Βιομαθηματικά BIO-156

Σχετικά έγγραφα
Βιομαθηματικά BIO-156. Συνεχή στο χρόνο δυναμικά συστήματα. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2017

Συνεχή στο χρόνο δυναμικά συστήματα Διαφορικές εξισώσεις

Βιομαθηματικά BIO-156

4 ΣΥΝΕΧΗ ΣΤΟ ΧΡΟΝΟ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

Βιομαθηματικά BIO-156

Βιομαθηματικά BIO-156. Όρια και συνέχεια συναρτήσεων. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2016

Βιομαθηματικά BIO-156. Όρια και συνέχεια συναρτήσεων. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2019

Βιομαθηματικά BIO-156

Βιομαθηματικά BIO-156. Ντίνα Λύκα. Εισαγωγικές έννοιες. Εαρινό Εξάμηνο, 2016

Βιομαθηματικά BIO-156. Ντίνα Λύκα. Εισαγωγή. Εαρινό Εξάμηνο, 2018

Βιομαθηματικά BIO-156. Παραγώγιση. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2017

Διαφορικές Εξισώσεις.

Βιομαθηματικά BIO-156. Τυχαίες μεταβλητές Κατανομές Πιθανοτήτων. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2017

Βιομαθηματικά BIO-156

Βιομαθηματικά BIO-156. Ολοκλήρωση. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2017

ΔΙΑΚΡΙΤΑ ΣΤΟ ΧΡΟΝΟ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Βιομαθηματικά BIO-156

Κεφάλαιο 4 ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. 4.1 Η ροή μιας διαφορικής εξίσωσης. Θεωρούμε πάλι το πρόβλημα αρχικών τιμών. x (0) = x 0, (4.1.

Κεφάλαιο 4: Διαφορικός Λογισμός

IV.13 ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ 1 ης ΤΑΞΕΩΣ

ΠΟΛΥΧΡΟΝΙΑΔΗΣ ΝΙΚΟΣ ΤΑΥΤΟΤΗΤΕΣ

1.1. Διαφορική Εξίσωση και λύση αυτής

y 1 (x) f(x) W (y 1, y 2 )(x) dx,

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

( ) Ίσες συναρτήσεις. = g, Οι συναρτήσεις f, g λέμε ότι είναι ίσες και συμβολίζουμε f. όταν: Έχουν το ίδιο πεδία ορισμού Α

Μαθηματικά. Ενότητα 2: Διαφορικός Λογισμός. Σαριαννίδης Νικόλαος Τμήμα Διοίκησης Επιχειρήσεων (Κοζάνη)

ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΟΡΙΣΜΟΙ: διαφορές των αγνώστων συναρτήσεων. σύνολο τιμών. F(k,y k,y. =0, k=0,1,2, δείκτη των y k. =0 είναι 2 ης τάξης 1.

Παράγωγος συνάρτησης. Έννοια παραγώγου Υπολογισμός Χρήση παραγώγου. ελαστικότητα Οριακές συναρτήσεις

Βιομαθηματικά BIO-156. Θεωρία Πιθανοτήτων. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2017

2. Η μέθοδος του Euler

Βιομαθηματικά BIO-156. Θεωρία Πιθανοτήτων. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2016

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 3: ΕΦΑΠΤΟΜΕΝΗ [Κεφάλαιο 2.1: Πρόβλημα εφαπτομένης του σχολικού βιβλίου]. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β

1.1 Βασικές Έννοιες των Διαφορικών Εξισώσεων

ΚΕΦ. 1. ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ Εισαγωγή.

ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΗΜΕΡΗΣΙΩΝ ΓΕΝΙΚΩΝ ΛΥΚΕΙΩΝ. f ( x) 0 0 2x 0 x 0

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΙ

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

- + Απαντήσεις. Θέμα Β Β1. Από την Cf παρατηρούμε ότι 0. f x για κάθε (0,4) συνεπώς η f είναι γνήσια αύξουσα στο [4, 5] και γνήσια φθίνουσα στο [0,4].

ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Γ ΤΑΞΗΣ ΗΜΕΡΗΣΙΟΥ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ

ΘΕΩΡΙΑ 1ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ (χωρίς αποδείξεις) ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΟΡΙΑ- ΣΥΝΕΧΕΙΑ 1. Να δώσετε τον ορισμό της συνάρτησης

Α. ΜΙΓΑΔΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ

Περίληψη μαθημάτων Ι. ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ. Με N θα συμβολίζουμε το σύνολο των φυσικών αριθμών, δηλ. N = {1, 2, 3, 4, }.

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ. Το 1ο Θέμα στις πανελλαδικές εξετάσεις

Διαφορικές Εξισώσεις.

Κεφάλαιο 3 ΠΑΡΑΓΩΓΟΣ. 3.1 Η έννοια της παραγώγου. y = f(x) f(x 0 ), = f(x 0 + x) f(x 0 )

Βιοµαθηµατικά BIO-156

Λ. Ζαχείλας. Επίκουρος Καθηγητής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών Τμήμα Οικονομικών Επιστημών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Οικονομική Δυναμική 29/6/14

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

α. y = y x 2 β. x + 5x = e x γ. xy (xy + y) = 2y 2 δ. y (4) + xy + e x = 0 η. x 2 (y ) 4 + xy + y 5 = 0 θ. y + ln y + x 2 y 3 = 0 d 3 y dy + 5y

********* Β ομάδα Κυρτότητα Σημεία καμπής*********

ΘΕΩΡΗΜΑ (Μέσης Τιμής) Έστω f: [α, β] R συνεχής και παραγωγίσιμη στο (α, β). Τότε υπάρχει ξ (α, β)

Σχόλια στις Παραγώγους. Μια συνάρτηση θα λέγεται παραγωγίσιμη σε ένα σημείο x 0 του. f(x h) f(x )

(a) = lim. f y (a, b) = lim. (b) = lim. f y (x, y) = lim. g g(a + h) g(a) h g(b + h) g(b)

Μαθηματικά Και Στατιστική Στη Βιολογία

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

ΣΤΑΘΕΡΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ. Το Θεώρημα και το Πόρισμα ισχύουν σε διαστήματα και όχι σε ένωση διαστημάτων.

Λύσεις του διαγωνίσματος στις παραγώγους

ΑΝΑΛΥΣΗ 2. Μ. Παπαδημητράκης.

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι Ασκήσεις - 19/10/2017. Ακριβείς Διαφορικές Εξισώσεις-Ολοκληρωτικοί Παράγοντες. Η πρώτης τάξης διαφορική εξίσωση

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΠΑΡΑΓΟΥΣΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ [Αρχική Συνάρτηση του κεφ.3.1 Μέρος Β του σχολικού βιβλίου].

3. ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΠΑΡΑΓΩΓΙΣΗ

KΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΣΥΝΗΘΩΝ. Το τυπικό πρόβληµα αρχικών τιµών που θα µας απασχολήσει, είναι το ακόλουθο:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 5: ΘΕΩΡΗΜΑ ROLLE [Θεώρημα Rolle του κεφ.2.5 Μέρος Β του σχολικού βιβλίου]. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

Κεφάλαιο 5. Το Συμπτωτικό Πολυώνυμο

website:

ẋ = f(x), x = x 0 όταν t = t 0,

Κεφάλαιο 5 ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενα αυτόνομο δυναμικό σύστημα δύο διαστάσεων περιγράφεται από τις εξισώσεις

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β. Να μελετήσετε ως προς τη μονοτονία και τα ακρότατα τις παρακάτω συναρτήσεις: f (x) = 0 x(2ln x + 1) = 0 ln x = x = e x =

Μαθηματικά. Ενότητα 12: Ακρότατα Συνάρτησης Σαριαννίδης Νικόλαος Τμήμα Λογιστικής και Χρηματοοικονομικής

Μαθηματικά Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Γ Λυκείου ΚΥΡΤΟΤΗΤΑ - ΣΗΜΕΙΑ ΚΑΜΠΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ

«Μοντελοποίηση και Αριθµητικές Προσοµοιώσεις» Εισαγωγή στη Μαθηµατική Βιολογία. Πληθυσµιακά Μοντέλα

ΑΛΓΕΒΡΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΣ

f ( x) f ( x ) για κάθε x A

Η Θεωρία στα Μαθηματικά κατεύθυνσης της Γ Λυκείου

ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Γ ΤΑΞΗΣ ΗΜΕΡΗΣΙΟΥ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΕΥΤΕΡΑ 11 ΙΟΥΝΙΟΥ 2018 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΛΥΣΕΙΣ

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΟΙΚΟΝΟΜΟΛΟΓΟΥΣ

Μέϑοδοι Εφαρμοσμένων Μαϑηματιϰών (ΜΕΜ 274) Φυλλάδιο 2

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Βασικές ασκήσεις Βασική θεωρία. του πεδίου ορισμού της; β) Έστω η συνάρτηση: ένα σημείο του πεδίου ορισμού της. Θα λέμε ότι η f είναι συνεχής στο x

Γραφική επίλυση γραμμικού συστήματος με δύο αγνώστους.

Γ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ. Ημερομηνία: Πέμπτη 20 Απριλίου 2017 Διάρκεια Εξέτασης: 3 ώρες ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής

Μαθηματικά Και Στατιστική Στη Βιολογία

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ/ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

ln 1. ( ) vii. Να βρείτε το εμβαδόν του χωρίου που περικλείεται από τη C f, τον άξονα η οποία είναι συνεχής στο και για την οποία ισχύει

Ευκλείδειοι Χώροι. Ορίζουµε ως R n, όπου n N, το σύνολο όλων διατεταµένων n -άδων πραγµατικών αριθµών ( x

Γενικά Μαθηματικά (Φυλλάδιο 1 ο )

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

ΘΕΜΑ Α Α1. Έστω f μια συνάρτηση ορισμένη σε ένα διάστημα Δ. Αν F είναι μια παράγουσα της f στο Δ, να αποδείξετε ότι:

Θέματα. Α1. Έστω μια συνάρτηση f παραγωγίσιμη σ ένα διάστημα (, ), με εξαίρεση ίσως ένα σημείο του x

ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 10: ΕΥΡΕΣΗ ΤΟΠΙΚΩΝ ΑΚΡΟΤΑΤΩΝ

,..., xn) Οι συναρτήσεις που ορίζουν αυτό το σύστημα υποτίθενται παραγωγίσιμες με συνεχείς παραγώγους:

f κυρτή στο [1,5] f x x f η Επαναληπτική f [ 2,10], επιπλέον για την f ισχύουν lim 2 x f 8 1,0 και

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ. Δευτέρα ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΛΥΣΕΙΣ. Α4.) α) Λάθος, β) Σωστό, γ) Λάθος, δ) Σωστό, ε) Σωστό

Για να προσδιορίσουμε τη μονοτονία της συνάρτησης η πρέπει να βρούμε το πρόσημο της h, το οποίο εξαρτάται από τη συνάρτηση φ(x) = e x 1

Non Linear Equations (2)

Διαφορικές Εξισώσεις.

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ - ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

(, ) ( x0, ), τότε να αποδείξετε ότι το. x, στο οποίο όμως η f είναι συνεχής. Αν f ( x) 0 στο

Transcript:

Βιομαθηματικά BIO-156 Συνεχή στο χρόνο δυναμικά συστήματα Ντίνα Λύκα Εαρινό Εξάμηνο, 2013 lika@biology.uoc.gr

Συνεχή στο χρόνο δυναμικά συστήματα Τα συνεχή στο χρόνο δυναμικά συστήματα περιγράφουν φαινόμενα που μεταβάλλονται συνεχώς στο χρόνο. Η μαθηματική περιγραφή τέτοιων συστημάτων γίνεται με διαφορικές εξισώσεις οι οποίες περιγράφουν το ρυθμό μεταβολής των μεταβλητών κατάστασης.

Παραδείγματα Αν το μέγεθος ενός πληθυσμού τη χρονική στιγμή t είναι Ν (, και ο ρυθμός μεταβολής του είναι ίσος με το διπλάσιο της τρέχουσας τιμής του Ν, τότε γράφουμε dn = 2N Έστω ότι η ταχύτητα ενός αντικειμένου είναι μια συνάρτηση του χρόνου t, ν(, τότε η θέση του αντικειμένου, p(, θα πρέπει να ικανοποιεί την εξίσωση dp = v( οι ποσότητες Ν και p είναι άγνωστες και είναι οι εξαρτημένες μεταβλητές ενώ ο χρόνος t είναι η ανεξάρτητη μεταβλητή

Ορισμοί Διαφορική εξίσωση Κάθε εξίσωση που περιέχει μια άγνωστη συνάρτηση, κάποιες από τις παραγώγους της και την ανεξάρτητη μεταβλητή. Τάξη μιας διαφορικής εξίσωσης η μεγαλύτερη από τις τάξεις των παραγώγων της άγνωστης συνάρτησης που εμφανίζονται στην εξίσωση. Γραμμική διαφορική εξίσωση περιλαμβάνει μόνο πρωτοβάθμιους όρους της εξαρτημένης μεταβλητής και των παραγώγων της Μη αυτόνομη διαφορική εξίσωση περιλαμβάνει την ανεξάρτητη μεταβλητή ως όρο Αυτόνομη διαφορική εξίσωση δεν εξαρτώνται άμεσα από την ανεξάρτητη μεταβλητή

Διαφορικές εξισώσεις πρώτης τάξης Θεωρούμε τη διαφορική εξίσωση dy = f ( y, t (1) Το πρόβλημα που θα μας απασχολήσει είναι να βρούμε όλες τις συναρτήσεις οι οποίες ικανοποιούν τη διαφορική εξίσωση. Θα λέμε ότι οι οικογένεια των συναρτήσεων ) y = φ( t, c), c R (2) είναι η γενική λύση της διαφορικής εξίσωσης (1) όταν για κάθε c η (2) επαληθεύει τη διαφορική εξίσωση. Η λύση που παίρνουμε για κάποια συγκεκριμένη τιμή της c, ονομάζεται μερική λύση.

Πρόβλημα αρχικών τιμών dy = f ( y, t ) y ( t = y 0 ) 0 Ζητάμε τη μερική λύση που περνά από κάποιο συγκεκριμένο σημείο (t 0, y 0 ) Ησταθεράc προσδιορίζεται από την αρχική συνθήκη y(t 0 )= y 0..

Διαφορικές εξισώσεις της μορφής dy = f ( Η συνάρτηση f είναι μια γνωστή συνάρτηση και εξαρτάται μόνο από την ανεξάρτητη μεταβλητή t. Η γενική λύση της διαφορικής εξίσωσης είναι y ( = f ( + c, c R Ανεπιπλέονζητάμεηλύσηναικανοποιεί την αρχική συνθήκη y(t 0 )=y 0 μπορούμε να λύσουμεγιατηναυθαίρετησταθεράc. y( = t y + f ( s) ds 0 t 0 Αρχική τιμή Μεταβολή της y στο διάστημα [t 0,t]

Διαφορικές εξισώσεις χωριζόμενων μεταβλητών Αν μια διαφορική εξίσωση dy = f ( y, μπορεί να γραφτεί στη μορφή dy h ( y) = g( τότε ονομάζεται δ. ε. χωριζόμενων μεταβλητών. Παραδείγματα: dy t =, y 2 y 0 dy = k( y a)

Επίλυση της h(y) y =g( Έστω H μια αντιπαράγωγος της h (δηλαδή H (y)=h(y)) και G μια αντιπαράγωγος της g (δηλαδή G (=g() Από τον κανόνα της αλυσίδας έχουμε dh = dh dy dy Επομένως, η διαφορική εξίσωση h(y) y =g( γράφεται d H(y() = G(+c = h( y) (Γενική λύση) Αν λύσουμε την ως προς y παίρνουμε την y σαν συνάρτηση του t και της σταθεράς c της ολοκλήρωσης. dy d [ H ( y( ] = [ G( ]

Στην πράξη γράφουμε τη διαφορική εξίσωση h(y) y = g( στη μορφή h(y)dy = g( και ολοκληρώνουμε και τα δύο μέρη h( y) dy = g( H( y) = G( + c

Γραμμικές διαφορικές εξισώσεις πρώτης τάξης Θεώρημα 1 Ύπαρξη και μοναδικότητα Αν οι συναρτήσεις p και g είναι συνεχείς στο ανοιχτό διάστημα α<t<β που περιλαμβάνει το σημείο t=t 0, τότε υπάρχει μια μοναδική συνάρτηση y=φ( η οποία ικανοποιεί την διαφορική εξίσωση dy + p( y = g( για α<t<β και επίσης την αρχική συνθήκη y(t 0 )=y 0, όπου y 0 είναι μια αυθαίρετα δοσμένη αρχική τιμή.

Γενική λύση της γραμμικής διαφορικής εξίσωσης dy + p( y = g( y 1 = μ( g( + c, μ( μ( = e p( Ολοκληρωτικός παράγοντας Η αρχική συνθήκη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της αυθαίρετης σταθεράς c.

Ποιοτική ανάλυση αυτόνομων διαφορικών εξισώσεων dy = ( y) Υποθετικό διάγραμμα φάσης Γραφική παράσταση της f(y) (δηλαδή παράγωγος τη y ως προς ως προς y. f f(y)

Συμπεράσματα που προκύπτουν από το διάγραμμα φάσης ασταθές y1 ευσταθές Αν y=y 1 ή y=y 2 ο ρυθμός μεταβολής του y είναι μηδέν, δηλαδή το y δεν μεταβάλλεται. Αν y<y 1 ο ρυθμός μεταβολής του y είναι αρνητικός και το y μειώνεται συνεχώς. Αν y>y 2 ο ρυθμός μεταβολής του y είναι αρνητικός και το y μειώνεται συνεχώς έως ότου φτάσει στο y 2. Αν y 1 <y<y 2 ο ρυθμός μεταβολής του y είναι θετικός και το y αυξάνει συνεχώς έως ότου φτάσει στο y 2. y2 y Τα σημεία y 1 και y 2 είναι σημεία ισορροπίας

Σημεία ισορροπίας Έστω ότι ένα βιολογικό σύστημα περιγράφεται από την αυτόνομη διαφορική εξίσωση Η τιμή y* της μεταβλητής κατάστασης ονομάζεται σημείο ισορροπίας (ή σταθερό σημείο) της αυτόνομης διαφορικής εξίσωσης αν f dy = (y) Ένα σημείο ισορροπίας λέμε ότι είναι τοπικά ευσταθές αν οι λύσεις που ξεκινάνε αρκετά κοντά στο σημείο ισορροπίας τελικά (t ) το πλησιάζουν. Ένα σημείο ισορροπίας λέμε ότι είναι ασταθές αν οι λύσεις που ξεκινάνε αρκετά κοντά στο σημείο ισορροπίας απομακρύνονται από αυτό. f ( y * ) = 0

Τοπική ανάλυση ισορροπίας (1) Έστω y( κοντά στο y * (σημείο ισορροπίας). Γράφουμε, y( = y * + x( ή x( = y( - y *, όπου x( μια μικρή διαταραχή από το σημείο ισορροπίας. Μας ενδιαφέρει να εξετάσουμε αν η διαταραχή μικραίνει ή μεγαλώνει με το χρόνο. Για τη διαταραχή ισχύει: dx = dy = f * ( y) = f ( y + x)

Προσέγγιση με την εφαπτομένη ή γραμμικοποίηση της f στο x=a y f(x) ------- L(x) ------- Q P R f '(α)(x-α) f(x) f(α) α x x Έστω ότι η y= f(x) είναι παραγωγίσιμη στο x=α. Τότε L(x) = f(a) + f (a) (x-a) ονομάζεται γραμμικοποίηση της f στο x=α. Αν x-α είναι αρκετά μικρό, τότε η f(x) προσεγγίζεται από την L(x) f(x) f(a) + f (a) (x-a)

Τοπική ανάλυση ισορροπίας (2) Επειδή x( είναι μια μικρή διαταραχή Επομένως dx Άρα = λx, όπου λ = f ( y ) (1) Λύση: x(=ce λt ( f y + x) f ( y ) + f ( y ) x dx * * = f ( y + x) f ( y ) + f ( y ) x Αν λ<0, ηλύσητηςεξίσωσης(1) πάει στο 0, δηλαδή η διαταραχή μειώνεται και εξαφανίζεται. Επομένως, η λύση πλησιάζει το y *. Αν λ>0, ηλύσητηςεξίσωσης(1) πάει στο άπειρο, δηλαδή η διαταραχή μεγαλώνει. Επομένως, η λύση απομακρύνεται από το y *.

Κριτήριο τοπικής ευστάθειας Αν y* είναι σημείο ισορροπίας της αυτόνομης διαφορικής εξίσωσης dy = f ( y) τότε το σημείο ισορροπίας y* είναι τοπικά ευσταθές αν f (y *)<0 και ασταθές αν f (y *)>0

Λογιστική αύξηση πληθυσμών Μεταβολέςενόςπληθυσμούσε συνθήκες ενδοπληθυσμιακού ανταγωνισμού Υπόθεση: ο κατά κεφαλή ρυθμός μεταβολής μειώνεται γραμμικά με το μέγεθος του πληθυσμού 1 dn N = r(1 ) N K r (ενδογενήςρυθμόςαύξησης) και Κ (φέρουσα ικανότητα) θετικές σταθερές. dn = rn (1 N K ) Λογιστική Εξίσωση

Aνάλυση ισορροπίας της Λογιστική εξίσωση f ( N ) dn = rn (1 N 2r = rn (1 ) f ' ( N ) = r N K K Τα σημεία ισορροπίας της λογιστικής εξίσωσης είναι οι λύσεις της εξίσωσης f (N * )=0 N K ) Σημεία ισορροπίας : Ν 1 *=0, Ν 2 *=Κ Στα Σ.Ι. : f (N 1* )= r και f (N 2* )= -r Επομένως, Ν 1 *=0 είναι ασταθές (f (N 1* )>0) και το σημείο ισορροπίας Ν 2 *=Κ είναι τοπικά ευσταθές (f (N 2* )<0).

Διάγραμμα φάσης της λογιστικής εξίσωσης f(n) Μονοτονία της Ν Ν =f (N) Καμπυλότητα της Ν Ν =f (N) f (Ν) 0 K/2 K f (N) + + - f (N) + - -

Λύσεις της λογιστικής εξίσωσης N( = 1+ K N 0 K 1 e rt lim N( = K t Το Σ. Ι. N 2* =K είναι και ολικά ευσταθές

Προτεινόμενη Βιβλιογραφία C. Neuhauser Calculus for biology and medicine Pearson/Prentice Hall, 2004 Chapter 8: όχι 8.3 F. R. Adler. Modeling the dynamics of life: calculus and probability for life scientists. Brooks/Cole, 1998. Chapter 5: 5.1-5.3 M. R. Cullen Mathematics for the biosciences. Techbooks, 1983 Sections: 33-37