Modelos Biomatemáticos

Documentos relacionados
Um Estudo da Dinâmica da Equação Logística

Notas de Aula - Parte 6. Estabilidade Estrutural e Bifurcações

Modelagem em Sistemas Complexos

Capítulo 5 COMPORTAMENTO DE SISTEMAS NÃO LINEARES. Equilibrio de sistemas lineares. 5.2 Sistemas Não Lineares

Linearização de Modelos e Teoremas Locais

Sistemas Dinâmicos Discretos

Capítulo 5 COMPORTAMENTO DOS SISTEMAS NÃO LINEARES E CAÓTICOS. 1

Física no computador. Marcio Argollo de Menezes UFF Niterói

= P = 9 6 = 3 2 = 1 1 2,

MODELOS NUMÉRICOS EM BIOMATEMÁTICA

Controle Não LInear. CEFET/RJ Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca Rio de Janeiro

Estabilidade de tensão.. p.1/44

Analisa-se agora o comportamento dinâmico da estrutura sob uma carga harmônica vertical da forma:

Considerações sobre a Condição Inicial na Construção do Diagrama de Bifurcação para o Mapa Logístico

3 Estabilidade dos Difeomorfismos Morse-Smale

Universalidade. 1.1 Universalidade Estrutural

DAFIS/DAQBI - PPGFCET. Sistemas Complexos. [ M.S. Freitas / UTFPR ] Prof. Mário Sérgio Freitas, Dr. - UTFPR/DAFIS.

Modelos Biomatemáticos - aulas Teórico-Práticas

DERIVADAS PARCIAIS. y = lim

Sistemas Dinâmicos. Ferramentas e Aplicações

II- Mapas Bidimensionais. Referência: Chaos, K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke; Springer (1997).

2 Hiperbolicidade e estabilidade

ÁLGEBRA LINEAR I - MAT0032

Sucessões. , ou, apenas, u n. ,u n n. Casos Particulares: 1. Progressão aritmética de razão r e primeiro termo a: o seu termo geral é u n a n1r.

Cálculo 1 - Fórmula de Taylor

( x)(x 2 ) n = 1 x 2 = x

Uma Introdução ao Estudo de Sistemas Dinâmicos Discretos

Modelos Biomatemáticos

1 Equações Diferenciais Ordinárias: Sistemas de Equações

Método dos Mínimos Quadrados

3 A Reta Tangente Definição: Seja y = f(x) uma curva definida no intervalo. curva y = f(x). A reta secante s é a reta que passa pelos pontos

IV Rotas para o Caos. E-Crises

8. Estabilidade e bifurcação

A Projeção e seu Potencial

3 Aplicação do Diffusion Maps a campos de vetores planares

Teorema da Função Inversa

FUNDAMENTOS DE CONTROLE - EEL 7531

ANÁLISE MATEMÁTICA II

MAT 121 : Cálculo II. Aula 27 e 28, Segunda 03/11/2014. Sylvain Bonnot (IME-USP)

CURSO DE RESOLUÇÃO DE PROVAS de MATEMÁTICA da ANPEC Tudo passo a passo com Teoria e em sequência a resolução da questão! Prof.

Cálculo Numérico / Métodos Numéricos. Solução de equações: Método do ponto fixo (iterativo linear - MIL) 15:01

Matemática I. 1 Propriedades dos números reais

X - Variedades Estáveis e Crises. Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

Revisão de Cálculo Diferencial e Integral

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Instituto de Matemática PRIMEIRA PROVA UNIFICADA CÁLCULO I POLITÉCNICA E ENGENHARIA QUÍMICA 13/12/2012.

Mini-teste 1 (Licenciatura em Matemática) 12/01/2007 Duração: 15 mn (Sem consulta)

5. ANÁLISE NÃO LINEAR.

A Equivalência entre o Teorema do Ponto Fixo de Brouwer e o Teorema do Valor Intermediário

Gabarito da Primeira Prova MAT Tipo A

CÁLCULO I. 1 Concavidade. Objetivos da Aula. Aula n o 19: Concavidade. Teste da Segunda Derivada. Denir concavidade de uma função;

Vamos revisar alguns fatos básicos a respeito de séries de potências

Cap. 5 Estabilidade de Lyapunov

Espaços Euclidianos. Espaços R n. O conjunto R n é definido como o conjunto de todas as n-uplas ordenadas de números reais:

Matemática Aplicada à Economia II Lista 1 Equações Diferenciais Ordinárias

A derivada da função inversa, o Teorema do Valor Médio e Máximos e Mínimos - Aula 18

Física Computacional 8

CÁLCULO I. 1 Funções Crescentes e Decrescentes

Lista de Exercícios Equações Diferenciais Ordinárias I MAT 871

CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I LMAC, MEBIOM, MEFT 1 o SEM. 2014/15 2 a FICHA DE EXERCÍCIOS. k + e 1 x, x > 0 f(x) = x cos 1, x > 0

Aula 22 Derivadas Parciais - Diferencial - Matriz Jacobiana

Equações Diferenciais (M2011)

A (u + iv) = (a + ib) (u + iv) = (au bv) + i (av + bu).

Revisão : máximo, minimo em dimensão 1

Dinâmica de Populações

Sílvia Mara da Costa Campos Victer Concurso: Matemática da Computação UERJ - Friburgo

Introdução. Faculdade Pitágoras Unidade Divinópolis. Márcio Júnior Nunes. O que é um Sinal? Sinal Unidimensional Sinal Multidimensional 24/08/2016

Instituto de Matemática - IM-UFRJ Geometria Riemanniana Lista 2 de exercícios, para entregar na aula de 5/9/2018

Estabilidade. Samir A. M. Martins 1. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Associação ampla entre UFSJ e CEFET MG

Cálculo Numérico A - 2 semestre de 2006 Prof. Leonardo F. Guidi. 2 a Lista de Exercícios - Gabarito. 1) Seja a equação não linear x e x = 0.

Sistemas de EDOs: Respostas, Soluções e Dicas para os Problemas

Teoria Econômica Avançada I - Lista 04 (GABARITO) Professor: Aloisio Araújo Monitor: Ilton G. Soares Data de Entrega: 15/04/2007 (na secretaria)

ESTABILIDADE DE CONJUNTOS INVARIANTES POR UMA CLASSE DE PERTURBAÇÕES DESCONTÍNUAS DA IDENTIDADE

Aulas n o 22: A Função Logaritmo Natural

CÁLCULO I. 1 Concavidade. Objetivos da Aula. Aula n o 18: Concavidade. Teste da Segunda Derivada. Denir concavidade do gráco de uma função;

2 Propriedades geométricas de curvas parametrizadas no R 4

Teorema da Triangularização de Schur e Diagonalização de Matrizes Normais

Cálculo Infinitesimal II / Cálculo II - Apontamentos de Apoio Capítulo 3 - Funções de n Variáveis

O teorema do ponto fixo de Banach e algumas aplicações

Evidências Experimentais. Iberê L. Caldas

Limites e Continuidade

O que são os números p-ádicos e como fazer cálculo sobre eles

III- Caos. Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

Aula de Física Atômica e molecular. Operadores em Mecânica Quântica Prof. Vicente

2 ANÁLISE ESTÁTICA DA ESTABILIDADE MÉTODO ANALÍTICO.

T e o r e m a d e N a s h

Aula 17. Máximo e Mínimo Absolutos

1. Limite. lim. Ou seja, o limite é igual ao valor da função em x 0. Exemplos: 1.1) Calcule lim x 1 x 2 + 2

EE-253: Controle Ótimo de Sistemas. Aula 6 (04 Setembro 2018)

Caos em Equações Diferenciais. Referência Principal: Chaos K. Alligood, T. D. Sauer, J. A. Yorke Springer (1997)

Matemática Discreta - 04

Equações de Diferenças, Caos e Fractais

A Ideia de Continuidade. Quando dizemos que um processo funciona de forma contínua, estamos dizendo que ele ocorre sem interrupção.

1 Congruências e aritmética modular

ESPAÇO DE ESTADOS. Capítulo 4. Objectivos do capítulo. Espaço de estados Plano de fase Estabilidade. Sistemas não lineares.

ANÁLISE DO MÉTODO DA RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA

IA344 - Dinâmica Caótica em Sistemas de Engenharia

Teste Tipo. Sinais e Sistemas (LERCI) 2004/2005. Outubro de Respostas

O Teorema de Peano. f : D R n. uma função contínua. Vamos considerar o seguinte problema: Encontrar um intervalo I R e uma função ϕ : I R n tais que

Análise e Processamento de Bio-Sinais. Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica. Sinais e Sistemas. Licenciatura em Engenharia Física

1 Grupos (23/04) Sim(R 2 ) T T

Transcrição:

Equações às diferenças de primeira ordem Modelos Biomatemáticos Alessandro Margheri Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa Modelos Biomatemáticos p. f : R R infinitamente diferenciável em R x = f(x ) x n+ = f(x n ) n N x 2 = f(x ) = f(f(x )) = f f(x ) = f 2 (x ) x 3 = f(x 2 ) = f(f(x )) = f(f(f(x ))) = f f f(x ) = f 3 (x ).. x n+ = f(x n ) = f f((x n )) = = f f f(x ) = f n+ (x ) Modelos Biomatemáticos p. 2 Dado x R, ao conjunto {x,x,x 2,,x n, } dá-se o nome de órbita (ou de solução) da equação às diferenças com condição inicial x No caso da E.D.O. escalar x = f(x) x(t) = constante = x R é uma solução da E.D.O. f(x ) = No caso discreto, {x,x,x,x, } (ou x n = x n N) é solução de x n+ = f(x n ) f(x ) = x. Modelos Biomatemáticos p. 3 Modelos Biomatemáticos p. 4 Definição Um ponto x R diz-se um ponto fixo de f se f(x ) = x. Um ponto fixo de f diz-se portanto um equilíbrio da equação x n+ = f(x n ) Proposição Seja {x,x,x 2,,x n, } a órbita da equação às diferencas x n+ = f(x n ) com valor inicial x. Se lim n + x n = l R, então f(l) = l, isto é, l é um ponto fixo de f Modelos Biomatemáticos p. 5 Modelos Biomatemáticos p. 6

Definição Um ponto fixo x de f diz-se um poço (ou um atractor ) se existe uma vizinhança U R de x tal que y U = Definição Um ponto fixo x de f diz-se uma fonte (ou um repulsor) se existe uma vizinhança U R de x tal que as iteradas através de f de todos os pontos de U \ {x } saem de U. f n (y ) U n N e lim n + fn (y ) = x. Um atractor é um ponto estável. ( y U \ {x } existe n y N : f n y (y ) / U) Uma fonte é um ponto instável. Um ponto fixo que não seja uma fonte ou um poço diz-se neutralmente estável Modelos Biomatemáticos p. 7 Modelos Biomatemáticos p. 8 Equação Linearizada Seja x R um ponto fixo de f. Chama-se equação linearizada em torno de x à equação às diferenças linear Recordamos que z n+ = f (x )z n = [f (x )] n z z n f (x ) < Teorema Seja x R um ponto fixo de f. Então:. x é um poço se f (x ) < ; 2. x é uma fonte se f (x ) > ; 3. nada podemos concluir acerca das propriedades de estabilidade de x se f (x ) = ±. z n + f (x ) > Modelos Biomatemáticos p. 9 Modelos Biomatemáticos p. O análogo de uma órbita fechada de uma E.D.O. é um ponto periódico de f: Definição Um ponto x R diz-se um ponto periódico de f de período (mínimo) k se x j = f j (x ) x i = f i (x ) i,j =,,k, i j f k (x ) = x Logo, como no caso de uma órbita fechada, uma órbita periódica repete-se: {x,x,,x k,x,x, } Órbitas periódicas de período k são também chamadas k ciclos Observe-se que se x é um ponto k periódico de f o mesmo é verdade para os pontos x, x 2,,x k do k ciclo Modelos Biomatemáticos p. Modelos Biomatemáticos p. 2

Notamos que x ponto k periódico de f = x é um ponto fixo de f k (mas não de f j para j k ) (e viceversa!) Logo, também os pontos x,x 2,,x k da órbita k periódica são pontos fixos de f k (mas não de f j para j k ) Portanto, a um k ciclo de f correspondem k pontos fixos de f k (que não são pontos fixos de f j para j k ) Modelos Biomatemáticos p. 3 Em particular: 2 ciclos Seja x um ponto periódico de período 2 de f: Então x = f(x ) x, f(x ) = f 2 (x ) = x. é um 2 ciclo de f e {x,x,x,x, } x é um ponto fixo de f 2. x também é um ponto 2 periódico e um ponto fixo de f 2. Modelos Biomatemáticos p. 4 Há uma bijecção entre os pontos fixos de f 2 que não são pontos fixos de f e os pontos 2 periódicos de f. Definição Seja x um ponto fixo de f 2 mas não de f. O 2 ciclo de f correspondente diz-se atractivo (ou repulsivo) se x for um ponto fixo atractivo (ou repulsivo) de f 2. Seja {x,x,x,x, } um dois ciclo de f. Pela regra da cadeia, [ f 2 (x ) ] = [f(f(x ))] = f (x )f (x ) [ f 2 (x ) ] = [f(f(x ))] = f (x )f (x ). Logo, conclui-se que o 2 ciclo é estável se f (x )f (x ) < e é instável se f (x )f (x ) >. Modelos Biomatemáticos p. 5 Modelos Biomatemáticos p. 6 Bifurcações Quando o segundo membro de uma equação às diferenças depende de um parâmetro, digamos r R, ao variar de r obtém-se uma família de equações às diferencas: = f(x n,r) x n+ = f r (x n ) = Bifurcações A dinâmica discreta da equação x n+ = f r (x n ) depende de r. Se ao variar de r houver uma alteração abrupta na dinâmica da equação às diferenças, diz-se que essa equação sofreu uma bifurcação. onde f : R R R Por exemplo f r (x) = f(x,r) = rx, f r (x) = f(x,r) = rx( x) Modelos Biomatemáticos p. 7 Modelos Biomatemáticos p. 8

Em geral, ao variar do parâmetro r pode verificar-se uma das seguintes ocorrências:. uma variação no numero e na estabilidade dos equilíbrios da equação; 2. uma variação no número e na estabilidade dos ciclos Os valores do parâmetro ultrapassando os quais se dá uma das ocorrências anteriores chamam-se valores de bifurcação Modelos Biomatemáticos p. 9 Um equilíbrio x da equação x n+ = f r (x n ) vai depender de r e será denotado por x (r). Pode-se provar que: uma condição necessária para ter uma variação do número de equilíbrios é que exista um r tal que o correspondente equilíbrio x (r ) da equação x n+ = f r (x n ) satisfaça f r (x (r )) =. uma condição necessária para ter variação do número de ciclos é que exista um r tal que o correspondente equilíbrio x (r ) da equação x n+ = f r (x n ) satisfaça f r (x (r )) =. Modelos Biomatemáticos p. 2 Nós veremos os seguintes exemplos de bifurcações simples de um ponto de equilíbrio.. um equilíbrio que bifurca em dois equilíbrios e muda as suas propriedades de estabilidade; 2. um equilíbrio que muda de estabilidade gerando-se um 2 ciclo em torno desse ponto Equação logística discreta x n+ = rx n ( x n ), r > Modelos Biomatemáticos p. 2 Modelos Biomatemáticos p. 22 r=.. r=.. 22-22-2

. r=2.8 r=.8... 22-3 22-4 equaçao logistica com r= r=3.2.... 22-5 22-6 equaçao logistica com r=.8 equaçao logistica com r=2.8.... 22-7 22-8

. equaçao logistica com r=3.2 a segunda iterada da funçao logistica para r=.8... 22-9 22- a segunda iterada da funçao logistica para r=2.8 a segunda iterada da funçao logistica para r=3.... 22-22-2 a segunda iterada da funçao logistica para r=3.2 2 ciclo para o valor r=3.2.... 22-3 22-4

. 4 ciclo para o valor r=3.52 8 ciclo para o valor r=3.55... 22-5 22-6 Diagrama de bifurcação 6 ciclo para o valor r=3.5675 Para cada < r < 4 representa-se num diagrama o átractor da dinâmica contra r < r < r := 3 um poço x (r) = r.. 22-7 Modelos Biomatemáticos p. 23 Diagrama de bifurcação Para cada < r < 4 representa-se num diagrama o átractor da dinâmica contra r < r < r := 3 um poço x (r) = r 3 = r < r < r 2 := + 6 = 3.449... um 2 ciclo estável {x 2 (r),x 2 2(r),, } r n r = 3.57... n + r n+ r n r n+2 r n+ 4.6692... n + + 6 = r 2 < r < r 3 := 3.544... um 2 2 ciclo estável 3.544 = r 3 < r < r 4 := 3.564 um 2 3 ciclo estável r n < r < r n+ um 2 n ciclo estável Modelos Biomatemáticos p. 23 Modelos Biomatemáticos p. 24

2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 Diagrama de bifurcacao da equacao logistica. r 24-