Виктор Шаповалов - Моделирование синергетических систем. Метод пропорций и другие математические методы. Монография

(1)

где Y i – переменные системы; t – время; F i – функция переменных, вид которой определяется свойствами системы; n — количество переменных, минимально необходимое для описания исследуемого процесса.

Управляющие параметры представляют в эволюционном уравнении (1) внешние условия, которые система изменить не может, и поэтому вынуждена под них подстраиваться [20]. Например, если система движется по выпуклой или вогнутой поверхности и при этом на нее действует сила тяжести и сила сопротивления среды, то в правую часть уравнения (1) в качестве постоянных величин войдут кривизна поверхности, ускорение свободного падения и коэффициент сопротивления среды. Эти постоянные величины будут управляющими параметрами. Изменить их система не может, поэтому ей придется двигаться, подстраиваясь к ним. В частности, она будет двигаться в направлении от выпуклости к вогнутости. Если мы изменим кривизну поверхности, поменяв, например, выпуклое на вогнутое, то это сразу же скажется на движении системы – оно изменится на обратное. Другими словами, изменяя значения указанных параметров, внешний мир управляет поведением системы. Собственно, поэтому эти параметры и названы управляющими.

Эволюционными уравнениями вида (1) описываются объекты весьма широкого класса. В том числе и такие, какие не могут быть отнесены к системам, например материальная точка. Предметом же настоящей книги являются самоорганизующиеся системы. В связи с этим необходимо уточнить, что мы понимаем в (1) под переменными Y i .

Прежде всего, предполагается, что нам известно, какие части системы являются ее элементами. Отдельные группы элементов могут образовывать подсистемы данной системы (в предельном случае подсистема может быть одна, т. е. совпадать с самой системой). Так вот, переменные Y i в эволюционном уравнении – это переменные, описывающие связи между подсистемами . Иными словами, отдельная Y i символизирует некоторую обобщенную характеристику коллективного движения элементов подсистемы.

Только при таком понимании Y i эволюционное уравнение (1) может описывать самоорганизацию. Действительно, если внешний мир изменит управляющие параметры, то процесс подстраивания системы к новым их значениям проявится в том, что элементы подсистем, представленных в (1) в виде обобщенных переменных, изменят свое коллективное движение. Это следует из того, что в (1) изменение управляющих параметров непосредственно влияет на значения Y i , т. е. на подсистемы, а не на их элементы. Следовательно, элементам придется самопроизвольно изменить взаимодействие между собой, чтобы их коллективное движение стало соответствовать новым значениям управляющих параметров. Иначе говоря, в системе произойдет самоорганизация (см. определение самоорганизации в первой сноске на с. 5).

Итак, в данной книге под переменными Y i в (1) мы понимаем макроскопические переменные, соответствующие некоторым обобщенным характеристикам коллективного движения элементов системы. Напомним, что в синергетике такие переменные называются параметрами порядка [19].

Математически создание синергетической модели, как правило, начинается с выбора параметров порядка, т. е. с выбора макроскопических переменных, количественно характеризующих основные связи в системе. Следующий шаг заключается в составлении пропорций, формирующих эти связи. Правило составления пропорций подробно описано в [19] (см. также [3]). Согласно этому правилу, увеличение некоторой величины с течением времени пропорционально приросту этой величины минус ее потери . Затем эти пропорции преобразуются в эволюционное уравнение типа (1).

Если какой-либо объект представляет собой систему, то он обязательно подчиняется универсальным системным закономерностям. Социальные системы не являются исключением. В частности, коллективное поведение людей в простейшей экстремальной ситуации наглядно демонстрирует качества, которые могут наблюдаться в поведении, например, физических систем.

Допустим, что в здании находится большая группа людей. В некоторый момент времени, принятый за начальный, все люди пытаются выйти из здания. Мы хотим получить закон, показывающий, как с течением времени уменьшается число людей в здании [28].

Введем обозначения: N – количество людей, находящихся в здании в произвольный момент времени t; dN – количество людей, вышедших из здания за время dt . Сформулируем начальное условие: в момент времени t = 0 количество людей в здании равнялось N 0.

Составляем главную пропорцию задачи (см. введение, последний абзац). Делается это следующим образом. Из общих соображений можно предположить, что число людей, вышедших из здания за некоторый промежуток времени, пропорционально самому промежутку времени и количеству людей, находящихся в здании:

dN ~ dt, N .

Заменяя знак пропорции на коэффициент пропорциональности А , получим

dN = —ANdt,

или

Эволюционное уравнение данной задачи (сравните с (1)). Появление минуса объясняется тем, что с увеличением t уменьшается N ( dN < 0).

Данное уравнение представляет собой известное дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Поступаем согласно методу решения, описанному в разделе П1.2 Приложения. Сначала разделяем переменные по разные стороны уравнения, затем полученное выражение интегрируем:

где C – постоянная интегрирования. Выразим N:

(2)

Постоянную C определим из начального условия. В нашей модели начальное условие будет выглядеть следующим образом (см. в Приложении формулу (П.1)):

N│ t = 0= N 0.

В соответствии с этим условием мы в (2) подставим t = 0 и N 0вместо N:

N 0= Ce – A ∙ 0= Ce 0= C.

Следовательно, C = N 0. Тогда (2) примет окончательный вид

N = N 0e —At.

Итак, мы получили закон, показывающий, как с течением времени уменьшается количество людей в здании. Здесь постоянная А характеризует архитектурные особенности здания: количество этажей, количество выходов и т. п.