2026-03-26

Your Classmates' Chaos Power

Your Classmates' Chaos Power

Period 3 Means Period K

首先是一些准备工作:

f(n)(x)=f(n−1)(f(x)),f(0)(x)=x\begin{gathered} f^{(n)}(x)=f^{(n-1)}(f(x)),f^{(0)}(x)=x \end{gathered}
p is a k-period point  ⟺  f(k)(p)=p and ∀k′∈(0,k),f(k′)≠p\begin{gathered} p \text{ is a k-period point}\\ \iff f^{(k)}(p)=p \text{ and } \forall k'\in (0,k),f^{(k')}\ne p \end{gathered}

Lemma 1

f∈C(I),I is closed range,f(I)⊃I  ⟹  ∃p∈I,f(p)=p\begin{gathered} f\in C(I),I \text{ is closed range} , f(I)\supset I \\ \implies \exists p\in I,f(p)=p \end{gathered}

简单的介值定理,设I=[a,b]I=[a,b],考虑f(x)−xf(x)-x,则取f(x)f(x)最大值时一定为正,取f(x)f(x)最小值位置一定为负,故存在零点.

Lemma 2

f∈C(I)  ⟹  ∀I1⊂f(I),∃I0⊂I s.t. f(I0)=I1, where I0,I1 are both closed ranges\begin{gathered} f\in C(I) \\ \implies \forall I_1\subset f(I), \exists I_0\subset I \ s.t.\ f(I_0)=I_1,\text{ where } I_0,I_1 \text{ are both closed ranges} \end{gathered}

值域上的闭区间必然可以对应一个定义域上的区间

设I1=[f(a),f(b)]I_1=[f(a),f(b)],则一定存在cc使得c=sup⁡{x∣f(x)=f(a)}c=\sup \{x|f(x)=f(a)\},由连续知f(c)=f(a)f(c)=f(a),此时一定存在 d=inf⁡{x∣f(x)=f(b),x>c}d=\inf \{x|f(x)=f(b),x>c\} 或存在 sup⁡{x∣f(x)=f(b),x<c}\sup \{x|f(x)=f(b),x<c\} ,于是取c,dc,d作为I0I_0的两个端点即可.

Lemma 3

{f∈C(I)∀{Mi}i=1n,(n≤∞),∀i,I⊃Mi,f(Mi)⊃Mi+1  ⟹  ∃{Ji}i=1n,f(i)(Ji)=Mi,I⊃Ji⊃Ji+1\begin{gathered} \begin{cases} f\in C(I) \\ \forall \{ M_i \}_{i=1}^n,(n\le \infty),\forall i,I\supset M_i,f(M_i)\supset M_{i+1} \end{cases} \\ \implies \exists \{ J_i \} _{i=1}^n ,f^{(i)}(J_i)= M_i,I\supset J_i\supset J_{i+1} \end{gathered}

考虑归纳证明,则如果已经对n<kn<k成立,则∃Jk−1,f(k−1)(Jk−1)=Mk−1\exists J_{k-1},f^{(k-1)}(J_{k-1})= M_{k-1},则对f∣Mk−1f|_{M_{k-1}}应用Lemma 2得∃I⊂Mk−1,f(I)=Mk\exists I\subset M_{k-1},f(I)=M_k,再对f(k−1)f^{(k-1)}应用Lemma知存在JkJ_k使得f(k−1)(Jk)=If^{(k-1)}(J_k)=I,于是对n=kn=k成立.

归纳边界显然.

从而可以得到推论:

∃x∈I,f(i)(x)∈Mi\begin{gathered} \exists x\in I,f^{(i)}(x)\in M_i \end{gathered}

证明只要对JJ做闭区间套.

它使得我们可以通过找一个区间包含列来找不动点.

f has a 3-period point  ⟹  ∃a,f(3)(a)≤a<f(a)<f2(a)\begin{gathered} f \text{ has a 3-period point} \\ \implies \exists a,f^{(3)}(a)\le a<f(a)<f^2(a) \end{gathered}

显然

那么可以开始我们的证明:

{f∈C(I)∃a s.t. f(3)(a)≤a<f(a)<f2(a)  ⟹  ∀k,∃b s.t. b is a k-period point\begin{gathered} \begin{cases} f\in C(I) \\ \exists a \ s.t.\ f^{(3)}(a)\le a<f(a)<f^2(a) \end{cases} \\ \implies \forall k,\exists b \ s.t.\ b \text{ is a k-period point} \end{gathered}

设b=f(a),c=f(2)(a),d=f(3)(a)b=f(a),c=f^{(2)}(a),d=f^{(3)}(a),d≤a<b<cd\le a<b<c.

设区间K=[a,b],L=[b,c]K=[a,b],L=[b,c],则显然有f(K)⊃L,f(L)⊃L,f(L)⊃Kf(K)\supset L,f(L)\supset L,f(L)\supset K.

于是可以构造出一个MM的链使得M1=K,Mi=L∀i∈[2,k−1],Mk=KM_1=K,M_i=L\forall i\in [2,k-1],M_k=K,于是由Lemma 3存在JkJ_k满足f(k)(Jk)=Mk=Kf^{(k)}(J_k)=M_k=K,一定存在不动点x0∈Kx_0\in K.

而同时,对任意i<k,i∣ki<k,i|k,若f(i)(x0)=x0f^{(i)}(x_0)=x_0,则一定有x0=f(i)(x0)∈Lx_0=f^{(i)}(x_0)\in L,但x0∈Kx_0\in K得x0=bx_0=b,但此时f(2)(x0)=d∉Lf^{(2)}(x_0)=d\notin L,矛盾.

注意我们的证明对k=2k=2是可以照搬成立(K→L→KK\to L\to K)的,对k=1k=1则是说f(L)⊃Lf(L)\supset L就得到了.

把找周期点转换到区间以利用连续性,然后区间的嵌套找到了一条关于不动点是怎么跳跃的路.

Period 3 Means Chaos

若满足上面最后一个定理的条件,则存在不可数集SS满足:

  1. ∀x,y∈S,lim sup⁡n→∞∣f(n)(x)−f(n)(y)∣>0\forall x,y\in S,\limsup_{n \to \infty} |f^{(n)}(x)-f^{(n)}(y)|>0
  2. ∀x,y∈S,lim inf⁡n→∞∣f(n)(x)−f(n)(y)∣=0\forall x,y\in S,\liminf_{n \to \infty} |f^{(n)}(x)-f^{(n)}(y)|=0
  3. ∀x∈S,y is a period point,lim sup⁡n→∞∣f(n)(x)−f(n)(y)∣>0\forall x\in S,y \text{ is a period point} ,\limsup_{n \to \infty} |f^{(n)}(x)-f^{(n)}(y)|>0

SS中的任意两点无限次接近,无限次分离,且始终不趋近于一个周期点.

可以构造区间列 {Mi}i=1∞\{ M_i \}_{i=1}^\infty,满足:

  • Mi=KM_i=K 或 Mi⊂L,f(Mi)⊃Mi+1M_i\subset L,f(M_i)\supset M_{i+1}.
  • Mi=K  ⟹  i is a square numberM_i=K \implies i \text{ is a square number}.

(显然f(Mi)⊃Mi+1f(M_i)\supset M_{i+1}对Mi=KM_i=K也是成立的.)

(同时注意到若Mi=KM_i=K,则Mi+1≠K,Mi+2≠KM_{i+1}\ne K,M_{i+2}\ne K,由平方数保证.)

则定义 P({Mi},n)=∑i=1n[Mi=K]P(\{ M_i \},n)=\sum _{i = 1} ^{n} [M_i=K],定义密度是 ρ({Mi})=lim⁡n→∞P({Mi},n2)n\rho(\{ M_i \})=\lim_{n \to \infty} \dfrac{P(\{ M_i \} ,n^2)}{n}.

通过很简单的方法容易构造出指定密度的序列:对每个n=k2n=k^2先算一下密度然后如果当前密度太小就让Mn=KM_n=K,否则Mn=LM_n=L,即可.

记Mr={Mi}i=1∞M^r=\{ M_i \}_{i=1}^\infty表示一个满足ρ(Mr)=r\rho(M^r)=r的集合.

由Lemma3推论,∃xr,f(n)(x)=Mnr\exists x_r,f^{(n)}(x)=M^r_n,令 S={xr∣r∈(34,1)}S=\{ x_r|r\in (\dfrac34,1) \}.

现在考虑证明1,那么∀a,b\forall a,b,由于密度不同,存在无数个nn使得[Mna=K]≠[Mnb=K][M^a_n=K]\ne [M^b_n=K](区间类型不同).

若x∈K=[a,b],f2(x)∈L=[b,c]x\in K=[a,b],f^2(x)\in L=[b,c],但f2(b)=d≤af^2(b)=d\le a,由于f2f^2连续,则 ∃δ>0 s.t. f2(x)<b,∀x∈[b−δ,b]\exists \delta>0 \ s.t.\ f^2(x)<b,\forall x\in [b-\delta,b],从而x<b−δx<b-\delta.

于是当xa,xbx^a,x^b所在区间类型不同时必然有∣f(n)(xa)−f(n)(xb)∣>δ|f^{(n)}(x^a)-f^{(n)}(x^b)|> \delta,于是1得证.


对33也是一样的:由我们的构造保证了SS中的点与周期点在迭代中一定有无数次所在区间类型不同.

然后再证明结论2,此时论文/你的同学 说你要想一个神秘构造:你拿到一个区间序列:

∀{Ii=[li,ri]}i=1∞s.t.{[li,ri]⊂[li−1,ri−1]⊂L=[b,c]f([li,ri])=[li−1,ri−1]f(li)=ri−1,f(ri)=li−1\begin{gathered} \forall \{ I_i=[l_i,r_i] \}_{i=1}^\infty \\ s.t.\\ \begin{cases} [l_i,r_i]\subset [l_{i-1},r_{i-1}]\subset L=[b,c] \\ f([l_i,r_i])=[l_{i-1},r_{i-1}] \\ f(l_i)=r_{i-1},f(r_i)=l_{i-1} \end{cases} \end{gathered}

这串区间一定存在

归纳,现在要在In[ln,rn]I_n[l_n,r_n]的基础上构造In+1=[ln+1,rn+1]I_{n+1}=[l_{n+1},r_{n+1}].

因为f(ln)=rn−1,f(rn)=ln−1,ln∈[ln−1,rn−1]f(l_n)=r_{n-1},f(r_n)=l_{n-1},l_n\in [l_{n-1},r_{n-1}],由介值定理,存在rn+1∈[ln,rn]r_{n+1}\in [l_n,r_n]使f(rn+1)=lnf(r_{n+1})=l_n.

然后因为f(ln)=rn−1,f(rn+1)=ln,rn∈(ln,rn−1)f(l_n)=r_{n-1},f(r_{n+1})=l_n,r_n\in (l_n,r_{n-1}),由介值定理知存在ln+1∈[ln,rn+1]l_{n+1}\in [l_n,r_{n+1}]使得f(ln+1)=rnf(l_{n+1})=r_n

于是存在[ln+1,rn+1][l_{n+1},r_{n+1}].

归纳边界平凡(可以对I1=L,I0=[d,c]I_1=L,I_0=[d,c]用上面的归纳做一步).

这是实际上是在说你构造一串区间,使得如果这一步x∈Ikx\in I_k,则一定有f(x)∈Ik−1f(x)\in I_{k-1}.

设[l∗,r∗]=⋂iIi[l^*,r^*]=\bigcap_i I_i,则一定有f(l∗)=r∗,f(r∗)=l∗f(l^*)=r^*,f(r^*)=l^*.

然后你开始构造MM,若Mn2=K,M(n+1)2=KM_{n^2}=K,M_{(n+1)^2}=K,则对中间的这么构造:

Mn2+2i−1=[l(2n)+1−(2i−1),l∗]Mn2+2i=[r∗,r(2n)+1−(2i)]\begin{gathered} M_{n^2+2i-1}=[l_{(2n)+1-(2i-1)},l^*] \\ M_{n^2+2i}=[r^*,r_{(2n)+1-(2i)}] \end{gathered}

1774492897319

于是你发现它满足MM的所有要求,且假设有两个点xa,xbx^a,x^b满足Mn2a=Mn2b=M(n+1)2a=M(n+1)2b=KM^a_{n^2}=M^b_{n^2}=M^a_{(n+1)^2}=M^b_{(n+1)^2}=K,那么在[n2,(n+1)2][n^2,(n+1)^2]次迭代中他们一直处于同一个区间,于是两个点距离会不超过∣Mn2+1∣|M_{n^2+1}|,而这个区间的长度l∗−l2n+2l^*-l_{2n+2}是递减且趋近于00的,所以只要存在无穷次,这两个点在相邻两次同时落在KK里,就能说明他们无穷此任意接近.

而这时候就是我们之前密度限制的作用了:KK的频率是rr,那么非KK的频率是(1−r)(1-r),那么如果把(n,n+1)(n,n+1)绑定起来,Mn2=M(n+1)2=KM_{n^2}=M_{(n+1)^2}=K的频率就至少是1−2∗(1−r)=2r−11-2*(1-r)=2r-1,因为一个非KK至多破坏两个(n,n+1)(n,n+1)的二元组,使其不满足条件.

那么现在对频率a,ba,b,他俩的频率分别是2a−12a-1,2b−12b-1,我们设Ma,MbM^a,M^b中满足(n,n+1)(n,n+1)满足条件的集合分别是A,BA,B,那么A∩BA\cap B的频率p≥2a−1+2b−1−1=2(a+b)−3p\ge 2a-1+2b-1-1=2(a+b)-3,因为a,b>34a,b>\dfrac34,得p>0p>0,故A∩BA\cap B有无穷个元素,他们俩确实会无穷次落到我们刚才用II给他制定的轨道里.

于是就得证了.