國立中興大學教學大綱
課程名稱 (中) 動態系統(5107)
(Eng.) Dynamical Systems
開課單位 機械系
課程類別 選修 學分 3 授課教師 陳志敏
選課單位 機械系 / 學士班 授課使用語言 中/英文 英文/EMI 開課學期 1122
課程簡述 本課程主要介紹非線性動態系統之數學模式與物理現象的特性。課程內容包括系統參數與動態反應的關係,線性常微分方程之幾何特性與穩定性分析,非線性系統穩定性之分析及渾沌現象。在本課程中,將以友善、不拘細節,但仍小心的態度處理數學的問題,強調分析之目的與方法,配合淺顯、具體的例題,建立幾何樣貌的直覺觀念。
先修課程名稱
課程含自主學習 N
課程與核心能力關聯配比(%) 課程目標之教學方法與評量方法
課程目標 核心能力 配比(%) 教學方法 評量方法
1. 探討工程與物理等動態系統的數學模式及其穩定性的分析;模式建立與分析的應用亦包含生物、化學及流行病學。
2. 著重於觀察分析線性與非線性系統的結構性改變(structural changes)。
1.運用數學、科學及機械工程知識之能力。
2.設計與執行實驗以及分析數據之能力。
3.具有計畫管理、團隊合作並能設計、製作機械工程系統之能力。
4.具人文素養並能認識時事議題、瞭解科學與工程技術對社會及全球的影響。
5.培養學生自我學習之能力。
6.認知機械工程人員之專業倫理與社會責任。
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10
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講授
測驗
書面報告
口頭報告
作業
授課內容(單元名稱與內容、習作/每週授課、考試進度-共18週)
週次 授課內容
第1週 Introduction: chaos, fractals, dynamics, and importance of being nonlinear.
第2週 One-dimensional flows (systems): geometric ways of thinking, fixed points and stability, structural change, and system potentials.
第3週 Bifurcations: saddle-node bifurcation, transcritical bifurcation, supercritical and subcritical pitch-fork bifurcations, imperfect bifurcations and catastrophes.
第4週 Bifurcations: saddle-node bifurcation, transcritical bifurcation, supercritical and subcritical pitch-fork bifurcations, imperfect bifurcations and catastrophes. Phase-locking phenomenon in a nonuniform oscillator.
第5週 Linear 2-D systems: phase portraits, eigenvalues and eigenvectors, classification of stabilityies.
第6週 Nonlinear 2-D systems: phase portraits, numerical integration and spectral analysis-FFT, fixed points and linearization, conservative systems, reversible systems.
第7週 Nonlinear 2-D systems: phase portraits, numerical integration and spectral analysis-FFT, fixed points and linearization, conservative systems, reversible system.
第8週 Midterm exam: in class.
第9週 Limit cycles: Liapunov functions, Poincaré-Bendixson theorem, Liénard systems, relaxation oscillators, weakly nonlinear oscillators.

第10週 Bifurcations revisited in 2-D systems: saddle-node, transcritical, and pitch-fork bifurcations, Hopf bifurcations, oscillating chemical-reactions, hysteresis, quasiperiodic oscillations, Poincaré maps.
第11週 Bifurcations revisited in 2-D systems: saddle-node, transcritical, and pitch-fork bifurcations, Hopf bifurcations, oscillating chemical-reactions, hysteresis, quasiperiodic oscillations, Poincaré maps.
第12週 Duffing’s equation: forced double-well oscillator, a route from periodic oscillation to chaos.
第13週 Chaos on 1-D maps and strange attractor: logistic map, period-doubling, Liapunov exponent, orbit diagram and periodic widow, Lorenz map, signal-masking.
第14週 Lorenz Equations and other chaotic systems: properties of strange attractor and route to chaos.
第15週 Proposal and discussion for the final project that requires numerical simulations and analyses of a dynamical system selected from published papers or chapters of texts discussing chaotic/fractal behaviors.
第16週 Introduction to fractals: Cantor set, dimension of self-similar fractals, box dimensions, pointwise and correlation dimensions.
第17週 Oral presentation and written report of the final project.
第18週 Self-directed learning and discussion on final project for systems having chaotic/fractal behaviors.
學習評量方式
作業:30 %
期中考試:30 %
期末報告:40 %
教科書&參考書目(書名、作者、書局、代理商、說明)
教科書: Strogatz, S. H., Nonlinear Dynamics and Chaos: with Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering, 2nd edition, CRC Press, Boca Raton, FL, 2018.
參考書: Moon, F. C., Chaotic Vibrations: An Introduction for Applied Scientists and Engineers, Wiley, New York, 2004.
課程教材(教師個人網址請列在本校內之網址)
數位教學平台iLearning
Lecture notes (handwriting on the iPad), PowerPoint sides, Selected papers
課程輔導時間
週三 下午 14:00~15:00
聯合國全球永續發展目標
09.工業、創新基礎建設   15.陸地生態提供體驗課程:N
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更新日期 西元年/月/日:2024/01/11 14:33:40 列印日期 西元年/月/日:2024 / 5 / 05
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