Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Глава 12. Анализ динамики систем

12.1. Иконологическое моделирование

После того как исследователь понял механизм функционирования системы, его главной задачей становится формализация описания этого механизма, например с помощью разностных уравнений (см. 9.2). Дальнейшее изучение поведения системы становится совершенно элементарным, если воспользоваться возможностями современных компьютерных технологий.

Рассматриваемая в этом разделе методология иконологичес-кого моделирования базируется на исследовании компьютерных моделей сложных систем и современных методах визуализации информации. В предлагаемой методологии роль формальных методов анализа социальных процессов кардинально пересмотрена, что обусловлено ориентацией данной методологии в первую очередь на социологов - исследователей, преподавателей, студентов. Социологи должны самостоятельно формализовывать содержательные модели и проводить исследования на компьютерных моделях многофакторных нелинейных систем. Методология ико-нологического моделирования позволяет социологам перейти от "жестких" математических моделей к изучению значительно более реалистичных "мягких" моделей. Как справедливо отмечает академик В.И. Арнольд, в социальных науках конкретный вид взаимосвязей часто неизвестен, поэтому необходимо исследование поведения систем для целого класса функций [1].

Социолог получает возможность самостоятельно проводить построение и изучение модели. Помощь математика и программиста необязательна. От пользователя не требуется владение сложным математическим аппаратом и языками программирования. Методология ориентирована на исследование моделей с помощью вычислительных экспериментов и получение качественных оценок [11].

Ключевую роль в исследовании должно играть доверие социолога к получаемым результатам. Обеспечить необходимый уровень доверия позволит использование стандартного и распространенного программного обеспечения (в данном случае электронных таблиц Excel). Социолог имеет возможность проверить буквально каждый шаг вычислений. Процесс компьютерной имита-

ции находится под полным контролем пользователя. В любом месте процесс вычислений можно прервать, скорректировать модель и продолжить моделирование дальше.

Эксперименты с моделью позволяют выявить неожиданные эффекты, сгенерировать новые гипотезы, обеспечить описание и понимание социальных явлений, недоступное в других языках научных исследований. Так, с помощью компьютерных экспериментов удается выявить возможные формы пространственной и временной самоорганизации, условия возникновения социальных структур, проанализировать эволюцию систем правил.

Предлагаемая методика иконологического моделирования позволяет социологам перейти от "жестких" математических моделей к изучению значительно более реалистичных "мягких" моделей. Действительно, вместо линейных функций а и M пользователь может нарисовать любые функции, просто перемещая точки на соответствующем графике (знание их аналитического вида не требуется).

Ниже будет показано, что при данном подходе не составляет труда учесть эффект запаздывания, влияние случайных факторов. Никаких затруднений не вызывает и исследование систем, описываемых не одним, а несколькими уравнениями. Но наибольшее удовольствие вы получите, когда научитесь управлять системой. Если поведение системы начиная с некоторого момента времени t не будет вас удовлетворять, следует просто стереть неустраивающие вас числа. Продумав необходимые изменения, скорректируем механизм поведения системы и продолжим расчеты с этого места (строки t).

Как учесть в модели эффект запаздывания. Для того чтобы убедиться в том, что учет запаздывания (или временного лага) совершенно элементарен, рассмотрим знаменитую задачу о кроликах, предложенную еще в XIII веке итальянским ученым Фибоначчи. "Некто поместил пару кроликов в загоне, огороженном со всех сторон, дабы знать, сколько пар кроликов родится в течение года. Природа кроликов такова, что через месяц пара кроликов производит на свет другую пару, а потомство дают они со второго месяца после своего рождения".

Покажем, как с помощью электронный таблицы Excel весь процесс исследования системы может быть выполнен одним щелчком мышки. Запустим Excel. B раскрывшемся окне появляется таблица. Введем в ячейку Al значение у₁ = 5, в ячейку Bl - значение коэффициента а = 0,0005 и в ячейку Cl значение M = = 1000 (табл. 12.1)*.

* Следует иметь в виду, что конкретные установки и версии Excel могут несколько различаться переводом отдельных команд, использованием точек вместо запятых и т.д.

Таблица 12.1. Фрагмент окна Excel

	А	В	С	D	E
		0,0005


...

Введем формулу (12.2) в ячейку А2 в следующем виде:

= А1 + В$1*А1*(С$1-А1) (12.3)

В Excel формула должна начинаться со знака "=", т.е. вводится только правая часть уравнения (12.2). Вместо символов у ^, a, M в данном случае указаны адреса ячеек, в которых хранятся соответствующие значения*. Напомним, что для завершения ввода формулы необходимо нажать клавишу "Ввод" (Enter), после чего в ячейке А2 появится результат вычислений по данной формуле - 7,4875, сама же формула также осталась в ячейке, ее видно в строке формул, расположенной над таблицей.

Теперь приступим к размножению формулы. Для этого надо подвести курсор к правому нижнему углу ячейки А2 так, чтобы он превратился в черный крестик и, нажав левую кнопку мыши, протащить ее до ячейки А20. Столбец А заполнится числами. Подведя курсор к любой ячейке, например A3, убеждаемся, что выражение в строке формул полностью соответствует уравнению (12.2) для случая t = 3. То же самое автоматически произошло во всех ячейках с А4 по А20. Заметим, что меняются только адреса ячеек столбца А, адреса ячеек Bl и Cl остаются неизменными. Это происходит потому, что мы знаком $ зафиксировали адреса этих ячеек (для фиксации адреса при горизонтальном размножении знак $ следует ставить перед буквой, например $В1, возможна и абсолютная фиксация - $В $1).

Изучение рядов чисел лучше проводить с помощью графики. Выделим ячейки с Al по А20. Вызовем "Мастер диаграмм". Выберем тип диаграмм "График", и Excel построит логистическую S-образную кривую.

На этом все подготовительные операции заканчиваются. При приобретении необходимых навыков вся процедура занимает не более минуты.

* Знак $ фиксирует адрес ячейки. Зачем это нужно, станет ясно из дальнейшего изложения.

После ввода в компьютер исходной информации и построения графика начинается самый интересный и наиболее важный этап исследования. В случае изменения начальных значений в ячейке Al либо значений коэффициентов в ячейках Bl или Cl на экране в ту же секунду появляется новый вариант графика. Теперь можно понять, интуитивно ощутить, каким образом изменения параметров модели влияют на динамику процесса.

Поэкспериментируйте с моделью при разных исходных данных и убедитесь, что так же, как исходные данные, можно легко изменить и саму модель, записав новую формулу в ячейку А2. Теперь решение сколь угодно сложного уравнения не будет для вас проблемой.

Обобщение логической модели. В логистическом уравнении параметры а и M предполагаются константами, но при данном подходе не составляет труда произвести исследование более сложных случаев. Если параметры а и M линейно зависят от времени, то их значения следует ввести в столбцы В и С, используя возможности размножения. В исходной формуле в ячейке А2 сотрем знак $ и вновь размножим эту формулу на ячейки А2,..., А20. Затем построим графики для столбцов А и С и отдельно для столбца В.

Для того чтобы изучить влияние на поведение системы изменений параметров, воспользуемся возможностями интерактивной графики. После щелчка мышью по графику параметра M на нем появится черная точка - маркер. Если к маркеру подвести курсор, то он примет форму вертикальной стрелки. Теперь можно нажать левую кнопку мыши и вытянуть график вверх или вниз. Автоматически изменится значение M в столбце С и будут пересчитаны формулы в столбце А. Затем изменения в столбце А будут отражены на соответствующем графике. Аналогично непосредственно на диаграмме можно варьировать начальное значение у^,

Весь процесс занимает доли секунды и позволяет исследователю оценить устойчивость модели, влияние возможных внешних воздействий, проанализировать различные сценарии развития рассматриваемых процессов.

Обозначим число пар кроликов в месяце t через F₁. Легко убедиться, что число пар кроликов подчиняется следующему соотношению:

Как оценить динамику кролиководства? Воспользуемся предлагаемой методикой. Введем в Excel начальные данные.F₁,.F₂ и формулу (12.4).

Как видно из табл. 12.2, в ячейках Al и А2 записаны начальные условия задачи. В ячейку A3 введем рекуррентное соотношение (12.4). Размножим формулу в ячейке A3 на последующие ячейки столбца А до 20-й строки. Затем построим график роста числа пар кроликов*.

Таким образом, учет временного запаздывания - в данном случае появление в уравнении (12.4) члена F_t_₂, зависящего от состояния системы в предыдущий момент, - требует отвести для

* Заметим, что полученный график похож на экспоненту. Действительно, найдем отношение F_n /F_n _t и увидим, что довольно быстро это отношение становится постоянным, т.е. мы имеем геометрическую прогрессию со знаменателем q = 1,62 - это знаменитое золотое сечение!

Таблица 12.2. Решение задачи Фибоначчи

№ п/п	А	В	С


	= Al + А2

начальных условий не одну ячейку, как раньше, а столько, сколько периодов запаздывания необходимо учесть.

Введение в модель случайных факторов. С помощью Excel легко моделировать поведение моделей, коэффициенты которых являются случайными величинами. Проще всего это сделать, вызвав в меню "Сервис" - пакет "Анализ данных". (Если в меню такой строки нет, пакет следует загрузить, выбрав в меню "Сервис" - Надстройки.) В открывшемся диалоге выберем альтернативу "Генерация случайных чисел". В открывшейся вкладке есть поле "Число переменных". Если нужен только один набор случайных чисел, то зададим в этом поле значение 1.

В поле "Число случайных чисел" введем количество временных интервалов вашей модели, например 20. В поле "Распределение" выберем из предлагаемого списка необходимый тип распределения - равномерное, нормальное, Пуассона и т.д. После этого появится вкладка, которая потребует задать необходимые параметры распределения. Теперь останется только указать границы столбца ячеек, куда будут выведены случайные числа, например $В $1: $В $20. Получив случайные данные, можно приступать к дальнейшим экспериментам с моделью.

Освоение данного подхода дает в руки социолога эффективный инструмент исследования поведения систем. Парадоксально, но его эффективность увеличивается с ростом сложности системы! Традиционно считалось, что изучение поведения даже простых систем невозможно без овладения весьма сложным математическим аппаратом и приобретения необходимых навыков, что отпугивало гуманитарно ориентированных ученых. Данный подход ломает стену между построением модели и ее изучением. Сказанное, конечно, не означает, что математика совсем не нужна. Она станет необходимой, когда потребуется сделать выводы более убедительными, доказательными, обобщить их на широкий класс однотипных систем.

В последующем изложении иконологическое моделирование, делающее акцент на визуализации решений и экспериментировании с моделью, будет соседствовать с традиционными подходами к исследованию поведения систем. Некоторые математические результаты, полученные при изучении достаточно простых систем, могут оказаться полезными для углубления понимания качественных особенностей поведения более сложных систем, с которыми приходится иметь дело при решении практических проблем.

Предложенная методология может быть использована не только в научных исследованиях, но и в преподавании различных дисциплин на социологических факультетах. Учебное компьютерное моделирование дает возможность существенно углубить понимание таких сложных социальных процессов, как эволюция, кооперация, самоорганизация, конкуренция, обучение, подражание и т.д. Использование визуализации, игровых форм, безусловно, обогатит традиционные формы изложения материала. Отметим, что при данном подходе снимается проблема мотивации студентов - многие модели можно считать просто упражнениями по освоению современных электронных таблиц, а каждый студент становится создателем своего собственного знания.

Применение специализированных пакетов на данном этапе нецелесообразно, так как у пользователя снижается уровень доверия к результатам, получаемым из "черного ящика". К тому же специализированные пакеты не всегда могут обеспечить уровень гибкости, необходимый для исследования "мягких" моделей. Конечно, социолог может нуждаться в наборе дополнительных программных средств для решения конкретных задач, но они должна быть оформлены в виде системы общедоступных программных модулей (СПМ), состоящей из совокупности достаточно простых макросов.

Иконологическое моделирование не предполагает традиционных методов освоения математических знаний. Математические понятия и утверждения используются только как генеративные метафоры, позволяющие по новому увидеть изучаемые явления, сформулировать нетривиальные гипотезы о поведении рассматриваемых процессов.

Предложенный инструментарий должен постепенно стать органической частью социологического знания. Это создаст необходимые условия для синтеза социологии, информатики и математики, выводящего социальные науки на качественно новый уровень.

12.2. Приложения теории разностных уравнений к моделям мобилизации

В теории разностных уравнений предполагается, что переменные исследуемого процесса определены в дискретные моменты J₁, t₂,..., t_n. Интервал времени At = t_i₊_l - t_t, как правило, предполагается постоянным для любого i (i = 1,..., п,...). Целесообразность такого рассмотрения определяется исходными данными о социальном процессе, которые часто измеряются в дискретные моменты времени (официальная статистика, периодические опросы, переписи и т.д.). Интервал времени может равняться пятилетке, году, кварталу, месяцу, неделе и т.д. Если интервал становится бесконечно малым (Д? -> О), то процесс рассматривается как непрерывный и изучается с помощью теории дифференциальных уравнений.

Модель мобилизации. Под термином "политическая" или "социальная мобилизация" понимается вовлечение людей в партию или в число ее сторонников, обращение в какую-либо веру, участие в данном движении (борьба за мир, экология, здоровье и т.д.). Текущий уровень мобилизации тесно связан с прошлым уровнем, а будущая мобилизация зависит от сегодняшних успехов пропагандистской кампании. Используя простейшую динамическую модель, попытаемся отразить логику изменений уровня мобилизации между двумя соседними моментами времени [23].

Обозначим через М_{ долю мобилизованного населения в момент t, тогда доля немобилизованного населения равна 1 - M₁. Пусть ДМ₍ обозначает изменение уровня мобилизации за единицу времени (год, месяц и т.д.):

AM, = M_t₊₁ - M,

За время от t до t + 1 уровень мобилизации может измениться по двум причинам: 1) удалось дополнительно сагитировать часть населения g (1 - M), где g - коэффициент агитируемости, константа, не зависящая от времени; 2) часть населения, выбывающая из числа членов, участников, сторонников, равна fM_t, где / - постоянный коэффициент выбытия (g > О, / > О). Параметры g и / выражают пропорции, в которых соответствующие части населения меняют свое поведения на рассматриваемом отрезке времени.

Тогда уравнение процесса мобилизации можно записать следующим образом:

M_m-M_t-e(l-M,)-/M_t. (12.5)

Уравнение (12.5) может быть преобразовано следующим образом:

M₁₊₁ = g + (l-f-g)M_t, (12-6)
т.е. приведено к виду

М<₊Г <о + *, M₁, (¹²'⁷)

который является стандартной формой линейного разностного уравнения первого порядка с постоянными коэффициентами.

Решением уравнения (12.7) называется такая функция M(t), что последовательность М₍ удовлетворяет этому уравнению для заданной области значений t.

Уравнение (12.7) является простейшим и легко может быть решено алгебраическими методами. В общем случае решение данного уравнения имеет вид

(12.8)

Таким образом, решение уравнения (12.7) однозначно определяется начальным значением M₀.

Равновесие и устойчивость. Одно из присущих человеку качеств - стремление к стабильности - формализуется в теории динамических систем с помощью понятия равновесия.

Равновесие - состояние системы, в котором интересующие исследователя параметры остаются неизменными: M₁₊₁ = M₁, причем это не означает, что жизнь в системе вообще замирает. В рамках модели мобилизации предположение о постоянстве M₁ не свидетельствует об отсутствия изменений среди сторонников данной партии (часть уезжает, умирает, других партии удается привлечь на свою сторону), но общее соотношение остается примерно постоянным.

Для определения точки равновесия системы M* подставим условие M_t₊₁ = M_t в уравнение (12.5), в результате чего получим

Следовательно,

Легко показать, что для уравнения (12.7) состояние равновесия вычисляется следующим образом:

Из соотношения (12.8) можно установить, что существуют только варианты поведения решения, изображенные на рис. 12.1 [23]. Вариант I описывает монотонную сходимость к состоянию равновесия (при O₁ > 0 и | C₁1 < I); вариант II - осциллирующую сходимость к состоянию равновесия (при O₁ < О и | C₁ | < 1); вариант III - монотонную расходимость (при C₁ > О и | C₁1 > 1); вариант IV - осциллирующую расходимость (при C₁ < О и | O₁1 > 1).

Рис. 12.1. Качественное поведение решений уравнения (12.7)

По определению, варианты I и II характеризуют устойчивую систему - все решения сходятся к положению равновесия неза-

висимо от значений M₀ и а₀, а варианты III и IV - неустойчивую систему.

Оценка параметров динамической модели. Модель мобилизации использовалась для изучения динамики числа голосов, поданных за демократическую партию США в Лэйк Кантри (штат Индиана) в период 1920-1968 гг. [23].

Для оценки численных значений коэффициентов а₀, а_г моде- > ли применялся метод наименьших квадратов. Разностное урав- I нение (12.7) рассматривалось как линейное регрессионное урав- 1 нение у = т₀ + m_l х, где у = М₍₊₁ - доля избирателей в Лэйк Кантри, голосующих за кандидатов от демократической партии в год t + 1 = 1924, 1928,..., 1968; х = M_t - доля голосующих за демократов в год t = 1920, 1924,..., 1964.

С помощью метода наименьших квадратов в [23] получены следующие значения коэффициентов: т₀ - 0,14; Tn₁ = 0,62. По формуле (12.10) вычисляем состояние равновесия:

На рис. 12.2,а изображен график наблюдаемых значений M₁, а на рис. 12.2,6 - график решения разностного уравнения (12.7)

при M₀ = M₁₉₂₀.

Рис. 12.2. Динамика голосующих за демократов на президентских выборах в Лэйк Кантри (1920-1968)

Сравнение графиков на рис. 12.2, а и б показывает, что разностное уравнение достаточно хорошо описывает качественные характеристики процесса мобилизации. Ясно, что данная модель является чрезвычайно упрощенной, реалистические модели требуют учета большого числа факторов и нелинейных соотношений, однако для понимания поведения систем иногда достаточно изучить простые варианты модели.

12.3. Основные понятия теории дифференциальных уравнений

Дифференциальные уравнения содержат не только функции, но и их производные. Запишем разностные уравнения, рассмотренные в предыдущем параграфе, в следующем виде:

Здесь At = 1. Уравнение (12.11) связывает состояние динамической системы в двух точках: t и (t + At). Перейдя в левой части этого уравнения к пределу при At -> О, получим

Уравнение (12.12) является дифференциальным, разрешенным относительно производной.

Будем рассматривать только функции времени M(t), хотя в общем случае это не обязательно. Отметим, что дифференциальное уравнение в отличие от разностного описывает динамику поведения системы в каждой точке t. Уравнение (12Л2) функционально связывает скорости изменения (производные по t) величин, характеризующих поведение системы, с самими величинами M(t).

Не отыскивая решения аналитически, в виде формулы, можно составить представление об общей картине этих решений на основе геометрического смысла уравнения (12.12). Напомним геометрический смысл производной dM/dt. B плоскости (M, t) для кривой M(t) величина dM/dt равна тангенсу угла наклона касательной к кривой. Следовательно, зная зависимость dM/dt от переменных M, t, выраженную уравнением (12.12), можно найти направление касательной к кривой, являющейся графиком решения данного уравнения.

Рис. 12.3. Геометрическая интерпретация решений дифференциального уравнения

Направление касательной можно показать на рисунке, проведя через любую точку (M,t) маленький отрезок прямой под углом ф так, что tgcp = /(M, t) (рис.12.3).

Если увеличить число точек, в которых проведено направление касательной, то, как видно из рисунка, образуется множество кривых, являющихся решением дифференциального уравнения (12.12). Это уравнение имеет бесконечное множество решений, а через каждую точку (M₀, t_Q) плоскости проходит одно решение. Таким образом, для того чтобы получить конкретное решение уравнения, надо задать начальное условие (M₀, t₀).

Решением дифференциального уравнения называется функция, которая, будучи подставлена в это уравнение, обращает его в тождество. Графики решения дифференциального уравнения называются интегральными линиями этого уравнения. Рассмотрим несколько примеров.

Занимаясь вопросами наукометрии, В.В.Налимов сформулировал две модели развития науки [8]. В простейшей модели предполагается, что скорость роста числа публикаций пропорциональна их достигнутому числу:

dy/dt = ky, (12.13)

где у - число публикаций; k - константа. Решениями уравнения являются функции типа е', т.е. с увеличением времени t число публикаций растет экспоненциально.

Так как при t -> °° функция y(t) = е' принимает бесконечно большие значения, модель (12.13) справедлива только на ограниченном временном интервале. Ясно, что при некотором t - t* механизм роста числа публикаций должен измениться. Для любого научного направления наступает этап насыщения (торможения).

Рассмотрим уравнение

dy/dt=ky(b-y), (12.14)

где k и Ъ - константы. Когда у увеличивается и становится сравнимым по величине с Ь, то (Ь-у) -> О и, следовательно, dy/ dt -> О, т.е. рост у прекращается.

Отметим, что данное логистическое уравнение является нелинейным, так как его правая часть содержит у².

В приведенных примерах динамическая модель описывается одним дифференциальным уравнением. Значительно более реалистические модели можно получить, рассматривая совокупность уравнений.

Системой дифференциальных уравнений называется совокупность уравнений, содержащих несколько неизвестных функций и

их производные. Решением системы дифференциальных уравнений называется совокупность функций y_t(t) (i=l,..., п), которые при подстановке в уравнения обращают их в тождества.

В данном учебном пособии рассматриваются системы дифференциальных уравнений, содержащие столько уравнений, сколько в них входит неизвестных функций, при этом все они являются функцией одной независимой переменной t.

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений следующего вида:

Отметим, что в правых частях уравнений переменная t в явном виде не содержится. Такие системы называются автономными динамическими системами второго порядка. Основная геометрическая интерпретация системы (12.15) связана с рассмотрением плоскости (х, у), называемой фазовой плоскостью, и существенно отличается от геометрической интерпретации, описанной выше. Ее можно назвать кинематической, так как в этой интерпретации каждому решению ставится в соответствие движение точки по кривой, а не кривая в пространстве.

Системы типа (12.15) используются для описания эволюционных процессов. Точка фазового пространства определяет состояние системы. Приложенный к этой точке вектор с координатами dx/dt, dy/dt задает скорость изменения состояния. Точка, где этот вектор обращается в нуль, т.е. dx/dt=dy/dt=Q, называется положением равновесия, или особой точкой системы.

Решения системы (12.15) будем изображать параметрическими кривыми на фазовой плоскости (х, у): х = ф(0, У = V(?). Сопоставим геометрическую интерпретацию системы (12.15) в пространстве (x,y,t) с интерпретацией на фазовой плоскости.

1. В каждую траекторию фазовой плоскости проектируется совокупность интегральных кривых в пространстве (х, у, t). Эти кривые получаются друг из друга заменой t на t-C, где С - произвольная константа (рис. 12.4, а).

2. Если точка (а, Ъ) является состоянием равновесия системы (12.15) Р(а, Ь) = О; Q(a, b) = О, то интегральная кривая будет прямой, параллельной оси t. Эта прямая проектируется на плоскость (х, у) в единственную точку (а, Ь).

3. Если система имеет периодическое решение с периодом а, то в пространстве (х, у, t) соответствующая интегральная кривая

Рис. 12.4. Поведение решений в пространстве (х, у, t) и на фазовой плоскости

представляет собой спираль с шагом а. Эта спираль проектируется на фазовую плоскость в замкнутую кривую (рис. 12.4, б).

При проекции спирали на плоскость (х, t) или (у, t) получим синусоидальную кривую, которая показывает изменение переменной x(t) или y(t).

Системы дифференциальных уравнений часто используются для описания работы технических устройств (механических, электрических и т.д.). Так как система дифференциальных уравнений имеет бесконечное множество решений (конкретное решение определяется начальными условиями), то и технические устройства (машины, механизмы) могут иметь бесконечное множество режимов. На практике эти устройства работают во вполне определенных режимах, что может объясняться выбором конкретных начальных условий и тем, что устройство само стабилизует свою работу.

Рассмотрим хрестоматийный пример стенных часов с маятником. Если маятник отклонить от вертикального положения достаточно сильно, то часы будут идти с определенной амплитудой колебаний очень долго. Если маятник отклонить недостаточно сильно, то после небольшого числа колебаний он остановится. Таким образом, у данной динамической системы существуют два стационарных решения: периодическое решение, соответствующее нормальному ходу часов, и состояние равновесия - скорость маятника равна нулю. Всякое другое из бесконечного множества решений быстро приближается к одному из двух стационарных решений, каждое из которых является устойчивым в том смысле, что решение, не слишком сильно откло-

няющееся от стационарного в начальный момент, стремится к стационарному.

В окрестности особых точек фазовые траектории могут быть шести типов, схематично показанных на рис. 12.5 (стрелки на фазовой траектории указывают направление изменения параметра t).

На рис. 12.5 особая точка условно помещена в начало координат. Траектории, которым принадлежит особая точка на рис. 12.5,д, называются сепаратрисами.

Рис. 12.5. Фазовые траектории в окрестности особой точки: а - устойчивый узел; б - неустойчивый узел; в - устойчивый фокус; г - неустойчивый фокус; д - "седло"

Классификация типов поведения фазовых кривых в окрестности особой точки была осуществлена великим французским математиком и философом Анри Пуанкаре (1854-1912), который ввел также понятие предельного цикла, играющее важнейшую роль в различных приложениях теории дифференциальных уравнений.

Предельным циклом дифференциального уравнения называется изолированное периодическое решение этого уравнения (рис. 12.6). Для качественного исследования поведения динамической системы достаточно определить состояния равновесия, наличие предельных циклов, ход сепаратрис. С точки зрения

качественного исследования знание точной формы траекторий не представляет интереса.

Рис. 12.6. Предельный цикл

В настоящее время качественное изучение моделей эволюционных процессов стало доступно широкому кругу пользователей благодаря наличию и стремительному совершенствованию соответствующего программного обеспечения (пакеты прикладных программ DYANA, STELLA, Mathcad, Mathlab, Mathematica и др.). Не составляет труда получить достаточно точное решение дифференциального уравнения с помощью Excel [6].

Вместо решения дифференциального уравнения можно исследовать его аналог - разностное уравнение. Последнее можно считать приближенной моделью дифференциального уравнения. Следует иметь в виду, что решения разностного уравнения часто ведут себя менее гладко, чем решения дифференциального уравнения. В разностной модели учитывается поведение системы только на концах дискретных временных интервалов, тогда как дифференциальное уравнение описывает непрерывное течение процесса при каждом t.

При моделировании социальных процессов считается, что разностные уравнения более точно описывают процессы, связанные с электоральным циклом [23]. Действительно, возвращаясь к модели мобилизации из 12.2, заметим, что процесс мобилизации можно считать дискретным, так как его действие проявляется в основном в период выборов.

Как будет показано в следующем параграфе, в простых случаях качественный анализ поведения системы может быть проделан без использования ЭВМ.

12.4. Модель гонки вооружений Ричардсона

Рассмотрим следующую ситуацию, в которой могут оказаться две враждующие страны. Первая страна ("желтые") вооружается, опасаясь потенциальной угрозы войны с соседней враждебной страной ("зеленые"). В свою очередь "зеленые", зная о росте затрат на вооружение у "желтых", также увеличивают расходы на вооружение. Предположим, что каждая страна изменяет скорость роста (сокращения) вооружений пропорционально уровню затрат другой. Математически эта ситуация может быть смоделирована

следующим образом. Пусть x(t) - расходы на вооружение "желтых" к моменту t >0, y(t) - то же, но "зеленых". Тогда простейшая модель гонки вооружений может быть сформулирована в виде системы двух линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами:

где а и Ъ - положительные константы. Эти уравнения описывают положительную обратную связь.

Модель (12.16) имеет очевидный недостаток: рост затрат на вооружение ничем не лимитируется. Естественно предположить, что чем больше текущий уровень затрат на оборону, тем меньше скорость его роста (отрицательная обратная связь). Получаем следующую систему уравнений:

где а, Ъ,т,п - положительные константы.

Рассмотрим третий постулат, включенный Л. Ричардсоном в модель: государство наращивает вооружение, руководствуясь своими державными притязаниями и враждебностью к другим государствам, даже если другие страны не угрожают существованию данного государства. Обозначим соответствующие коэффициенты претензии через г и s (г>0 и s>0). Если г<0 и s<0, то их можно назвать коэффициентами доброй воли. Получаем следующую систему уравнений:

Решением системы (12.18) являются функции x(t) и y(t), определяемые для данных начальных условий X₀, у₀ (начальное состояние гонки вооружений) [13, 24-26].

Элементарный анализ модели. Одним из важнейших свойств, которые "разумно" потребовать от гонки вооружений, является стабильность. Формализуем это требование следующим образом.

Уровень затрат на вооружение должен быть постоянным и не зависеть от времени:

dx/dt=dy/dt = О, (12.19)

т.е. желательно, чтобы система находилась в состоянии равновесия.

Условия равновесия для системы (12.18) записываются в следующем виде:

ау-тх+г = О, (12.20)
bx-ny+s = О. (12.21)
Из (12.20) определим

у = (т/а)* - г/а (12.22)

и рассмотрим геометрическую интерпретацию линейного уравнения (12.22) на фазовой плоскости (х, у) (рис. 12.7).

Для всех точек прямой G имеем dx/dt = О. Можно сказать, что первое уравнение системы (12.18) задает горизонтальную компоненту скорости движения точки в фазовой плоскости, а второе уравнение - вертикальную. Ясно, что если в некоторой точке фазовой плоскости dx/dt > О, то x(t) возрастает и решение системы движется от этой точки вправо, а если dx/dt < О, то влево. Аналогично, если dy/dt > 0 (< O), то точка движется вверх (вниз).

Рис. 12.7. Геометрическая интерпретация уравнения (12.22): а - при г > О; б - при г < О

Из школьного курса алгебры известно, что прямая G делит плоскость (х, у) на две полуплоскости. Для всех точек одной

Рис. 12.8. Точка равновесия в первом квадранте

полуплоскости dx/dt > О, а другой полуплоскости dx/dt < О. То есть первое уравнение системы (12.18) как бы заставляет точки притягиваться по горизонтали к прямой G. Аналогичное утверждение верно для второго уравнения этой системы и прямой Z (вертикальное притяжение) (рис. 12.8). Прямые G и Z делят первый квадрант на четыре области, <

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 13 14 15 161718 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: