus the phase space of the planar pendulum 
  211. is two-dimensional, consisting of the position (angle) and velocity. According 
  212. to Newton, specification of these two variables uniquely determines the 
  213. subsequent motion of the pendulum.
  214.  
  215. Note that if we have a non-autonomous system, where the map or vector field 
  216. depends explicitly on time (e.g. a model for plant growth depending on solar 
  217. flux), then according to our definition of phase space, we must include time 
  218. as a phase space coordinate--since one must specify a specific time (e.g. 3PM 
  219. on Tuesday) to know the subsequent motion. Thus dz/dt = F(z,t) is a dynamical 
  220. system on the phase space consisting of (z,t), with the addition of the new 
  221. dynamics dt/dt = 1.
  222.  
  223. The path in phase space traced out by a solution of an initial value problem 
  224. is called an orbit or trajectory of the dynamical system. If the state 
  225. variables take real values in a continuum, the orbit of a continuous-time 
  226. system is a curve, while the orbit of a discrete-time system is a sequence of 
  227. points.
  228.  
  229.  
  230. [2.5] What is a degree of freedom?
  231.  
  232. The notion of "degrees of freedom" as it is used for 
  233. http://www.maths.tcd.ie/pub/HistMath/People/Hamilton/Hamiltonian systems means 
  234. one canonical conjugate pair, a configuration, q, and its conjugate momentum 
  235. p. Hamiltonian systems (sometimes mistakenly identified with the notion of 
  236. conservative systems) always have such pairs of variables, and so the phase 
  237. space is even dimensional.
  238.  
  239. In the study of dissipative systems the term "degree of freedom" is often used 
  240. differently, to mean a single coordinate dimension of the phase space. This 
  241. can lead to confusion, and it is advisable to check which meaning of the term 
  242. is intended in a particular context.
  243.  
  244. Those with a physics background generally prefer to stick with the Hamiltonian 
  245. definition of the term "degree of freedom." For a more general system the 
  246. proper term is "order" which is equal to the dimension of the phase space.
  247.  
  248. Note that a  dynamical system with N d.o.f. Hamiltonian nominally moves in a 
  249. 2N dimensional phase space. However, if H(q,p) is time independent, then 
  250. energy is conserved, and therefore the motion is really on a 2N-1 dimensional 
  251. energy surface, H(q,p) = E. Thus e.g. the planar, circular restricted 3 body 
  252. problem is 2 d.o.f., and motion is on the 3D energy surface of constant 
  253. "Jacobi constant." It can be reduced to a 2D area preserving map by PoincarΘ 
  254. section (see [2.6]).
  255.  
  256. If the Hamiltonian is time dependent, then we generally say it has an 
  257. additional 1/2 degree of freedom, since this adds one dimension to the phase 
  258. space. (i.e. 1 1/2 d.o.f. means three variables, q, p and t, and energy is no 
  259. longer conserved).
  260.  
  261.  
  262. [2.6] What is a map?
  263.  
  264. A map is simply a function, f, on the phase space that gives the next state, 
  265. f(z) (the image), of the system given its current state, z. (Often you will 
  266. find the notation z' = f(z), where the prime means the next point, not the 
  267. derivative.)
  268.  
  269. Now a function must have a single value for each state, but there could be 
  270. several different states that give rise to the same image. Maps that allow 
  271. every state in the phase space to be accessed (onto) and which have precisely 
  272. one pre-image for each state (one-to-one) are invertible. If in addition the 
  273. map and its inverse are continuous (with respect to the phase space coordinate 
  274. z), then it is called a homeomorphism. A homeomorphism that has at least one 
  275. continuous derivative (w.r.t. z) and a continuously differentiable inverse is 
  276. a diffeomorphism.
  277.  
  278. Iteration of a map means repeatedly applying the map to the consequents of the 
  279. previous application. Thus we get a sequence
  280.                                                          n
  281.                         z  = f(z   )  = f(f(z   )...) = f (z )
  282.                          n      n-1          n-2            0
  283.  
  284. This sequence is the orbit or trajectory of the dynamical system with initial 
  285. condition z_0.
  286.  
  287.  
  288. [2.7] How are maps related to flows (differential equations)?
  289.  
  290. Every differential equation gives rise to a map, the time one map, defined by 
  291. advancing the flow one unit of time. This map may or may not be useful. If the 
  292. differential equation contains a term or terms periodic in time, then the time 
  293. T map (where T is the period) is very useful--it is an example of a PoincarΘ 
  294. section. The time T map in a system with periodic terms is also called a 
  295. stroboscopic map, since we are effectively looking at the location in phase 
  296. space with a stroboscope tuned to the period T. This map is useful because it 
  297. permits us to dispense with time as a phase space coordinate: the remaining 
  298. coordinates describe the state completely so long as we agree to consider the 
  299. same instant within every period.
  300.  
  301. In autonomous systems (no time-dependent terms in the equations), it may also 
  302. be possible to define a PoincarΘ section and again reduce the phase space 
  303. dimension by one. Here the PoincarΘ section is defined not by a fixed time 
  304. interval, but by successive times when an orbit crosses a fixed surface in 
  305. phase space. (Surface here means a manifold of dimension one less than the 
  306. phase space dimension).
  307.  
  308. However, not every flow has a global PoincarΘ section (e.g. any flow with an 
  309. equilibrium point), which would need to be transverse to every possible orbit.
  310.  
  311. Maps arising from stroboscopic sampling or PoincarΘ section of a flow are 
  312. necessarily invertible, because the flow has a unique solution through any 
  313. point in phase space--the solution is unique both forward and backward in 
  314. time. However, noninvertible maps can be relevant to differential equations: 
  315. PoincarΘ maps are sometimes very well approximated by noninvertible maps. For 
  316. example, the Henon map (x,y) -> (-y-a+x^2,bx) with small |b| is close to the 
  317. logistic map, x -> -a+x^2.
  318.  
  319. It is often (though not always) possible to go backwards, from an invertible 
  320. map to a differential equation having the map as its PoincarΘ map. This is 
  321. called a suspension of the map. One can also do this procedure approximately 
  322. for maps that are close to the identity, giving a flow that approximates the 
  323. map to some order. This is extremely useful in bifurcation theory.
  324.  
  325. Note that any numerical solution procedure for a differential initial value 
  326. problem which uses discrete time steps in the approximation is effectively a 
  327. map. This is not a trivial observation; it helps explain for example why a 
  328. continuous-time system which should not exhibit chaos may have numerical 
  329. solutions which do--see [2.15].
  330.  
  331.  
  332. [2.8] What is an attractor?
  333.  
  334. Informally an attractor is simply a state into which a system settles (thus 
  335. dissipation is needed). Thus in the long term, a dissipative dynamical system 
  336. may settle into an attractor.
  337.    Interestingly enough, there is still some controversy in the mathematics 
  338. community as to an appropriate definition of this term. Most people adopt the 
  339. definition
  340. Attractor: A set in the phase space that has a neighborhood in which every 
  341. point stays nearby and approaches the attractor as time goes to infinity.
  342. Thus imagine a ball rolling inside of a bowl. If we start the ball at a point 
  343. in the bowl with a velocity too small to reach the edge of the bowl, then 
  344. eventually the ball will settle down to the bottom of the bowl with zero 
  345. velocity: thus this equilibrium point is an attractor. The neighborhood of 
  346. points that eventually approach the attractor is the basin of attraction for 
  347. the attractor. In our example the basin is the set of all configurations 
  348. corresponding to the ball in the bowl, and for each such point all small 
  349. enough velocities (it is a set in the four dimensional phase space [2.4]).
  350.    Attractors can be simple, as the previous example. Another example of an 
  351. attractor is a limit cycle, which is a periodic orbit that is attracting 
  352. (limit cycles can also be repelling). More surprisingly, attractors can be 
  353. chaotic (see [2.9]) and/or strange (see [2.12]).
  354.    The boundary of a basin of attraction is often a very interesting object 
  355. since it distinguishes between different types of motion. Typically a basin 
  356. boundary is a saddle orbit, or such an orbit and its stable manifold. A crisis 
  357. is the change in an attractor when its basin boundary is destroyed.
  358.    An alternative definition of attractor is sometimes used because there 
  359. are systems that have sets that attract most, but not all, initial conditions 
  360. in their neighborhood (such phenomena is sometimes called riddling of the 
  361. basin). Thus, Milnor defines an attractor as a set for which a positive 
  362. measure (probability, if you like) of initial conditions in a neighborhood are 
  363. asymptotic to the set.
  364.  
  365.  
  366. [2.9] What is chaos?
  367.  
  368. It has been said that "Chaos is a name for any order that produces confusion 
  369. in our minds." (George Santayana, thanks to Fred Klingener for finding this). 
  370. However, the mathematical definition is, roughly speaking, 
  371. Chaos: effectively unpredictable long time behavior arising in a deterministic 
  372. dynamical system because of sensitivity to initial conditions.
  373. It must be emphasized that a deterministic dynamical system is perfectly 
  374. predictable given perfect knowledge of the initial condition, and is in 
  375. practice always predictable in the short term. The key to long-term 
  376. unpredictability is a property known as sensitivity to (or sensitive 
  377. dependence on) initial conditions.
  378.  
  379. For a dynamical system to be chaotic it must have a 'large' set of initial 
  380. conditions which are highly unstable. No matter how precisely you measure the 
  381. initial condition in these systems, your prediction of its subsequent motion 
  382. goes radically wrong after a short time. Typically (see [2.14] for one 
  383. definition of 'typical'), the predictability horizon grows only 
  384. logarithmically with the precision of measurement (for positive Lyapunov 
  385. exponents, see [2.11]). Thus for each increase in precision by a factor of 10, 
  386. say, you may only be able to predict two more time units (measured in units of 
  387. the Lyapunov time, i.e. the inverse of the Lyapunov exponent).
  388.  
  389. More precisely: A map f is chaotic on a compact invariant set S if
  390.    (i) f is transitive on S (there is a point x whose orbit is dense in S), and
  391.    (ii) f exhibits sensitive dependence on S (see [2.10]).
  392. To these two requirements #DevaneyDevaney adds the requirement that periodic 
  393. points are dense in S, but this doesn't seem to be really in the spirit of the 
  394. notion, and is probably better treated as a theorem (very difficult and very 
  395. important), and not part of the definition.
  396.  
  397. Usually we would like the set S to be a large set. It is too much to hope for 
  398. except in special examples that S be the entire phase space. If the dynamical 
  399. system is dissipative then we hope that S is an attractor (see [2.8]) with a 
  400. large basin. However, this need not be the case--we can have a chaotic saddle, 
  401. an orbit that has some unstable directions as well as stable directions.
  402.  
  403. As a consequence of long-term unpredictability, time series from chaotic 
  404. systems may appear irregular and disorderly. However, chaos is definitely not 
  405. (as the name might suggest) complete disorder; it is disorder in a 
  406. deterministic dynamical system, which is always predictable for short times.
  407.  
  408. The notion of chaos seems to conflict with that attributed to Laplace: given 
  409. precise knowledge of the initial conditions, it should be possible to predict 
  410. the future of the universe. However, Laplace's dictum is certainly true for 
  411. any deterministic system, recall [2.3]. The main consequence of chaotic motion 
  412. is that given imperfect knowledge, the predictability horizon in a 
  413. deterministic system is much shorter than one might expect, due to the 
  414. exponential growth of errors. The belief that small errors should have small 
  415. consequences was perhaps engendered by the success of Newton's mechanics 
  416. applied to planetary motions. Though these happen to be regular on human 
  417. historic time scales, they are chaotic on the 5 million year time scale (see 
  418. e.g. "Newton's Clock", by Ivars Peterson (1993 W.H. Freeman).
  419.  
  420.  
  421. [2.10] What is sensitive dependence on initial conditions?
  422.  
  423. Consider a boulder precariously perched on the top of an ideal hill. The 
  424. slightest push will cause the boulder to roll down one side of the hill or the 
  425. other: the subsequent behavior depends sensitively on the direction of the 
  426. push--and the push can be arbitrarily small.  Of course, it is of great 
  427. importance to you which direction the boulder will go if you are standing at 
  428. the bottom of the hill on one side or the other!
  429.  
  430. Sensitive dependence is the equivalent behavior for every initial condition--
  431. every point in the phase space is effectively perched on the top of a hill.
  432.  
  433. More precisely a set S exhibits sensitive dependence if there is an r such 
  434. that for any epsilon > 0 and for each x in S, there is a y such that |x - y| < 
  435. epsilon, and |x_n - y_n| > r for some n > 0. Then there is a fixed distance r 
  436. (say 1), such that no matter how precisely one specifies an initial state 
  437. there are nearby states that eventually get a distance r away.
  438.  
  439. Note: sensitive dependence does not require exponential growth of 
  440. perturbations (positive Lyapunov exponent), but this is typical (see [2.14]) 
  441. for chaotic systems. Note also that we most definitely do not require ALL 
  442. nearby initial points diverge--generically [2.14] this does not happen--some 
  443. nearby points may converge. (We may modify our hilltop analogy slightly and 
  444. say that every point in phase space acts like a high mountain pass.) Finally, 
  445. the words "initial conditions" are a bit misleading: a typical small 
  446. disturbance introduced at any time will grow similarly. Think of "initial" as 
  447. meaning "a time when a disturbance or error is introduced," not necessarily 
  448. time zero.
  449.  
  450.  
  451. [2.11] What are Lyapunov exponents?
  452. (Thanks to Ronnie Mainieri & Fred Klingener for contributing to this answer)
  453.  
  454. The hardest thing to get right about Lyapunov exponents is the spelling of 
  455. Lyapunov, which you will variously find as Liapunov, Lyapunof and even 
  456. Liapunoff. Of course Lyapunov is really spelled in the Cyrillic alphabet: 
  457. (Lambda)(backwards r)(pi)(Y)(H)(0)(B). Now that there is an ANSI standard of 
  458. transliteration for Cyrillic, we expect all references to converge on the 
  459. version Lyapunov.
  460.  
  461. Lyapunov was born in Russia in 6 June 1857. He was greatly influenced by 
  462. Chebyshev and was a student with Markov. He was also a passionate man: 
  463. Lyapunov shot himself the day his wife died. He died 3 Nov. 1918, three days 
  464. later. According to the request on a note he left, Lyapunov was buried with 
  465. his wife. [biographical data from a biography by A. T. Grigorian].
  466.  
  467. Lyapunov left us with more than just a simple note. He left a collection of 
  468. papers on the equilibrium shape of rotating liquids, on probability, and on 
  469. the stability of low-dimensional dynamical systems. It was from his 
  470. dissertation that the notion of Lyapunov exponent emerged. Lyapunov was 
  471. interested in showing how to discover if a solution to a dynamical system is 
  472. stable or not for all times. The usual method of studying stability, i.e. 
  473. linear stability, was not good enough, because if you waited long enough the 
  474. small errors due to linearization would pile up and make the approximation 
  475. invalid. Lyapunov developed concepts (now called Lyapunov Stability) to 
  476. overcome these difficulties.
  477.  
  478. Lyapunov exponents measure the rate at which nearby orbits converge or 
  479. diverge. There are as many Lyapunov exponents as there are dimensions in the 
  480. state space of the system, but the largest is usually the most important. 
  481. Roughly speaking the (maximal) Lyapunov exponent is the time constant, lambda, 
  482. in the expression for the distance between two nearby orbits, exp(lambda * 
  483. t).á If lambda is negative, then the orbits converge in time, and the 
  484. dynamical system is insensitive to initial conditions.á However, if lambda is 
  485. positive, then the distance between nearby orbits grows exponentially in time, 
  486. and the system exhibits sensitive dependence on initial conditions.
  487.  
  488. There are basically two ways to compute Lyapunov exponents. In one way one 
  489. chooses two nearby points, evolves them in time, measuring the growth rate of 
  490. the distance between them. This is useful when one has a time series, but has 
  491. the disadvantage that the growth rate is really not a local effect as the 
  492. points separate. A better way is to measure the growth rate of tangent vectors 
  493. to a given orbit.
  494.  
  495. More precisely, consider a map f in an m dimensional phase space, and its 
  496. derivative matrix Df(x). Let v be a tangent vector at the point x. Then we 
  497. define a function
  498.                               1          n
  499.         L(x,v)  =    lim     --- ln |( Df (x)v )|
  500.                    n -> oo    n
  501. Now the Multiplicative Ergodic Theorem of Oseledec states that this limit 
  502. exists for almost all points x and all tangent vectors v. There are at most m 
  503. distinct values of L as we let v range over the tangent space. These are the 
  504. Lyapunov exponents at x.
  505.  
  506. For more information on computing the exponents see
  507.  
  508.    Wolf, A., J. B. Swift, et al. (1985). "Determining Lyapunov Exponents from a 
  509. Time Series." Physica D 16: 285-317.
  510.    Eckmann, J.-P., S. O. Kamphorst, et al. (1986). "Liapunov exponents from 
  511. time series." Phys. Rev. A 34: 4971-4979.
  512.  
  513.  
  514. [2.12] What is a Strange Attractor?
  515.    Before Chaos (BC?), the only known attractors (see [2.8]) were fixed 
  516. points, periodic orbits (limit cycles), and invariant tori (quasiperiodic 
  517. orbits). In fact the famous PoincarΘ-Bendixson theorem states that for a pair 
  518. of first order differential equations,  only fixed points and limit cycles can 
  519. occur (there is no chaos in 2D flows). 
  520.    In a famous paper in 1963, Ed Lorenz discovered that simple systems of 
  521. three differential equations can have complicated attractors. The Lorenz 
  522. attractor (with its butterfly wings reminding us of sensitive dependence (see 
  523. [2.10])) is the "icon" of chaos 
  524. http://kong.apmaths.uwo.ca/~bfraser/version1/lorenzintro.html. Lorenz showed 
  525. that his attractor was chaotic, since it exhibited sensitive dependence. 
  526. Moreover, his attractor is also "strange," which means that it is a fractal 
  527. (see [3.2]).
  528.    The term strange attractor was introduced by Ruelle and Takens in 1970 
  529. in their discussion of a scenario for the onset of turbulence in fluid flow. 
  530. They noted that when periodic motion goes unstable (with three or more modes), 
  531. the typical (see [2.14]) result will be a geometrically strange object.
  532.    Unfortunately, the term strange attractor is often used for any chaotic 
  533. attractor. However, the term should be reserved for attractors that are 
  534. "geometrically" strange, e.g. fractal. One can have chaotic attractors that 
  535. are not strange (a trivial example would be to take a system like the cat map, 
  536. which has the whole plane as a chaotic set, and add a third dimension which is 
  537. simply contracting onto the plane). There are also strange, nonchaotic 
  538. attractors (see Grebogi, C., et al. (1984). "Strange Attractors that are not 
  539. Chaotic." Physica D 13: 261-268).
  540.  
  541.  
  542. [2.13] Can computers simulate chaos?
  543.  
  544. Strictly speaking, chaos cannot occur on computers because they deal with 
  545. finite sets of numbers. Thus the initial condition is always precisely known, 
  546. and computer experiments are perfectly predictable, in principle. In 
  547. particular because of the finite size, every trajectory computed will 
  548. eventually have to repeat (an thus be eventually periodic). On the other hand, 
  549. computers can effectively simulate chaotic behavior for quite long times (just 
  550. so long as the discreteness is not noticeable). In particular if one uses 
  551. floating point numbers in double precision to iterate a map on the unit 
  552. square, then there are about 10^28 different points in the phase space, and 
  553. one would expect the "typical" chaotic orbit to have a period of about 10^14 
  554. (this square root of the number of points estimate is given by Rannou for 
  555. random diffeomorphisms and does not really apply to floating point operations, 
  556. but nonetheless the period should be a big number). See, e.g.,
  557.  
  558.    Earn, D. J. D. and S. Tremaine, "Exact Numerical Studies of Hamiltonian 
  559. Maps: Iterating without Roundoff Error," Physica D 56, 1-22 (1992). 
  560.    Binder, P. M. and R. V. Jensen, "Simulating Chaotic Behavior with Finite 
  561. State Machines," Phys. Rev. 34A, 4460-3 (1986).
  562.    Rannou, F., "Numerical Study of Discrete Plane Area-Preserving Mappings," 
  563. Astron. and Astrophys. 31, 289-301 (1974).
  564.  
  565.  
  566. [2.14] What is generic?
  567. (Thanks to Hawley Rising for contributing to this answer)
  568.  
  569. Generic in dynamical systems is intended to convey "usual" or, more properly, 
  570. "observable". Roughly speaking, a property is generic over a class if any 
  571. system in the class can be modified ever so slightly (perturbed), into one 
  572. with that property.
  573.  
  574. The formal definition is done in the language of topology: Consider the class 
  575. to be a space of systems, and suppose it has a topology (some notion of a 
  576. neighborhood, or an open set). A subset of this space is dense if its closure 
  577. (the subset plus the limits of all sequences in the subset) is the whole 
  578. space. It is open and dense if it is also an open set (union of 
  579. neighborhoods). A set is countable if it can be put into 1-1 correspondence 
  580. with the counting numbers. A countable intersection of open dense sets is the 
  581. intersection of a countable number of open dense sets. If all such 
  582. intersections in a space are also dense, then the space is called a Baire 
  583. space, which basically means it is big enough. If we have such a Baire space 
  584. of dynamical systems, and there is a property which is true on a countable 
  585. intersection of open dense sets, then that property is generic.
  586.  
  587. If all this sounds too complicated, think of it as a precise way of defining a 
  588. set which is near every system in the collection (dense), which isn't too big 
  589. (need not have any "regions" where the property is true for every system). 
  590. Generic is much weaker than "almost everywhere" (occurs with probability 1), 
  591. in fact, it is possible to have generic properties which occur with 
  592. probability zero. But it is as strong a property as one can define 
  593. topologically, without having to have a property hold true in a region, or 
  594. talking about measure (probability), which isn't a topological property (a 
  595. property preserved by a continuous function).
  596.  
  597.  
  598. [2.15] What is the minimum phase space dimension for chaos?
  599.  
  600. This is a slightly confusing topic, since the answer depends on the type of 
  601. system considered. First consider a flow (or system of differential 
  602. equations). In this case the PoincarΘ-Bendixson theorem tells us that there is 
  603. no chaos in one or two-dimensional phase spaces. Chaos is possible in three-
  604. dimensional flows--standard examples such as the Lorenz equations are indeed 
  605. three-dimensional, and there are mathematical 3D flows that are provably 
  606. chaotic (e.g. the 'solenoid').
  607.  
  608. Note: if the flow is non-autonomous then time is a phase space coordinate, so 
  609. a system with two physical variables + time becomes three-dimensional, and 
  610. chaos is possible (i.e. Forced second-order oscillators do exhibit chaos.)
  611.  
  612. For maps, it is possible to have chaos in one dimension, but only if the map 
  613. is not invertible. A prominent example is the Logistic map
  614.                     x' = f(x) = rx(1-x).
  615. This is provably chaotic for r = 4, and many other values of r as well (see 
  616. e.g. #DevaneyDevaney). Note that every point x < f(1/2) has two preimages, so 
  617. this map is not invertible.
  618.  
  619. For homeomorphisms, we must have at least two-dimensional phase space for 
  620. chaos. This is equivalent to the flow result, since a three-dimensional flow 
  621. gives rise to a two-dimensional homeomorphism by PoincarΘ section (see [2.7]).
  622.  
  623. Note that a numerical algorithm for a differential equation is a map, because 
  624. time on the computer is necessarily discrete. Thus numerical solutions of two 
  625. and even one dimensional systems of ordinary differential equations may 
  626. exhibit chaos. Usually this results from choosing the size of the time step 
  627. too large. For example Euler discretization of the Logistic differential 
  628. equation, dx/dt = rx(1-x), is equivalent to the logistic map. See e.g. S. 
  629. Ushiki, "Central difference scheme and chaos," Physica 4D (1982) 407-424.
  630.  
  631.  
  632.  
  633. [3]   Applications and Advanced Theory
  634. [3.1] What are complex systems?
  635. (Thanks to Troy Shinbrot for contributing to this answer)
  636.  
  637. Complex systems are spatially and/or temporally extended nonlinear systems 
  638. characterized by collective properties associated with the system as a whole--
  639. and that are different from the characteristic behaviors of the constituent 
  640. parts.
  641.  
  642. While, chaos is the study of how simple systems can generate complicated 
  643. behavior, complexity is the study of how complicated systems can generate 
  644. simple behavior. An example of complexity is the synchronization of biological 
  645. systems ranging from fireflies to neurons (e.g. Matthews, PC, Mirollo, RE & 
  646. Strogatz, SH "Dynamics of a large system of coupled nonlinear oscillators," 
  647. Physica 52D (1991) 293-331). In these problems, many individual systems 
  648. conspire to produce a single collective rhythm.
  649.  
  650. The notion of complex systems has received lots of popular press, but it is 
  651. not really clear as of yet if there is a "theory" about a "concept". We are 
  652. withholding judgment. See
  653.  
  654.    http://www.calresco.org/index.htm The Complexity & Artificial Life Web Site 
  655.    http://www.calresco.org/sos/sosfaq.htm The self-organized systems FAQ
  656.  
  657.  
  658. [3.2] What are fractals?
  659.  
  660. One way to define "fractal" is as a negation: a fractal is a set that does not 
  661. look like a Euclidean object (point, line, plane, etc.) no matter how closely 
  662. you look at it. Imagine focusing in on a smooth curve (imagine a piece of 
  663. string in space)--if you look at any piece of it closely enough it eventually 
  664. looks like a straight line (ignoring the fact that for a real piece of string 
  665. it will soon look like a cylinder and eventually you will see the fibers, then 
  666. the atoms, etc.). A fractal, like the Koch Snowflake, which is topologically 
  667. one dimensional, never looks like a straight line, no matter how closely you 
  668. look. There are indentations, like bays in a coastline; look closer and the 
  669. bays have inlets, closer still the inlets have subinlets, and so on. Simple 
  670. examples of fractals include Cantor sets (see [3.5], Sierpinski curves, the 
  671. Mandelbrot set  and (almost surely) the Lorenz attractor (see [2.12]). 
  672. Fractals also approximately describe many real-world objects, such as clouds 
  673. (see http://makeashorterlink.com/?Z50D42C16)  mountains, turbulence, 
  674. coastlines, roots and branches of trees and veins and lungs of animals.
  675.  
  676. "Fractal" is a term which has undergone refinement of definition by a lot of 
  677. people, but was first coined by B. Mandelbrot, 
  678. http://physics.hallym.ac.kr/reference/physicist/Mandelbrot.html,  and defined 
  679. as a set with fractional (non-integer) dimension (Hausdorff dimension, see 
  680. [3.4]). Mandelbrot defines a fractal in the following way:
  681.  
  682.     A geometric figure or natural object is said to be fractal if it
  683.     combines the following characteristics: (a) its parts have the same
  684.     form or structure as the whole, except that they are at a different
  685.     scale and may be slightly deformed; (b) its form is extremely irregular,
  686.     or extremely interrupted or fragmented, and remains so, whatever the scale
  687.     of examination; (c) it contains "distinct elements" whose scales are very
  688.     varied and cover a large range." (Les Objets Fractales 1989, p.154) 
  689.  
  690. See the extensive FAQ from sci.fractals at
  691.    <ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/fractal-faq
  692.  
  693.  
  694. [3.3] What do fractals have to do with chaos?
  695.  
  696. Often chaotic dynamical systems exhibit fractal structures in phase space. 
  697. However, there is no direct relation. There are chaotic systems that have 
  698. nonfractal limit sets (e.g. Arnold's cat map) and fractal structures that can 
  699. arise in nonchaotic dynamics (see e.g. Grebogi, C., et al. (1984). "Strange 
  700. Attractors that are not Chaotic." Physica 13D: 261-268.)
  701.  
  702.  
  703. [3.4] What are topological and fractal dimension?
  704.  
  705. See the fractal FAQ:
  706.    ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/fractal-faq
  707. or the site
  708.    http://pro.wanadoo.fr/quatuor/mathematics.htm
  709.  
  710.  
  711. [3.5] What is a Cantor set?
  712. (Thanks to Pavel Pokorny for contributing to this answer)
  713.  
  714. A Cantor set is a surprising set of points that is both infinite (uncountably 
  715. so, see [2.14]) and yet diffuse. It is a simple example of a fractal, and 
  716. occurs, for example as the strange repellor in the logistic map (see [2.15]) 
  717. when r>4. The standard example of a Cantor set is the "middle thirds" set 
  718. constructed on the interval between 0 and 1. First, remove the middle third. 
  719. Two intervals remain, each one of length one third. From each remaining 
  720. interval remove the middle third. Repeat the last step infinitely many times. 
  721. What remains is a Cantor set.
  722.  
  723. More generally (and abstrusely) a Cantor set is defined topologically as a 
  724. nonempty, compact set which is perfect (every point is a limit point) and 
  725. totally disconnected (every pair of points in the set are contained in 
  726. disjoint covering neighborhoods).
  727.  
  728. See also
  729.    http://www.shu.edu/html/teaching/math/reals/topo/defs/cantor.html
  730.    http://personal.bgsu.edu/~carother/cantor/Cantor1.html
  731.    http://mizar.uwb.edu.pl/JFM/Vol7/cantor_1.html
  732.  
  733. Georg Ferdinand Ludwig Philipp Cantor was born 3 March 1845 in St Petersburg, 
  734. Russia, and died 6 Jan 1918 in Halle, Germany. To learn more about him see:
  735.    http://turnbull.dcs.st-and.ac.uk/history/Mathematicians/Cantor.html
  736.    http://www.shu.edu/html/teaching/math/reals/history/cantor.html
  737.  
  738. To read more about the Cantor function (a function that is continuous, 
  739. differentiable, increasing, non-constant, with a derivative that is zero 
  740. everywhere except on a set with length zero) see
  741. http://www.shu.edu/projects/reals/cont/fp_cantr.html
  742.  
  743.  
  744. [3.6] What is quantum chaos?
  745. (Thanks to Leon Poon for contributing to this answer)
  746.  
  747.  According to the correspondence principle, there is a limit where classical 
  748. behavior as described by Hamilton's equations becomes similar, in some 
  749. suitable sense, to quantum behavior as described by the appropriate wave 
  750. equation. Formally, one can take this limit to be h -> 0, where h is Planck's 
  751. constant; alternatively, one can look at successively higher energy levels. 
  752. Such limits are referred to as "semiclassical". It has been found that the 
  753. semiclassical limit can be highly nontrivial when the classical problem is 
  754. chaotic. The study of how quantum systems, whose classical counterparts are 
  755. chaotic, behave in the semiclassical limit has been called quantum chaos. More 
  756. generally, these considerations also apply to elliptic partial differential 
  757. equations that are physically unrelated to quantum considerations. For 
  758. example, the same questions arise in relating classical waves to their 
  759. corresponding ray equations. Among recent results in quantum chaos is a 
  760. prediction relating the chaos in the classical problem to the statistics of 
  761. energy-level spacings in the semiclassical quantum regime.
  762.  
  763. Classical chaos can be used to analyze such ostensibly quantum systems as the 
  764. hydrogen atom, where classical predictions of microwave ionization thresholds 
  765. agree with experiments. See Koch, P. M. and K. A. H. van Leeuwen (1995). 
  766. "Importance of Resonances in Microwave Ionization of Excited Hydrogen Atoms." 
  767. Physics Reports 255: 289-403.
  768.  
  769. See also: 
  770.    http://sagar.physics.neu.edu/qchaos/qc.html Quantum Chaos
  771.    http://www.mpipks-dresden.mpg.de/~noeckel/microlasers.html  Microlaser 
  772. Cavities
  773.  
  774.  
  775.  
  776. [3.7] How do I know if my data are deterministic?
  777. (Thanks to Justin Lipton for contributing to this answer)
  778.  
  779. How can I tell if my data is deterministic? This is a very tricky problem. It 
  780. is difficult because in practice no time series consists of pure 'signal.' 
  781. There will always be some form of corrupting noise, even if it is present as 
  782. round-off or truncation error or as a result of finite arithmetic or 
  783. quantization. Thus any real time series, even if mostly deterministic, will be 
  784. a stochastic processes
  785.  
  786. All methods for distinguishing deterministic and stochastic processes rely on 
  787. the fact that a deterministic system will always evolve in the same way from a 
  788. given starting point. Thus given a time series that we are testing for 
  789. determinism we
  790.    (1) pick a test state
  791.    (2) search the time series for a similar or 'nearby' state and
  792.    (3) compare their respective time evolution.
  793.  
  794. Define the error as the difference between the time evolution of the 'test' 
  795. state and the time evolution of the nearby state. A deterministic system will 
  796. have an error that either remains small (stable, regular solution) or increase 
  797. exponentially with time (chaotic solution). A stochastic system will have a 
  798. randomly distributed error.
  799.  
  800. Essentially all measures of determinism taken from time series rely upon 
  801. finding the closest states to a given 'test' state (i.e., correlation 
  802. dimension, Lyapunov exponents, etc.). To define the state of a system one 
  803. typically relies on phase space embedding methods, see [3.14].
  804.  
  805. Typically one chooses an embedding dimension, and investigates the propagation 
  806. of the error between two nearby states. If the error looks random, one 
  807. increases the dimension. If you can increase the dimension to obtain a 
  808. deterministic looking error, then you are done. Though it may sound simple it 
  809. is not really! One complication is that as the dimension increases the search 
  810. for a nearby state requires a lot more computation time and a lot of data (the 
  811. amount of data required increases exponentially with embedding dimension) to 
  812. find a suitably close candidate. If the embedding dimension (number of 
  813. measures per state) is chosen too small (less than the 'true' value) 
  814. deterministic data can appear to be random but in theory there is no problem 
  815. choosing the dimension too large--the method will work. Practically, anything 
  816. approaching about 10 dimensions is considered so large that a stochastic 
  817. description is probably more suitable and convenient anyway.
  818.  
  819. See e.g.,
  820.    Sugihara, G. and R. M. May (1990). "Nonlinear Forecasting as a Way of 
  821.       Distinguishing Chaos from Measurement Error in Time Series." Nature 
  822. 344: 734-740.
  823.  
  824.  
  825. [3.8] What is the control of chaos?
  826.  
  827. Control of chaos has come to mean the two things:
  828.    stabilization of unstable periodic orbits,
  829.    use of recurrence to allow stabilization to be applied locally.
  830. Thus term "control of chaos" is somewhat of a misnomer--but the name has 
  831. stuck. The ideas for controlling chaos originated in the work of Hubler 
  832. followed by the Maryland Group.
  833.  
  834.    Hubler, A. W. (1989). "Adaptive Control of Chaotic Systems." Helv. Phys. 
  835. Acta 62: 343-346.
  836.    Ott, E., C. Grebogi, et al. (1990). "Controlling Chaos." Physical Review 
  837. Letters 64(11): 1196-1199. http://www-
  838. chaos.umd.edu/publications/abstracts.html#prl64.1196
  839.  
  840. The idea that chaotic systems can in fact be controlled may be 
  841. counterintuitive--after all they are unpredictable in the long term. 
  842. Nevertheless, numerous theorists have independently developed methods which 
  843. can be applied to chaotic systems, and many experimentalists have demonstrated 
  844. that physical chaotic systems respond well to both simple and sophisticated 
  845. control strategies. Applications have been proposed in such diverse areas of 
  846. research as communications, electronics, physiology, epidemiology, fluid 
  847. mechanics and chemistry.
  848.  
  849. The great bulk of this work has been restricted to low-dimensional systems; 
  850. more recently, a few researchers have proposed control techniques for 
  851. application to high- or infinite-dimensional systems. The literature on the 
  852. subject of the control of chaos is quite voluminous; nevertheless several 
  853. reviews of the literature are available, including:
  854.  
  855.    Shinbrot, T. Ott, E., Grebogi, C. & Yorke, J.A., "Using Small Perturbations 
  856. to Control Chaos," Nature, 363 (1993) 411-7.
  857.    Shinbrot, T., "Chaos: Unpredictable yet Controllable?" Nonlin. Sciences 
  858. Today, 3:2 (1993) 1-8.
  859.    Shinbrot, T., "Progress in the Control of Chaos," Advance in Physics (in 
  860. press).
  861.    Ditto, WL & Pecora, LM "Mastering Chaos," Scientific American (Aug. 1993), 
  862. 78-84.
  863.    Chen, G. & Dong, X, "From Chaos to Order -- Perspectives and Methodologies 
  864. in Controlling Chaotic Nonlinear Dynamical Systems," Int. J. Bif. & Chaos 3 
  865. (1993) 1363-1409.
  866.  
  867. It is generically quite difficult to control high dimensional systems; an 
  868. alternative approach is to use control to reduce the dimension before applying 
  869. one of the above techniques. This approach is in its infancy; see:
  870.  
  871.    Auerbach, D., Ott, E., Grebogi, C., and Yorke, J.A. "Controlling Chaos in
  872.    High Dimensional Systems," Phys. Rev. Lett. 69  (1992) 3479-82
  873.    http://www-chaos.umd.edu/publications/abstracts.html#prl69.3479
  874.  
  875.  
  876. [3.9] How can I build a chaotic circuit?
  877. (Thanks to Justin Lipton and Jose Korneluk for contributing to this answer)
  878.  
  879. There are many different physical systems which display chaos, dripping 
  880. faucets, water wheels, oscillating magnetic ribbons etc. but the most simple 
  881. systems which can be easily implemented are chaotic circuits. In fact an 
  882. electronic circuit was one of the first demonstrations of chaos which showed 
  883. that chaos is not just a mathematical abstraction. Leon Chua designed the 
  884. circuit 1983.
  885.  
  886. The circuit he designed, now known as Chua's circuit, consists of a piecewise 
  887. linear resistor as its nonlinearity (making analysis very easy) plus two 
  888. capacitors, one resistor and one inductor--the circuit is unforced 
  889. (autonomous). In fact the chaotic aspects (bifurcation values, Lyapunov 
  890. exponents, various dimensions etc.) of this circuit have been extensively 
  891. studied in the literature both experimentally and theoretically. It is 
  892. extremely easy to build and presents beautiful attractors (see [2.8]) (the 
  893. most famous known as the double scroll attractor) that can be displayed on a 
  894. CRO.
  895.  
  896. For more information on building such a circuit try: see
  897.  
  898.    http://www.cmp.caltech.edu/~mcc/chaos_new/Chua.html  Chua's Circuit  Applet
  899.  
  900. References
  901.    Matsumoto T. and Chua L.O. and Komuro M. "Birth and Death of the Double 
  902.       Scroll" Physica D24 97-124, 1987.
  903.    Kennedy M. P., "Robust OP Amp Realization of Chua's Circuit", Frequenz 
  904.       46, no. 3-4, 1992
  905.    Madan, R. A., Chua's Circuit: A paradigm for chaos, ed. R. A. Madan, 
  906.       Singapore: World Scientific, 1993.
  907.    Pecora, L. and Carroll, T. Nonlinear Dynamics in Circuits, Singapore: 
  908.       World Scientific, 1995.
  909.    Nonlinear Dynamics of Electronic Systems, Proceedings of the Workshop 
  910.       NDES 1993, A.C.Davies and W.Schwartz, eds., World Scientific, 1994, 
  911.       ISBN 981-02-1769-2.
  912.    Parker, T.S., and L.O.Chua, Practical Numerical Algorithms for Chaotic 
  913.       Systems, Springer-Verlag, 1989, ISBN's: 0-387-96689-7 
  914.       and 3-540-96689-7.
  915.  
  916.  
  917. [3.10] What are simple experiments to demonstrate chaos?
  918.  
  919.  There are many "chaos toys" on the market. Most consist of some sort of 
  920. pendulum that is forced by an electromagnet. One can of course build a simple 
  921. double pendulum to observe beautiful chaotic behavior see 
  922.    http://quasar.mathstat.uottawa.ca/~selinger/lagrange/doublependulum.html 
  923. Experimental Pendulum Designs
  924.    http://www.maths.tcd.ie/~plynch/SwingingSpring/doublependulum.html  Java 
  925. Applet
  926.    http://monet.physik.unibas.ch/~elmer/pendulum/ Java Applets Pendulum Lab
  927.  
  928. My favorite double pendulum consists of two identical planar pendula, so that 
  929. you can demonstrate sensitive dependence [2.10], for a Java applet simulation 
  930. see http://www.cs.mu.oz.au/~mkwan/pendulum/pendulum.html. Another cute toy is 
  931. the "Space Circle" that you can find in many airport gift shops. This is 
  932. discussed in the article:
  933.  
  934.    A. Wolf & T. Bessoir, Diagnosing Chaos in the Space Circle, Physica 50D, 
  935. 1991.
  936.  
  937. One of the simplest chemical systems that shows chaos is the Belousov-
  938. Zhabotinsky reaction. The book by Strogatz [4.1] has a good introduction to 
  939. this subject,. For the recipe see 
  940. http://www.ux.his.no/~ruoff/BZ_Phenomenology.html. Chemical chaos is modeled 
  941. (in a generic sense) by the "Brusselator" system of differential equations. 
  942. See
  943.  
  944.    Nicolis, Gregoire & Prigogine, (1989) Exploring Complexity: An 
  945.       Introduction W. H. Freeman
  946.  
  947. The Chaotic waterwheel, while not so simple to build, is an exact realization 
  948. of Lorenz famous equations. This is nicely discussed in Strogatz book [4.1] as 
  949. well.
  950.  
  951. Billiard tables can exhibit chaotic motion, see 
  952. http://www.maa.org/mathland/mathland_3_3.html, though it might be hard to see 
  953. this next time you are in a bar, since a rectangular table is not chaotic!
  954.  
  955.  
  956. [3.11] What is targeting?
  957. (Thanks to Serdar Iplikτi for contributing to this answer)
  958.  
  959. Targeting is the task of steering a chaotic system from any initial point to 
  960. the target, which can be either an unstable equilibrium point or an unstable 
  961. periodic orbit, in the shortest possible time, by applying relatively small 
  962. perturbations. In order to effectively control chaos, [3.8] a targeting 
  963. strategy is important. See:
  964.  
  965.    Kostelich, E., C. Grebogi, E. Ott, and J. A. Yorke, "Higher
  966.       Dimensional Targeting," Phys Rev. E,. 47, , 305-310 (1993).
  967.    Barreto, E., E. Kostelich, C. Grebogi, E. Ott, and J. A. Yorke, "Efficient
  968.       Switching Between Controlled Unstable Periodic Orbits in Higher
  969.       Dimensional Chaotic Systems," Phys Rev E, 51, 4169-4172 (1995).
  970.  
  971. One application of targeting is to control a spacecraft's trajectory so that 
  972. one can find low energy orbits from one planet to another. Recently targeting 
  973. techniques have been used in the design of trajectories to asteroids and even 
  974. of a grand tour of the planets. For example,
  975.  
  976.    E. Bollt and J. D. Meiss, "Targeting Chaotic Orbits to the Moon 
  977.       Through Recurrence," Phys. Lett. A  204, 373-378 (1995).
  978.    http://www.cds.caltech.edu/~marsden/software/spacecraft_orbits.html
  979.  
  980.  
  981.  [3.12] What is time series analysis?
  982. (Thanks to Jim Crutchfield for contributing to this answer)
  983.  
  984. This is the application of dynamical systems techniques to a data series, 
  985. usually obtained by "measuring" the value of a single observable as a function 
  986. of time. The major tool in a dynamicist's toolkit is "delay coordinate 
  987. embedding" which creates a phase space portrait from a single data series. It 
  988. seems remarkable at first, but one can reconstruct a picture equivalent 
  989. (topologically) to the full Lorenz attractor (see [2.12])in three-dimensional 
  990. space by measuring only one of its coordinates, say x(t), and plotting the 
  991. delay coordinates (x(t), x(t+h), x(t+2h)) for a fixed h.
  992.  
  993. It is important to emphasize that the idea of using derivatives or delay 
  994. coordinates in time series modeling is nothing new. It goes back at least to 
  995. the work of Yule, who in 1927 used an autoregressive (AR) model to make a 
  996. predictive model for the sunspot cycle. AR models are nothing more than delay 
  997. coordinates used with a linear model. Delays, derivatives, principal 
  998. components, and a variety of other methods of reconstruction have been widely 
  999. used in time series analysis since the early 50's, and are described in 
  1000. several hundred books. The new aspects raised by dynamical systems theory are 
  1001. (i) the implied geometric view of temporal behavior and (ii) the existence of 
  1002. "geometric invariants", such as dimension and Lyapunov exponents. The central 
  1003. question was not whether delay coordinates are useful for time series 
  1004. analysis, but rather whether reconstruction methods preserve the geometry and 
  1005. the geometric invariants of dynamical systems. (Packard, Crutchfield, Farmer & 
  1006. Shaw)
  1007.  
  1008.    G.U. Yule, Phil. Trans. R. Soc. London A 226 (1927) p. 267.
  1009.    N.H. Packard, J.P. Crutchfield, J.D. Farmer, and R.S. Shaw, "Geometry
  1010.       from a time series", Phys. Rev. Lett. 45, no. 9 (1980) 712.
  1011.    F. Takens, "Detecting strange attractors in fluid turbulence", in: Dynamical 
  1012.       Systems and Turbulence, eds. D. Rand and L.-S. Young 
  1013.       (Springer, Berlin, 1981)
  1014.    Abarbanel, H.D.I., Brown, R., Sidorowich, J.J., and Tsimring, L.Sh.T. 
  1015.       "The analysis of observed chaotic data in physical systems",  
  1016.       Rev. Modern Physics 65 (1993) 1331-1392.
  1017.    D. Kaplan and L. Glass (1995). Understanding Nonlinear Dynamics, 
  1018.       Springer-Verlag http://www.cnd.mcgill.ca/books_understanding.html
  1019.    E. Peters (1994) Fractal Market Analysis : Applying Chaos Theory to 
  1020.       Investment and Economics, Wiley
  1021.       http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471585246.html
  1022.  
  1023.  
  1024. [3.13] Is there chaos in the stock market?
  1025. (Thanks to Bruce Stewart for Contributions to this answer)
  1026.  
  1027. In order to address this question, we must first agree what we mean by chaos, 
  1028. see [2.9].
  1029.  
  1030. In dynamical systems theory, chaos means irregular fluctuations in a 
  1031. deterministic system (see [2.3] and [3.7]). This means the system behaves 
  1032. irregularly because of its own internal logic, not because of random forces 
  1033. acting from outside. Of course, if you define your dynamical system to be the 
  1034. socio-economic behavior of the entire planet, nothing acts randomly from 
  1035. outside (except perhaps the occasional meteor), so you have a dynamical 
  1036. system. But its dimension (number of state variables--see [2.4]) is vast, and 
  1037. there is no hope of exploiting the determinism. This is high-dimensional 
  1038. chaos, which might just as well be truly random behavior. In this sense, the 
  1039. stock market is chaotic, but who cares?
  1040.  
  1041. To be useful, economic chaos would have to involve some kind of collective 
  1042. behavior which can be fully described by a small number of variables. In the 
  1043. lingo, the system would have to be self-organizing, resulting in low- 
  1044. dimensional chaos. If this turns out to be true, then you can exploit the low- 
  1045. dimensional chaos to make short-term predictions. The problem is to identify 
  1046. the state variables which characterize the collective modes. Furthermore, 
  1047. having limited the number of state variables, many events now become external 
  1048. to the system, that is, the system is operating in a changing environment, 
  1049. which makes the problem of system identification very difficult.
  1050.  
  1051. If there were such collective modes of fluctuation, market players would 
  1052. probably know about them; economic theory says that if many people recognized 
  1053. these patterns, the actions they would take to exploit them would quickly 
  1054. nullify the patterns. Market participants would probably not need to know 
  1055. chaos theory for this to happen. Therefore if these patterns exist, they must 
  1056. be hard to recognize because they do not emerge clearly from the sea of noise 
  1057. caused by individual actions; or the patterns last only a very short time 
  1058. following some upset to the markets; or both.
  1059.  
  1060. A number of people and groups have tried to find these patterns. So far the 
  1061. published results are negative. There are also commercial ventures involving 
  1062. prominent researchers in the field of chaos; we have no idea how well they are 
  1063. succeeding, or indeed whether they are looking for low-dimensional chaos. In 
  1064. fact it seems unlikely that markets remain stationary long enough to identify 
  1065. a chaotic attractor (see [2.12]). If you know chaos theory and would like to 
  1066. devote yourself to the rhythms of market trading, you might find a trading 
  1067. firm which will give you a chance to try your ideas. But don't expect them to 
  1068. give you a share of any profits you may make for them :-) !
  1069.  
  1070. In short, anyone who tells you about the secrets of chaos in the stock market 
  1071. doesn't know anything useful, and anyone who knows will not tell. It's an 
  1072. interesting question, but you're unlikely to find the answer.
  1073.  
  1074. On the other hand, one might ask a more general question: is market behavior 
  1075. adequately described by linear models, or are there signs of nonlinearity in 
  1076. financial market data? Here the prospect is more favorable. Time series 
  1077. analysis (see [3.14]) has been applied these tests to financial data; the 
  1078. results often indicate that nonlinear structure is present. See e.g. the book 
  1079. by Brock, Hsieh, LeBaron, "Nonlinear Dynamics, Chaos, and Instability", MIT 
  1080. Press, 1991; and an update by B. LeBaron, "Chaos and nonlinear forecastability 
  1081. in economics and finance," Philosophical Transactions of the Royal Society, 
  1082. Series A, vol 348, Sept 1994, pp 397-404. This approach does not provide a 
  1083. formula for making money, but it is stimulating some rethinking of economic 
  1084. modeling. A book by Richard M. Goodwin, "Chaotic Economic Dynamics," Oxford 
  1085. UP, 1990, begins to explore the implications for business cycles.
  1086.  
  1087.  
  1088. [3.14] What are solitons?
  1089.  
  1090. The process of obtaining a solution of a linear (constant coefficient) 
  1091. differential equations is simplified by the Fourier transform (it converts 
  1092. such an equation to an algebraic equation, and we all know that algebra is 
  1093. easier than calculus!); is there a counterpart which similarly simplifies 
  1094. nonlinear equations? The answer is No. Nonlinear equations are qualitatively 
  1095. more complex than linear equations, and a procedure which gives the dynamics 
  1096. as simply as for linear equations must contain a mistake. There are, however, 
  1097. exceptions to any rule.
  1098.  
  1099. Certain nonlinear differential equations can be fully solved by, e.g., the 
  1100. "inverse scattering method." Examples are the Korteweg-de Vries, nonlinear 
  1101. Schrodinger, and sine-Gordon equations. In these cases the real space maps, in 
  1102. a rather abstract way, to an inverse space, which is comprised of continuous 
  1103. and discrete parts and evolves linearly in time. The continuous part typically 
  1104. corresponds to radiation and the discrete parts to stable solitary waves, i.e. 
  1105. pulses, which are called solitons. The linear evolution of the inverse space 
  1106. means that solitons will emerge virtually unaffected from interactions with 
  1107. anything, giving them great stability.
  1108.  
  1109. More broadly, there is a wide variety of systems which support stable solitary 
  1110. waves through a balance of dispersion and nonlinearity. Though these systems 
  1111. may not be integrable as above, in many cases they are close to systems which 
  1112. are, and the solitary waves may share many of the stability properties of true 
  1113. solitons, especially that of surviving interactions with other solitary waves 
  1114. (mostly) unscathed. It is widely accepted to call these solitary waves 
  1115. solitons, albeit with qualifications.
  1116.  
  1117. Why solitons? Solitons are simply a fundamental nonlinear wave phenomenon. 
  1118. Many very basic linear systems with the addition of the simplest possible or 
  1119. first order nonlinearity support solitons; this universality means that 
  1120. solitons will arise in many important physical situations. Optical fibers can 
  1121. support solitons, which because of their great stability are an ideal medium 
  1122. for transmitting information. In a few years long distance telephone 
  1123. communications will likely be carried via solitons.
  1124.  
  1125. The soliton literature is by now vast. Two books which contain clear 
  1126. discussions of solitons as well as references to original papers are
  1127.    A. C. Newell, Solitons in Mathematics and Physics, SIAM, Philadelphia,
  1128.       Penn. (1985)
  1129.    M.J. Ablowitz and P.A.Clarkson, Solitons, nonlinear evolution equations and 
  1130. inverse
  1131.       scattering, Cambridge (1991). 
  1132. http://www.cup.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521387302
  1133.    See  http://www.ma.hw.ac.uk/solitons/
  1134.  
  1135.  
  1136. [3.15] What is spatio-temporal chaos?
  1137.  
  1138.    Spatio-temporal chaos occurs when system of coupled dynamical systems 
  1139. gives rise to dynamical behavior that exhibits both spatial disorder (as in 
  1140. rapid decay of spatial correlations) and temporal disorder (as in nonzero 
  1141. Lyapunov exponents). This is an extremely active, and rather unsettled area of 
  1142. research. For an introduction see:
  1143.    Cross, M. C. and P. C. Hohenberg (1993). "Pattern Formation outside of
  1144.        Equilibrium."  Rev. Mod. Phys. 65: 851-1112.
  1145.    http://www.cmp.caltech.edu/~mcc/st_chaos.html Spatio-Temporal Chaos
  1146.  
  1147. An interesting application which exhibits pattern formation and spatio-
  1148. temporal chaos is to excitable media in biological or chemical systems. See
  1149.  
  1150.    Chaos, Solitions and Fractals 5 #3&4 (1995) Nonlinear Phenomena in Excitable 
  1151.       Physiological System,  http://www.elsevier.nl/locate/chaos
  1152.    http://ojps.aip.org/journal_cgi/dbt?KEY=CHAOEH&Volume=8&Issue=1 
  1153.       Chaos focus issue on Fibrillation
  1154.  
  1155.  
  1156. [3.16] What are cellular automata?
  1157. (Thanks to Pavel Pokorny for Contributions to this answer)
  1158.  
  1159.    A Cellular automaton (CA) is a dynamical system with discrete time (like 
  1160. a map, see [2.6]), discrete state space and discrete geometrical space (like 
  1161. an ODE), see [2.7]). Thus they can be represented by a state s(i,j) for 
  1162. spatial state i, at time j, where s is taken from some finite set. The update 
  1163. rule is that the new state is some function of the old states, s(i,j+1) = 
  1164. f(s). The following table shows the distinctions between PDE's, ODE's, coupled 
  1165. map lattices (CML) and CA in taking time, state space or geometrical space 
  1166. either continuous (C) of discrete (D):
  1167.         time   state space    geometrical space
  1168.  PDE      C          C              C
  1169.  ODE      C          C              D
  1170.  CML      D          C              D
  1171.  CA       D          D              D
  1172.  
  1173.    Perhaps the most famous CA is Conway's game "life." This CA evolves 
  1174. according to a deterministic rule which gives the state of a site in the next 
  1175. generation as a function of the states of neighboring sites in the present 
  1176. generation. This rule is applied to all sites.
  1177.  
  1178. For further reading see
  1179.  
  1180.    S. Wolfram (1986) Theory and Application of Cellular Automata, World 
  1181. Scientific Singapore.
  1182.    Physica 10D (1984)--the entire volume
  1183.  
  1184. Some programs that do CA, as well as more generally "artificial life" are 
  1185. available at 
  1186.    http://www.alife.org/links.html
  1187.    http://www.kasprzyk.demon.co.uk/www/ALHome.html
  1188.  
  1189.  
  1190. [3.17] What is a Bifurcation?
  1191. (Thanks to Zhen Mei for Contributions to this answer)
  1192.  
  1193. A bifurcation is a qualitative change in dynamics upon a small variation in 
  1194. the parameters of a system.
  1195.  
  1196. Many dynamical systems depend on parameters, e.g. Reynolds number, catalyst 
  1197. density, temperature, etc. Normally a gradually variation of a parameter in 
  1198. the system corresponds to the gradual variation of the solutions of the 
  1199. problem. However, there exists a large number of problems for which the number 
  1200. of solutions changes abruptly and the structure of solution manifolds varies 
  1201. dramatically when a parameter passes through some critical values. For 
  1202. example, the abrupt buckling of a stab when the stress is increased beyond a 
  1203. critical value, the onset of convection and turbulence when the flow 
  1204. parameters are changed, the formation of patterns in certain PDE's, etc. This 
  1205. kind of phenomena is called bifurcation, i.e. a qualitative change in the 
  1206. behavior of solutions of a dynamics system, a partial differential equation or 
  1207. a delay differential equation.
  1208.  
  1209. Bifurcation theory is a method for studying how solutions of a nonlinear 
  1210. problem and their stability change as the parameters varies. The onset of 
  1211. chaos is often studied by bifurcation theory. For example, in certain 
  1212. parameterized families of one dimensional maps, chaos occurs by infinitely 
  1213. many period doubling bifurcations
  1214.    (See http://www.stud.ntnu.no/~berland/math/feigenbaum/)
  1215.  
  1216. There are a number of well constructed computer tools for studying 
  1217. bifurcations. In particular see [5.2] for AUTO and DStool.
  1218.  
  1219.  
  1220. [3.18] What is a Hamiltonian Chaos?
  1221.  
  1222. The transition to chaos for a Hamiltonian (conservative) system is somewhat 
  1223. different than that for a dissipative system (recall [2.5]). In an integrable 
  1224. (nonchaotic) Hamiltonian system, the motion is "quasiperiodic", that is motion 
  1225. that is oscillatory, but involves more than one independent frequency (see 
  1226. also [2.12]). Geometrically the orbits move on tori, i.e. the mathematical 
  1227. generalization of a donut. Examples of integrable Hamiltonian systems include 
  1228. harmonic oscillators (simple mass on a spring, or systems of coupled linear 
  1229. springs), the pendulum, certain special tops (for example the Euler and 
  1230. Lagrange tops), and the Kepler motion of one planet around the sun. 
  1231.  
  1232. It was expected that a typical perturbation of an integrable Hamiltonian 
  1233. system would lead to "ergodic" motion, a weak version of chaos in which all of 
  1234. phase space is covered, but the Lyapunov exponents [2.11] are not necessarily 
  1235. positive. That this was not true was rather surprisingly discovered by one of 
  1236. the first computer experiments in dynamics, that of Fermi, Pasta and Ulam. 
  1237. They showed that trajectories in nonintegrable system may also be surprisingly 
  1238. stable. Mathematically this was shown to be the case by the celebrated theorem 
  1239. of Kolmogorov Arnold and Moser (KAM), first proposed by Kolmogorov in 1954. 
  1240. The KAM theorem is rather technical, but in essence says that many of the 
  1241. quasiperiodic motions are preserved under perturbations. These orbits fill out 
  1242. what are called KAM tori.
  1243.  
  1244. An amazing extension of this result was started with the work of John Greene 
  1245. in 1968. He showed that if one continues to perturb a KAM torus, it reaches a 
  1246. stage where the nearby phase space [2.4] becomes self-similar (has fractal 
  1247. structure [3.2]). At this point the torus is "critical," and any increase in 
  1248. the perturbation destroys it. In a remarkable sequence of papers, Aubry and 
  1249. Mather showed that there are still quasiperiodic orbits that exist beyond this 
  1250. point, but instead of tori they cover cantor sets [3.5]. Percival actually 
  1251. discovered these for an example in 1979 and named them "cantori." 
  1252. Mathematicians tend to call them "Aubry-Mather" sets. These play an important 
  1253. role in limiting the rate of transport through chaotic regions.
  1254.  
  1255. Thus, the transition to chaos in Hamiltonian systems can be thought of as the 
  1256. destruction of invariant tori, and the creation of cantori. Chirikov was the 
  1257. first to realize that this transition to "global chaos" was an important 
  1258. physical phenomena. Local chaos also occurs in Hamiltonian systems (in the 
  1259. regions between the KAM tori), and is caused by the intersection of stable and 
  1260. unstable manifolds in what PoincarΘ called the "homoclinic trellis."
  1261.  
  1262. To learn more: See the introductory article by Berry, the text by Percival and 
  1263. Richards and the collection of articles on Hamiltonian systems by MacKay and 
  1264. Meiss [4.1]. There are a number of excellent advanced texts on Hamiltonian 
  1265. dynamics, some of which are listed in [4.1], but we also mention
  1266.  
  1267.    Meyer, K. R. and G. R. Hall (1992), Introduction to Hamiltonian dynamical 
  1268. systems and the N-body problem  (New York, Springer-Verlag).
  1269.  
  1270.  
  1271.  
  1272. [4]   To Learn More
  1273. [4.1] What should I read to learn more?
  1274.    Popularizations
  1275. 1  Gleick, J. (1987). Chaos, the Making of a New Science. 
  1276.       London, Heinemann. http://www.around.com/chaos.html
  1277. 2  Stewart, I. (1989). Does God Play Dice? Cambridge, Blackwell.
  1278.       http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/1557861064
  1279. 3  Devaney, R. L. (1990). Chaos, Fractals, and Dynamics: Computer 
  1280.       Experiments in Mathematics. Menlo Park, Addison-Wesley
  1281.       http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/1878310097
  1282. 4  Lorenz, E., (1994) The Essence of Chaos, Univ. of Washington Press.
  1283.       http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/0295975148
  1284. 5  Schroeder, M. (1991) Fractals, Chaos, Power: Minutes from an infinite paradise
  1285.       W. H. Freeman New York: 
  1286.    Introductory Texts
  1287. 1  Abraham, R. H. and C. D. Shaw (1992) Dynamics: The Geometry of 
  1288.       Behavior, 2nd ed. Redwood City, Addison-Wesley.
  1289. 2  Baker, G. L. and J. P. Gollub (1990). Chaotic Dynamics. 
  1290.       Cambridge, Cambridge Univ. Press. 
  1291.       http://www.cup.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521471060
  1292. 3  DevaneyDevaney, R. L. (1986). An Introduction to Chaotic Dynamical 
  1293.       Systems. Menlo Park, Benjamin/Cummings.
  1294.       http://math.bu.edu/people/bob/books.html
  1295. 4  Kaplan, D. and L. Glass (1995). Understanding Nonlinear Dynamics, 
  1296.       Springer-Verlag New York.  http://www.cnd.mcgill.ca/books_understanding.html
  1297. 5  Glendinning, P. (1994). Stability, Instability and Chaos. 
  1298.       Cambridge, Cambridge Univ Press. 
  1299.        http://www.cup.org/Titles/415/0521415535.html 
  1300. 6  Jurgens, H., H.-O. Peitgen, et al. (1993). Chaos and Fractals: New 
  1301.       Frontiers of Science. New York, Springer Verlag.
  1302.       http://www.springer-ny.com/detail.tpl?isbn=0387979034
  1303. 7  Moon, F. C. (1992). Chaotic and Fractal Dynamics. New York, John Wiley. 
  1304.       http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471545716.html 
  1305. 8  Percival, I. C. and D. Richard (1982). Introduction to Dynamics. Cambridge, 
  1306.       Cambridge Univ. Press. 
  1307.       http://www.cup.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521281490 
  1308. 9  Scott, A. (1999). NONLINEAR SCIENCE: Emergence and Dynamics of 
  1309.       Coherent Structures, Oxford http://www4.oup.co.uk/isbn/0-19-850107-2
  1310.       http://www.imm.dtu.dk/documents/users/acs/BOOK1.html 
  1311. 10 Smith, P (1998) Explaining Chaos, Cambridge 
  1312.        http://us.cambridge.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521477476
  1313. 11 Strogatz, S. (1994). Nonlinear Dynamics and Chaos. Reading, 
  1314.       Addison-Wesley
  1315.       http://www.perseusbooksgroup.com/perseus-cgi-bin/display/0-7382-0453-6
  1316. 12 Thompson, J. M. T. and H. B. Stewart (1986) Nonlinear Dynamics and 
  1317.       Chaos. Chichester, John Wiley and Sons.
  1318.       http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471876844.html
  1319. 13 Tufillaro, N., T. Abbott, et al. (1992). An Experimental Approach 
  1320.       to Nonlinear Dynamics and Chaos. Redwood City, Addison-Wesley. 
  1321.       http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/0201554410/
  1322. 14 Turcotte, Donald L. (1992). Fractals and Chaos in Geology and 
  1323.       Geophysics, Cambridge Univ. Press. 
  1324.       http://www.cup.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521567335 
  1325.  
  1326.    Introductory Articles
  1327. 1  May, R. M. (1986). "When Two and Two Do Not Make Four." 
  1328.       Proc. Royal Soc. B228: 241.
  1329. 2  Berry, M. V. (1981). "Regularity and Chaos in Classical Mechanics, 
  1330.       Illustrated by Three Deformations of a Circular Billiard." 
  1331.       Eur. J. Phys. 2: 91-102.
  1332. 3  Crawford, J. D. (1991). "Introduction to Bifurcation Theory." 
  1333.       Reviews of Modern Physics 63(4): 991-1038.
  1334. 3  Shinbrot, T., C. Grebogi, et al. (1992). "Chaos in a Double Pendulum." 
  1335.       Am. J. Phys 60: 491-499.
  1336. 5  David Ruelle. (1980). "Strange Attractors," 
  1337.       The Mathematical Intelligencer 2:  126-37.
  1338.  
  1339.    Advanced Texts
  1340. 1  Arnold, V. I. (1978). Mathematical Methods of Classical Mechanics.
  1341.      New York, Springer.
  1342.         http://www.springer-ny.com/detail.tpl?isbn=038796890
  1343. 2  Arrowsmith, D. K. and C. M. Place (1990),  An Introduction to Dynamical Systems.
  1344.       Cambridge, Cambridge University Press.
  1345.       http://us.cambridge.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521316502
  1346. 3  Guckenheimer, J. and P. Holmes (1983), Nonlinear Oscillations, Dynamical
  1347.       Systems, and Bifurcation of Vector Fields, Springer-Verlag New York.
  1348. 4  Kantz, H., and T. Schreiber (1997). Nonlinear time series analysis.
  1349.       Cambridge, Cambridge University Press
  1350.       http://www.mpipks-dresden.mpg.de/~schreibe/myrefs/book.html
  1351. 5  Katok, A. and B. Hasselblatt (1995), Introduction to the Modern
  1352.       Theory of Dynamical Systems, Cambridge, Cambridge Univ. Press.
  1353.        http://titles.cambridge.org/catalogue.asp?isbn=0521575575 
  1354. 6  Hilborn, R. (1994), Chaos and Nonlinear Dyanamics: an Introduction for
  1355.       Scientists and Engineers, Oxford Univesity Press.
  1356.        http://www4.oup.co.uk/isbn/0-19-850723-2
  1357. 7  Lichtenberg, A.J. and M. A. Lieberman (1983), Regular and Chaotic Motion, 
  1358.       Springer-Verlag, New York .
  1359. 8  Lind, D. and Marcus, B.  (1995) An Introduction to Symbolic Dynamics and 
  1360.        Coding, Cambridge University Press, Cambridge 
  1361.        http://www.math.washington.edu/SymbolicDynamics/
  1362. 9  MacKay, R.S and  J.D. Meiss  (eds) (1987), Hamiltonian Dynamical Systems 
  1363.       A reprint selection, , Adam Hilger, Bristol
  1364. 10 Nayfeh, A.H.  and B. Balachandran (1995), Applied Nonlinear Dynamics:
  1365.       Analytical, Computational and Experimental Methods
  1366.       John Wiley& Sons Inc., New York
  1367.       http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471593486.html
  1368. 11 Ott, E. (1993). Chaos in Dynamical Systems. Cambridge University Press, 
  1369.       Cambridge. http://us.cambridge.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521010845
  1370. 12 L.E. Reichl, (1992), The Transition to Chaos, in Conservative and 
  1371.       Classical Systems: Quantum Manifestations  Springer-Verlag, New York
  1372. 13 Robinson, C. (1999), Dynamical Systems: Stability, Symbolic
  1373.       Dynamics, and Chaos, 2nd Edition, Boca Raton, CRC Press. 
  1374.       http://www.crcpress.com/shopping_cart/products/product_detail.asp?sku=8495
  1375. 14 Ruelle, D. (1989), Elements of Differentiable Dynamics and Bifurcation 
  1376.     Theory, Academic Press Inc.
  1377. 15 Tabor, M. (1989), Chaos and Integrability in Nonlinear Dynamics:
  1378.       an Introduction, Wiley, New York.
  1379.       http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471827282.html
  1380. 16 Wiggins, S. (1990), Introduction to Applied Nonlinear Dynamical Systems 
  1381. and Chaos, Springer-Verlag New York.
  1382. 17 Wiggins, S. (1988), Global Bifurcations and Chaos, Springer-Verlag New 
  1383. York.
  1384.  
  1385.  
  1386.  
  1387. [4.2] What technical journals have nonlinear science articles?
  1388.  
  1389. Physica D                    The premier journal in Applied Nonlinear Dynamics
  1390. Nonlinearity                 Good mix, with a mathematical bias
  1391. Chaos                        AIP Journal, with a good physical bent
  1392. SIAM J. of Dynamical Systems Online Journal with multimedia
  1393.                               http://www.siam.org/journals/siads/siads.htm
  1394. Chaos Solitons and Fractals  Low quality, some good applications
  1395. Communications in Math Phys  an occasional paper on dynamics
  1396. Comm. in Nonlinear Sci.      New Elsevier journal
  1397.      and Num. Sim.              http://www.elsevier.com/locate/cnsns
  1398. Ergodic Theory and           Rigorous mathematics, and careful work
  1399.       Dynamical Systems
  1400. International J of           lots of color pictures, variable quality.
  1401.     Bifurcation and Chaos
  1402. J Differential Equations     A premier journal, but very mathematical
  1403. J Dynamics and Diff. Eq.     Good, more focused version of the above
  1404. J Dynamics and Stability     Focused on Eng. applications. New editorial
  1405.       of Systems              board--stay tuned.
  1406. J Fluid Mechanics            Some expt. papers, e.g. transition to turbulence
  1407. J Nonlinear Science          a newer journal--haven't read enough yet.
  1408. J Statistical Physics        Used to contain seminal dynamical systems papers
  1409. Nonlinear Dynamics           Haven't read enough to form an opinion
  1410. Nonlinear Science Today      Weekly News: http://www.springer-ny.com/nst/
  1411. Nonlinear Processes in       New, variable quality...may be improving
  1412.     Geophysics
  1413. Physics Letters A            Has a good nonlinear science section
  1414. Physical Review E            Lots of Physics articles with nonlinear emphasis
  1415. Regular and Chaotic Dynamics Russian Journal http://web.uni.udm.ru/~rcd/
  1416.  
  1417.  
  1418.  
  1419. [4.3] What are net sites for nonlinear science materials?
  1420.  
  1421.    Bibliography
  1422.    http://www.uni-mainz.de/FB/Physik/Chaos/chaosbib.html Mainz http site
  1423.    ftp://ftp.uni-mainz.de/pub/chaos/chaosbib/ Mainz ftp site
  1424.    http://www-chaos.umd.edu/publications/searchbib.html Seach the Mainz Site
  1425.    http://www-chaos.umd.edu/publications/references.html Maryland
  1426.    http://www.cpm.mmu.ac.uk/~bruce/combib/  Complexity Bibliography
  1427.    http://www.mth.uea.ac.uk/~h720/research/ Ergodic Theory and Dynamical Systems
  1428.    http://www.drchaos.net/drchaos/intro.html Nonlinear Dynamics Resources (pdf file)
  1429.    http://www.nonlin.tu-muenchen.de/chaos/Projects/miguelbib Sanjuan's Bibliography
  1430.  
  1431.    Preprint Archives
  1432.    http://www.math.sunysb.edu/dynamics/preprints/  StonyBrook
  1433.    http://cnls.lanl.gov/People/nbt/intro.html Los Alamos Preprint Server
  1434.    http://xxx.lanl.gov/  Nonlinear Science Eprint Server
  1435.    http://www.ma.utexas.edu/mp_arc/mp_arc-home.html   Math-Physics Archive
  1436.    http://www.ams.org/global-preprints/ AMS Preprint Servers List
  1437.  
  1438.    Conference Announcements
  1439.    http://at.yorku.ca/amca/conferen.htm Mathematics Conference List
  1440.    http://www.math.sunysb.edu/dynamics/conferences/conferences.html 
  1441.    
  1442.    StonyBrook List
  1443.    http://www.nonlin.tu-muenchen.de/chaos/termine.html Munich List
  1444.    http://xxx.lanl.gov/Announce/Conference/ Los Alamos List
  1445.    http://www.tam.uiuc.edu/Events/conferences.html Theoretical & Applied Mechanics
  1446.    http://www.siam.org/meetings/ds99/index.htm SIAM Dynamical Systems 1999 
  1447.  
  1448.    Newsletters
  1449.    gopher://gopher.siam.org:70/11/siag/ds   SIAM Dynamical Systems Group
  1450.    http://www.amsta.leeds.ac.uk/Applied/news.dir/  UK Nonlinear News
  1451.  
  1452.    Education Sites
  1453.    http://math.bu.edu/DYSYS/  Devaney's Dynamical Systems Project
  1454.  
  1455.    Electronic Journals
  1456.    http://www.springer-ny.com/nst/   Nonlinear Science Today
  1457.    http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/jtoc?ID=38804 Complexity
  1458.    http://journal-ci.csse.monash.edu.au/  Complexity International Journal
  1459.  
  1460.    Electronic Texts
  1461.    http://cnls.lanl.gov/People/nbt//Book/node1.html An experimental approach 
  1462.             to nonlinear dynamics and chaos
  1463.    http://www.nbi.dk/~predrag/QCcourse/  Lecture Notes on Periodic Orbits
  1464.    http://hypertextbook.com/chaos/ The Chaos HyperTextBook
  1465.  
  1466.    Institutes and Academic Programs
  1467.    http://physicsweb.org/resources/dsearch.phtml Physics Institutes
  1468.    http://ip-service.com/WiW/institutes.html   Nonlinear Groups
  1469.    http://www-chaos.engr.utk.edu/related.html Research Groups in Chaos
  1470.  
  1471.    Java Applets Sites
  1472.    http://physics.hallym.ac.kr/education/TIPTOP/VLAB/about.html Virtual Laboratory
  1473.    http://monet.physik.unibas.ch/~elmer/pendulum/ Java Pendulum
  1474.    http://kogs-www.informatik.uni-hamburg.de/~wiemker/applets/fastfrac/fastfrac.html 
  1475.      Java Fractal Explorer
  1476.    http://www.apmaths.uwo.ca/~bfraser/index.html B. Fraser╣s Nonlinear Lab
  1477.    http://www.cmp.caltech.edu/~mcc/Chaos_Course/ Mike Cross' Demos
  1478.  
  1479.    Who is Who in Nonlinear Dynamics
  1480.    http://www.chaos-gruppe.de/wiw/wiw.html Munich List
  1481.    http://www.math.sunysb.edu/dynamics/people/list.html  Stonybrook List
  1482.  
  1483.    Lists of Nonlinear sites
  1484.    http://makeashorterlink.com/?C58C23C16 Netscape╣s List
  1485.    http://cnls.lanl.gov/People/nbt/sites.html  Tufillaro's List
  1486.    http://cires.colorado.edu/people/peckham.scott/chaos.html Peckham's List
  1487.    http://members.tripod.com/~IgorIvanov/physics/nonlinear.html Physics Encyclopedia
  1488.    http://www.maths.ex.ac.uk/~hinke/dss/index.html  Osinga's Software List
  1489.  
  1490.    Dynamical Systems
  1491.    http://www.math.sunysb.edu/dynamics/  Dynamical Systems Home Page
  1492.    http://www.math.psu.edu/gunesch/entropy.html  Entropy and Dynamics
  1493.  
  1494.    Chaos sites
  1495.    http://www.industrialstreet.net/chaosmetalink/  Chaos Metalink
  1496.    http://bofh.priv.at/ifs/  Iterated Function Systems Playground
  1497.    http://www.xahlee.org/PageTwo_dir/more.html Xah Lee's dynamics and Fractals pages
  1498.    http://acl2.physics.gatech.edu/tutorial/outline.htm Tutorial on Control of Chaos
  1499.    http://www.mathsoft.com/mathresources/constants/wellknown/article/0,,2090,00.html
  1500.              All about  Feigenbaum Constants
  1501.    http://www.stud.ntnu.no/~berland/math/feigenbaum/ The Feigenbaum Fractal
  1502.    http://members.aol.com/MTRw3/index.html  Mike Rosenstein's Chaos Page.
  1503.    http://www.vanderbilt.edu/AnS/psychology/cogsci/chaos/cspls.html Chaos in Psychology
  1504.    http://www.eie.polyu.edu.hk/~cktse/NSR/  Movies and Demonstrations
  1505.  
  1506.    Time Series
  1507.    http://www.drchaos.net/drchaos/refs.html Dynamics and Time Series
  1508.    http://astro.uni-tuebingen.de/groups/time/ Time series Analysis
  1509.    http://www-personal.buseco.monash.edu.au/~hyndman/TSDL/index.htm 
  1510.                  Time Series Data Library
  1511.  
  1512.    Complex Systems Sites
  1513.    http://www.math.upatras.gr/~mboudour/nonlin.html  Complexity Home Page
  1514.    http://www.calresco.org/ The Complexity & Artificial Life Web Site
  1515.    http://www.physionet.org/  Complexity and Physiology Site
  1516.  
  1517.    Fractals Sites
  1518.    http://forum.swarthmore.edu/advanced/robertd/index.html#frac A Fractal Gallery
  1519.    http://spanky.triumf.ca/www/welcome1.html  The Spanky Fractal DataBase
  1520.    http://sprott.physics.wisc.edu/fractals.htm  Sprott's Fractal Gallery
  1521.    http://fractales.inria.fr/ Projet Fractales
  1522.    http://force.stwing.upenn.edu/~lau/fractal.html  Lau's Fractal Stuff
  1523.    http://skal.planet-d.net/quat/f_gal.html 3D Fractals
  1524.    http://www.cnam.fr/fractals.html  Fractal Gallery
  1525.    http://www.fractaldomains.com/ Fractal Domains Gallery
  1526.    http://home1.swipnet.se/~w-17723/fracpro.html Fractal Programs
  1527.    http://xahlee.org/PageTwo_dir/MathPrograms_dir/mathPrograms.html#Fractals
  1528.          Fractal Programs
  1529.  
  1530.  
  1531.  
  1532. [5]   Computational Resources
  1533.  
  1534. [5.1] What are general computational resources?
  1535.    CAIN Europe Archives
  1536.       http://www.can.nl/education/material/software.html  Software Area
  1537.    FAQ guide to packages from sci.math.num-analysis
  1538.       ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/num-analysis/faq/part1
  1539.    NIST Guide to Available Mathematical Software
  1540.       http://gams.cam.nist.gov/
  1541.    Mathematics Archives Software 
  1542.       http://archives.math.utk.edu/software.html
  1543.    Matpack, C++ numerical methods and data analysis library
  1544.        http://www.matpack.de/
  1545.    Numerical Recipes Home Page
  1546.       http://www.nr.com/
  1547.  
  1548. [5.2] Where can I find specialized programs for  nonlinear 
  1549. science?
  1550.  
  1551.    The Academic Software Library:
  1552.    Chaos Simulations
  1553. Bessoir, T., and A. Wolf, 1990. Demonstrates logistic map, Lyapunov exponents, 
  1554. billiards in a stadium, sensitive dependence, n-body gravitational motion.
  1555.    Chaos Data Analyser
  1556. A PC program for analyzing time series. By Sprott, J.C. and G. Rowlands. 
  1557. For more info:http://sprott.physics.wisc.edu/cda.htm
  1558.    Chaos Demonstrations
  1559. A PC program for demonstrating chaos, fractals, cellular automata, and related 
  1560. nonlinear phenomena.  By J. C. Sprott and G. Rowlands.
  1561. System: IBM PC or compatible with at least 512K of memory.
  1562. Available: The Academic Software Library, (800) 955-TASL. $70.
  1563.    Chaotic Dynamics Workbench
  1564. Performs interactive numerical experiments on systems modeled by ordinary 
  1565. differential equations, including: four versions of driven Duffing 
  1566. oscillators, pendulum, Lorenz, driven Van der Pol osc., driven Brusselator, 
  1567. and the Henon-Heils system.  By R. Rollins.
  1568. System: IBM PC or compatible, 512 KB memory.
  1569. Available: The Academic Software Library, (800) 955-TASL, $70
  1570.  
  1571.    Applied Chaos Tools
  1572. Software package for time series analysis based on the UCSD group's, work. 
  1573. This package is a companion for Abarbanel's book Analysis of Observed Chaotic 
  1574. Data, Springer-Verlag.
  1575. System: Unix-Motif, Windows 95/NT
  1576. For more info see: http://www.zweb.com/apnonlin/csp.html
  1577.  
  1578.    AUTO
  1579. Bifurcation/Continuation Software (THE standard). The latest version is 
  1580. AUTO97. The GUI requires X and Motif to be present. There is also a command 
  1581. line version AUTO86. The software is transported as a compressed file called 
  1582. auto.tar.Z.
  1583. System: versions to run under X windows--SUN or sgi or LINUX
  1584. Available: anonymous ftp from ftp://ftp.cs.concordia.ca/pub/doedel/auto 
  1585.  
  1586.    BZphase
  1587. Models Belousov- Zhabotinsky reaction based on the scheme of Ruoff and Noyes. 
  1588. The dynamics ranges from simple quasisinusoidal oscillations to quasiperiodic, 
  1589. bursting, complex periodic and chaotic.
  1590. System: DOS 6 and higher + PMODE/W DOS Extender. Also openGL version
  1591. Available: http://members.tripod.com/~RedAndr/BZPhase.htm
  1592.  
  1593.    Chaos
  1594. Visual simulation in two- and three-dimensional phase space; based on visual 
  1595. algorithms rather than canned numerical algorithms; well-suited for 
  1596. educational use; comes with tutorial exercises. By Bruce Stewart
  1597. System: Silicon Graphics workstations, IBM RISC workstations with GL
  1598. Available: http://msg.das.bnl.gov/~bstewart/software.html
  1599.  
  1600.    Chaos
  1601. A Program Collection for the PC by Korsch, H.J. and H-J. Jodl, 1994, A 
  1602. book/disk combo that gives a hands-on, computer experiment approach to 
  1603. learning nonlinear dynamics. Some of the modules cover billiard systems, 
  1604. double pendulum, Duffing oscillator, 1D iterative maps, an "electronic chaos-
  1605. generator", the Mandelbrot set, and ODEs.
  1606. System: IBM PC or compatible.
  1607. Available: $$http://www.springer-ny.com/catalog/np/updates/0-387-57457-3.html
  1608.  
  1609.    CHAOS II
  1610. Chaos Programs to go with Baker, G. L. and J. P. Gollub (1990) Chaotic 
  1611. Dynamics. Cambridge, Cambridge Univ. 
  1612. http://www.cup.org/titles/catalogue.asp?isbn=0521471060
  1613. System: IBM, 512K memory, CGA or EGA graphics, True Basic
  1614. For more info: contact Gregory Baker, P.O. Box 278 ,Bryn Athyn, PA, 19009
  1615.  
  1616.    Chaos Analyser
  1617. Programs to Time delay embedding, Attractor (3d) viewing and animation, 
  1618. PoincarΘ sections, Mutual information, Singular Value Decomposition embedding, 
  1619. Full Lyapunov spectra (with noise cancellation), Local SVD analysis (for 
  1620. determining the systems dimension). By Mike Banbrook.
  1621. System: Unix, X windows
  1622. For more info: http://www.ee.ed.ac.uk/~mb/analysis_progs.html
  1623.  
  1624.    Chaos Cookbook
  1625. These programs go with J. Pritchard's book, The Chaos Cookbook System: 
  1626. Programs written in Visual Basic & Turbo Pascal
  1627. Available: $$http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/0750617772
  1628.  
  1629.    Chaos Plot
  1630. ChaosPlot is a simple program which plots the chaotic behavior of a damped, 
  1631. driven anharmonic oscillator.
  1632. System: Macintosh
  1633. For more info: 
  1634. http://archives.math.utk.edu/software/mac/diffEquations/.directory.html
  1635.  
  1636.    Cubic Oscillator Explorer
  1637. The CUBIC OSCILLATOR EXPLORER is a Macintosh application which allows 
  1638. interactive exploration of the chaotic processes of the Cubic Oscillator, 
  1639. i.e..Duffing's equation.
  1640. System: Macintosh + Digidesign DSPácard, Digisystem init 2.6 and (optional) 
  1641. MIDI Manager
  1642. Available: (Missing??) Fractal Music
  1643.  
  1644.    DataPlore
  1645. Signal and time series analysis package. Contains standard facilities for 
  1646. signal processing as well as advanced features like wavelet techniques and 
  1647. methods of nonlinear dynamics.
  1648. Systems: MS Windows, Linux, SUN Solaris 2.6
  1649. Available: $$http://www.datan.de/dataplore/
  1650.  
  1651.    dstool
  1652. Free software from Guckenheimer's group at Cornell; DSTool has lots of 
  1653. examples of chaotic systems, PoincarΘ sections, bifurcation diagrams.
  1654. System: Unix, X windows.
  1655. Available: ftp://cam.cornell.edu/pub/dstool/
  1656.  
  1657.    Dynamical Software Pro
  1658. Analyze non-linear dynamics and chaos. Includes ODEs, delay differential 
  1659. equations, discrete maps, numerical integration, time series embedding, etc. 
  1660. System: DOS. Microsoft Fortran compiler for user defined equations.
  1661. Available: SciTech http://www.scitechint.com/
  1662.  
  1663.    Dynamics: Numerical Explorations.
  1664. A book + disk by H. Nusse,  and J.Yorke. A hands on approach to learning the 
  1665. concepts and the many aspects in computing relevant quantities in chaos
  1666. System: PC-compatible computer or X-windows system on Unix computers
  1667. Available: $$ http://www.springer-ny.com/detail.tpl?isbn=0387982647 
  1668.  
  1669.    Dynamics Solver
  1670. Dynamics Solver solve numerically both initial-value problems and boundary-
  1671. value problems for continuous and discrete dynamical systems.
  1672. System: Windows 3.1 or Windows 95/98/NT
  1673. Available: http://tp.lc.ehu.es/jma/ds/ds.html
  1674.  
  1675.    DynaSys
  1676. Phase plane portraits of 2D ODEs by Etienne Dupuis
  1677. System: Windows 95/98
  1678. Available: (Missing??)
  1679.  
  1680.    FD3
  1681. A program to estimate fractal dimensions of a set. By DiFalco/Sarraille  
  1682. System: C source code, suitable for compiling for use on a Unix or DOS 
  1683. platform.
  1684. Available: ftp://ftp.cs.csustan.edu/pub/fd3/
  1685.  
  1686.    FracGen
  1687. FracGen is a freeware program  to create fractal images using Iterated 
  1688. Function Systems. A tutorial is provided with the program. By Patrick Bangert  
  1689. System: PC-compatible computer, Windows 3.1
  1690. Available: http://212.201.48.1/pbangert/site/fracgen.html
  1691.  
  1692.    Fractal Domains
  1693. Generates of Mandelbrot and Julia sets. By Dennis C. De Mars
  1694. System: Power Macintosh
  1695. Available: http://www.fractaldomains.com/
  1696.  
  1697.    Fractal Explorer
  1698. Generates Mandelbrot and Newton's method fractals. By Peter Stone
  1699. System: Power Macintosh
  1700. Available: http://usrwww.mpx.com.au/~peterstone/index.html
  1701.  
  1702.    GNU Plotutils
  1703. The GNU plotutils package contains C/C++ function library for exporting 2-D 
  1704. vector graphics in many file formats, and for doing vector graphics 
  1705. animations. The package also contains several command-line programs for 
  1706. plotting scientific data, such as GNU graph, which is based on libplot, and 
  1707. ODE integration software.
  1708. System: GNU/Linux, FreeBSD, and Unix systems.
  1709. Available: http://www.gnu.org/software/plotutils/plotutils.html
  1710.  
  1711.    Ilya
  1712. A program to visually study a reaction-diffusion model based on the 
  1713. Brusselator from Future Skills Software, Herber Sauro.
  1714. System: Requires Windows 95, at least 256 colours
  1715. Available : http://www.fssc.demon.co.uk/rdiffusion/ilya.htm
  1716.  
  1717.    INSITE
  1718. (It's a Nonlinear Systems Investigative Toolkit for Everyone) is a collection 
  1719. for the simulation and characterization of dynamical systems, with an emphasis 
  1720. on chaotic systems. Companion software for T.S. Parker and L.O. Chua (1989) 
  1721. Practical Numerical Algorithms for Chaotic Systems  Springer Verlag. See their 
  1722. paper "INSITE A Software Toolkit for the Analysis of Nonlinear Dynamical 
  1723. Systems," Proc. of the IEEE, 75, 1081-1089 (1987).
  1724. System: C codes in Unix Tar or DOS format (later requires QuickWindowC
  1725.              or MetaWINDOW/Plus 3.7C. and  MS C compiler 5.1)
  1726. Available: INSITE SOFTWARE, p.o. Box 9662, Berkeley, CA , U.S.A.
  1727.  
  1728.    Institut fur ComputerGraphik
  1729. A collection of programs for developing advanced visualization techniques in 
  1730. the field of three-dimensional dynamical systems. By L÷ffelmann H., Gr÷ller E.
  1731. System: various, requires AVS
  1732. Available: http://www.cg.tuwien.ac.at/research/vis/dynsys/
  1733.  
  1734.    KAOS1D
  1735. A tool for studying one-dimensional (1D) discrete dynamical systems. Does 
  1736. bifurcation diagrams, etc. for a number of maps
  1737. System: PC compatible computer, DOS, VGA graphics
  1738. Available: http://www.if.ufrgs.br/~arenzon/jsoftw.html
  1739.  
  1740.    LOCBIF
  1741. An interactive tool for bifurcation analysis of non-linear ordinary 
  1742. differential equations ODE's and maps. By Khibnik, Nikolaev, Kuznetsov and V. 
  1743. Levitin 
  1744. System: Now part of XPP (See below)
  1745. Available: http://www.math.pitt.edu/~bard/classes/wppdoc/locbif.html
  1746.  
  1747.    Lyapunov Exponents
  1748. Keith Briggs Fortran codes for Lyapunov exponents
  1749. System: any with a Fortran compiler
  1750. Available: http://more.btexact.com/people/briggsk2/
  1751.  
  1752.    Lyapunov Exponents and Time Series
  1753. Based on Alan Wolf's algorithm, see [2.11], but a more efficient version.
  1754. System: Comes as C source, Fortran source, PC executable, etc
  1755. Available: http://www.cooper.edu/engineering/physics/wolf/  (Seems to be 
  1756. missing?)
  1757.  
  1758.    Lyapunov Exponents and Time Series
  1759. Michael Banbrook's C codes for Lyapunov exponents & time series analysis
  1760. System: Sun with X windows.
  1761. Available: http://www.see.ed.ac.uk/~mb/analysis_progs.html
  1762.  
  1763.    Lyapunov Exponents Toolbox (LET)
  1764. A user-contributed MATLAB toolbox  that provides a graphical user interface 
  1765. for users to determine the full sets of Lyapunov exponents and Lyapunov 
  1766. dimensions of discrete and continuous chaotic systems.
  1767. System: MATLAB 5
  1768. Available: ftp://ftp.mathworks.com/pub/contrib/v5/misc/let
  1769.  
  1770.    Lyapunov.m
  1771. A Matlab program based on the QR Method , by von Bremen, Udwadia, and 
  1772. Proskurowski, Physica D, vol. 101, 1-16, (1997)
  1773. System: Matlab
  1774. Available: http://www.usc.edu/dept/engineering/mecheng/DynCon/
  1775.  
  1776.    Macintosh Dynamics Programs
  1777. Lists available at: http://hypertextbook.com/chaos/92.shtml
  1778. and http://www.xahlee.org/PageTwo_dir/MathPrograms_dir/mathPrograms.html
  1779.  
  1780.    MacMath
  1781. Comes on a disk with the book MacMath, by Hubbard and West. A collection of 
  1782. programs for dynamical systems (1 & 2 D maps, 1 to 3D flows). Version 9.2 is 
  1783. the current version, but West is working on a much improved update.
  1784. System: Macintosh
  1785. For more info: http://www.math.hmc.edu/codee/solvers/mac-math.html
  1786. Available: $$ Springer-Verlag http://www.springer-
  1787. ny.com/detail.tpl?isbn=0387941355 
  1788.  
  1789.    Madonna
  1790. Solves Differential and Difference Equations. Runs STELLA. Has a parser with a 
  1791. control language. By Robert Macey and George Oster at Berkeley
  1792. System: Macintosh or Windows 95 or later
  1793. Available : $$  http://www.berkeleymadonna.com/
  1794.  
  1795.    MatLab Chaos
  1796. A collection of routines for generate diagrams which illustrate chaotic 
  1797. behavior associated with the logistic equation.
  1798. System: Requires MatLab.
  1799. Available : ftp://ftp.mathworks.com/pub/contrib/misc/chaos/
  1800.  
  1801.    MTRChaos
  1802. MTRCHAOS and MTRLYAP compute correlation dimension and largest Lyapunov 
  1803. exponents, delay portraits. By Mike Rosenstein. 
  1804. System: PC-compatible computer running DOS 3.1 or higher, 640K RAM, and EGA 
  1805. display. VGA & coprocessor recommended
  1806. Available:  ftp://spanky.triumf.ca/pub/fractals/programs/ibmpc/
  1807.  
  1808.    Nonlinear Dynamics Toolbox
  1809. Josh Reiss' NDT includes routines for the analysis of chaotic data, such as 
  1810. power spectral analyses, determination of the Lyapunov spectrum, mutual 
  1811. information function, prediction, noise reduction, and dimensional analysis.
  1812. System: Windows 95, 98, or NT
  1813. Available : Missing??
  1814.  
  1815.    NLD Toolbox
  1816. This toolbox has many of the standard dynamical systems, By Jeff Brush
  1817. System: PC, MS-DOS.
  1818. Available: http://www.physik.tu-darmstadt.de/nlp/nldtools/nldtools.html
  1819.  
  1820.    ODECalc
  1821. A program for integrating boundary value and initial value Problems for up to 
  1822. 9th order ODEs. By Optimal Designs.
  1823. System: PC 386+, DOS 3.3+, 16 bit arch.
  1824. Available : ftp://ftp.mecheng.asme.org/pub/EDU_TOOL/Ode200.exe
  1825.  
  1826.    PHASER
  1827. Kocak, H., 1989. Differential and Difference Equations through Computer 
  1828. Experiments: with a supplementary diskette containing PHASER: An 
  1829. Animator/Simulator for Dynamical Systems. Demonstrates a large number of 1D-4D 
  1830. differential equations--many not chaotic--and 1D-3D difference equations.
  1831. System: PC-compatible
  1832. Available: Springer-Verlag http://www.springer-
  1833. ny.com/detail.tpl?isbn=0387142029
  1834.  
  1835.    PhysioToolkit
  1836. Software for physiologic signal processing and analysis, detection of 
  1837. physiologically significant events using both classical techniques and novel 
  1838. methods based on statistical physics and nonlinear dynamics
  1839. System: Unix
  1840. Available: http://www.physionet.org/physiotools/
  1841.  
  1842.    Recurrence Quantification Analysis
  1843. Recurrence plots give a visual indication of deterministic behavior in complex 
  1844. time series. The program, by Webber and Zbilut creates the plots and 
  1845. quantifies the determinism with five measures.
  1846. System: DOS executable
  1847. Available:http://homepages.luc.edu/~cwebber/
  1848.  
  1849.    SciLab
  1850. A simulation program similar in intent to MatLab. It's primarily designed for 
  1851. systems/signals work, and is large. From INRIA in France.
  1852. System: Unix, X Windows, 20 Meg Disk space.
  1853. Available : ftp://ftp.inria.fr/INRIA/Projects/Meta2/Scilab
  1854.  
  1855.    StdMap
  1856. Iterates Area Preserving Maps, by J. D. Meiss. Iterates 8 different maps. It 
  1857. will find periodic orbits, cantori, stable and unstable manifolds, and allows 
  1858. you to iterate curves.
  1859. System: Macintosh
  1860. Available: http://amath.colorado.edu/faculty/jdm/stdmap.html
  1861.  
  1862.    STELLA
  1863. Simulates dynamics for Biological and Social systems modelling. Uses a 
  1864. building block metaphor constructing models.
  1865. System: Macintosh and Windows PC
  1866. Available: $$ http://www.hps-inc.com/edu/stella/stella.htm
  1867.  
  1868.    Time Series Tools
  1869. An extensive list of Unix tools for Time Series analysis
  1870. System: Unix
  1871. For more info: http://chuchi.df.uba.ar/guille/TS/tools/tools.html (Link 
  1872. down??)
  1873.  
  1874.    Time Series Analysis from Darmstadt
  1875. Four prgrams Time Series analysis and Dimension calculation from the Institute 
  1876. of Applied Physics at Darmstadt.
  1877. System: OS2 or Solaris/Linux/Win9X/NT + Fortran source
  1878. For more info: http://www.physik.tu-darmstadt.de/nlp/distribution.html
  1879.  
  1880.    Time Series Analysis from Kennel
  1881. The program mkball  finds the minimum embedding dimension using the false 
  1882. strands enhancement of the false neighbors algorithm of Kennel & Abarbanel.
  1883. System: any C compiler
  1884. Available: ftp://lyapunov.ucsd.edu/pub/nonlinear/mbkall.tar.gz
  1885.  
  1886.    TISEAN Time Series Analysis
  1887. Agorithms for data representation, prediction, noise reduction, dimension and 
  1888. Lyapunov estimation, and nonlinearity testing. By Rainer Hegger, Holger Kantz 
  1889. and Thomas Schreiber
  1890. System:  C, C++ and Fortran Codes for Unix,
  1891. Available: http://www.mpipks-dresden.mpg.de/~tisean/
  1892.  
  1893.    Tufillaro's Programs
  1894. From the book Nonlinear Dynamics and Chaos by Tufillaro, Abbot and Reilly 
  1895. (1992) (for a sample section see 
  1896. http://www.drchaos.net/drchaos/Book/node1.html). A collection of programs for 
  1897. the Macintosh.
  1898. System: Macintosh
  1899. Available: http://www.drchaos.net/drchaos/bb.html
  1900.  
  1901.    Unified Life Models (ULM)
  1902. ULM, by Stephane Legendre, is a program to study population dynamics and more 
  1903. generally, discrete dynamical systems. It models any species life cycle graph 
  1904. (matrix models) inter- and intra-specific competition (non linear systems), 
  1905. environmental stochasticity, demographic stochasticity (branching processes), 
  1906. and  metapopulations, migrations (coupled systems).
  1907. System: PC/Windows 3.X
  1908. Available: from http://www.snv.jussieu.fr
  1909.  
  1910.    Virtual Laboratory
  1911. Simulations of 2D active media by the Complex Systems Group at the Max Planck 
  1912. Inst. in Berlin.
  1913. System: Requires PV-Wave by Visual Numerics 
  1914. $$http://www.vni.com/products/wave/
  1915. Available: $$ http://w3.rz-berlin.mpg.de/~mik/oertzen/vlm/m_contents.htm
  1916.  
  1917.    VRA (Visual Recurrence Analysis)
  1918. VRA is a software to display and Study the recurrence plots, first described 
  1919. by Eckmann, Oliffson Kamphorst And Ruelle in 1987. With RP, one can 
  1920. graphically detect hidden patterns and structural changes in data or see 
  1921. similarities in patterns across the time series under study. By Eugene Kononov
  1922. Stystem: Windows 95
  1923. Available: http://pweb.netcom.com/~eugenek/download.html
  1924.  
  1925.    Xphased
  1926. Phase 3D plane program for X-windows systems (for systems like Lorenz, 
  1927. Rossler). Plot, rotate in 3-d, PoincarΘ sections, etc. By Thomas P. Witelski
  1928. System: X-windows, Unix, SunOS 4 binary
  1929. Available: http://www.alumni.caltech.edu/~witelski/xphased.html
  1930.  
  1931.    XPP-Aut
  1932. Differential equations and maps for x-windows systems. Links to Auto for 
  1933. bifurcation analysis. By Bard Ermentrout
  1934. System: X-windows, Binaries for many unix systems
  1935. Available : ftp://ftp.math.pitt.edu/pub/bardware/tut/start.html
  1936.  
  1937.    XSpiral
  1938. Simulate pattern formation in 2-D excitable media (in particular 2 models, one 
  1939. of them the  FitzHugh-Nagumo). By Flavio Fenton.
  1940. System: X-windows
  1941. Available : (Missing??)
  1942.  
  1943.  
  1944.  
  1945.  
  1946. [6] Acknowledgments
  1947.  
  1948.     Alan Champneys a.r.champneys@bristol.ac.uk
  1949.     Jim Crutchfield chaos@gojira.Berkeley.EDU
  1950.     S. H. Doole Stuart.Doole@Bristol.ac.uk
  1951.     David Elliot delliott@isr.umd.edu
  1952.     Fred Klingener klingener@BrockEng.com
  1953.     Matt Kennel kennel@msr.epm.ornl.gov
  1954.     Jose Korneluk jose.korneluk@sfwmd.gov
  1955.     Wayne Hayes wayne@cs.toronto.edu
  1956.     Justin Lipton JML@basil.eng.monash.edu.au
  1957.     Ronnie Mainieri ronnie@cnls.lanl.gov
  1958.     Zhen Mei meizhen@mathematik.uni-marburg.de
  1959.     Gerard Middleton middleto@mcmail.CIS.McMaster.CA
  1960.     Andy de Paoli andrea.depaoli@mail.esrin.esa.it
  1961.     Lou Pecora pecora@zoltar.nrl.navy.mil
  1962.     Pavel Pokorny pokornp@tiger.vscht.cz,
  1963.     Leon Poon lpoon@Glue.umd.edu
  1964.     Hawley Rising rising@crl.com,
  1965.     Michael Rosenstein MTR1a@aol.com
  1966.     Harold Ruhl hjr@connix.com
  1967.     Troy Shinbrot shinbrot@bart.chem-eng.nwu.edu
  1968.     Viorel Stancu vstancu@sb.tuiasi.ro
  1969.     Jaroslav Stark j.stark@ucl.ac.uk
  1970.     Bruce Stewart bstewart@bnlux1.bnl.gov
  1971.     Richard Tasgal tasgal@math.tau.ac.il
  1972.  
  1973. Anyone else who would like to contribute, please do! Send me your comments: 
  1974. http://amath.colorado.edu/appm/faculty/jdm/ Jim Meiss at 
  1975. jdm@boulder.colorado.edu
  1976.