MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Podobne dokumenty
Podręcznik. Przykład 1: Wyborcy

Podręcznik. Wzór Shannona

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Układy dynamiczne Chaos deterministyczny

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Dynamika nieliniowa i chaos deterministyczny. Fizyka układów złożonych

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Specjalistyczna Pracownia Komputerowa Obliczanie widma Lapunowa

Podręcznik. Model czy teoria

Efekt motyla i dziwne atraktory

Prognozowanie i Symulacje. Wykład I. Matematyczne metody prognozowania

TEORIA CHAOSU. Autorzy: Szymon Sapkowski, Karolina Seweryn, Olaf Skrabacz, Kinga Szarkowska

Chaos, fraktale oraz euroatraktor

GRA Przykład. 1) Zbiór graczy. 2) Zbiór strategii. 3) Wypłaty. n = 2 myśliwych. I= {1,,n} S = {polować na jelenia, gonić zająca} S = {1,,m} 10 utils

Modelowanie komputerowe układów złożonych

Stochastyczna dynamika z opóźnieniem czasowym w grach ewolucyjnych oraz modelach ekspresji i regulacji genów

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Modelowanie wieloskalowe. Automaty Komórkowe - podstawy

Automaty komórkowe. Katarzyna Sznajd-Weron

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Rys.1. Obraz Pollocka. Eyes heat.

Obliczenia inspirowane Naturą

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

Uniwersalność wykresu bifurkacyjnego w uogólnionym odwzorowaniu logistycznym

Wprowadzenie do środowiska MATLAB z zastosowaniami w modelowaniu i analizie danych

Spacery losowe generowanie realizacji procesu losowego

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Teoria Chaosu. Proste modele ze złożonym zachowaniem: o teorii chaosu w ekologii.

Stała w przedsionku chaosu

Fraktale. i Rachunek Prawdopodobieństwa

Stochastyczne dynamiki z opóźnieniami czasowymi w grach ewolucyjnych

Zadania domowe. Ćwiczenie 2. Rysowanie obiektów 2-D przy pomocy tworów pierwotnych biblioteki graficznej OpenGL

SYMULACJA WYBRANYCH PROCESÓW

PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA WRACIBORZU PODSTAWY JEDNOWYMIAROWYCH UKŁADÓW DYNAMICZNYCH

Definicje i przykłady

Procesy Markowa zawdzięczają swoją nazwę ich twórcy Andriejowi Markowowi, który po raz pierwszy opisał problem w 1906 roku.

Rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych za pomocą komputera

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7

Sygnały losowe i ich analiza. Paweł Strumiłło, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

Tematy prac magisterskich i doktorskich

Układy dynamiczne i całkowanie równań różniczkowych zwyczajnych, układy nieliniowe i chaotyczne

Drgania, dynamika nieliniowa i chaos deterministyczny. Katarzyna Weron

Rozwiązywanie równań nieliniowych

CHAOS DETERMINISTYCZNY W BADANIU DYNAMIKI ZMIAN ORGANIZACJI

Chaos w układach dynamicznych: miary i kryteria chaosu

Wykład z Technologii Informacyjnych. Piotr Mika

Obliczenia inspirowane Naturą

MODELOWANIE DYNAMIKI CHAOTYCZNEJ W ŚRODOWISKU MATLAB-SIMULINK

Chaotyczne generatory liczb pseudolosowych

dr hab. Andrzej Krawiecki rezonans fal spinowych, rezonans stochastyczny, sieci ewoluujące, sieci złożone

Kryptoanaliza algorytmu chaotycznego szyfrowania obrazu

STATYSTYKA OPISOWA. Przykłady problemów: - badanie opinii publicznej na temat preferencji wyborczych;

Ruch drogowy, korki uliczne - czy fizyk może coś na to poradzić?

METODY ROZWIĄZYWANIA RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

SPIS TREŚCI. 2. TEORIA I KRYTERIA PODOBIEŃSTWA Literatura: MODEL I MODELOWANIE... 39

Co wspólnego ze sztuką ma reaktor chemiczny?

Obliczenia iteracyjne

Elementy modelowania matematycznego

Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Temat wykładu: Równania różniczkowe. Anna Rajfura, Matematyka na kierunku Biologia w SGGW 1

czyli o szukaniu miejsc zerowych, których nie ma

Zasada maksimum Pontriagina

Fraktale deterministyczne i stochastyczne. Katarzyna Weron Katedra Fizyki Teoretycznej

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Laboratorium 5 Przybliżone metody rozwiązywania równań nieliniowych

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Statystyka i Analiza Danych

Iteracyjne rozwiązywanie równań

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Kierunek: Matematyka Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Układy dynamiczne. proseminarium dla studentów III roku matematyki. Michał Krych i Anna Zdunik. rok akad. 2014/15

Rodzinę odwzorowań {f i : X X} k i=1 nazywamy iterowanym układem funkcyjnym (ang. IFS iterated function system).

Opis systemów dynamicznych w przestrzeni stanu. Wojciech Kurek , Gdańsk

Prawdopodobieństwo i statystyka

Optymalizacja ciągła

Modelowanie wieloskalowe. Automaty Komórkowe - podstawy

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Ćwiczenia: Ukryte procesy Markowa lista 1 kierunek: matematyka, specjalność: analiza danych i modelowanie, studia II

MATEMATYKA - CYKL 5 GODZINNY. DATA : 8 czerwca 2009

SEMINARIA DYPLOMOWE - studia II stopnia kierunek: informatyka i ekonometria oraz matematyka

Analiza sygnałów biologicznych

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Fraktale. Jerzy Pogonowski. Funkcje rekurencyjne. Zakład Logiki Stosowanej UAM

Wprowadzenie do szeregów czasowych i modelu ARIMA

Języki, automaty i obliczenia

Metody numeryczne równań różniczkowych zwyczajnych

Równania nieliniowe. LABORKA Piotr Ciskowski

Superdyfuzja. Maria Knorps. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki stosowanej, Politechnika Gdańska

Systemy Lindenmayera (L-systemy)

Zapisujemy:. Dla jednoczesnego podania funkcji (sposobu przyporządkowania) oraz zbiorów i piszemy:.

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Wybrane metody przybliżonego. wyznaczania rozwiązań (pierwiastków) równań nieliniowych

Transkrypt:

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI Daniel Wójcik Instytut Biologii Doświadczalnej PAN Szkoła Wyższa Psychologii Społecznej d.wojcik@nencki.gov.pl dwojcik@swps.edu.pl tel. 022 5892 424 http://www.neuroinf.pl/members/danek/swps/

Podręcznik Iwo Białynicki-Birula Iwona Białynicka-Birula

Układ dynamiczny Układ: zbiór obiektów, których zmiany w czasie chcemy badać Dynamiczny: zmieniający się w czasie zgodnie z pewną regułą

Typy układów dynamicznych Układy deterministyczne Układy autonomiczne Układy zależne od czasu Układy losowe (stochastyczne)

Przykład 1: Wyborcy Stan układu: Preferencje wyborcze grupy respondentów Ewolucja: Zmiany preferencji następują na skutek kontaktów międzyludzkich

Przykład 2: Płatek śniegu Automat komórkowy na sieci o strukturze plastra miodu Ten sam stan początkowy zawsze daje ten sam stan końcowy (układ deterministyczny)

Płatek śniegu Reguła: Nowy fragment powstaje w komórce sieci, która ma dokładnie jednego zmarzniętego sąsiada

Płatek śniegu

Ewolucja układu dynamicznego Rozwój w czasie układu dynamicznego opisuje równanie ewolucji w postaci wzoru iteracyjnego X n 1 = F p X n Xn i Xn+1 opisują stan układu w chwili n i n+1 Fp określa jakim zmianom ulega stan układu w kolejnych krokach iteracji

X F = n 1p Przykład 3: algorytm Newtona Jak policzyć pierwiastek z a? Należy wybrać dowolną liczbę i iterować ją zgodnie z regułą 1 a x n 1 = x n 2 xn Dlaczego? Jeżeli x a to i na odwrót. a x a, a więc a a x

Przykład 3: pierwiastek z 2 Weźmy x0=2 Wtedy x1=1,5 x2=1,416 x3=1,414215 x4=1,414213562374 x5=1,414213562373095048801689... I tak dalej

Kilka pojęć Punkt stały: stan układu, który się nie zmienia z czasem Atraktor: stan, do którego układ dąży z czasem Dorzecze (basen) atraktora: zbiór stanów początkowych, które dążą do danego atraktora

Przykład basenów atraktora Rozważmy odwzorowanie płaszczyzny 2 t 2 t 2 t 2 2 t 2 1 x y x t 1 = x t 3 3 x y 2 1 2 xt yt y t 1 = y t 3 3 x 2t y 2t 2 To odwzorowanie ma trzy atraktory: 1 3 1 3 1,0,,,, 2 2 2 2

Baseny pierwiastków jedynki

Model Ehrenfesta: psy i pchły N pcheł siedzi na dwóch psach: na Azorze An, a na Burku Bn Co chwilę jedna z pcheł podejmuje decyzję o przeskoku z jednego psa na drugiego Jak zmienia się rozkład pcheł? An+1 = An 1 z prawdopodobieństwem An/N An+1 = An + 1 z prawdopodobieństwem (N-An)/N

Determinizm a losowość Większość procesów w przyrodzie ma składowe deterministyczną i losową Jeżeli szum jest nieduży, modelujemy układ jako ściśle deterministyczny Jeżeli szum jest dominujący, modelujemy układ jako proces stochastyczny

W ogólności Jesteśmy bez szans...

Chaos deterministyczny Proste iteracje odwzorowań: Funkcja liniowa Funkcja logistyczna Układy z ciągłym czasem Wpływ topologii na ewolucję

Przykład: funkcja liniowa Rozważmy populację much. Oznaczmy liczbę much w roku n-tym przez xn. Załóżmy, że na każdą muchę w pokoleniu n średnio przypada R much w pokoleniu następnym. Wtedy ewolucja much jest dana przez: x n 1 = R x n n xn= R x0

Przykład: funkcja liniowa Stały wzrost (R>1) Stały rozpad (R<1)

Przykład: funkcja logistyczna Model liniowy jest zbyt dużym uproszczeniem. Wzrost populacji zwykle ograniczony jest przez czynniki zewnętrzne: drapieżców, ograniczone zasoby, itp. Biorąc pod uwagę skończoną ilość dostępnego pożywienia dostajemy model zwany logistycznym. Jeżeli wzrost R jest pomniejszony o wielkość proporcjonalną do xn to dostajemy: x n 1 = R a x n x n y n 1=r 1 y n y n

Szereg czasowy W obszarze regularnym (r = 2.5) W obszarze regularnym (r = 3.2)

Szereg czasowy W obszarze regularnym (r = 3.5) W obszarze chaotycznym (r = 3.7)

Wykres bifurkacyjny Dla funkcji logistycznej

Chaos deterministyczny Czuła zależność od warunków początkowych: Rysunek pokazuje różnicę między historią dwóch populacji różniących się początkowo o 0.0000001

Iteracje płaszczyzny Przykład dwuwymiarowy: mapa Henona 2 n x n 1 = A x B y n y n 1 = x n

Dziwny atraktor Dla pewnych wartości parametrów A i B, mapa Henona dąży do atraktora, który jest fraktalem. Taki atraktor nazywamy dziwnym.

Prawdopodobieństwo odwiedzin obszarów na atraktorze

Typowe atraktory Punkty stałe Cykle okresowe Dziwne atraktory (fraktale)

Układy z ciągłym czasem Większość interesujących układów zmienia się w czasie w sposób ciągły. Modelujemy to za pomocą równań różniczkowych. Równania te określają szybkość zmian parametrów układu w funkcji tych parametrów. Na przykład szybkość zmian położenia joja jest funkcją jego prędkości, położenia, oraz przyłożonej siły (ruch ręką). Aby w układach z ciągłym czasem pojawił się chaos, potrzebne są co najmniej 3 zmienne.

Przykład: równania Lorenza Uproszczony model konwekcji w atmosferze: x n 1 = x n 10 y n x n y n 1 = y n 28 x n y n x n z n 8 z n 1 =z n z n x n y n 3 ε to mała liczba określająca precyzję czasową zmian stanu układu

Literatura Czy Bóg gra w kości Ian Stewart Chaos" James Gleick Granice chaosu. Fraktale Peitgen, Jürgens, Saupe Fraktale Piotr Pierański Wstęp do dynamiki układów chaotycznych Baker, Gollub Chaos w układach dynamicznych Ed Ott Understanding nonlinear dynamics Kaplan, Glass