Proste modele o zªo»onej dynamice

Podobne dokumenty
1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

Bifurkacje. Ewa Gudowska-Nowak Nowak. Plus ratio quam vis

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Matematyka 1. Šukasz Dawidowski. Instytut Matematyki, Uniwersytet l ski

Interpolacja funkcjami sklejanymi

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

2. (8 punktów) 3. (8 punktów) 4. (8 punktów) 5. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Rachunek ró»niczkowy funkcji jednej zmiennej

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

Wst p do sieci neuronowych 2010/2011 wykªad 7 Algorytm propagacji wstecznej cd.

Metody dowodzenia twierdze«

ZADANIA OTWARTE KRÓTKIEJ ODPOWIEDZI

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

Elementarna statystyka Dwie próby: porównanie dwóch proporcji (Two-sample problem: comparing two proportions)

Lekcja 9 - LICZBY LOSOWE, ZMIENNE

Statystyka. Šukasz Dawidowski. Instytut Matematyki, Uniwersytet l ski

Krzywe i powierzchnie stopnia drugiego

f(x) f(x 0 ) i f +(x 0 ) := lim = f(x 0 + x) f(x 0 ) wynika ci gªo± funkcji w punkcie x 0. W ka»dym przypadku zachodzi:

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

Oba zbiory s uporz dkowane liniowo. Badamy funkcj w pobli»u kresów dziedziny. Pewne punkty szczególne (np. zmiana denicji funkcji).

Liniowe zadania najmniejszych kwadratów

Funkcje wielu zmiennych

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

Statystyka matematyczna

Dyskretne modele populacji

3. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, Biomatematyka

Lekcja 9 Liczby losowe, zmienne, staªe

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Funkcja kwadratowa, wielomiany oraz funkcje wymierne

Ciaªa i wielomiany. 1 Denicja ciaªa. Ciaªa i wielomiany 1

Informacje pomocnicze

Jan Olek. Uniwersytet Stefana Kardynała Wyszyńskiego. Procesy z Opóźnieniem. J. Olek. Równanie logistyczne. Założenia

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Biostatystyka, # 5 /Weterynaria I/

Twierdzenie Wainera. Marek Czarnecki. Warszawa, 3 lipca Wydziaª Filozoi i Socjologii Uniwersytet Warszawski

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

MATERIA DIAGNOSTYCZNY Z MATEMATYKI

JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1. JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

Ekonometria. wiczenia 7 Modele nieliniowe. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

Ekstremalnie fajne równania

Ekonometria - wykªad 8

Vincent Van GOGH: M»czyzna pij cy li»ank kawy. Radosªaw Klimek. J zyk programowania Java

Ukªady równa«liniowych

Ksztaªt orbity planety: I prawo Keplera

1. Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: 2. Narysuj zbiory punktów na pªaszczy¹nie:

I Rok LOGISTYKI: wykªad 2 Pochodna funkcji. iloraz ró»nicowy x y x

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Wielomiany o wspóªczynnikach rzeczywistych

K P K P R K P R D K P R D W

Liczenie podziaªów liczby: algorytm Eulera

Egzamin test. Matematyka dla Biologów Warszawa, 1 lutego GRUPA A

Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

EGZAMIN MAGISTERSKI, r Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

MODEL HAHNFELDTA I IN. ANGIOGENEZY NOWOTWOROWEJ Z UWZGL DNIENIEM LEKOOPORNO CI KOMÓREK NOWOTWOROWYCH

ZADANIA. Maciej Zakarczemny

Ekonometria. wiczenia 1 Regresja liniowa i MNK. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Rachunek ró»niczkowy funkcji wielu zmiennych

Macierze i Wyznaczniki

Opis matematyczny ukªadów liniowych

Listy Inne przykªady Rozwi zywanie problemów. Listy w Mathematice. Marcin Karcz. Wydziaª Matematyki, Fizyki i Informatyki.

PRZYBLI ONE METODY ROZWI ZYWANIA RÓWNA

STATYSTYCZNE MODELOWANIE DANYCH BIOLOGICZNYCH

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Optyka geometryczna. Soczewki. Marcin S. Ma kowicz. rok szk. 2009/2010. Zespóª Szkóª Ponadgimnazjalnych Nr 2 w Brzesku

Arkusz zawiera informacje prawnie chronione do momentu rozpocz cia egzaminu.

r = x x2 2 + x2 3.

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM ROZSZERZONY. S x 3x y. 1.5 Podanie odpowiedzi: Poszukiwane liczby to : 2, 6, 5.

5. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, r Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

Rekurencja. Algorytmy i Struktury Danych. (c) Marcin Sydow. Wst p. Fibonacci. Liniowe 2. rz du. Wie»e Hanoi. Wa»ne 3 przypadki

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

Dynamiczne wªasno±ci algorytmu propagacji przekona«

Statystyka matematyczna - ZSTA LMO

10 zadań związanych z granicą i pochodną funkcji.

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI CZERWIEC 2012 POZIOM PODSTAWOWY. Czas pracy: 170 minut. Liczba punktów do uzyskania: 50 WPISUJE ZDAJĄCY

Równania ró»niczkowe rz du pierwszego

MATEMATYKA POZIOM ROZSZERZONY PRZYK ADOWY ZESTAW ZADA NR 2. Miejsce na naklejk z kodem szko y CKE MARZEC ROK Czas pracy 150 minut

Modele wielorównaniowe. Problem identykacji

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Informatyka, matematyka i sztuczki magiczne

Algorytmy zwiazane z gramatykami bezkontekstowymi

WBiA Architektura i Urbanistyka. 1. Wykonaj dziaªania na macierzach: Które z iloczynów: A 2 B, AB 2, BA 2, B 2 3, B = 1 2 0

O pewnym zadaniu olimpijskim

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Pochodna funkcji jednej zmiennej

ψ x < a/2 2mE ψ x > a/2

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Funkcje wielu zmiennych

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Spis tre±ci. Plan. 1 Pochodna cz stkowa. 1.1 Denicja Przykªady Wªasno±ci Pochodne wy»szych rz dów... 3

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

Matematyka dyskretna dla informatyków

Mikro II: Krzywe kosztów, Poda» rmy i Poda» gaª zi.

Transkrypt:

Proste modele o zªo»onej dynamice czyli krótki wst p do teorii chaosu Tomasz Rodak Festiwal Nauki, Techniki i Sztuki 2018 April 17, 2018

Dyskretny model pojedynczej populacji Rozwa»my pojedyncz populacj organizmów o niezachodz cych pokoleniach (np. populacja ro±lin jednorocznych albo owadów). Pytamy, jak z roku na rok zmienia si liczebno± tej populacji. Niech X n oznacza liczno± populacji w roku n. Zaªó»my,»e liczno± populacji w danym roku zale»y jedynie od liczno±ci w roku poprzednim. Wówczas zmienno± populacji w czasie mo»emy zapisa równaniem X n+1 = f (X n )

Dyskretny model pojedynczej populacji Równanie X n+1 = f (X n ) jest równaniem rekurencyjnym. Rozumiemy je tak: je±li X 0 jest znan warto±ci pocz tkow, to wszystkie warto±ci kolejne uzyskujemy z równo±ci X 1 = f (X 0 ), X 2 = f (X 1 ) = f (f (X 0 )), X 3 = f (X 2 ) = f (f (f (X 0 ))),...

Model wykªadniczy Najprostszy nietrywialny przypadek, to zaªo»enie,»e liczno± w pokoleniu n + 1 jest wprost proporcjonalna do liczno±ci w pokoleniu n. To daje funkcj f (X ) := rx, r > 0. i rekurencj X n+1 = rx n. Parametr r nazywamy tempem reprodukcji. Wyliczaj c pierwsze wyrazy ci gu X 0, X 1, X 2,..., X n,... zgadujemy jego posta X 0, rx 0, r 2 X 0,..., r n X 0,...

Wniosek W modelu wykªadniczym f (X ) = rx liczno± w n-tym pokoleniu wyra»a si wzorem X n = r n X 0.

Przypadek 0 < r < 1 Populacja wymiera.

Przypadek r > 1 Populacja ro±nie w sposób nieograniczony.

Model logistyczny Ten model zadany jest przez odwzorowanie logistyczne f (X ) := rx (1 X ), r > 0.

Model logistyczny Rozwa»my odwzorowanie logistyczne f (X ) = rx (1 X ) z parametrem r = 5. Dla X 0 = 1/2 dostajemy X 1 = f (X 0 ) = 5 1 ( 2 1 1 ) = 5 2 4, X 2 = f (X 1 ) = 5 5 ( 4 1 5 ) = 25 4 16 < 0! Zatem X 2 jest ujemne, gdy» X 1 znalazªo si poza przedziaªem 0, 1.

Wªasno±ci odwzorowania logistycznego Jak dobra r w odwzorowaniu f (X ) = rx (1 X ) tak, aby X n 0 dla wszystkich n?

Wªasno±ci odwzorowania logistycznego Funkcja f jest nieujemna na przedziale 0, 1 : Poniewa» 0 X 1 = f (X ) 0. f (X ) = r wi c je±li 0 r 4, to ( X 1 ) 2 + r 2 4, 0 X 1 = 0 f (X ) 1.

Wniosek Niech 0 r 4 oraz 0 X 0 1. Je±li X n+1 = rx n (1 X n ), n = 1, 2, 3..., to 0 X n 1 dla wszystkich n.

Portrety Odwzorowania logistyczne dla wybranych r 0, 4.

Kilka symulacji Posta ci gu (X n ) przy ustalonym X 0 = 0.07, ale dla ró»nych r.

Uwaga Nie istnieje prosty wzór bezpo±rednio wyra»aj cy X n w zale»no±ci od r i n. Czy widzisz jaki± schemat, po wyznaczeniu trzech pierwszych warto±ci? X 1 = f (X 0 ) = X 2 0 r + X 0 r X 2 = f (X 1 ) = X 4 0 r 3 + 2 X 3 0 r 3 X 2 0 r 3 X 2 0 r 2 + X 0 r 2 X 3 = f (X 2 ) = X 8 0 r 7 + 4 X 7 0 r 7 6 X 6 0 r 7 2 X 6 0 r 6 + 4 X 5 0 r 7 + 6 X 5 0 r 6 X 4 0 r 7 6 X 4 0 r 6 X 4 0 r 5 + 2 X 3 0 r 6 X 4 0 r 4 + 2 X 3 0 r 5 + 2 X 3 0 r 4 X 2 0 r 5 X 2 0 r 4 X 2 0 r 3 + X 0 r 3 X 4 = f (X 3 ) =...

Analiza graczna Ustalamy 0 X 0 1. Ustalamy 0 r 4 i rysujemy wykres f (X ) = rx (1 X ) na przedziale 0, 1. Wykres ten caªkowicie mie±ci si w kwadracie 0, 1 0, 1.

Analiza graczna Dorysowujemy pomocniczy wykres y = x, czyli przek tn kwadratu 0, 1 0, 1.

Analiza graczna Warto±ci X 1, X 2, X 3,... odczytujemy z wykresu rysuj c paj czyn.

Analiza graczna Zachowujemy dane pocz tkowe z poprzedniego slajdu. W tym przypadku kilkadziesi t pierwszych pokole«prezentuje si raczej chaotycznie.

Obserwacja 1 Je±li 0 r 1, to trajektorie X 0, X 1, X 2,... zawsze zbiegaj do zera -- jedynego punktu wspólnego paraboli i przek tnej. Populacja wymiera.

Pochªanianie w punkcie staªym Eksperymenty pokazuj,»e dla r > 1 trajektorie cz sto zbiegaj do niezerowego punktu staªego f.

Odpychanie od punktu staªego Cho mog te» zachowywa si chaotycznie; zwªaszcza wtedy, gdy r jest bliskie 4.

Punkty staªe f Punkty staªe f wyznaczymy rozwi zuj c równanie f (X ) = X rx (1 X ) = X X ( rx + r 1) = 0 Zatem X = 0 lub X = 1 1 r

Obserwacja 2 Zachowanie trajektorii X 0, X 1, X 2,... zale»y od tego, jak styczna do wykresu w punkcie staªym jest nachylona do poziomu.

Podgl d przez lup Je±li wspóªczynnik kierunkowy a stycznej ma warto± bezwzgl dn mniejsz od 1, to trajektoria jest przez punkt staªy "przyci gana" i do niego zbiega. Tutaj 1 < a < 0. Dostajemy paj czyn.

Podgl d przez lup A tutaj 0 < a < 1. Raczej schody ni» paj czyna.

Podgl d przez lup Je±li wspóªczynnik kierunkowy a stycznej ma warto± bezwzgl dn wi ksz od 1, to trajektoria jest od punktu staªego odpychana. Tutaj a < 1. Znów paj czyna.

Podgl d przez lup A tutaj a > 1. I znów schody.

Czym jest styczna do wykresu? Styczna do wykresu to granica siecznych. Wspóªczynnik kierunkowy stycznej, to granica wspóªczynników kierunkowych siecznych, czyli pochodna funkcji w punkcie.

Styczna dla odwzorowania logistycznego Pami tamy,»e f (X ) = rx (1 X ).

Styczna dla odwzorowania logistycznego Pami tamy,»e f (X ) = rx (1 X ). Wspóªczynnik kierunkowy siecznej przechodz cej przez (x 0, f (x 0 )), (x 0 + h, f (x 0 + h)) jest wi c równy a h = f (x 0 + h) f (x 0 ) = f (x 0 + h) f (x 0 ) (x 0 + h) x 0 h ) = r (x 0 + h) r (x 0 + h) 2 ( rx 0 rx 2 0 h = r (1 2x 0 h).

Styczna dla odwzorowania logistycznego Pami tamy,»e f (X ) = rx (1 X ). Wspóªczynnik kierunkowy siecznej przechodz cej przez (x 0, f (x 0 )), (x 0 + h, f (x 0 + h)) jest wi c równy a h = f (x 0 + h) f (x 0 ) = f (x 0 + h) f (x 0 ) (x 0 + h) x 0 h ) = r (x 0 + h) r (x 0 + h) 2 ( rx 0 rx 2 0 h = r (1 2x 0 h). Zatem wspóªczynnik kierunkowy a stycznej do wykresu f w punkcie (x 0, f (x 0 )) jest równy a = lim h 0 a h = lim h 0 r (1 2x 0 h) = r (1 2x 0 ).

Styczna dla odwzorowania logistycznego Wspóªczynnik kierunkowy stycznej do f w punkcie (0, 0) wynosi r (1 2x 0 ) x0 =0 = r.

Styczna dla odwzorowania logistycznego Wspóªczynnik kierunkowy stycznej do f w punkcie (0, 0) wynosi r (1 2x 0 ) x0 =0 = r. Wniosek: Punkt staªy (0, 0) jest przyci gaj cy dla 0 r < 1, odpychaj cy dla 1 < r 4.

Styczna dla odwzorowania logistycznego Wspóªczynnik kierunkowy stycznej do f w punkcie ( 1 1 r, 1 ) 1 r wynosi ( r (1 2x 0 ) x0 =1 1/r (1 = r 2 1 1 )) r = 2 r.

Styczna dla odwzorowania logistycznego Wspóªczynnik kierunkowy stycznej do f w punkcie ( 1 1 r, 1 ) 1 r wynosi ( r (1 2x 0 ) x0 =1 1/r (1 = r 2 1 1 )) r = 2 r. Wniosek: Punkt staªy ( 1 1 r, 1 1 r ) jest przyci gaj cy dla 0 r < 3, odpychaj cy dla 3 < r 4.

Konkluzje matematyczne Dla 3 < r 4 oba punkty staªe s odpychaj ce. Trajektoria (X n ) nie mo»e wydosta si z przedziaªu 0, 1, ale nie mo»e te» by zbie»na. W konsekwencji zachowuje si albo okresowo, albo chaotycznie. Okres mo»e by dowolnie dªugi i w sko«czonym czasie nieodró»nialny od chaosu. Trajektoria chaotyczna jest deterministyczna mimo,»e wygl da jak losowa.

Konkluzje przyrodnicze Nie ma jak odró»ni losowych zmian w populacji, spowodowanych np. wpªywem ±rodowiska, od zmian deterministycznych, które jedynie wygl daj na losowe. Pojawia si efekt motyla: dwie populacje startuj ce z niemal t sam liczebno±ci ju» po kilkunastu pokoleniach mog si bardzo ró»ni.