Научная статья на тему 'Преобразование Эно'

Преобразование Эно Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
426
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕЛИНЕЙНОСТЬ / АТТРАКТОР / НЕПОДВИЖНЫЕ ТОЧКИ / НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ / MAPPING / ATTRACTOR / FIXED POINTS / NONLINEAR MAPPING

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Секованов Валерий Сергеевич

В статье рассматривается преобразование Эно, исследуется характер его неподвижных точек. Рассмотрены аттракторы отображения Эно при различных значениях параметров. Указаны методические приемы изучения преобразования Эно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Секованов Валерий Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Henon map

Henon map is examined in the article, its fixed points characteristics is researched. Henon map attractors at different parameters’ values are examined. Henon map researching methodological modes are pointed out.

Текст научной работы на тему «Преобразование Эно»

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

УДК 514

Секованов Валерий Сергеевич

доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук, профессор Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

priklmath@ksu.edu.ru

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНО

В статье рассматривается преобразование Эно, исследуется характер его неподвижных точек. Рассмотрены аттракторы отображения Эно при различных значениях параметров. Указаны методические приемы изучения преобразования Эно.

Ключевые слова: нелинейность, аттрактор, неподвижные точки, нелинейное преобразование.

ТТв>

Д

етодика из

"вумерное нелинейное преобразование Эно используется в различных об-.ластях человеческих знаний. Однако методика изучения данного преобразования разработана недостаточно. При изучении данного отображения бакалавры, студенты, магистры и аспиранты испытывают значительные трудности.

Следует отметить, что перед изучением отображения Эно обучаемым целесообразно познакомиться с динамикой Ферхюльста отображения фа (х) = ах - ах2, х е[0;1], а е[0;4] (см., например, [1; 2; 4; 8]).

Преобразование Эно задается формулой: 'х) - ах2 + у^

TI

чУ )

bx

0 < а < 2, |b| < 1.

Ti I

T

:о2-

(2 )■

г.

1 -1,4-02 + 2^

0,3 • 0 1 -1,4 • 22 + 0

0.3 • 2 (1 -1,4 • 02 -2 0,3 • 0

3-)

0)1

-4,6

"1 0,6

(-1

) 1 0

(1 -1,4 -(-2 )2 + 0^

0,3 -(-2)

0 1 (0

1 -1,4 • 0 + 2

0 3

( (

T

T

T

-4,6 -0,6

Аналогично найдем:

( (

TI T

T

( (

T

4,6 0,6

-4,6 -0,6

TI T

Представим преобразование Эно в виде композиции трех преобразований. Положим:

' Ьх )

T

,у) К1 - ах2 + yJ; Т= [У ); 73 IУ) = [У1,

где Т1 - представляет искривление, сохраняющее площадь; Т2 - является сжатием по направлению оси ОХ; Т1 - преобразует плоскость в себя путем поворота на 90 градусов.

Нетрудно заметить, что Т = Т3 ° Т2 ° Т1. Исследуем преобразование Эно при а=1,4, Ь=0,3.

Найдем образ круга К х2 + у2 < 4 при отображении Эно. Сначала полезно найти образы точек

(2} (2} (- 2} (0 2) двумя способами:

1) исходя из определения отображения Т;

2) с помощью формулы Т = Т3 ° Т2

° Т1

Имеем:

Сравнивая соответствующие вычисления, заключаем, что получили одни и те же результаты.

После детального исследования отображения

х ) Г1 - ах2 + у)

УJ = l ьх ), 0 < а < 2, |Ь| < 1 получаем образ данного круга (рис. 3).

Теперь рассмотрим поэтапные преобразования Т(К), Т2(К), Тз(К).

Преобразование Т1(К) - искривляет круг, сохраняя площадь (рис. 1).

Рис. 1.

Преобразование Т2(Т1(К)) сжимает Т1(К) по направлению оси ОХ (рис. 2).

Преобразование Т3(Т2(Т1(К))) преобразует плоскость в себя путем поворота на 90 градусов (рис. 3).

Замечаем, что образ круга К х2 + у2 < 4 при преобразовании Эно Т3(Т2(Т1(К))) переходит в множество, изображенное на рисунке 3.

T

T

2

© Секованов В.С., 2014

Вестник КГУ им. H.A. Некрасова № 3, 2014

13

Рис. 2.

Рис. 3.

Теперь исследуем аттрактор Эно в общем виде.

[~ = 1 - ах2 + у Положим: <{ ~ и найдем неподвижные

[ у = Ьх

точки отображения Эно.

Рассмотрим уравнение: Имеем:

- ах2 + у ^ I х

Ьх

[1 - ах2 + у = х 1 - ах2 + Ьх = х 1 ^

[Ьх = у ах2 + (1 - Ь)х-1 = 0

Решая квадратное уравнение, получим:

. =-(1 - Ь) + У(1 - Ь)2 + 4а ; . = .

х1,2 ~ ; у1,2 Ьх1,2 2а

-(1 - Ь) + ^(1 - Ь)2 + 4а *

(1) х

; у* = Ьх!

, -(1 - Ь) -У (1 - Ь)2 + 4 а , ,

(2) х2 = ---; у 2 = Ьх2

а >

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- (1 - Ь)2 4

т

х + а

- т

V у* + Рп у

( *2

1 - ах* + у1 Ьх*

1 - а(х* + ап)2 + у* + Рп

Ь( х* +ап)

/ *2 ^ * 2 * п л *2

1 - ах* - 2х1 апа - аап + у1 + рп - 1 + ах* - у 1

VЬх* + Ьап - Ьх*

- 2х'аап - аа] + Рп

Ьа

- 2х'аап + Рп

Ьа

Таким

образом,

отображение

( ( * , х. + а

т

V V■

у* +Рп

I- 2 х*а

Ь 0

То есть при достаточно малых ап, Рп в окрестности неподвижной точки приращение отображе-

ния Т:

| I х*+а т

V V

у' + Р

у I /и

I -2х* а 1 Уа^

Ь0

У V'л /у

можно считать линейным отображением. В правой части последнего приближенного равенства стоит линейное преобразование с матрицей А:

А =

Г-2х*а 1 ^ Ь0

Замечание. Элементы матрицы А =

Г- 2х*а 1Л Ь0

можно найти, используя частные произво-

I дх дх ^

дные

А=

Положим Ь=0,3. Пусть ап ^ 0, Рп ^ 0. Тогда будем иметь:

дх ду дху дху

дх ду

вычисленные в неподвиж-

. -(1 - Ь) + У (1 - Ь)2 + 4 а * * ных точках х1 =-5-; у1 = Ьх1.

-(1 -Ь)-у1(1 -¿рЧ^ ^ = Ьх. отображения Т.

у2

Найдем собственные значения оператора

А=

ния

(- 2х*а 1'

, Ь 0 у -2ах* - р 1

Ь

из характеристического уравне-

= 0. Имеем р2 + 2ах*р - Ь = 0. р

Iх | 11 - ах2 + у | ,,

ТI 1 = 1 ^ 1, 0 < а < 2, |Ь| < 1 в окрестности

неподвижной точки можно представить в матричном виде:

, - 2ах* ± л/4а2х2 + 4Ь * I 2 *2 ~

р =-= -ах, ±л а х, + Ь ,

2 • \ •

где 1=1, и}=\, 2. Будем считать:

р\ = -ах* +а2 х* + Ь ; *=1, У=1;

2 * 12 *2 1 рх =-аххх а х-1 + Ь ; *=1,У=2;

1 * 2 *2 1 р2 =-ах* а х* + Ь; *=2,у=1;

2 * 12 *2 1 р2 =-ах2а х2 + Ь ; 1=2,]=2.

х

х

+

Исследуем каждую из функций:

1 * 2 *2 1 2 * 12 *2 1 р1 =-ax1 a x1 + b , p1 =-ax1 a x1 + b ,

p\ = -ax* a2x*2 + b, p22 = -ax* --/a2x*2 + b .

1) Pj = -ax* +1J a2 x* + b, . -(1 -b) + д/(1 -b)2 + 4a

При ¿=0,3 абсцисса первой неподвижной точки будет иметь вид:

. - 0,7 + 40,49 + 4а

Х1 =--.

Подставляя значения параметров а и Ь, получим:

р\ (a) = -a +1

(

- 0,7 + -7 0,49 + 4a

2a

+

- 0,7 + V 0,49 + 4a

2a

0,7 0,49 + 4a 2

+ 0,3 =

0,49 -1,4^0,49 + 4a + 0,49 + 4a

i

0,7 -40,49 + 4a

4a2

+ 0,3 =

0,49 -1,4^0,49 + 4a + 0,49 + 4a +1,2

0,7 -40,49 + 4a + /2,18 -1,4^0,49 + 4a + 4a

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,7 -40,49 + 4a 1 / n „ /—^ „ „ —-^-+ - -^2,18 -1,4^/0,49 + 4a + 4a

Далее найдем производную функции р\ (a): (P1(a))' = - 1

д/0,49 + 4a 1

л/2,18 -1,4Д49 + 4a + 4a l л/0,49 + 4a

1-

0,7

V0,49 + 4a ^2,18 - 1,4 Д49 + 4a + 4a

( 40,49 + 4a - 0,7 l = 1 ^0,49 + 4a J ^0,49 + 4a

4

^0,49 + 4a - 0,7 л/2,18 -1,4/0,49 + 4a + 4a

-1

< 0.

Далее найдем предел: lim pp (a)« 0,5 .

Пусть теперь а=1, b=0,3. Тогда: pp (1)« 0,20. При а=2, b=0,3 получим: p1 (2)« 0,13 (см. рис. 4).

Заметим, что p1 (a) не превосходит единицы на отрезке [0; 2].

p\(a)

0,54

0,2

Рис. 4.

2) p12 = -ax* a2x* + b,

. - (1 - b) + 4 (1 - b)2 + 4a

x* =---

2a

. _ - 0,7 + 40,49 + 4a

pf (a) = -a

2a

(-0,7 + V 0,49 + 4a ^ 2a

V

-0,7 + V 0,49 + 4a

2a

0,7 -л/ 0,49 + 4a 2

+ 0,3 =

0,49 -1,4^/0,49 + 4a + 0,49 + 4a

i

0,7 -40,49 + 4a

4a2

+ 0,3 =

0,49 -1,4^0,49 + 4a + 0,49 + 4a +1,2

0,7 -40,49 + 4a + /2,18 -1,4^0,49 + 4a + 4a

( P2(a))' = -

1

^0,49 + 4a 1

1-

0,7

л/2,18 -1,4Д49 + 4a + 4a l л/0,49 + 4a

- 1___1_

л/0,49 + 4a д/2,18 - 1,4 Д49 + 4a + 4a

.70,49 + 4a - 0,7 1

-70,49 + 4a J .70,49 + 4a

V0,49 + 4a - 0,7 д/2,18 -1,4^3,49 + 4a + 4a

+1

< 0.

Найдем такое значение а, чтобы выполнялось:

P12(a) = -1.

То есть -1 = ax* = a2 x* + b .

Или же 1 - 2ar1 + a2 x^ = a2 x^ + b. Далее имеем:

2

+

2

+

2

2

+

4

2

2

4

4

2

4

1

1

Рис. 5.

1 - 2« .-О - b) W 0 - b)2 + 4 ^ = b;

1 + (1 -Ъ) -у/(1 -Ъ)2 + 4а = Ъ;

1 + 0,7 (1 - 0,3)2 + 4а = 0,3

1,4 = 4 0,49 + 4а 0,49 + 4а = 1,96; 4 а = 1,47 а = 0,3675.

На рисунке 5 мы видим, что при а > 0,3675 |л2(а)| > 1.

3) р2 = -ах* +^ а2 х* + Ъ,

. = -(1 - Ъ)-V (1 - Ъ)2 + 4 а Х2 . 2а

. _ - 0,7 0,49 + 4а

Р (а) = -а +

i

( - 0,7 -V 0,49 + 4а ^ 2а

0,49 +1,4^0,49 + 4а + 0,49 + 4а

4а2

+ 0,3 =

= 0,7 + 40,49 + 4а = 2

0,49 +1,4/0,49 + 4а + 0,49 + 4а +1,2

lim Р (а) = lim

а^0 2 а^0

0,7 + 4 0,49 + 4а

(0,7 + 4 0,49 + 4а )2 +1,2

= 0,7 0,7 У(0,7 + 0,7)2 +1,2 = = 2 2 2 =

= и + Уйб7й ж 0,7 + 0,89 = 1,59. 2 2

Таким образом, при каждом значении а е [0; 2], значение функции р1 (а) > 1.

4) р2 = -ах* а'2х* + Ъ,

. -(1 - Ъ) -4 (1 - Ъ)2 + 4 а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

х* =-*-.

. - 0,7 -Л 0,49 + 4а

х* =---.

Г-0,7 0,49 + 4а ^

р\(а) = -а

II

0,49 +1,4^/0,49 + 4а + 0,49 + 4а

4а2

+ 0,3 =

7 + 40,49 + 4а д/(0,7 + VÖ49T4« )2 +1,2

0,7 + V 0,49 +

2 2 limр22 (а) « 0,7 - 0,89 = -0,19.

Р22(1)« -0,1. Аналогично пунктам 1) - 3) находим:

2 1

(Р (а))' = -

(

1 -

40,49 + 4а 0,7 + V 0,49 + 4а

^0,7 +

0,49 + 4а)2 +1,2

> 0.

Таким образом, при ап ^ 0, Рп ^ 0 приращение значений отображения Т в окрестности неподвижной точки выражается соотношением:

, ~ ) ) , ~ ) ) л

г

x +а x x +а xi

- т =т -

v у*+в ч У* ) ч У* +в ч У* ,

в

_ 0,7 + ^0,49 + 4а (0,7 + 40,49 + 4а)2 +1,2 _

= 2 1 4 =

= 0,7 + 40,49 + 4а ^2,18 +1,4^0,49 + 4а + 4а = 2 2 . Заметим, что функция р\(а) монотонно возрастает, поскольку возрастает каждое слагаемое. То есть:

0 < а1 < а2, р^(а1) < р\(а2)^р^(а1) > 1, Уа1 е [0; 2].

. - (1 -Ъ) -4(1 -Ъ)2 + 4а

х* =---

Линейное отображение А имеет четыре собственных вектора Р1, Р2, Р3, Р4 , в направлении которых оно представимо в виде:

аа-р• .г, 4х

Заметим, что р1 (а) не превосходит единицы

на отрезке [0; 2]. При 0 < а < 0,3675 |р2(а)| < 1. Таким образом, при а е (0,0,3675) система устойчива в неподвижной точке х* (оба направления притягивающие, см. рис. 6).

2

а

2

Рис. 6.

В неподвижной точке

. -0,7 -J 0,49 + 4a x* =— v

2a

одно направление притягивает, а другое - отталкивает (см. рис. 7) - система неустойчива.

Следует отметить, что изучение преобразования Эно продолжает исследования нелинейных отображений, рассмотренных в [3; 6; 7] и дает возможность формировать креативность студентов (см. [5]) и формировать их исследовательские компетенции (см. [9]).

Библиографический список

1. Гринченко В.Т., Мацибура В.Т., Снарский А.А. Введение в нелинейную динамику: Хаос и фракталы. Изд. 2-е. - М.: Изд-во ЛКИ, 2007. - 264 с.

2. Кроновер Р.М. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории. - М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

3. Малинецкий Г.Г. Математические основы синергетики. Хаос, структуры, вычислительный эксперимент. Изд. 4-е, сущ. перераб. и доп. - М.: КомКнига, 2005. - 312 с.

4. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.; Ижевск: Институт компьютерных

Рис. 7.

исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010. - 656 с.

5. Секованов В.С. Миронкин Д.П. Изучение преобразования пекаря как средство формирования креативности студентов и школьников с использованием дистанционного обучения // Вестник Костромского государственного университета имени Н.А. Некрасова. - 2013. - № 1. - С. 190-195.

6. Секованов В.С. О множествах Жюлиа некоторых рациональных функций // Вестник Костромского государственного университета имени Н.А. Некрасова. - 2012. - № 2. - С. 23-28.

7. Секованов В.С. Отображение «Кошка Арнольда» и методика его изучения // Вестник Костромского государственного университета имени Н.А. Некрасова. - 2013. - № 2. - С. 143-149.

8. Секованов В.С. Элементы теории фрактальных множеств. Изд. 5-е, перераб. и доп. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. - 248 с.

9. Хамов Г.Г., Тимофеева Л.Н. Формирование исследовательских компетенций будущих учителей математики // Ярославский педагогический вестник. Серия: Психолого-педагогические науки. - 2013. - Т. 2. - № 3. - С. 141-146.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.