Bevezetés a kaotikus rendszerekbe

Hasonló dokumentumok
Georg Cantor (1883) vezette be Henry John Stephen Smith fedezte fel 1875-ben. van struktúrája elemi kis skálákon is önhasonló

Populációdinamika. Számítógépes szimulációk szamszimf17la

Dinamikai rendszerek, populációdinamika

Az előadásokon ténylegesen elhangzottak rövid leírása

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Rend, rendezetlenség, szimmetriák (rövidített változat)

7. DINAMIKAI RENDSZEREK

2. Alapfeltevések és a logisztikus egyenlet

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

8. DINAMIKAI RENDSZEREK

3. előadás Stabilitás

3. Fékezett ingamozgás

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Differenciálegyenletek december 13.

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

Az éjszakai rovarok repüléséről

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

FRAKTÁLOK ÉS A KÁOSZ

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

DIFFERENCIAEGYENLETEK, MINT A MODELLEZÉS ESZKÖZEI AZ ISKOLAI MATEMATIKÁBAN

Lássuk be, hogy nem lehet a három pontot úgy elhelyezni, hogy egy inerciarendszerben

8. DINAMIKAI RENDSZEREK

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Feladatok matematikából 3. rész

Az elméleti mechanika alapjai

Numerikus módszerek 1.

Hiszterézises káoszgenerátor vizsgálata

Differenciálegyenletek

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

A brachistochron probléma megoldása

Populációdinamika és modellezés. A populációk változása populációdinamika. A populáció meghatározása. Modellezés

Drótos G.: Fejezetek az elméleti mechanikából 4. rész 1

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Nemlineáris jelenségek és Kao2kus rendszerek vizsgálata MATHEMATICA segítségével. Előadás: Szerda, 215 Labor: 16-18, Szerda, 215

dimenziója Szirmay-Kalos László N= 1/r D D= (logn) / (log 1/r) D= (log4) / (log 3) = 1.26 N = 4, r = 1/3 Vonalzó ( l ) db r =1/3 N = 4 r 2 N 2 N m r m

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

1. Egyensúlyi pont, stabilitás

A MATEMATIKA NÉHÁNY KIHÍVÁSA

θ & új típusú differenciálegyenlet: vektormező egy körön lehetségesek PERIODIKUS MEGOLDÁSOK példa: legalapvetőbb modell az oszcillátorokra fixpont:

I. feladatsor i i i i 5i i i 0 6 6i. 3 5i i

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Matematika gyógyszerészhallgatók számára. A kollokvium főtételei tanév

Ha vasalják a szinusz-görbét

Inga. Szőke Kálmán Benjamin SZKRADT.ELTE május 18. A jegyzőkönyv célja a matematikai és fizikai inga szimulációja volt.

Debreceni Egyetem. Feladatok a Matematika II. tárgy gyakorlataihoz. Határozatlan integrál

Integrálszámítás (Gyakorló feladatok)

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

5. Laboratóriumi gyakorlat

A műszaki rezgéstan alapjai

Fázisportrék. A Dinamikai rendszerek órákon bemutatott példarendszerek fázisportréi. Lineáris oszcillátor. v = ax bv

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Nevezetes függvények

Bevezetés az algebrába 2

Abszolútértékes egyenlôtlenségek

A Föld középpontja felé szabadon eső test sebessége növekszik, azaz, a

Numerikus módszerek. 9. előadás

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

A vegetatív működés modelljei

Determinisztikus folyamatok. Kun Ferenc

"Flat" rendszerek. definíciók, példák, alkalmazások

SCHRÖDINGER-EGYENLET SCHRÖDINGER-EGYENLET

Egy mozgástani feladat

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

Geometriai vagy kinematikai természetű feltételek: kötések vagy. kényszerek. 1. Egy apró korong egy mozdulatlan lejtőn vagy egy gömb belső

Evans-Searles fluktuációs tétel

Késleltetett differenciálegyenletek periodikus pályái és globális dinamikája

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

A gyakorlatok anyaga

PhD szigorlat Differenciálegyenletek és megoldásuk tárgyai

I. Fejezetek a klasszikus analízisből 3

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

DINAMIKAI VIZSGÁLAT ÁLLAPOTTÉRBEN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

3. Lineáris differenciálegyenletek

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

NEMLINEÁRIS REZGÉSEK A KÖZÉPISKOLAI OKTATÁSBAN TEACHING NON-LINEAR OSCILLATIONS IN SECONDARY SCHOOL

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

Matematika emelt szint a évfolyam számára

Feladatok megoldásokkal az első gyakorlathoz (differencia- és differenciálhányados fogalma, geometriai és fizikai jelentése) (x 1)(x + 1) x 1

2. hét (Ea: ): Az egyváltozós valós függvény definíciója, képe. Nevezetes tulajdonságok: monotonitás, korlátosság, határérték, folytonosság.

MATEMATIKA Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ

Differenciálegyenletek

Márkus Zsolt Tulajdonságok, jelleggörbék, stb BMF -

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

Tóth János - Simon L. Péter - Csikja Rudolf. Differenciálegyenletek feladatgyűjtemény

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Lagrange és Hamilton mechanika

Átírás:

Bevezetés a kaotikus rendszerekbe. előadás Könyvészet: Steven H. Strogatz, Nonlinear Dynamics and Chaos

Káosz, fraktálok és dinamika ` Fraktálok: szépség matematikai leírás Fraktálzene: Phil Thompson Me Myself Totally Alone ` A káosz és a fraktálok részei a dinamika területének változás, időbeni fejlődés: - egyesnúly felé tart - ciklikusan viselkedik - még bonyolultabb viselkedést mutat

A dinamika története Időpont Név Esemény 666 Newton kalkulus felfedezése bolygómozgás magyarázata 700-as évek a kalkulus és a klasszikus mechanika virágkora 800-as évek a bolygómozgások analitikus tárgyalása 890 Poincaré geometriai megközelítés, káosz lázálom 920-950 nemlineáris oszcillátorok a fizikában és a mérnöki tudományokban: rádió, radar, lézer 920-960 Birkhoff Kolmogorov Arnol d Moser komplex viselkedések a Hamiltoni mechanikában 963 Lorenz különös attraktor egy egyszerű konvekciós modellben 970-es évek 980-as évek Ruelle & Takens May Feigenbaum Winfree Mandelbrot káosz és tulburencia káosz a logisztikai leképezésekben univerzalitás és renormalizáció, kapcsolat a káosz és a fázisátalakulások között a káosz kísérleti tanulmányozása nemlineáris oszcillátorok a biológiában fraktálok általános érdeklődés a káosz, fraktálok, oszcillátorok es alkalmazásaik iránt

A dinamika logiaki struktúrája differenciálegyenletek: időben folytonosak magasabbrendű differenciális egyenletek pl. csillapított harmónikus oszcillátor parciális differenciálegyenletek pl. hővezetés differencia egyenletek: diszkrét egyenletek iterált leképezések a rendszerek tisztán időbeli viselkedésére koncentrálunk, ezért magasabbrendű differenciálegyenleteket fogunk tanulmányozni általánosan: x& = f... x& n = f ( x, x,..., x ) n ( x, x,..., x ) 2 2 2 d x dx m + b + kx 2 dt dt 2 u u = 2 t x n n x& i dxi dt = 0 nem autonóm rendszerek: explicit időfüggés pl. m&&+ x bx& + kx = F cost átírható a fenti alakra, csak egyel több egyenlet lesz: eltűnik az időfüggés egy extra dimenzió hozzáadásával

Miért olyan nehezek a nemlineáris problémák a legtöbb analitikusan megoldhatatlan a lineáris rendszerek darabokra bonthatók a valós rendszerek egyes részei interferálhatnak, együttműködhetnek vagy versenghetnek nemlineáris kölcsönhatások Nemlineáris példák a hallás: a hallószőrök nemlineáris viselkedése hallószőrök hossza: 0-30 μm minimális érzékenység: ~3 nm kitérés 0 2 -szeres hangerő 0 6 -szoros amplitúdó ~3 mm kitérés Lehetetlen ekkora kitérés!!! A hallószőrök nem viselkedhetnek lineárisan!!! Torzítanak!

Oktáv

Akusztikai illúziók (hiányzó alapharmonikus)

Akusztikai illúziók (harmadik hang) Tartini, XVIII. sz.

Akusztikai illúziók (Shepard skála)

Dinamikai világkép

Áramlások egy egyenesen tekintsük a következő rendszert n= esettel kezdünk dimenziós, elsőrendű egyenletek Geometriai gondolkodásmód x& =... x& n = f f ( x, x,..., x ) n n ( x, x,..., x ) 2 2 n pl. analitikus megoldás: π feladat: x0 = -re írjuk le a rendszer kvalitatív viselkedését 4 x& = sin x mi történik grafikai megközelítés t cosec x0 + ctg x0 = ln cosec x + ctg x t -ben? vektortér egy egyenesen: - megadja a sebességvektort minden pozícióban nyilak: x& x& > < 0 0

Fizikai kép a vektormezőkről folyadék (fázisfolyadék) egyensúlyban áramlik az x tengely (fázistér) mentén a grafikon által megadott sebességgel és a nyilak irányában fixpont: nincs áramlás stabil fixpont (attraktor) instabil fixpont (repeller) Válasz a kérdésekre x 0 π = 4 t

Fixpontok és stabilitás a grafikus megközelítés használható minden dimenziós rendszer esetén recept: megrajzoljuk az f(x) grafikont és vázoljuk a vektormezőt fázisportré a fázispontot elhelyezzük x 0 -ba és nézzük, hogyan sodorja azt az áramló folyadék a mozgást követve megkapjuk a pályát differenciélegyenlet megoldása ( ) 0 fixpontok: az f x * = pontok álló pontok az áramlásban stabil fixpont instabil fixpont tranziens fixpont

Populációnövekedés modell egyszerű modell: van néhány kiinduló egyed minden egyed egyforma minden egyed örökké él a születési ráta állandó végtelen mennyiségű élelem elhalálozás bevezetése N& = b N N& = d N N & = = ( b d ) N rn exponenciális növekedés EZ NEM TARTHAT ÖRÖKKÉ!!! túlnépesedés, véges erőforrások növekedési ráta csökken ha N túl nagy lesz egyszerűsítés: r lineárisan csökken az N növekedésével logisztikus egyenlet: N N& = rn k eltartóképesség

Logisztikus egyenlet grafikus megoldása Fixpontok: * * N = 0 N = k instabil fixpont stabil fixpont N=0 kivételével bárhonnan kiindulunk, a populáció mindig eléri a terület eltartóképességét kis populációról indulva, ez kezdetben nagyon gyorsan növekszik k/2-ig, majd a népesség lassan stabilizálódik szigmoid görbe

A modell kritikái kezdetben a növekedés univerzális törvényének tekintették (Pearl 927) jó egyezés laboratóriumi körülmények között baktériumok és egyszerű organizmusok esetén konstans környezetben, élelemmel és ragadozók nélkül nem működött komplex életciklusú bogarak, lepkék esetén tojás lárva báb egyed fennmaradó fluktuációk!!!

Oszcillációk lehetetlensége a fázispont sosem vált irányt, a stabil fixpont megközelítése mindig monoton módon történik nem létezik túllépés és csillapított oszcilláció nincs periodikus megoldás mechanikai analógia: túlcsillapított rendszerek méz mx && + bx& = bx& = F F ( x) bx& >> mx && b ( x) x& = f ( x) = F( x)