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lunedì 4 aprile 2011

Caos

«E dopo succede che non ci si capisce più niente. Guarda cosa succede per r = 3.7».



«Uh, è vero, non si capisce cosa succede. Sembra che ci sia una certa regolarità, però».

«Sì, è vero. Possiamo parlare solo di probabilità di cadere all'interno di un determinato intervallo, ma non ci sono orbite regolari stabili».

«Stabili?».

«Sì. Provo a spiegarmi: se ci pensi un attimo, il punto di intersezione tra la retta e la parabola è un punto fisso. Se prendi il valore iniziale giusto, cadi proprio sopra a quel punto e da lì non ti muovi più».

«Ah, già. Se il primo segmento verticale arriva proprio sopra a quel punto, quando mi muovo in orizzontale non mi sposto, rimango sempre lì».

«Esatto. In effetti di punti di intersezione tra la retta e la parabola ce ne sono due. Anche il valore 0 è stabile».

«Giusto. Se non c'è popolazione, nessuno si riproduce e nessuno muore».

«Proprio così. Ma se ti sposti anche di pochissimo da quei due punti di equilibrio, può succedere di tutto. E man mano che r aumenta, si nota sempre meno regolarità. Eccoti il grafico per il valore massimo di r, cioè 4».



«Eh, mamma mia. Qui sembra proprio che non ci sia regolarità».

«Già. Questo è quello che si chiama caos deterministico».

«Cosa significa?».

«Deterministico significa che il sistema è governato da una equazione esatta, non da probabilità. Sappiamo fare i calcoli, conosciamo le formule (che, fra l'altro, sono anche molto semplici), sappiamo esattamente cosa succederà alla generazione n+1, una volta che conosciamo lo stato della generazione n».

«Però c'è caos».

«Esatto. Una caratteristica del caos è questa: l'evoluzione del sistema dipende in maniera molto sensibile dalle condizioni iniziali».

«Cioè da come si parte?».

«Sì. Ricordi quando non c'era caos? Potevi partire da qualsiasi condizione iniziale, e prima o poi saresti arrivato all'equilibrio, che poteva essere un punto solo, oppure quella che abbiamo chiamato orbita. Anche se il sistema oscilla tra più punti, l'insieme di quei punti si chiama stabile perché il sistema tende ad assumere quella configurazione».

«Mi ricordo. Adesso invece non è più così, vero?».

«No. Due condizioni iniziali anche molto vicine prima o poi se ne vanno per strade molto diverse. Ti faccio un esempio, nella figura qua sotto, in cui la parabola ha r = 4, ho assegnato ad un punto il valore di x = 0.2, a un secondo punto ho assegnato invece x = 0.201. Ecco la prima generazione:».



«Praticamente non si nota la differenza».

«No, infatti, non abbiamo abbastanza pixel per notarla. Ecco cosa succede dopo tre generazioni:».



«Forse si comincia a vedere qualcosa».

«Sì, se ingrandisci la figura vedi due colori diversi. Ma ti basta aspettare un altro paio di generazioni per distinguere bene le due traiettorie:».



«Sono ancora abbastanza vicine, però».

«Sì, ma non lo rimarranno per molto. Dopo 9 iterazioni sono già molto staccate:».



«Sì, ormai non hanno più molto in comune».

«E andando avanti è sempre peggio. Ti faccio vedere un'ultima immagine, con 50 generazioni:».



«Sì, è davvero un caos».

«E questa è stata una grossissima delusione per Laplace».

«Perché?».

«Perché lui pensava che le leggi fisiche della meccanica, leggi semplici che descrivono il moto dei corpi, una volta note le condizioni iniziali, potessero essere usate per prevedere tutto».

«Tutto?».

«Sì, lui diceva datemi le condizioni iniziali, e vi saprò prevedere l'evoluzione dell'intero universo».

«E gli è andata male».

«Già. Una semplice legge come questa, con una facile curva di secondo grado, è imprevedibile. Mi basta sbagliare di pochissimo una condizione iniziale, e non riesco più a sapere quello che succederà dopo molte iterazioni. E, dato che le misure fisiche hanno sempre un margine di errore, tanti saluti al determinismo».

«E alle previsioni del tempo».

«Anche».

«Mi piacerebbe fare qualche prova con il sistema della crescita con risorse limitate: come hai fatto a fare i grafici?».

«Ho usato GeoGebra e seguito queste istruzioni, per non dover fare tutto a mano. Se vuoi, qui c'è un'applet java già pronta per giocarci».

«Ottimo».

«Concludo con un'ultima immagine, fatta da un utente di wikipedia. Immagina di voler creare un grafico che riassuma il comportamento del nostro sistema, per ogni valore di r fino a 4. Questa volta non vuoi vedere tutte le iterazioni, ma solo gli attrattori, cioè solo quello che succede quando la situazione è stabile».

«Ma non è sempre stabile».

«Vero. Immagina di partire da un punto a caso, poi di fare molte iterazioni (nell'immagine ne sono state fatte 1000) a vuoto. Poi cominci a raccogliere i dati: per ogni valore di r ne raccogli 100000».

«Sono tanti, cosa me ne faccio?».

«Quando r è piccolo otterrai 100000 valori tutti uguali, perché avrai un solo punto fisso».

«Infatti».

«Bene, allora cominci a creare un grafico. Sull'asse delle ascisse metti il valore di r che stai usando, sull'asse delle ordinate metti i valori di quei 100000 punti».

«Per r piccolo però metto un punto solo, no?».

«Certo, all'inizio disegnerai una curva: man mano che r cresce vedrai il punto fisso che cambia un po' posizione».

«Poi però c'è il raddoppio del periodo».

«Sì, a un certo punto vedrai la curva che si biforca. E dopo un po' vedrai le due biforcazioni dividersi ancora…».

«Perché siamo arrivati al periodo 4, giusto?».

«Esatto. Poi le biforcazioni si fanno sempre più frequenti, e a un certo punto diventano infinite».

«E dopo comincia il caos».

«Sì, siamo intorno a r = 3.569945672».

«Dopo si anneriranno tutti i punti, no?».

«Sì, dopo avremmo un grafico tutto pieno, e allora cambiamo la modalità di rappresentazione. Per ogni punto sull'asse verticale, da 0 a 1, teniamo conto di quante volte esso viene toccato: infatti i 100000 punti che hai calcolato non si distribuiscono uniformemente su quell'intervallo. Ad ogni punto associamo allora un livello di grigio proporzionale a quante volte esso è stato toccato. Ed ecco quello che salta fuori:».

Grazie a wikipedia per questa immagine.

giovedì 31 marzo 2011

Raddoppiamento del periodo

«Perché dici che mi sbaglio?».

«Perché succedono cose strane, se aumentiamo r ancora un pochino. Guarda come cambia la figura quando r = 3.2».


«Ma che roba è?».

«Non ci avviciniamo più al punto di intersezione della retta con la parabola».

«Eh, vedo, ma perché?».

«Perché adesso ci sono due posizioni stabili, che si alternano generazione dopo generazione».

«Come un pendolo, ma senza attrito?».

«Sì, ma l'analogia non è del tutto corretta. Un pendolo senza attrito continua ad oscillare mantenendo l'ampiezza iniziale: qua invece qualunque sia il valore iniziale, pian piano esso si sposta verso quella particolare doppia posizione di equilibrio. Ora si dovrebbe capire meglio il motivo per cui viene chiamata attrattore».

«Ah, ecco. Qualsiasi valore iniziale viene attratto verso quel punto».

«Con l'attuale valore di r, sono due punti: e quella che viene chiamata orbita periodica. Te la faccio vedere senza le fasi di avvicinamento:».



«Bella! E che succede se aumentiamo ancora r?».

«Eccoti r = 3.5».




«Oh mamma, quattro posizioni?».

«Proprio così. Eccoti l'orbita stabile:».



«Quindi adesso ci sono quattro posizioni che si succedono, nel corso di quattro generazioni?».

«Sì, è un'altra orbita periodica, di periodo doppio rispetto alla precedente».

«E cioè quattro. E se aumentiamo r il periodo aumenta ancora?».

«Sì, raddoppia sempre. Eccoti un periodo 8, con r = 3.55».



«Ma è bellissimo. E quando ci si ferma?».

«In che senso?».

«Quando termina questo raddoppio?».

«Mai».

«Ma come? Il valore di r non può crescere per sempre: mi avevi detto che al massimo si arriva a 4».

«Esatto, ma nonostante questo i raddoppiamenti vanno avanti all'infinito. Si susseguono sempre più velocemente».

«E magari si riesce anche a sapere quanto velocemente?».

«Sì: il rapporto tra la lunghezza di un intervallo di periodo 2n e quella di un intervallo di periodo 2n+1 è uguale al valore di una costante universale, detta costante di Feigenbaum, il cui valore è circa 4.6692».

«Mamma mia, voi matematici siete megalomani. Costante universale… Non vi bastava chiamarla costante?».

«Eh, ma il fatto è che è davvero universale. Non vale solo per la nostra parabola: qualsiasi sistema fatto come il nostro, del tipo xn+1 = rf(xn), dove f può essere una funzione con proprietà simili a quelle della parabola (che non sto a specificarti), gode della stessa proprietà».

«Wow».

«Sì, e la scoperta di questo fatto è recente: Feigenbaum se ne è accorto nel 1975. La storia ci racconta che la scoperta è dovuta al fatto che la calcolatrice HP-65 che usava per fare i calcoli era molto lenta, pur essendo una meraviglia per l'epoca. Ed essendo lenta, manteneva i numeri sul display per un tempo sufficiente a notare una certa regolarità».

«E come fai a sapere tutte queste cose?».

«Ho dato la tesi con un prof. che ha lavorato con lui. Pochi giorni prima della mia laurea eravamo a un convegno in cui era presente anche Feigenbaum, e il mio prof. mi presentò, dicendogli che di lì a poco mi sarei laureato. Lui mi diede la mano e mi disse Ah! It's about time!».

«Eh, eh».

«Ma lasciamo perdere gli aneddoti. Hai capito che, dato che i raddoppiamenti di periodo arrivano sempre più velocemente, si arriva all'infinito prima che r diventi uguale a 4?».

«All'infinito? Vuoi dire che ci saranno orbite di periodo sempre più grande?».

«Sì, all'aumentare di r il periodo raddoppia sempre, e si raggiunge il limite quando r è circa 3.569945672».

«E dopo?».

martedì 29 marzo 2011

Risorse limitate

«Ora consideriamo una crescita senza competizione, ma con risorse limitate».

«L'ho già detto eeh?».

«Sì, la volta scorsa… Ma non è un concetto molto complicato: i nostri conigli marziani si riproducono, però a un certo punto non trovano più da mangiare; hanno riempito completamente Marte e adesso stanno un po' stretti».

«Non possono crescere per sempre».

«Eh, no. L'ambiente può contenere al massimo un certo numero di individui. Poniamo questo massimo uguale a 1, utilizzando una unità di misura a nostro piacere».

«Quindi quell'uno può significare un milione, o un miliardo, o quello che vogliamo noi?».

«Sì, non ci interessa quanto. È il massimo possibile, oltre non ci andiamo».

«Ok».

«L'equazione di crescita si modifica un po': se alla generazione n abbiamo xn individui, alla generazione successiva ne abbiamo una certa quantità proporzionale sì a quanti ne avevamo, ma proporzionale anche a quanto siamo lontani dal massimo».

«Uhm, e come sarebbe questa equazione?».

«Se utilizziamo sempre r come costante di proporzionalità, abbiamo:».

xn+1 = rxn(1 - xn).

«Ah, vedo. Hai scritto il prodotto tra xn, che sarebbe la parte proporzionale a quanti individui erano presenti prima, e (1-xn), che mi dice quanto siamo distanti dal massimo».

«Proprio così. E se vogliamo rappresentare su un grafico questa nuova situazione, come abbiamo fatto l'altra volta, dobbiamo usare l'equazione y = rx(1-x)».

«Uhm, un'equazione di secondo grado».

«Sì, è una parabola. Nota che interseca l'asse delle x sempre negli stessi punti, di ascissa 0 e 1».

«Ah, giusto. Quello che cambia è il vertice».

«Sì. Per essere precisi, cambia l'ordinata del vertice. La facciamo variare da un minimo di 0, quando r = 0, a un massimo di 1, quando r = 4».

«Perché proprio r = 4?».

«In realtà non ragioniamo su r, ma sul vertice: al massimo deve valere 1 perché quel valore è, secondo le nostre unità di misura, il più grande valore che può assumere la popolazione».

«Ah, ok».

«Facciamo qualche esempio, allora. Prendiamo r = 0.5, e iteriamo. Ricordati che ogni volta ci basta riportare il valore che abbiamo trovato sulla bisettrice del primo e terzo quadrante».

«Mi ricordo, in questo modo possiamo ridare in pasto alla nostra macchinetta i risultati della generazione precedente».

«Ecco il grafico».



«Uhm, mi pare che ci sia una estinzione».

«Sì, il tasso di crescita è molto basso. Proviamo ad aumentarlo un po'».

«Mettiamo r = 1?».

«Ok, ecco il grafico:».



«Ancora non ci siamo, muoiono tutti. Sbaglio o la retta è tangente alla parabola?».

«Non sbagli, è proprio così».

«Allora è per quello che si estinguono: se aumentiamo ancora un po' r forse la parabola supera la retta e le cose cambiano».

«Eh, sì, le cose cambiano. Proviamo con r = 1.5; spostiamo anche il punto di partenza, che altrimenti sarebbe troppo vicino al punto di intersezione tra la retta e la parabola».



«Uh, questa volta sono pochi individui, ma crescono».

«Sì, e si stabilizzano verso un valore ben preciso».

«Vedo. E che succede se invece prendiamo una popolazione maggiore?».

«Guarda:».


«Ah, questa volta diminuiscono: erano troppi e qualcuno muore».

«Esatto, ma non si va verso l'estinzione: la popolazione si stabilizza intorno a quel punto di equilibrio, che i Veri Matematici chiamano anche attrattore».

«Proviamo ad aumentare un po' r? Anche se ormai ho capito come funziona».

«Posso dubitare di questa tua ultima affermazione?».

«Perché?».

«Stai a vedere. Mettiamo r = 2, per cominciare».


« Bé, non è cambiato niente, le cose stanno come prima».

«Vero, ma porta pazienza. Andiamo a vedere cosa succede con r = 2.9».



«Uh?».

«Ti aspettavi una cosa del genere?».

«Veramente no… ma cosa succede? La popolazione aumenta e diminuisce in continuazione?».

«Eh, sì: in una certa generazione ce ne sono pochi, il mondo potrebbe contenerne di più. Allora crescono, ma crescono troppo, e la generazione successiva sono molti, e qualcuno muore. Allora tornano ad essere meno del massimo possibile, e quindi aumentano di nuovo, ma meno. E così via».

«Come una specie di altalena?».

«Esatto, ci sono delle oscillazioni intorno al valore massimo. E sono oscillazioni che si smorzano pian piano, ogni volta l'ampiezza diminuisce».

«Ah, vabbé, alla fine succede sempre la stessa cosa: la popolazione si stabilizza sempre intorno al punto di intersezione tra la parabola e la retta. È anche una cosa ragionevole: il mondo può contenere al massimo un certo numero di individui, e prima o poi ci si arriva».

«È qui che ti sbagli».

lunedì 28 marzo 2011

Crescite e decrescite

«Immaginiamo una popolazione con la possibilità di crescere senza competizione e con risorse illimitate».

«Eeh?».

«Una specie di conigli marziani, che ogni tot si riproducono. Possono riprodursi all'infinito, e nessuno li mangia».

«In breve invadono Marte…».

«Sì, bè, noi astraiamo molto, vogliamo creare un modello per una crescita di questo tipo. Diciamo che non ci sono limiti alla loro attività. E, per semplificare, il modello lo facciamo discreto».

«Discreto?».

«Sì, significa che il tempo scorre a salti. Abbiamo una certa popolazione in un istante, che potremmo indicare con xn, e un'altra popolazione all'istante successivo, che potremmo indicare con xn+1».

«Bene. E come facciamo a fare crescere questi conigli?».

«Diciamo che la popolazione in un certo istante è proporzionale alla popolazione all'istante precedente».

«Ok. E ci sarà quindi una costante di proporzionalità?».

«Sì, la indichiamo con r. E scriviamo la nostra equazione così:».

xn+1 = rxn.

«Va bene, credo di capire. Se r=1 rimane tutto costante, giusto?».

«Sì, se r=1 non nasce e non muore nessuno, la popolazione rimane sempre quella».

«Allora, perché cresca, dovremmo porre la costante r maggiore di 1?».

«Esatto. Immaginiamo, tanto per fissare le idee, che r sia uguale a 2».

«Oh, così crescono in fretta».

«Eh, sì. E noi vogliamo trovare un modo comodo per visualizzare questa crescita».

«Perché?».

«Perché quando le cose si vedono, è meglio. E poi perché così riusciamo a complicarle meglio».

«Capirai».

«Allora, quella relazione che abbiamo scritto tra xn+1 e xn è come una macchinetta con un'entrata e una uscita. Inseriamo un valore, che indichiamo con xn, e la macchinetta ci calcola xn+1. Se poi vogliamo conoscere il successivo, ci basta prendere l'uscita e riportarla all'ingresso».

«Ah, certo, al giro dopo calcolerà xn+2, poi xn+3, e così via».

«Proprio così. Ora vogliamo fare una rappresentazione grafica. Immagina di mettere il valore iniziale della popolazione sull'asse delle x».

«Ok. Se voglio visualizzare la popolazione all'istante successivo, dovrò disegnare in un qualche modo la relazione tra xn e xn+1. Ma non capisco bene come».

«Non è difficile: la nostra macchinetta è semplice, perché prende una x e la moltiplica per r. Potremmo rappresentarla con la formula y = rx».

«Ah, ma questa è la formula di una retta!».

«Esatto, se noi rappresentiamo sul grafico quella retta…».

«…allora ci basta prendere il nostro valore di x, portarlo in verticale verso la retta, e poi in orizzontale sull'asse delle y. Immagino di poter fissare delle coordinate arbitrarie; ecco, il grafico dovrebbe essere questo:».



«Sì, potremmo fare così, ma perderemmo poi la possibilità di riportare l'uscita all'ingresso della macchinetta».

«Uh, e allora?».

«E allora dobbiamo trovare il modo di riportare la y, così come è stata calcolata, sull'asse delle x. E non è difficile, esiste un sistema per trasformare le y di nuovo in x».

«Quale?».

«Se il nuovo x deve essere uguale al vecchio y, perché non usare semplicemente la funzione y = x?».

«Per riflettere le y di nuovo sulle x? Geniale!».

«Ora che abbiamo ottenuto una nuova x, possiamo ripetere il procedimento. Tra l'altro, non c'è nemmeno bisogno di riportare effettivamente la x proprio sull'asse delle x. È sufficiente muoverci in verticale verso la retta y = rx e in orizzontale verso la retta y = x. Ogni movimento orizzontale ci fornisce una nuova x. Ecco un disegno, il puntino viola è quello di partenza:».



«Bello, si vede una specie di gradinata che sale sempre».

«Certo, ogni volta che il nostro tempo discreto fa un passo avanti, la popolazione raddoppia. Ho messo in evidenza anche i punti sull'asse delle x, ma vedi che non sono necessari».

«Già. E che succederebbe se r fosse minore di 1?».

«Puoi immaginarlo, ma ecco un disegno. Questa volta prendo un punto di partenza un po' più a destra, però».




«Ahia. Questa la chiamerei estinzione».

«Già. O crescono all'infinito, o rimangono costanti, o muoiono tutti. Non ci sono altre possibilità».

«Ok, mi sembra semplice».

«Ottimo. Adesso complichiamo un po'».