Subject: Lyapunov fractals                          
   Q17a: Where are the popular periodically-forced Lyapunov fractals          
described?                                                                    
   A17a: See:                                                                 
    1. A. K. Dewdney, Leaping into Lyapunov Space, Scientific American, Sept. 
1991, pp. 178-180.                                                            
    2. M. Markus and B. Hess, Lyapunov Exponents of the Logistic Map with     
Periodic Forcing, Computers and Graphics 13, 4 (1989), pp. 553-558.           
    3. M. Markus, Chaos in Maps with Continuous and Discontinuous Maxima,     
Computers in Physics, Sep/Oct 1990, pp. 481-493.                              
                                                                              
   Q17b: What are Lyapunov exponents?                                         
   A17b: Lyapunov exponents quantify the amount of linear stability or        
instability of an attractor, or an asymptotically long orbit of a dynamical   
system. There are as many lyapunov exponents as there are dimensions in the   
state space of the system, but the largest is usually the most important.     
   Given two initial conditions for a chaotic system, a and b, which are close
together, the average values obtained in successive iterations for a and b    
will differ by an exponentially increasing amount. In other words, the two    
sets of numbers drift apart exponentially. If this is written e^(n*(lambda)   
for n iterations, then e^(lambda) is the factor by which the distance between 
closely related points becomes stretched or contracted in one iteration.      
Lambda is the Lyapunov exponent. At least one Lyapunov exponent must be       
positive in a chaotic system. A simple derivation is available in:            
    1. H. G. Schuster, Deterministic Chaos: An Introduction, Physics Verlag,  
1984.                                                                         
                                                                              
   Q17c: How can Lyapunov exponents be calculated?                            
   A17c: For the common periodic forcing pictures, the lyapunov exponent is:  
   lambda = limit as N -> infinity of 1/N times sum from n=1 to N of          
log2(abs(dx sub n+1 over dx sub n))                                           
   In other words, at each point in the sequence, the derivative of the       
iterated equation is evaluated. The Lyapunov exponent is the average value of 
the log of the derivative. If the value is negative, the iteration is stable. 
Note that summing the logs corresponds to multiplying the derivatives; if the 
product of the derivatives has magnitude < 1, points will get pulled closer   
together as they go through the iteration.                                    
   MS-DOS and Unix programs for estimating Lyapunov exponents from short time 
series are available by ftp: ftp://inls.ucsd.edu/pub/ncsu/                    
   Computing Lyapunov exponents in general is more difficult. Some references 
are:                                                                          
    1. H. D. I. Abarbanel, R. Brown and M. B. Kennel, Lyapunov Exponents in   
Chaotic Systems: Their importance and their evaluation using observed data,   
International Journal of Modern Physics B 56, 9 (1991), pp. 1347-1375.        
    2. A. K. Dewdney, Leaping into Lyapunov Space, Scientific American, Sept. 
1991, pp. 178-180.                                                            
    3. M. Frank and T. Stenges, Journal of Economic Surveys 2 (1988), pp. 103-
133.                                                                          
    4. T. S. Parker and L. O. Chua, Practical Numerical Algorithms for Chaotic
Systems, Springer Verlag, 1989.                                               
                                                                              


HyperText/CGI-HTML, v. 3.6.4 (C)1994-2000 M.Zakharov