home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Hacker's Encyclopedia 1998 / hackers_encyclopedia.iso / etc / misc / nlscienc.faq < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2003-06-11  |  62.4 KB  |  1,245 lines

  1. Archive-name: sci/nonlinear-faq
  2. Posting-Frequency: monthly
  3.  
  4.  
  5.  
  6. This is version 1.0.4  (December 1995) of the Frequently Asked Questions 
  7. document for the newsgroup sci.nonlinear. This document can also be found in 
  8. html format as:
  9.      <http://www.fen.bris.ac.uk/engmaths/research/nonlinear/faq.html>
  10.      <http://amath.colorado.edu/appm/faculty/jdm/faq.html>
  11.      <http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/sci/
  12.              nonlinear-faq/faq.html>
  13. and in Microsoft Word format as:
  14.        <ftp://amath.colorado.edu/pub/dynamics/papers/sci.nonlinearFAQ.hqx>
  15. and in text form as:
  16.        <ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/sci/nonlinear-faq>
  17.  
  18. What's New:
  19.  
  20.     Question [17] Added URL for quantum chaos
  21.     Question [20] Added new book about nonlinear circuits
  22.     Question [21] A new question: simple experimental demonstrations. 
  23.                   Please send suggestions!
  24.     Question [25] Soliton WWW site added.
  25.     Question [28] Updates to bibliography sites, Electronic Texts, 
  26.                   Conference Announcements
  27.     Question [29] Addional Software sites added, 
  28.                   and updated some outdated links
  29.  
  30. This FAQ is maintained by Jim Meiss <jdm@boulder.colorado.edu>.
  31.  
  32. Copyright (c) 1995 by James D. Meiss, all rights reserved. This FAQ may be 
  33. posted to any USENET newsgroup, on-line service, or BBS as long as it is 
  34. posted in its entirety and includes this copyright statement. This FAQ may not 
  35. be distributed for financial gain. This FAQ may not be included in commercial 
  36. collections or compilations without express permission from the author.
  37.  
  38. Table of Contents
  39. [1]  What is nonlinear?
  40. [2]  What is nonlinear science?
  41. [3]  What is a dynamical system?
  42. [4]  What is phase space?
  43. [5]  What is a degree of freedom?
  44. [6]  What is a map?
  45. [7]  How are maps related to flows (differential equations)?
  46. [8]  What is chaos?
  47. [9]  What is sensitive dependence on initial conditions?
  48. [10] What are Lyapunov exponents?
  49. [11] What is Generic?
  50. [12] What is the minimum phase space dimension for chaos?
  51. [13] What are complex systems?
  52. [14] What are fractals?
  53. [15] What do fractals have to do with chaos?
  54. [16] What are topological and fractal dimension?
  55. [17] What is quantum chaos?
  56. [18] How do I know if my data is deterministic?
  57. [19] What is the control of chaos?
  58. [20] How can I build a chaotic circuit?
  59. [21] What are simple experiments that I can do to demonstrate chaos?
  60. [22] What is targeting?
  61. [23] What is time series analysis?
  62. [24] Is there chaos in the stock market?
  63. [25] What are solitons?
  64. [26] What should I read to learn more?
  65. [27] What technical journals have nonlinear science articles?
  66. [28] What are net sites for nonlinear science materials?
  67. [29] What nonlinear science software is available?
  68. [30] Acknowledgments
  69.  
  70.  
  71. **********
  72. [1] What is nonlinear?
  73.  
  74. In geometry, linearity refers to Euclidean objects: lines, planes, (flat) 
  75. three dimensional space, etc.--these objects appear the same no matter how we 
  76. examine them. A nonlinear object, a sphere for example, looks different on 
  77. different scales--when looked at closely enough it looks like a plane, and 
  78. from a far enough distance it looks like a point.
  79.  
  80. In algebra, we define linearity in terms of functions which have the property 
  81. f(x+y) = f(x)+f(y) and f(ax) = af(x).  Nonlinear is defined as the negation of 
  82. linear. This means that the result f may be out of proportion to the input x 
  83. or y. The result may be more than linear, as when a diode begins to pass 
  84. current; or less than linear, as when finite resources limit Malthusian 
  85. population growth. Thus the fundamental simplifying tools of linear analysis 
  86. are no longer available: for example, for a linear system, if we have two 
  87. zeros,  f(x) = 0 and  f(y) = 0, then we automatically have a third zero f(x+y) 
  88. = 0 (in fact there are infinitely many zeros as well, since linearity implies 
  89. that  f(ax+by) = 0 for any a and b). This is called the principle of 
  90. superposition--it gives many solutions from a few. For nonlinear systems, each 
  91. solution much be fought for (generally) with unvarying ardor!
  92.  
  93. **********
  94. [2] What is nonlinear science?
  95.  
  96. Stanislaw Ulam reportedly said (something like)  "Calling a science 
  97. 'nonlinear' is like calling zoology 'the study of non-human animals'. So why 
  98. do we have a name that appears to be merely a negative?
  99.  
  100. Firstly, linearity is rather special, and no model of a real system is truly 
  101. linear (you might protest that quantum mechanics is an exception, however this 
  102. is at the expense of infinite dimensionality which is just as bad or worse--
  103. and 'any' finite dimensional nonlinear model can be turned into an infinite 
  104. dimensional linear one). Some things are profitably studied as linear 
  105. approximations to the real  models--for example the fact that Hooke's law, the 
  106. linear law of elasticity (strain is proportional to stress)  is approximately 
  107. valid for a pendulum of small amplitude implies that its period is 
  108. approximately independent of amplitude (i.e. Period(Amplitude) = 
  109. Period(2xAmplitude)). However, as the amplitude gets large the period gets 
  110. longer, a fundamental effect of nonlinearity in the pendulum equations.
  111.  
  112. Secondly, nonlinear systems have been shown to exhibit surprising and complex 
  113. effects that would never be anticipated by a scientist trained only in linear 
  114. techniques. Prominent examples of these include bifurcation, chaos and 
  115. solitons. Nonlinearity has its most profound effects on dynamical systems 
  116. ([Q3]see [Q3]).
  117.  
  118. Further, while we can enumerate the linear objects, nonlinear ones are 
  119. nondenumerable, and as of yet mostly unclassified. We currently have no 
  120. general techniques (and very few special ones) for telling whether a 
  121. particular nonlinear system will exhibit the complexity of chaos, or the 
  122. simplicity of order. Thus since we cannot yet subdivide nonlinear science into 
  123. proper subfields, it exists has a whole.
  124.  
  125. Nonlinear science has applications to a wide variety of fields, from 
  126. mathematics, physics, biology, and chemistry, to engineering, economics, and 
  127. medicine. This is one of its most exciting aspects--that it brings researchers 
  128. from many disciplines together with a common language.
  129.  
  130. **********
  131. [3]What is a dynamical system?
  132.  
  133. A dynamical system consists of an abstract phase space or state space, whose 
  134. coordinates describe the dynamical state at any instant; and a dynamical rule 
  135. which specifies the immediate future trend of all state variables, given only 
  136. the present values of those same state variables. Mathematically, a dynamical 
  137. system is described by an initial value problem.
  138.  
  139. Dynamical systems are "deterministic" if there is a unique consequent to every 
  140. state, and "stochastic" or "random" if there is more than one consequent 
  141. chosen from some probability distribution (the coin toss has two consequents 
  142. with equal probability for each initial state). Most of nonlinear science--and 
  143. everything in this FAQ--deals with deterministic systems.
  144.  
  145. A dynamical system can have discrete or continuous time. The discrete case is 
  146. defined by a map, z_1 = f(z_0), that gives the state z_1 resulting from the 
  147. initial state z_0 at the next time value. The continuous case is defined by a 
  148. "flow",  z(t) = \phi_t(z_0), which gives the state at time t, given that the 
  149. state was z_0 at time 0. A smooth flow can be differentiated w.r.t. time to 
  150. give a differential equation, dz/dt = F(z). In this case we call F(z) a 
  151. "vector field," it gives a vector pointing in the direction of the velocity at 
  152. every point in phase space.
  153.  
  154. **********
  155. [4] What is phase space?
  156.  
  157. Phase space is the collection of possible states of a dynamical system. A 
  158. phase space can be finite (e.g. for the coin toss, we have two states heads 
  159. and tails), countably infinite (e.g. state variables are integers), or 
  160. uncountably infinite (e.g. state variables are real numbers). Implicit in the 
  161. notion is that a particular state in phase space specifies the system 
  162. completely; it is all we need to know about the system to have complete 
  163. knowledge of the immediate future. Thus the phase space of the planar pendulum 
  164. is two dimensional, consisting of the position (angle) and velocity. According 
  165. to Newton, specification of these two variables uniquely determines the 
  166. subsequent motion of the pendulum.
  167.  
  168. Note that if we have a non-autonomous system, where the map or vector field 
  169. depends explicitly on time (e.g. a model for plant growth depending on solar 
  170. flux), then according to our definition of phase space, we must include time 
  171. as a phase space coordinate--since one must specify a specific time (e.g. 3PM 
  172. on Tuesday) to know the subsequent motion.  Thus  dz/dt = F(z,t) is a 
  173. dynamical system on the phase space consisting of (z,t), with the  addition 
  174. the new dynamical equation dt/dt = 1.
  175.  
  176. The path in phase space traced out by a solution of an initial value problem 
  177. is called an orbit or trajectory of the dynamical system. If the state 
  178. variables take real values in a continuum, the orbit of a continuous-time 
  179. system is a curve, while the orbit of a discrete-time system is a sequence of 
  180. points.
  181.  
  182. **********
  183. [5] What is a degree of freedom?
  184.  
  185. The notion of "degrees of freedom" as it is used for Hamiltonian systems means 
  186. one canonical conjugate pair, a configuration, q, and its conjugate momentum 
  187. p. Hamiltonian systems (sometimes mistakenly identified with the notion of 
  188. conservative systems) always have such pairs of variables, and so the phase 
  189. space is even dimensional.
  190.  
  191. In the study of dissipative systems the term "degree of freedom" is often used 
  192. differently, to mean a single coordinate dimension of the phase space. This 
  193. can lead to confusion, and it is advisable the check which meaning of the term 
  194. is intended in a particular context.
  195.  
  196. Those with a physics background generally prefer to stick with the Hamiltonian 
  197. definition of the term "degree of freedom." For a more general system the 
  198. proper term is "order" which is equal to the dimension of the phase space.
  199.  
  200. Note that a Hamiltonian H(q,p) with N d.o.f. nominally moves in a 2N 
  201. dimensional phase space. However, energy is conserved, and therefore the 
  202. motion is really on a 2N-1 dimensional energy surface, H(q,p) = E. Thus e.g. 
  203. the planar, circular restricted 3 body problem is 2 d.o.f., and motion is on 
  204. the 3D energy surface of constant  "Jacobi constant." It can be reduced to a 
  205. 2D area preserving map by Poincare section (see Q6]).
  206.  
  207. If the Hamiltonian is time dependent, then we generally say it has an 
  208. additional 1/2 degree of freedom, since this adds one dimension to the phase 
  209. space. (i.e. 1 1/2 d.o.f. means three variables, q,p and t, and energy is no 
  210. longer conserved). 
  211.  
  212. **********
  213. [6] What is a map?
  214.  
  215. A map is simply a function, f,  on the phase space that gives the next state, 
  216. f(z), (the image) of the system given its current state, z. (Often you will 
  217. find the notation z' = f(z), where the prime  means the next point, not the 
  218. derivative.) 
  219.  
  220. Now a function must have a single value for each state, but there could be 
  221. several different states that give rise to the same image. Maps that allow 
  222. every state in the phase space to be accessed (onto) and which have precisely 
  223. one pre-image for each state (one-to-one) are invertible. If in addition the 
  224. map and its inverse are continuous (with respect to the phase space coordinate 
  225. z), then it is called a homeomorphism. A homeomorphism that has at least one 
  226. continuous derivative (w.r.t. z) and a continuously differentiable inverse is 
  227. a diffeomorphism.
  228.  
  229. Iteration of a map means repeatedly applying the map to the consequents of the 
  230. previous application. Thus we get a sequence 
  231.                                              n
  232.             z  = f(z   )  = f(f(z   ).... = f (z )
  233.              n      n-1          n-2            0
  234.  
  235. This sequence is the orbit or trajectory of the dynamical system with initial 
  236. condition z_0.
  237.  
  238. **********
  239. [7] How are maps related to flows (differential equations)? 
  240.  
  241. Every differential equation gives rise to a map, the time one map, defined by 
  242. advancing the flow one unit of time. This map may or may not be useful. If the 
  243. differential equation contains a term or terms periodic in time, then the time 
  244. T map (where T is the period) is very useful--it is an example of a Poincare 
  245. section. The time T map in a system with periodic terms is also called a 
  246. stroboscopic map, since we are effectively looking at the location in phase 
  247. space with a stroboscope tuned to the period T. This map is useful because it 
  248. permits us to dispense with time as a phase space coordinate: the remaining 
  249. coordinates describe the state completely so long as we agree to consider the 
  250. same instant within every period. 
  251.  
  252. In autonomous systems (no time-dependent terms in the equations), it may also 
  253. be possible to define a Poincare section and again reduce the phase space 
  254. dimension by one. Here the Poincare section is defined not by a fixed time 
  255. interval, but by successive times when an orbit crosses a fixed surface in 
  256. phase space. (Surface here means a manifold of dimension one less than the 
  257. phase space dimension).
  258.  
  259. However, not every flow has a global Poincare section (e.g. any flow with an 
  260. equilibrium point), which would need to be transverse to every possible orbit.
  261.  
  262. Maps arising from stroboscopic sampling or Poincare section of a flow are 
  263. necessarily invertible, because the flow has a unique solution through any 
  264. point in phase space--the solution is unique both forward and backward in 
  265. time. However, noninvertible maps can be relevant to differential equations: 
  266. Poincare maps are sometimes very well approximated by noninvertible maps. For 
  267. example, the Henon map (x,y) -> (-y-a+x^2,bx) with small |b| is close to the 
  268. logistic map, x -> -a+x^2.
  269.  
  270. It is often (though not always) possible to go backwards, from an invertible 
  271. map to a differential equation having the map as its Poincare map. This is 
  272. called a suspension of the map. One can also do this procedure approximately 
  273. for maps that are close to the identity, giving a flow that approximates the 
  274. map to some order. This is extremely useful in bifurcation theory.
  275.  
  276. Note that any numerical solution procedure for a differential initial value 
  277. problem which uses discrete time steps in the approximation is effectively a 
  278. map. This is not a trivial observation; it helps explain for example why a 
  279. continuous-time system which should not exhibit chaos may have numerical 
  280. solutions which do--[Q12]see [Q12].
  281.  
  282. **********
  283. [8] What is chaos?
  284.  
  285. Roughly speaking, chaos is effectively unpredictable long time behavior 
  286. arising in a deterministic dynamical system because of sensitivity to initial 
  287. conditions. It must be emphasized that a deterministic dynamical system is 
  288. perfectly predictable given perfect knowledge of the initial condition, and 
  289. further is in practice always predictable in the short term. The key to long-
  290. term unpredictability is a property known as sensitivity to (or sensitive 
  291. dependence on) initial conditions. 
  292.  
  293. For a dynamical system to be chaotic it must have a 'large' set of initial 
  294. conditions which are highly unstable. No matter how precisely you measure the 
  295. initial condition in these systems, your prediction of its subsequent motion 
  296. goes radically wrong after a short time. Typically (see [Q20] for one 
  297. definition of 'typical'), the predictability horizon grows only 
  298. logarithmically with the precision of measurement (for positive Lyapunov 
  299. exponents, see [Q10]). Thus for each increase in  precision by a  factor of 
  300. 10, say, you may only be able to predict two more time units.
  301.  
  302. More precisely: A map f is chaotic on a compact invariant set S if (i) f is 
  303. transitive on S (there is a point x whose orbit is dense in S), and (ii) f 
  304. exhibits sensitive dependence on S (see [Q9]). To these two requirements 
  305. Devaney adds the requirement that periodic points are dense in S, but this 
  306. doesn't seem to be really in the spirit of the notion, and is probably better 
  307. treated as a theorem (very difficult and very important), and not part of the 
  308. definition.
  309.  
  310. Usually we would like the set S to be a large set. It is too much to hope for 
  311. except in special examples that S be the entire phase space. If the dynamical 
  312. system is dissipative then we hope that S is an attractor with a large basin. 
  313. However, this need not be the case--we can have a chaotic saddle, an orbit 
  314. that has some unstable directions as well as stable directions.
  315.  
  316. As a consequence of long-term unpredictability, time series from chaotic 
  317. systems may appear irregular and disorderly. However, chaos is definitely not 
  318. (as the name might suggest) complete disorder; it is disorder in a 
  319. deterministic dynamical system, which is always predictable for short times.
  320.  
  321. The possibility of a predictability horizon in a deterministic system came as 
  322. something of a shock to mathematicians and physicists, long used to a notion 
  323. attributed to Laplace that, given precise knowledge of the initial conditions, 
  324. it should be possible to predict the future of the universe. This mistaken 
  325. faith in predictability was engendered by the success of Newton's mechanics 
  326. applied to planetary motions, which happen to be regular on human historic 
  327. time scales, but chaotic on the 5 million year time scale (see e.g. "Newton's 
  328. Clock", by Ivars Peterson (1993 W.H. Freeman) .
  329.  
  330. **********
  331. [9] What is sensitive dependence on initial conditions?
  332.  
  333. Consider a boulder precariously perched on the top of an ideal hill. The 
  334. slightest push will cause the boulder to roll down one side of the hill or the 
  335. other: the subsequent behavior depends sensitively on the direction of the 
  336. push--and the push can be arbitrarily small. If you are standing at the bottom 
  337. of the hill on one side, then you would dearly like to know which direction 
  338. the boulder will fall.
  339.  
  340. Sensitive dependence is the equivalent behavior for every initial condition--
  341. every point in the phase space is effectively perched on the top of a hill.
  342.  
  343. More precisely a set S exhibits sensitive dependence if there is an r such 
  344. that for any epsilon > 0 and for each x in S, there is a y such that |x - y|  
  345. <  epsilon,  and |x_n - y_n| > r for some n > 0. That is there is a fixed 
  346. distance r (say 1), such that no matter how precisely one specifies an initial 
  347. state there are nearby states that eventually get a distance r away. 
  348.  
  349. Note: sensitive dependence does not require exponential growth of 
  350. perturbations (positive Lyapunov exponent), but this is typical (see Q[20]) 
  351. for chaotic systems. Note also that we most definitely do not require ALL 
  352. nearby initial points diverge--generically [Q20] this does not happen--some 
  353. nearby points may converge. (We may modify our hilltop analogy slightly and 
  354. say the every point in phase space acts like a high mountain pass.) Finally, 
  355. the words "initial conditions" are a bit misleading: a typical small 
  356. disturbance introduced at any time will grow similarly. Think of "initial" as 
  357. meaning "a time when a disturbance or error is introduced," not necessarily 
  358. time zero.
  359.  
  360. **********
  361. [10] What are Lyapunov exponents?
  362.  
  363. The hardest thing to get right about Lyapunov exponents is the spelling of 
  364. Lyapunov, which you will variously find as Liapunov, Lyapunof and even 
  365. Liapunoff.  Of course Lyapunov is really spelled in the Cyrillic  alphabet: 
  366. (Lambda)(backwards r)(pi)(Y)(H)(0)(B). Now that there is an ANSI standard of 
  367. transliteration for Cyrillic, we expect all references to converge on the 
  368. version Lyapunov. 
  369.  
  370. Lyapunov was born in Russia in 6 June 1857. He was greatly influenced by 
  371. Chebyshev and was a student with Markov. He was also a passionate man: 
  372. Lyapunov shot himself the day his wife died. He died 3 Nov. 1918, three 
  373. days later.  According to the request on a note he left, Lyapunov was 
  374. buried with his wife. [biographical data from a biography by A.  
  375. T.Grigorian].
  376.  
  377. Lyapunov left us with more than just a simple note. He left a collection of 
  378. papers on the equilibrium shape of rotating liquids, on probability, and on 
  379. the stability of low-dimensional dynamical systems. It was from his 
  380. dissertation that the notion of Lyapunov exponent emerged. Lyapunov was 
  381. interested in showing how to discover if a solution to a dynamical system is 
  382. stable or not for all times. The usual method of studying stability --- 
  383. linearizing around the solution --- was not good enough. If you waited long 
  384. enough the small errors due to linearization would pile up and make the 
  385. approximation invalid. Lyapunov developed concepts to overcome these 
  386. difficulties.
  387.  
  388. Lyapunov exponents measure the rate of divergence of nearby orbits. Roughly 
  389. speaking the (maximal) Lyapunov exponent is the time average logarithmic 
  390. growth rate of the distance between two nearby orbits. Positive Lyapunov 
  391. exponents indicate sensitive dependence on initial conditions, since the 
  392. distance then grows (on average in time and locally in phase space) 
  393. exponentially in time. 
  394.  
  395. There are basically two ways to compute Lyapunov exponents. In one way one 
  396. chooses two nearby points, evolves them in time, measuring the growth rate of 
  397. the distance between them. This is useful when one has a time series, but has 
  398. the disadvantage that the growth rate is really not a local effect as the 
  399. points separate. A better way is to measure the growth rate of tangent vectors 
  400. to a given orbit.
  401.  
  402. More precisely, consider a map f in an m dimensional phase space, and its 
  403. derivative matrix Df(x). Let v be a tangent vector at the point x. Then we 
  404. define a function 
  405.                               1          n 
  406.         L(x,v)  =    lim     --- ln |( Df (x)v )|
  407.                    n -> oo    n                     
  408.  
  409. Now the Multiplicative Ergodic Theorem of Oseledec states that this limit 
  410. exists for almost all points x and all tangent vectors v. There are at most m 
  411. distinct values of L as we let v range over the tangent space. These are the 
  412. Lyapunov exponents at x. 
  413.  
  414. For more information on computing the exponents see
  415.  
  416.    Wolf, A., J. B. Swift, et al. (1985). "Determining Lyapunov Exponents from 
  417.      a Time Series." Physica D 16: 285-317.
  418.    Eckmann, J.-P., S. O. Kamphorst, et al. (1986). "Liapunov exponents from 
  419.      time series." Phys. Rev. A 34: 4971-4979.
  420.  
  421.  
  422. **********
  423. [11] What is Generic?
  424.  
  425. Generic in dynamical systems is intended to convey "usual" or, more properly, 
  426. "observable". Roughly speaking, a property is generic over a class if any 
  427. system in the class can be modified ever so slightly (perturbed), into one 
  428. with that property. 
  429.  
  430. The formal definition is done in the language of topology: Consider the class 
  431. to be a space of systems, and suppose it has a topology (some notion of a 
  432. neighborhood, or an open set). A subset of this space is *dense* if its 
  433. closure (the subset plus the limits of all sequences in the subset) is the 
  434. whole space. It is *open and dense* if it is also an open set (union of 
  435. neighborhoods). A set is *countable* if it can be put into 1-1 correspondence 
  436. with the counting numbers. A *countable intersection of open dense sets* is 
  437. the intersection of a countable number of open dense sets. If all such 
  438. intersections in a space are also dense, then the space is called a *Baire* 
  439. space, which basically means its big enough. If we have such a Baire space of 
  440. dynamical systems, and there is a property which is true on a countable 
  441. intersection of open dense sets, them that property is *generic*. 
  442.  
  443. If all this sounds too complicated, think of it as a precise way of defining a 
  444. set which is near every system in the collection (dense), which isn't too big 
  445. (needn't have any "regions" where the property is true for *every* system). 
  446. Generic is much weaker than "almost everywhere" (occurs with probability 1), 
  447. in fact, it is possible to have generic properties which occur with 
  448. probability zero. But it is as strong a property as one can define 
  449. topologically, without having to have a property hold true in a region, or 
  450. talking about measure (probability), which isn't a topological property (a 
  451. property preserved by a continuous function).
  452.  
  453. **********
  454. [12] What is the minimum phase space dimension for chaos?
  455.  
  456. This is a slightly confusing topic, since the answer depends on the type of 
  457. system considered. First consider a flow (or system of differential 
  458. equations). In this case the Poincare-Bendixson theorem tells us that there is 
  459. no chaos in one or two dimensional phase spaces. Chaos is possible in three 
  460. dimensional flows--standard examples such as the Lorenz equations are indeed 
  461. three dimensional, and there are mathematical 3D flows that are provably 
  462. chaotic (e.g. the 'solenoid').
  463.  
  464. Note: if the flow is non-autonomous then time is a phase space coordinate, so 
  465. a system with two physical variables + time becomes three dimensional, and 
  466. chaos is possible (i.e. Forced second-order oscillators do exhibit chaos.)
  467.  
  468. For maps, it is possible to have chaos in one dimension, but only if the map 
  469. is not  invertible. A prominent example is the Logistic map x' = f(x) = rx(1-
  470. x). This is provably chaotic for r = 4, and many other values of r as well 
  471. (see e.g. Devaney). Note that every point has two preimages, except for the 
  472. image of the critical point x=1/2, so this map is not invertible.
  473.  
  474. For homeomorphisms, we must have at least two dimensional phase space for 
  475. chaos. This is equivalent to the flow result, since a three dimensional flow 
  476. gives rise to a two dimensional homeomorphism by Poincare section (see [Q6]).
  477.  
  478. Note that a numerical algorithm for a differential equation is a map, because 
  479. time on the computer is necessarily discrete. Thus  numerical solutions of two 
  480. and even one dimensional systems of ordinary differential equations may 
  481. exhibit chaos. Usually this results from choosing the size of the time step 
  482. too large.  For example Euler discretization of the Logistic differential 
  483. equation, dx/dt = rx(1-x), is equivalent to the logistic map. See e.g. S. 
  484. Ushiki, Central difference scheme and chaos, Physica D, vol. 4 (1982) 407-424.
  485.  
  486. **********
  487. [13] What are complex systems?
  488.  
  489. A complex system, as I understand it, is a system with many inequivalent 
  490. degrees of freedom. While, chaos is the study of how simple systems can 
  491. generate complicated behavior, complexity is the study of how complicated 
  492. systems can generate simple behavior.  An example of complexity is the 
  493. synchronization of biological systems ranging from fireflies to neurons (e.g. 
  494. Matthews, PC, Mirollo, RE & Strogatz, SH "Dynamics of a large system of 
  495. coupled nonlinear oscillators," Physica D _52_ (1991) 293-331).  In these 
  496. problems, many individual systems conspire to produce a single collective 
  497. rhythm. 
  498.  
  499. The notion of complex systems has received lots of popular press, but it is 
  500. not really clear as of yet if there is a "theory" about a "concept". We are 
  501. withholding judgement.
  502.  
  503. **********
  504. [14] What are fractals?
  505.  
  506. One way to define "fractal" is as a negation: a fractal is a set that does not 
  507. look like a Euclidean object (point, line, plane, etc.) no matter how closely 
  508. you look at it.  Imagine focusing in on a smooth curve (imagine a piece of 
  509. string in space)--if you look at any piece of it closely enough it eventually 
  510. looks like a straight line (ignoring the fact that for a real piece of string 
  511. it will soon look like a cylinder and eventually you will see the fibers, then 
  512. the atoms, etc.). A fractal, like the Koch Snowflake, which is topologically 
  513. one dimensional, never looks like a straight line, no matter how closely you 
  514. look.  There are indentations, like bays in a coastline; look closer and the 
  515. bays have inlets, closer still the inlets have subinlets, and so on.
  516.  
  517. "Fractal" is a term which has undergone refinement of definition by a lot of 
  518. people, but was first coined by B. Mandelbrot and defined as a set with 
  519. fractional (non-integer) dimension (Hausdorff dimension, see [Q16]).  While 
  520. this definition has a lot of drawbacks, note that it says nothing about self-
  521. similarity--even though the most commonly known fractals are indeed self-
  522. similar.
  523.  
  524. See the extensive FAQ from sci.fractals at
  525.      <ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/fractal-faq>
  526.      <http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/fractal-faq/faq.html>
  527.  
  528. **********
  529. [15] What do fractals have to do with chaos?
  530.  
  531. Often chaotic dynamical systems exhibit fractal structures in phase space. 
  532. However, there is no direct relation. There are chaotic systems that have 
  533. nonfractal limit sets (e.g. Arnold's cat map) and fractal structures that can 
  534. arise in nonchaotic dynamics (see e.g. Grebogi, C., et al. (1984). "Strange 
  535. Attractors that are not Chaotic." Physica 13D: 261-268.)
  536.  
  537. **********
  538. [16] What are topological and fractal dimension?
  539.  
  540. See the fractal FAQ:
  541.      <ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/fractal-faq>
  542.      <http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/faq/usenet/fractal-faq/faq.html>
  543.  
  544. **********
  545. [17] What is quantum chaos?
  546.  
  547.  According to the correspondence principle, there is a limit where classical 
  548. behavior as described by Hamilton's equations becomes similar, in some 
  549. suitable sense, to quantum behavior as described by the appropriate wave 
  550. equation. Formally, one can take this limit to be h -> 0, where h is Planck's 
  551. constant; alternatively, one can look at successively higher energy levels, 
  552. etc. Such limits are referred to as "semiclassical". It has been found that 
  553. the semiclassical limit can be highly nontrivial when the classical problem is 
  554. chaotic. The study of how quantum systems, whose classical counterparts are 
  555. chaotic, behave in the semiclassical limit has been called quantum chaos. More 
  556. generally, these considerations also apply to elliptic partial differential 
  557. equations that are physically unrelated to quantum considerations. For 
  558. example, the same questions arise in relating classical acoustic waves to 
  559. their corresponding ray equations. Among recent results in quantum chaos is a 
  560. prediction relating the chaos in the classical problem to the statistics of 
  561. energy-level spacings in the semiclassical quantum regime. 
  562.  
  563. Classical chaos can be used to analyze such ostensibly quantum systems as the 
  564. hydrogen atom, where classical predictions of microwave ionization thresholds 
  565. agree with experiments. See Koch, P. M. and K. A. H. van Leeuwen (1995). 
  566. "Importance of Resonances in Microwave Ionization of Excited Hydrogen Atoms." 
  567. Physics Reports 255: 289-403.
  568.  
  569. See:
  570.      <http://sagar.cas.neu.edu/qchaos/qc.html> Quantum Chaos Home Page
  571.  
  572. **********
  573. [18] How do I know if my data is deterministic?
  574.  
  575. How can I tell if my data is deterministic? This is a very tricky problem. It 
  576. is difficult because in practice no time series consists of pure 'signal.' 
  577. There will always be some form of corrupting noise, even if it is present as 
  578. roundoff or truncation error or as a result of finite arithmetic or 
  579. quantization. Thus any real time series, even if mostly deterministic, will be 
  580. a stochastic processes
  581.  
  582. All methods for distinguishing deterministic and stochastic processes rely on 
  583. the fact that a deterministic system will always evolve in the same way from a 
  584. given starting point. Thus given a time series that we are testing for 
  585. determinism we (1) pick a test state (2) search the time series for a similar 
  586. or 'nearby' state and (3) compare their respective time evolution. 
  587.  
  588. Define the error as the difference between the time evolution of the 'test' 
  589. state and the time evolution of the nearby state. A deterministic system will 
  590. have an error that either remains small (stable, regular solution) or increase 
  591. exponentially with time (chaotic solution). A stochastic system will have a 
  592. randomly distributed error.
  593.  
  594. Essentially all measures of determinism taken from time series rely upon 
  595. finding the closest states to a given 'test' state (i.e., correlation 
  596. dimension, Lyapunov exponents, etc.). To define the state of s system one 
  597. typically relies on phase space embedding methods, see [23]. 
  598.  
  599. Typically one chooses an embedding dimension, and investigates the propagation 
  600. of the error between two nearby states. If the error looks random, one 
  601. increases the dimension. If you can increase the dimension to obtain a 
  602. deterministic looking error, then you are done. Though it may sound simple  it 
  603. is not really! One complication is that as the dimension increases the search 
  604. for a nearby state requires a lot more computation time and a lot of data (the 
  605. amount of data required increases exponentially with embedding dimension) to 
  606. find a suitably close candidate. If the embedding dimension (number of 
  607. measures per state) is chosen too small (less than the 'true' value) 
  608. deterministic data can appear to be random but in theory there is no problem 
  609. choosing the dimension too large--the method will work. Practically, anything 
  610. approaching about 10 dimensions is considered so large that a stochastic 
  611. description is probably more suitable and convenient anyway.
  612.  
  613. See e.g.,
  614.  
  615.     Sugihara, G. and R. M. May (1990). "Nonlinear Forcasting as a Way of 
  616.     Distinguishing Chaos from Measurement Error in Time Series." Nature 344: 
  617.     734-740.
  618.  
  619. **********
  620. [19] What is the control of chaos?
  621.  
  622. Control of chaos has come to mean the two things: (1) stabilization of 
  623. unstable periodic orbits, (2) use of recurrence to allow stabilization to be 
  624. applied locally. Thus term "control of chaos" is somewhat of a misnomer--but 
  625. the name has stuck. The ideas for controlling chaos originated in the work of 
  626. Hubler followed by the Maryland Group.
  627.  
  628.     Hubler, A. W. (1989). "Adaptive Control of Chaotic Systems." Helv. 
  629.    Phys. Acta 62: 343-346).
  630.  
  631.    Ott, E., C. Grebogi, et al. (1990). "Controlling Chaos." Physical Review 
  632.    Letters 64(11): 1196-1199.
  633.    <http://www-chaos.umd.edu/publications/abstracts.html#prl64.1196>
  634.  
  635.  
  636. The idea that chaotic systems can in fact be controlled may be 
  637. counterintuitive -- after all they are unpredictable in the long term. 
  638. Nevertheless, numerous theorists have independently developed methods which 
  639. can be applied to chaotic systems, and many experimentalists have demonstrated 
  640. that physical chaotic systems respond well to both simple and sophisticated 
  641. control strategies. Applications have been proposed in such diverse areas of 
  642. research as communications, electronics, physiology, epidemiology, fluid 
  643. mechanics and chemistry. 
  644.  
  645. The great bulk of this work has been restricted to low-dimensional systems; 
  646. more recently, a few researchers have proposed control techniques for 
  647. application to high- or infinite-dimensional systems. The literature on the 
  648. subject of the control of chaos is quite voluminous; nevertheless several 
  649. reviews of the literature are available, including: 
  650.  
  651.    Shinbrot, T. Ott, E., Grebogi, C. & Yorke, J.A., "Using Small Perturbations 
  652.    to Control Chaos," Nature, 363 (1993) 411-7. 
  653.  
  654.    Shinbrot, T., "Chaos: Unpredictable yet Controllable?" Nonlin. Sciences 
  655.    Today, 3:2 (1993) 1-8.
  656.  
  657.    Shinbrot, T., "Progress in the Control of Chaos," Advance in Physics (in 
  658.    press).
  659.  
  660.    Ditto, WL & Pecora, LM "Mastering Chaos," Scientific American (Aug. 1993), 
  661.    78-84.
  662.  
  663.    Chen, G. & Dong, X, "From Chaos to Order -- Perspectives and Methodologies 
  664.    in Controlling Chaotic Nonlinear Dynamical Systems," Int. J. Bif. & Chaos 3 
  665.    (1993) 1363-1409.
  666.  
  667. It is generically quite difficult to control high dimensional systems; an 
  668. alternative approach is to use control to reduce the dimension before applying 
  669. one of the above techniques. This approach is in its infancy; see:
  670.  
  671.    Auerbach, D., Ott, E., Grebogi, C., and Yorke, J.A. "Controlling Chaos in 
  672.    High Dimensional Systems," Phys. Rev. Lett. 69  (1992) 3479-82 
  673.    <http://www-chaos.umd.edu/publications/abstracts.html#prl69.3479>
  674.  
  675. **********
  676. [20] How can I build a chaotic circuit?
  677.  
  678. There are many different physical systems which display chaos, dripping 
  679. faucets, water wheels, oscillating magnetic ribbons etc. but the most simple 
  680. systems which can be easily implemented are chaotic circuits. In fact an 
  681. electronic circuit was one of the first demonstrations of chaos which showed 
  682. that chaos is not just a mathematical abstraction. Leon Chua designed the 
  683. circuit 1983. 
  684.  
  685. The circuit he designed, now known as Chua's circuit, consists of a piecewise 
  686. linear resistor as its nonlinearity (making analysis very easy) plus two 
  687. capacitors, one resistor and one inductor--the circuit is unforced 
  688. (autonomous). In fact the chaotic aspects (bifurcation values, Lyapunov 
  689. exponents, various dimensions etc.) of this circuit have been extensively 
  690. studied in the literature both experimentally and theoretically. It is 
  691. extremely easy to build and presents beautiful attractors (the most famous 
  692. known as the double scroll attractor) that can be displayed on a CRO. 
  693.  
  694. For more information on building such a circuit try: 
  695.  
  696.    Kennedy M. P., "Robust OP Amp Realization of Chua's Circuit", Frequenz, 
  697.    vol. 46, no. 3-4, 1992.
  698.  
  699.    Madan, R. A., "Chua's Circuit: A paradigm for chaos", ed. R. A. Madan, 
  700.    Singapore: World Scientific, 1993.
  701.  
  702.    Pecora, L. and Carroll, T. "Nonlinear Dynamics in Circuits", 
  703.    Singapore: World Scientific, 1995.
  704.  
  705. ********
  706. [21] What are simple experiments that I can do to demonstrate 
  707. chaos?
  708.  
  709. There are many "chaos toys" on the market. Most consist of some sort of 
  710. pendulum that is forced by an electromagnet. One can of course build a simple 
  711. double pendulum to observe beautiful chaotic behavior see 
  712. <http://www.ibm.com/Stretch/EOS/chaos.html>.  My favorite double pendulum 
  713. consists of  two identical planar pendula, so that you can demonstrate 
  714. sensitive dependence [Q9].
  715.  
  716. One of the simplest chemical systems that shows chaos is the Belousov-
  717. Zhabotinsky reacation.The book by Strogatz [Q26] has a good introduction to 
  718. this subject, see also <http://taylor.mc.duke.edu/~rubin/BZ/BZexplain.html>
  719. for some more information.
  720.  
  721. The Chaotic waterwheel, while not so simple to build, is an exact realization 
  722. of Lorenz famous equaions. This is nicely discussed in Strogatz book [Q26] as 
  723. well.
  724.  
  725. Chua's nonlinear curcuit is also a good example. See [Q20] above.
  726.  
  727. ********
  728. [22] What is targeting?
  729.  
  730. To direct trajectories in chaotic systems, one can generically apply small
  731. perturbations; see:
  732.  
  733.    Shinbrot, T. Ott, E., Grebogi, C. & Yorke, J.A., "Using Small 
  734.    Perturbations to Control Chaos," Nature, 363 (1993) 411-7). 
  735.  
  736. We are still awaiting a good answer to this question.
  737.  
  738. **********
  739. [23] What is time series analysis?
  740.  
  741. This is the application of dynamical systems techniques to a data series, 
  742. usually obtained by "measuring" the value of a single observable as a function 
  743. of time. The major tool in a dynamicists toolkit is "delay coordinate 
  744. embedding" which creates a phase space portrait from a single data series. It 
  745. seems remarkable at first, but one can reconstruct a picture equivalent 
  746. (topologically) to the full Lorenz attractor in three dimensional space by 
  747. measuring only one of its coordinates, say x(t), and plotting the delay 
  748. coordinates (x(t), x(t+h), x(t+2h)) for a fixed h.
  749.  
  750. It is important to emphasize that the idea of using derivatives or delay 
  751. coordinates in time series modeling is nothing new.  It goes back at least to 
  752. the work of Yule, who in 1927 used an autoregressive (AR) model to make a 
  753. predictive model for the sunspot cycle. AR models are nothing more than delay 
  754. coordinates used with a linear model.  Delays, derivatives, principal 
  755. components, and a variety of other methods of reconstruction have been widely 
  756. used in time series analysis since the early 50's, and are described in 
  757. several hundred books.  The new aspects raised by dynamical systems theory are 
  758. (i) the implied geometric view of temporal behavior and (ii) the existence of 
  759. "geometric invariants", such as dimension and Lyapunov exponents.  The central 
  760. question was not whether delay coordinates are useful for time series 
  761. analysis, but rather whether reconstruction methods preserve the geometry and 
  762. the geometric invariants of dynamical systems. (Packard, Crutchfield, Farmer & 
  763. Shaw)
  764.  
  765.    G.U. Yule, Phil. Trans. R. Soc. London A 226 (1927) p. 267.
  766.  
  767.    N.H. Packard, J.P. Crutchfield, J.D. Farmer, and R.S. Shaw, "Geometry 
  768.    from a time series", Phys. Rev. Lett. vol. 45, no. 9 (1980) 712.
  769.  
  770.    F. Takens, "Detecting strange attractors in fluid turbulence", in: 
  771.    Dynamical Systems and Turbulence, eds. D. Rand and L.-S. Young (Springer,
  772.    Berlin, 1981)
  773.  
  774.    Abarbanel, H.D.I., Brown, R., Sidorowich, J.J., and Tsimring, L.Sh.T.
  775.    "The analysis of observed chaotic data in physical systems",  Rev. of 
  776.    Modern Physics 65 (1993) 1331-1392.
  777.  
  778.    D. Kaplan and L. Glass (1995). Understanding Nonlinear Dynamics,
  779.    Springer-Verlag
  780.  
  781.  
  782. **********
  783. [24] Is there chaos in the stock market?
  784.  
  785. In order to address this question, we must first agree what we mean by chaos, 
  786. see [Q8].
  787.  
  788. In dynamical systems theory, chaos means irregular fluctuations in a 
  789. deterministic system (see [Q3] and [Q18]). This means the system behaves 
  790. irregularly because of its own internal logic, not because of random forces 
  791. acting from outside. Of course if you define your dynamical system to be the 
  792. socio-economic behavior of the entire planet, nothing acts randomly from 
  793. outside (except perhaps the occasional meteor), so you have a dynamical 
  794. system. But its dimension (number of state variables--see [Q4]) is vast, and 
  795. there is no hope of exploiting the determinism. This is high-dimensional 
  796. chaos, which might just as well be truly random behavior. In this sense, the 
  797. stock market is chaotic, but who cares? 
  798.  
  799. To be useful, economic chaos would have to involve some kind of collective 
  800. behavior which can be fully described by a small number of variables. In the 
  801. lingo, the system would have to be self-organizing, resulting in low-
  802. dimensional chaos. If this turns out to be true, then you can exploit the low-
  803. dimensional chaos to make short-term predictions. The problem is to identify 
  804. the state variable which characterize the collective modes. Furthermore, 
  805. having limited the number of state variables, many events now become external 
  806. to the system, that is, the system is operating in a changing environment, 
  807. which makes the problem of system identification very difficult. 
  808.  
  809. If there were such collective modes of fluctuation, market players would 
  810. probably know about them; economic theory says that if many people recognized 
  811. these patterns, the actions they would take to exploit them would quickly 
  812. nullify the patterns. Therefore if these patterns exist, they must be hard to 
  813. recognize because they do not emerge clearly from the sea of noise caused by 
  814. individual actions; or the patterns last only a very short time following some 
  815. upset to the markets; or both.
  816.  
  817. There are a number of people and groups trying to find these patterns. Some of 
  818. these groups are known to outsiders, because they include prominent 
  819. researchers in the field of chaos; we have no idea whether they are succeeding 
  820. or not. If you know chaos theory and would like to make yourself a slave to 
  821. the rhythms of market trading, you can probably find a major trading firm 
  822. which will give you a chance to try your ideas. But don't expect them to give 
  823. you a share of any profits you may make for them :-) !
  824.  
  825. In short, anyone who tells you about the secrets of chaos in the stock market 
  826. doesn't know anything useful, and anyone who knows will not tell. It's an 
  827. interesting question, but you're unlikely to find the answer.
  828.  
  829.  
  830. **********
  831. [25] What are solitons?
  832.  
  833. Consider this frequently asked question: The Fourier transform can simplify 
  834. the evolution of linear differential equations; is there a counterpart which 
  835. similarly simplifies nonlinear equations? The answer is No. Nonlinear 
  836. equations are qualitatively more complex than linear equations, and a 
  837. procedure which gives the dynamics as simply as for linear equations must 
  838. contain a mistake. There are, however, exceptions to any rule. 
  839.  
  840. Certain nonlinear differential equations can be fully solved by, e.g., the 
  841. "inverse scattering method." Examples are the Korteweg-de Vries, nonlinear 
  842. Schrodinger, and sine-Gordon equations. In these cases the real space maps, in 
  843. a rather abstract way, to an inverse space, which is comprised of continuous 
  844. and discrete parts and evolves linearly in time. The continuous part typically 
  845. corresponds to radiation and the discrete parts to stable solitary waves, i.e. 
  846. pulses, which are called solitons. The linear evolution of the inverse space 
  847. means that solitons will emerge virtually unaffected from interactions with 
  848. anything, giving them great stability. 
  849.  
  850. More broadly, there is a wide variety of systems which support stable solitary 
  851. waves through a balance of dispersion and nonlinearity. Though these systems 
  852. may not be integrable as above, in many cases they are close to systems which 
  853. are, and the solitary waves may share many of the stability properties of true 
  854. solitons, especially that of surviving interactions with other solitary waves 
  855. (mostly) unscathed. It is widely accepted to call these solitary waves 
  856. solitons, albeit with qualifications. 
  857.  
  858. Why solitons? Solitons are simply a fundamental nonlinear wave phenomenon. 
  859. Many very basic linear systems with the addition of the simplest possible or 
  860. first order nonlinearity support solitons; this universality means that 
  861. solitons will arise in many important physical situations. Optical fibers can 
  862. support solitons, which because of their great stability are an ideal medium 
  863. for transmitting information. In a few years long distance telephone 
  864. communications will likely be carried via solitons. 
  865.  
  866. The soliton literature is by now vast. Two books which contain clear 
  867. discussions of solitons as well as references to original papers are 
  868.    Alan C. Newell, Solitons in Mathematics and Physics, SIAM, Philadelphia, 
  869.    Penn. (1985)
  870.  
  871.    Mark J. Ablowitz, Solitons, nonlinear evolution equations and inverse 
  872.    scattering, Cambridge (1991). 
  873.    
  874. See the Soliton Home page:
  875.    <http://www.ma.hw.ac.uk/solitons/>
  876.  
  877. **********
  878. [26] What should I read to learn more?
  879.  
  880. Popularizations
  881. 1.    Gleick, J. (1987). Chaos, the Making of a New Science. London, 
  882.          Heinemann.
  883. 2.    Stewart, I. (1989). Does God Play Dice? Cambridge, Blackwell.
  884. 3.    Devaney, R. L. (1990). Chaos, Fractals, and Dynamics :  Computer 
  885.          Experiments in Mathematics. Menlo Park, Addison-Wesley Pub. Co.
  886. 4.    Lorenz, E., (1994) The Essence of Chaos, University of Washington Press.
  887.  
  888. Introductory Texts
  889. 1.    Percival, I. C. and D. Richard (1982). Introduction to Dynamics. 
  890.          Cambridge, Cambridge Univ. Press. 
  891.          <http://www.cup.org/Titles/28/0521281490.html>
  892. 2.    Devaney, R. L. (1986). An Introduction to Chaotic Dynamical Systems.
  893.          Menlo Park, Benjamin/Cummings.
  894.          <http://www.aw.com/he/Math/MathCategories/ABP/devaney13046.html>
  895. 3.    Baker, G. L. and J. P. Gollub (1990). Chaotic Dynamics. Cambridge, 
  896.          Cambridge Univ. Press. <http://www.cup.org/Titles/38/052138897X.html>
  897. 4.    Tufillaro, N., T. Abbott, et al. (1992). An Experimental Approach to 
  898.          Nonlinear Dynamics and Chaos. Redwood City, Addison-Wesley.
  899.          <http://www.aw.com/he/Math/MathCategories/ABP/tufillaro55441.html>
  900. 5.    Jurgens, H., H.-O. Peitgen, et al. (1993).  Chaos and Fractals: New 
  901.          Frontiers of Science. New York, Springer Verlag. 
  902.          <http://www.springer-ny.com>
  903. 6.    Glendinning, P. (1994). Stability, Instability and Chaos. Cambridge, 
  904.          Cambridge Univ Press.
  905.          <http://www.cup.org/Titles/415/0521415535.html>
  906. 7.    Strogatz, S. (1994). Nonlinear Dynamics and Chaos. Reading, Addison-
  907.          Wesley.
  908.          <http://www.aw.com/he/Math/MathCategories/Chaos/strogatz54344.html>
  909. 8.    Moon, F. C. (1992). Chaotic and Fractal Dynamics. New York, John Wiley.
  910.            <gopher://gopher.infor.com:6000/0exec%3A-v%20a%20R9469895-9471436-/
  911.                  .text/Main%3A/.bin/aview>
  912. 9.    Turcotte, Donald L. (1992). Fractals and Chaos in Geology and 
  913.          Geophysics, Cambridge Univ. Press.
  914.          <http://www.wiley.com>
  915. 10.    Ott, Edward (1993). Chaos in Dynamical Systems. Cambridge,
  916.          Cambridge University Press.
  917.          <http://www.cup.org/Titles/43/0521432154.html>
  918. 11.    D. Kaplan and L. Glass (1995). Understanding Nonlinear Dynamics, 
  919.          Springer-Verlag New York.
  920.          <http://www.cnd.mcgill.ca/Understanding/>
  921.  
  922. Introductory Articles
  923. 1.    May, R. M. (1986). "When Two and Two Do Not Make Four." Proc. Royal Soc. 
  924.          B228: 241.
  925. 2.    Berry, M. V. (1981). "Regularity and Chaos in Classical Mechanics, 
  926.          Illustrated by Three Deformations of a Circular Billiard." Eur. J. 
  927.          Phys. 2: 91-102.
  928. 3.    Crawford, J. D. (1991). "Introduction to Bifurcation Theory." Reviews of 
  929.          Modern Physics 63(4): 991-1038.
  930. 4.    Shinbrot, T., C. Grebogi, et al. (1992). "Chaos in a Double Pendulum." 
  931.          Am. J. Phys 60: 491-499.
  932. 5.    David Ruelle. (1980). "Strange Attractors," The Mathematical 
  933.                   Intelligencer 2:  126-37.
  934.  
  935. **********
  936. [27] What technical journals have nonlinear science articles?
  937.  
  938. Physica D                    The premier journal in Nonlinear Dynamics
  939. Nonlinearity                 Good mix, with a mathematical bias 
  940. Chaos                        AIP Journal, with a good physical bent
  941. Physics Letters A            Has a good nonlinear science section
  942. Physical Review E            Lots of Physics articles with nonlinear emphasis
  943. Ergodic Theory and           Rigorous mathematics, and careful work
  944.       Dynamical Systems  
  945. J Differential Equations     A premier journal, but very mathematical
  946. J Dynamics and Diff. Eq.     Good, more focused version of the above
  947. J Dynamics and Stability     Focused on Eng. applications. New editorial
  948.       of Systems              board--stay tuned. 
  949. J Statistical Physics        Used to contain seminal dynamical systems papers 
  950. SIAM Journals                Only the odd dynamical systems paper
  951. J Fluid Mechanics            Some expt. papers, e.g. transition to turbulence
  952. Nonlinear Dynamics           Haven't read enough to form an opinion
  953. J Nonlinear Science          a newer journal--haven't read enough yet. 
  954. Nonlinear Science Today      News of the week see:
  955.                                <http://www.springer-ny.com/nst>
  956. International J of           lots of color pictures, variable quality.
  957.     Bifurcation and Chaos 
  958. Chaos Solitons and Fractals  Variable quality, some good applications
  959. Communications in Math Phys  an occasional paper on dynamics
  960. Nonlinear Processes in       New, variable quality...may be improving
  961.     Geophysics                              
  962.  
  963. **********
  964. [28] What are net sites for nonlinear science materials? 
  965.  
  966. Bibliography
  967.    <http://www.uni-mainz.de/FB/Physik/Chaos/chaosbib.html>
  968.    <ftp://ftp.uni-mainz.de/pub/chaos/chaosbib/>
  969.    <http://t13.lanl.gov/ronnie/cabinet.html>
  970.    <http://www-chaos.umd.edu/publications/references.html>
  971.    <http://www-chaos.umd.edu/~msanjuan/biblio.html>
  972.  
  973. Preprint Archives
  974.    <http://cnls-www.lanl.gov/nbt/intro.html> Los Alamos Preprint Server
  975.    <http://xyz.lanl.gov/> Nonlinear Science Eprint Server
  976.    <http://www.ma.utexas.edu/mp_arc/mp_arc-home.html>  Math-Physics Archive
  977.    <http://e-math.ams.org/web/preprints/preprints-home.html> AMS Preprint
  978.  
  979. Conference Announcements
  980.    <http://t13.lanl.gov/~nxt/meet.html>
  981.    <http://www.nonlin.tu-muenchen.de/chaos/termine.html>
  982.    <http://xxx.lanl.gov/Announce/Conference/>
  983.    <http://www.math.psu.edu/weiss/conf.html>
  984.  
  985. Newsletters
  986.    <gopher://gopher.siam.org:70/11/siag/ds>  SIAM Dynamical Systems Group
  987.    <http://www.amsta.leeds.ac.uk/Applied/news.dir/> UK Nonlinear News
  988.  
  989. Electronic Journals
  990.    <http://www.springer-ny.com/nst/>  Nonlinear Science Today
  991.    <http://www.santafe.edu/sfi/Complexity> The Complexity Journal
  992.    <http://www.csu.edu.au/ci/ci.html> Complexity International Journal
  993.  
  994. Electronic Texts
  995.    <http://www.lib.rmit.edu.au/fractals/exploring.html> 
  996.         Exploring Chaos & Fractals
  997.    <http://www.nbi.dk/~predrag/QCcourse/> Cvitanovic's Lecture Notes
  998.    <http://www.students.uiuc.edu/~ag-ho/chaos/chaos.html> Chaos Intro
  999.  
  1000. Institutes and Academic Programs
  1001.    <http://www.physics.mcgill.ca/physics-services/physics_complex.html>
  1002.    <http://www.physics.mcgill.ca/physics-services/physics_complex2.html>
  1003.        Extensive List of Physics Groups in Nonlinear Phenonmena
  1004.    <http://www.nonlin.tu-muenchen.de/chaos/Dokumente/WiW/institutes.html> 
  1005.        Extensive List of Nonlinear Groups
  1006.  
  1007. Who is Who in Nonlinear Dynamics
  1008.    <http://www.nonlin.tu-muenchen.de/chaos/Dokumente/WiW/wiw.html>
  1009.  
  1010. Nonlinear Lists
  1011.    <http://cnls-www.lanl.gov/nbt/sites.html> Extensive List of Nonlinear
  1012.    <http://www.ar.com/ger/sci.nonlinear.html> URLs from Sci.nonlinear
  1013.    <http://www.industrialstreet.com/chaos/metalink.htm#SCIENCE> Chaos URLs
  1014.  
  1015. Time Series sites
  1016.    <http://cnls-www.lanl.gov/nbt/intro.html> Dynamics and Time Series
  1017.    <http://chuchi.df.uba.ar/series.html>  time series
  1018.     http://chuchi.df.uba.ar/tools/tools.html
  1019.    <ftp://ftp.cs.colorado.edu/pub/Time-Series/TSWelcome.html> Santa Fe 
  1020.          Time Series Competition
  1021.  
  1022. Chaos Sites
  1023.    <http://ucmp1.berkeley.edu/henon.html>  Expt. henon attractor
  1024.    <http://www.mathsoft.com/asolve/constant/fgnbaum/fgnbaum.html> All about
  1025.          Feigenbaum Constants
  1026.    <http://members.aol.com/MTRw3/w3/sw/sw00.html> Mike Rosenstein's Chaos Page.
  1027.    <http://www.prairienet.org/business/ptech/full/chaostry.html> Chaos Network
  1028.    <gopher://life.anu.edu.au:70/I9/.WWW/complex_systems/lorenz.gif>
  1029.          Lorenz Attractor
  1030.  
  1031. Complexity Sites
  1032.    <http://life.anu.edu.au/complex_systems/complex.html> Complex Sytems
  1033.    <http://www.cc.duth.gr/~mboudour/nonlin.html> Complexity Home Page
  1034.  
  1035. Fractals Sites
  1036.    <ftp://spanky.triumf.ca/fractals/> The Spanky Fractal DataBase
  1037.    <http://sprott.physics.wisc.edu/fractals.htm> Sprott's Fractal Gallery
  1038.    <http://www-syntim.inria.fr/fractales/> Groupe Fractales
  1039.    <http://acacia.ens.fr:8080/home/massimin/quat/f_gal.ang.html> 3D Fractals
  1040.    <http://www.cnam.fr/fractals.html>  Fractal Gallery>
  1041.    <http://homepage.seas.upenn.edu/~lau/fractal.html>
  1042.    <http://homepage.seas.upenn.edu/~rajiyer/math480.html> Course on Fractal 
  1043.           Geometry
  1044.  
  1045. **********
  1046. [29] What nonlinear science software is available?
  1047.  
  1048. General Resources
  1049.       "Guide to Available Mathematical Software" maintained by NIST: 
  1050.                  <http://gams.cam.nist.gov/>
  1051.       "Mathematics Archives Software" 
  1052.                  <http://archives.math.utk.edu/software.html>
  1053.                  
  1054. dstool
  1055.    Free software from Guckenheimer's group at Cornell; DSTool has lots of 
  1056.    examples of chaotic systems, Poincare' sections, bifurcation diagrams. 
  1057.       System: Unix, X windows.
  1058.       Available by anonymous ftp:
  1059.                  <ftp://macomb.tn.cornell.edu/pub/dstool/>
  1060.  
  1061. AUTO
  1062.    Bifurcation/Continuation Software (THE standard). AUTO94 with a GUI 
  1063.    requires X and Motif to be present. There is also a command line version 
  1064.    AUTO86 The softare is transported as a compressed, encoded file
  1065.    called auto.tar.Z.uu. You should describe your UNIX server in the email.
  1066.      System: versions to run under X windows--SUN or sgi
  1067.      Available: send email to doedel@cs.concordia.ca
  1068.  
  1069. Chaos
  1070.    Visual simulation in two- and three-dimensional phase space; based on 
  1071.    visual algorithms rather than canned numerical algorithms; well-suited for 
  1072.    educational use; comes with tutorial exercises. 
  1073.       System: Silicon Graphics workstations, 
  1074.               IBM RISC workstations with GL
  1075.       Available by anonymous ftp:
  1076.                  <http://msg.das.bnl.gov/~bstewart/software.html>
  1077.  
  1078. Xphased
  1079.    Phase Plane plotter for x-windows systems
  1080.       System: X-windows, Unix, SunOS 4 binary
  1081.       Available by anonymous ftp:
  1082.                  <http://www.ama.caltech.edu/~tpw/xphased.html>
  1083.  
  1084. StdMap
  1085.    Iterates Area Preserving Maps, by J. D. Meiss.
  1086.    Iterates 8 different maps. It will find periodic orbits, cantori, stable 
  1087.    and unstable manifolds, and allows you to iterate curves.
  1088.       System: Macintosh
  1089.       Available by anonymous ftp:
  1090.                  <ftp://amath.colorado.edu/pub/dynamics/programs/>
  1091.  
  1092. Lyapunov Exponents and Time Series
  1093.    Based on Alan Wolf's algorithm, see[Q10], but a more efficient version.
  1094.       System: Comes as C source, Fortran source, PC executable, etc
  1095.       Available by anonymous ftp:
  1096.             <http://www.users.interport.net/~wolf/>
  1097.  
  1098. Lyapunov Exponents
  1099.    Keith Briggs Fortran codes for Lyapunov exponents
  1100.       System: any with a Fortran compiler
  1101.       Available by anonymous ftp:
  1102.                  <http:www.pd.uwa.edu.au/Keith/homepage.html>
  1103.  
  1104. MTRChaos
  1105.   MTRCHAOS and MTRLYAP compute correlation dimension
  1106.   and largest Lyapunov exponents, delay portraits. By Mike Rosenstein.
  1107.       System: PC-compatible computer running DOS 3.1 or higher, 
  1108.              640K RAM, and EGA display. VGA & coprocessor recommended
  1109.       Available by anonymous ftp:
  1110.                 <ftp://spanky.triumf.ca/pub/fractals/programs/ibmpc/>
  1111.  
  1112. Chaos Plot
  1113.   ChaosPlot is a simple program which plots the chaotic behavior of a damped,
  1114.   driven anharmonic oscillator.
  1115.       System: Macintosh
  1116.       Available from: <ftp://archives.math.utk.edu/software/mac/diffEquations/
  1117.                              ChaosPlot/ChaosPlot.sea.hqx>
  1118. MatLab Chaos
  1119.    A collection of routines from the Mathworks folks for generating diagrams
  1120.    which illustrate chaotic behavior associated with the logistic equation.
  1121.       System: Requires MatLab.
  1122.       Available by anonymous ftp:
  1123.                 <ftp://ftp.mathworks.com/pub/contrib/misc/chaos/>
  1124.  
  1125. SciLab
  1126.    A simulation program similar in intent to MatLab. It's primarily designed 
  1127.    for systems/signals work, and is large. From INRIA in France. 
  1128.       System: Unix, X Windows, 20 Meg Disk space.
  1129.       Available by anonymous ftp:
  1130.                  <ftp://ftp.inria.fr/INRIA/Projects/Meta2/Scilab>
  1131.  
  1132. Cubic Oscillator Explorer
  1133.    The CUBIC OSCILLATOR EXPLORER is a Macintosh application which allows
  1134.    interactive exploration of the chaotic processes of the Cubic Oscillator,
  1135.    commonly known as Duffing's System. 
  1136.       System: Macintosh
  1137.       Available from WWW FRACTAL MUSIC PROJECT at:
  1138.                <http://www-ks.rus.uni-stuttgart.de/people/schulz/fmusic/>
  1139.  
  1140. Dynamics: Numerical Explorations.  
  1141.    Nusse, Helena E. and J.E. Yorke, 1994. book + diskette. A hands on approach 
  1142.    to learning the concepts and the many aspects in computing relevant 
  1143.     quantities in chaos
  1144.       System: PC-compatible computer or X-windows system on Unix computers
  1145.       Available: Springer-Verlag
  1146.  
  1147. PHASER
  1148.    Kocak, H., 1989. Differential and Difference Equations through Computer 
  1149.    Experiments: with a supplementary diskette comtaining PHASER: An 
  1150.    Animator/Simulator for Dynamical Systems emonstrates a large number of 1D-
  1151.    4D differential equations--many not chaotic--and 1D-3D difference 
  1152.    equations.
  1153.       System: PC-compatible computer + ???
  1154.       Available: Springer-Verlag
  1155.  
  1156. The Academic Software Library:
  1157.  Chaos Simulations
  1158.    Bessoir, T., and A. Wolf, 1990. Demonstrates logistic map, Lyapunov
  1159.    exponents, billiards in a stadium, sensitive dependence, 
  1160.    n-body gravitational motion.
  1161.      Available: The Academic Software Library, (800) 955-TASL. $70.
  1162.  Chaos Data Analyser 
  1163.    A PC program for analyzing time series. By Sprott, J.C. and G. Rowlands.
  1164.      Available: The Academic Software Library, (800) 955-TASL. $70.
  1165.      For more information see:
  1166.                  <http://sprott.physics.wisc.edu/cda.htm>
  1167.  Chaos Demonstrations
  1168.    A PC program for demonstrating chaos, fractals, cellular automata, 
  1169.    and related nonlinear phenomena.  By J. C. Sprott and G. Rowlands.
  1170.      System: IBM PC or compatible with at least 512K of memory.
  1171.      Available: The Academic Software Library, (800) 955-TASL. $70.
  1172.  Chaotic Dynamics Workbench
  1173.    Performs interactive numerical experiments on systems
  1174.    modeled by ordinary differential equations, including: four versions of    
  1175.    driven Duffing oscillators, pendulum, Lorenz, driven Van der Pol osc., 
  1176.    driven Brusselator, and the Henon-Heils system.  By R. Rollins. 
  1177.      System: IBM PC or compatible, 512 KB memory.
  1178.      Available: The Academic Software Library, (800) 955-TASL, $70.
  1179.  
  1180. Chaos
  1181.    A Program Collection for the PC by Korsch, H.J. and H-J. Jodl, 1994, 
  1182.    A book/disk combo that gives a hands-on, computer experiment approach to 
  1183.    learning nonlinear dynamics.  Some of the modules cover billiard systems, 
  1184.    double pendulum, Duffing oscillator, 1D iterative maps, an "electronic 
  1185.    chaos-generator", the Mandelbrot set, and ODEs.
  1186.       System: IBM PC or compatible.
  1187.       Available: Springer-Verlag
  1188.  
  1189. MacMath
  1190.    Comes on a disk with the book MacMath, by Hubbard and West. A 
  1191.    collection of programs for dynamical systems (1 & 2 D maps, 1 to 3D flows).
  1192.    Quality is uneven, and expected Macintosh features (color, resizeable 
  1193.    windows) are not always supported (in version 9.0).
  1194.       System: Macintosh
  1195.       See: <http://archives.math.utk.edu/cgibin/fife.test/mkTxtPage.pl?/
  1196.              ftp/software/mac/calculus/MacMath/MacMath.abstract>
  1197.     Available: Springer-Verlag
  1198.  
  1199. Tufillaro's Programs
  1200.    From the book Nonlinear Dynamics and Chaos by Tufillaro, Abbot and Reilly
  1201.    (1992). A collection of programs for the Macintosh.
  1202.       System: Macintosh
  1203.       Available: Addison-Wesley
  1204.       For more info see:
  1205.                  <http://cnls-www.lanl.gov/nbt/qm.html>
  1206.                  <http://cnls-www.lanl.gov/nbt/bb.html>
  1207.  
  1208. Applied Chaos Tools
  1209.    Software package for time series analysis based on the UCSD group's, 
  1210.    work. This package is a companion for Abarbanel's book "Analysis of 
  1211.    Observed Chaotic Data", Springer-Verlag.
  1212.       System: Unix, and soon Windows 95
  1213.       For more info see:
  1214.                 <http://pm.znet.com/apchaos/csp.html>
  1215.  
  1216. **********
  1217. [30] Acknowledgments
  1218.  
  1219. Thanks to 
  1220.     Hawley Rising <mailto://rising@crl.com>,
  1221.     Bruce Stewart <mailto://bstewart@bnlux1.bnl.gov>
  1222.     Alan Champneys <mailto://a.r.champneys@bristol.ac.uk>
  1223.     Michael Rosenstein <mailto://MTR1a@aol.com>
  1224.     Troy Shinbrot <mailto://shinbrot@bart.chem-eng.nwu.edu>
  1225.     Matt Kennel <mailto://kennel@msr.epm.ornl.gov>
  1226.     Lou Pecora <mailto://pecora@zoltar.nrl.navy.mil>
  1227.     Richard Tasgal <mailto://tasgal@math.tau.ac.il>
  1228.     Wayne Hayes <mailto://wayne@cs.toronto.edu>
  1229.     S. H. Doole <mailto://Stuart.Doole@Bristol.ac.uk>
  1230.     Pavel Pokorny <mailto://pokornp@tiger.vscht.cz>, 
  1231.     Gerard Middleton <mailto://middleto@mcmail.CIS.McMaster.CA>
  1232.     Ronnie Mainieri <mailto://ronnie@cnls.lanl.gov>
  1233.     Leon Poon <mailto://lpoon@Glue.umd.edu>
  1234.     Justin Lipton <mailto://JML@basil.eng.monash.edu.au>
  1235.  
  1236. Anyone else who would like to contribute, please do! Send me your comments:
  1237.  
  1238.         Jim Meiss
  1239.         <mailto://jdm@boulder.colorado.edu>
  1240. -- 
  1241.  
  1242.     James Meiss
  1243.     Program in Applied Math
  1244.     jdm@boulder.colorado.edu
  1245.