Chaos kolem nás - Škomam

Transkript

Chaos kolem nás - Škomam
Chaos kolem nás
Marek Lampart
Katedra aplikované matematiky & IT4Innovations
Fakulta elektrotechniky a informatiky
VŠB – TU Ostrava
3. února 2016
Marek Lampart — Chaos kolem nás
1/19
Význam slova Chaos“
”
chaos, -u m h ř i
1
velký zmatek, nepořádek, neuspořádanost, změt’: ch. v
dopravě; způsobit, vyvolat ch.
2
filoz., náb., mytol. (podle starověkých představ) pův. prázdný
prostor, znějı́cı́ průrva, později neuspořádaná změt’ živlů před
vznikem kosmu ve smyslu uspořádaného světa
V. Petráčková, J. Kraus za kolektiv, Akademický slovnı́k cizı́ch
slov. Academia, Praha 1998
Marek Lampart — Chaos kolem nás
2/19
Chaos kolem nás ...
Dobrý voják Švejk [film]. Režie: Karel STEKLÝ. Československo, 1956.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
3/19
Aplikace dynamických systémů
V oblastech
akademická
výzkumná
inženýrstvı́
Vědnı́ disciplı́ny
filozofie
uměnı́
genetika
teologie
fyzika
chemie
Marek Lampart — Chaos kolem nás
biologie
ekonomie
politologie
ekologie
mechanika
elektrotechnika
geoinformatika
lingvistika
medicı́na
..
.
4/19
Aplikace dynamických systémů
V oblastech
akademická
výzkumná
inženýrstvı́
Vědnı́ disciplı́ny
filozofie
uměnı́
genetika
teologie
fyzika
chemie
Marek Lampart — Chaos kolem nás
biologie
ekonomie
politologie
ekologie
mechanika
elektrotechnika
geoinformatika
lingvistika
medicı́na
..
.
4/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Přı́klad - úročenı́ vkladu
P0 — počátečnı́ hodnota vkladu, r — úroková mı́ra
P1 = P0 + rP0 = (1 + r )P0
P2 = P1 + rP1 = (1 + r )P1 = (1 + r )2 P0
P3 = P2 + rP2 = (1 + r )P2 = (1 + r )3 P0
..
.
Pn = (1 + r )n P0
Otázka: Za jak dlouho se zdvojnásobı́ počátečnı́ vklad? (r=0,02)
Prémiová otázka (Škomam Cup): Jak se změnı́ odpověd’ na
předchozı́ otázku, budeme-li v našem modelu úročit v každém
kroku pouze počátečnı́ vklad?
Marek Lampart — Chaos kolem nás
5/19
Diferenčnı́ rovnice a iterace
Proces, ve kterém jeho předchozı́ stav ovlivňuje následujı́cı́, se
popisuje pomocı́ diferenčnı́ch rovnic:
xn+1 = f (xn ).
Tato rovnice popisuje, jak se nějaká operace provádı́ opakovaně po
sobě. Tomu budeme řı́kat iterace.
Definice
Necht’ f : X → X je spojité zobrazenı́ na kompaktnı́m metrickém
prostoru X . Pak
f n (x) = |f ◦ f ◦{z· · · ◦ f}(x) = f (f (f · · · f (x)) · · · )
| {z }
n−kráte
n−kráte
se nazývá n-tá iterace bodu x zobrazenı́m f , kde n ∈ N.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
6/19
Diferenčnı́ rovnice a iterace
Proces, ve kterém jeho předchozı́ stav ovlivňuje následujı́cı́, se
popisuje pomocı́ diferenčnı́ch rovnic:
xn+1 = f (xn ).
Tato rovnice popisuje, jak se nějaká operace provádı́ opakovaně po
sobě. Tomu budeme řı́kat iterace.
Definice
Necht’ f : X → X je spojité zobrazenı́ na kompaktnı́m metrickém
prostoru X . Pak
f n (x) = |f ◦ f ◦{z· · · ◦ f}(x) = f (f (f · · · f (x)) · · · )
| {z }
n−kráte
n−kráte
se nazývá n-tá iterace bodu x zobrazenı́m f , kde n ∈ N.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
6/19
Diferenčnı́ rovnice a iterace
Proces, ve kterém jeho předchozı́ stav ovlivňuje následujı́cı́, se
popisuje pomocı́ diferenčnı́ch rovnic:
xn+1 = f (xn ).
Tato rovnice popisuje, jak se nějaká operace provádı́ opakovaně po
sobě. Tomu budeme řı́kat iterace.
Definice
Necht’ f : X → X je spojité zobrazenı́ na kompaktnı́m metrickém
prostoru X . Pak
f n (x) = |f ◦ f ◦{z· · · ◦ f}(x) = f (f (f · · · f (x)) · · · )
| {z }
n−kráte
n−kráte
se nazývá n-tá iterace bodu x zobrazenı́m f , kde n ∈ N.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
6/19
Dynamický systém
Definice
Necht’ f : X → X je spojité zobrazenı́ na kompaktnı́m metrickém
prostoru X . Pak uspořádaná dvojice
(X , f )
se nazývá (diskrétnı́) dynamický systém.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
7/19
Generický přı́klad - Systém logistických zobrazenı́
Fµ (x) : [0, 1] → [0, 1]
Fµ (x) = µx(1 − x)
R.M. May. Simple mathematical models with very complicated
dynamics, Nature, 261(1976) s. 459–467.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
8/19
Generický přı́klad - Systém logistických zobrazenı́
Fµ (x) : [0, 1] → [0, 1]
1
1
F1µ (x)
0.9
F3µ
(x)
0.6
0.6
Fµ(x)
0.7
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0
1
µ
F2µ
F3µ
0.8
0
0.1
0.2
0.3
0.4
(x)
0.9
(x)
0.8
0.7
0.6
0.6
Fµ(x)
0.7
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
F1 (x)
µ
F2µ
F3µ
(x)
(x)
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.5
x
1
F1 (x)
0.9
µ
0.9
x
1
F (x)
F3µ (x)
0.5
0.4
0
F2µ (x)
0.8
0.7
0
F1µ (x)
0.9
F2µ (x)
0.8
Fµ(x)
Fµ (x) = µx(1 − x)
0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
x
Marek Lampart — Chaos kolem nás
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x
9/19
Periodicita
Definice
Bud’ (X , f ) dynamický systém. Bod x ∈ X se nazývá pevný,
jestliže
f (x) = x.
Bod x ∈ X se nazývá periodický s periodou n, jestliže
f n (x) = x
a f m (x) 6= x pro každé 0 < m < n.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
10/19
Generický přı́klad - Systém logistických zobrazenı́
Věta
Pro Fµ (x) = µx(1 − x) definované na [0, 1] platı́:
1
Fµ (0) = 0 a Fµ (pµ ) = pµ , kde pµ = (µ − 1)/µ,
2
pokud je 1 < µ ≤ 4, pak 0 < pµ < 1,
3
pokud je µ = 1, pak Fix(F1 ) = {0},
4
pokud je 0 < µ < 1, pak pµ 6∈ [0, 1].
Marek Lampart — Chaos kolem nás
11/19
Generický přı́klad - Systém logistických zobrazenı́
Věta
Pro 0 < µ < 1 a každé x ∈ [0, 1] platı́: limn→∞ Fµn (x) = 0.
Věta
Bud’ µ > 1, pak
1
je-li x < 0, pak limn→∞ Fµn (x) = −∞,
2
je-li x > 1, pak limn→∞ Fµn (x) = −∞.
Věta
Bud’ 1 < µ < 3 a 0 < x < 1, pak limn→∞ Fµn (x) = pµ .
Marek Lampart — Chaos kolem nás
12/19
Periodicita
Věta
Bud’ ([0, 1], f ) dynamický systém majı́cı́ 3-periodický bod. Potom f
má periodické body period všech řádů.
A.N. Šarkovskij. O ciklach i strukture nepreryvnogo
preobrazovanija. Ukrain. Mat. Žurnal 17.3 (1965), s. 104–111.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
13/19
Generický přı́klad - Systém logistických zobrazenı́
Bifurkačnı́ diagram
Marek Lampart — Chaos kolem nás
14/19
Chaos ve smyslu Devaneyho
Definice
Dynamický systém (X , f ) je citlivý na počátečnı́ podmı́nky, pokud existuje
δ > 0 takové, že pro každé x ∈ X a okolı́ B(x, ) najdeme y ∈ B(x, ) a n ∈ N
tak, že
d(f n (x), f n (y )) > δ.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
15/19
Chaos ve smyslu Devaneyho
Definice
Necht’ (X , f ) je dynamický systém. Řekneme, že f je chaotické ve smyslu
Devaneyho, jestliže:
1 f je topologicky tranzitivnı́, tj. f má orbitu, která je v X hustá;
2 f má na X citlivou závislost na počátečnı́ch podmı́nkách;
3 periodické body zobrazenı́ f jsou v X husté.
R.L. Devaney. An Introduction to Chaotic Dynamical Systems. 2nd.Menlo
Park, CA: Addison-Wesley, 1989.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
16/19
Chaos ve smyslu Liho a Yorka
Definice
Necht’ (X , f ) je dynamický systém. Řekneme, že f je chaotické ve smyslu
Liho a Yorka, jestliže existuje nespočetná podmnožina S ⊂ X (z anglického
scrambled“ set, tj. promı́chaná) taková, že pro všechna x, y ∈ S od sebe různá
”
(tj. x 6= y ) jsou splněny následujı́cı́ dvě podmı́nky:
1 lim supn→∞ d(f n (x), f n (y )) > 0.
2 lim inf n→∞ d(f n (x), f n (y )) = 0.
T.-Y. Li a J. A. Yorke. Period three implies chaos. Amer. Math. Monthly, 82
(1975), s. 985–992.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
17/19
Chaos ve smyslu Liho a Yorka
Věta
Bud’ ([0, 1], f ) dynamický systém majı́cı́ 3-periodický bod. Potom
je f chaotické ve smyslu Liho a Yorka.
T.-Y. Li a J. A. Yorke. Period three implies chaos. Amer. Math.
Monthly, 82 (1975), s. 985–992.
Marek Lampart — Chaos kolem nás
18/19
Děkuji za pozornost
Marek Lampart — Chaos kolem nás
19/19

Podobné dokumenty

Souvislost Pythagorovy věty, dívky z Playboye a - Škomam

Souvislost Pythagorovy věty, dívky z Playboye a - Škomam Souvislost Pythagorovy věty, dı́vky z Playboye a superpočı́tánı́ ŠKOMAM 2014, 22. ledna Dalibor Lukáš Katedra aplikované matematiky, FEI IT4Innovations VŠB-TU Ostrava web: lukas.am.vsb.cz e...

Více

Záverecná zkouška z fyziky 2012 A

Záverecná zkouška z fyziky 2012 A vody. Tepelnou kapacitu nádoby a tepelné ztráty do okolı́ neuvažujte. Měrná tepelná kapacita oceli je co = 460 J/kgK, měrná tepelná kapacita vody je cv = 4200 J/kgK a měrné skupenské t...

Více

KYBERNETIKA A UMEL´A INTELIGENCE 1.´Uvod do kybernetiky a

KYBERNETIKA A UMEL´A INTELIGENCE 1.´Uvod do kybernetiky a − Dynamické systémy: zpětná vazba, stavový popis, stochastické systémy, řı́zenı́, ... − Přenos informace: informačnı́ entropie, kapacita komunikačnı́ho kanálu, ... − Umělá inteligence...

Více

Stáhnout ve formátu PDF

Stáhnout ve formátu PDF V  souvislosti s  teorií chaosu jsem zaregistroval několik zajímavých problémů filozofie vědy: (1) problém vztahu mezi vědami, (2) problém vztahu mezi jednotlivými subdisciplínami fyziky a (3) prob...

Více

TEZE DIZERTAˇCNÍ PR´ACE Neline´arnı projevy mechanick

TEZE DIZERTAˇCNÍ PR´ACE Neline´arnı projevy mechanick předevšı́m tı́m, že známe elementárnı́ vlastnosti hmoty, ze které konstrukce tvořı́me. Vı́me totiž, že libovolný materiál podléhá ve své podstatě zákonitostem, které unikajı́ jedno...

Více

VIP Club Inter Cars 2008

VIP Club Inter Cars 2008 všichni zúčastňují různých produktových školení a seminářů. To vše pak úspěšně uplatňují u svých zákazníků, pro které jsou tak pomocnými specialisty, kteří dokáží nejen prodat příslušný díl, ale i ...

Více