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
2а
; у* = Ьх!
, -(1 - Ь) -У (1 - Ь)2 + 4 а , ,
(2) х2 = ---; у 2 = Ьх2
2а
а >
- (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.
2а
-(1 -Ь)-у1(1 -¿рЧ^ ^ = Ьх. отображения Т.
2а
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
2а
При ¿=0,3 абсцисса первой неподвижной точки будет иметь вид:
. - 0,7 + 40,49 + 4а
Х1 =--.
2а
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
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;
2а
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
2а
( - 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
х* =-*-.
2а
. - 0,7 -Л 0,49 + 4а
х* =---.
2а
Г-0,7 0,49 + 4а ^
р\(а) = -а
2а
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* =---
2а
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.