Discrete dynamische systemen

1. Discrete dynamische systemen Johan Deprez Dag van de Wiskunde, Kortrijk 19/11/05 slides en bijkomend materiaal op www.ua.ac.be/johan.deprez

2. Kennismaking economisch hoger onderwijs van 2 cycli, wiskunde en statistiek in de kandidaturen/Bachelor academische lerarenopleiding wiskunde academische lerarenopleiding wiskunde stuurgroep T3 redactie tijdschrift Uitwiskeling

3. Kennismaking Hoe goed zijn jullie vertrouwd met discrete, dynamische systemen? (goed/een beetje/helemaal niet) Hoe goed zijn jullie vertrouwd met het gebruik van een TI83/84 in het algemeen? (goed/een beetje/helemaal niet) Hoe goed zijn jullie vertrouwd met het gebruik van een TI83/84 voor rijen en recursieve vergelijkingen? (goed/een beetje/helemaal niet)

4. Overzicht • Inleiding • Voorbeeld: Medicijnspiegel • Werkmoment • Lineaire recursievergelijkingen van ... • Een niet-lineaire recursievergelijking • Slot

5. Bronnen J.D. en Jan Roels, Discrete dynamische systemen, Uitwiskeling 20/3, mei 2004

6. Bronnen C. Biront, J.D., Wiskundige begrippen en methoden – deel 3, Wolters-Plantyn, 1998

7. Discrete wiskunde in de leerplannen • leerplan VVKSO 3de graad ASO - 6u: • “De leerlingen kunnen problemen met betrekking tot discrete veranderingsprocessen wiskundig modelleren en oplossen. (DI3)” • keuze-onderwerp iteratie • vrije ruimte • discrete veranderingsprocessen/iteratie ook toegankelijk voor andere richtingen in ASO en TSO van vrij onderwijs via keuze-onderwerpen • (gemeenschapsonderwijs: zou passen bij de facultatieve uitbreiding)

8. Medicijnspiegel • elke dag toedienen van een dosis van 1500 mg • in één dag verdwijnt 25% van de hoeveelheid • begin: 1500 (mg) • elke dag: eerst 0.75, dan +1500 (mg) combineren van ‘recursieve bewerkingen’ bij meetkundige en rekenkundige rij! Hoe evolueert de hoeveelheid medicijn in het bloed?

9. Medicijnspiegel: basisscherm TI84 • vertraagd ... • ... stijgend • met limietwaarde 6000

10. Medicijnspiegel: vergelijking en tabel via [MODE] via [2nd] [TBLSET] via [2nd] [TABLE] beginterm heeft rangnummer 0 u boven [7] n via [X,T,,n] via [Y=] accolades worden door de rekenmachine geplaatst !

11. Medicijnspiegel: grafiek via [GRAPH] via [TRACE] • vertraagd ... • ... stijgend • met limietwaarde 6000 via [WINDOW]

12. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling via [2nd] [FORMAT] daarna [GRAPH]

13. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling recursievergelijking 1ste bissectrice

14. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling [TRACE] x-coördinaat van de cursor is beginwaarde (1500,0)

15. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling [pijltje rechts] y-coördinaat van de cursor is H1 (1500,2625) vul 1500 in voor H0 in (1500,0) vul 1500 in voor x in

16. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling H1 wordt m.b.v. de 1ste bissectrice overgebracht van de y- naar de x-coördinaat [pijltje rechts] (1500,2625) (2625,2625) (1500,0)

17. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling [pijltje rechts] (2625,3468.75) (1500,2625) (2625,2625) vul 2625 in voor H1 in (1500,0) vul 2625 in voor x in

18. Medicijnspiegel: alternatieve grafische voorstelling ??!! SPINNENWEBDIAGRAM enzovoort opeenvolgende waarden van H: - zie opeenvolgende verticale lijntjes OF - zie opeenvolgende horizontale lijntjes (op beginterm na) vertraagd stijgend met limietwaarde 6000: trap die omhoog gaat met steeds kleinere treden en die ‘eindigt’ in het snijpunt van de twee rechten

19. Medicijnspiegel: limiet en evenwicht op lange termijn is de hoeveelheid actieve stof in het bloed in evenwicht (?!) limietwaarde 6000 is evenwichtswaarde

20. Medicijnspiegel: dynamisch evenwicht bij evenwicht: 1500 mg verdwijnt uit lichaam 1500 mg wordt toegevoegd HOEVEELHEID medicijn blijft gelijk, maar het zijn niet allemaal dezelfde moleculen: dynamisch evenwicht

21. Medicijnspiegel: stabiel evenwicht aanvankelijk 6000 mg medicijn in bloed beginnen met 4500 mg medicijn in bloed Iemand neemt het medicijn al jaren in en vergeet een bepaalde dag het medicijn in te nemen. Wat gebeurt er? evenwicht wordt hersteld Als het systeem eerst in evenwicht is en daarna uit evenwicht gebracht wordt, dan keert het terug naar het evenwicht: stabiel evenwicht.

22. Medicijnspiegel: evenwicht berekenen, evenwicht en beginwaarde evenwicht is het getal E waarvoor E = 0.75E + 1500, dus E = 6000 beginwaarde komt in deze vergelijking niet voor! evenwichtswaarde (= waarde op lange termijn) is onafhankelijk van de beginwaarde!

23. Medicijnspiegel: evenwicht en spinnenwebdiagram limietwaarde 6000: trap ‘eindigt’ in het snijpunt van de twee rechten snijpunt van de twee rechten geeft evenwichtswaarde

24. Medicijnspiegel: evenwichtswaarde als vast punt recursievergelijking: rechte uit spinnenwebdiagram: eerstegraadsfunctie: (dus: ...) berekening evenwichtswaarde: evenwichtswaarde is een vast punt van de functie f expl. vgl. overslaan

25. Medicijnspiegel: expliciete vergelijking

26. Medicijnspiegel: expliciete vergelijking partieelsom van een meetkundige rij met reden 0.75

27. Medicijnspiegel: verklaring voor het verloop grafiek spiegelen t.o.v. horizontale as en uitrekken met factor 4500 grafiek over 6000 eenheden verschuiven naar boven vertraagd dalende MR met limietwaarde 0

28. Medicijnspiegel: expliciete vergelijking en evenwicht E = 6000 Hn – E is meetkundige rij met reden 0.75 via begin-voorwaarde: C = -4500

29. Werkmoment keuze tussen • werktekst A: BASIS inoefenen van deel 1 a.d.h.v. een ander voorbeeld • werktekst B: UITBREIDING vooruitlopen op deel 2 a.d.h.v. een ingewikkelder recursievergelijking

30. Werktekst A – inleiding: vergelijking (1) product met productietijd van ongeveer één jaar (wintertarwe, varkens, …) beslissing om te produceren (en product op de markt aan te bieden) valt één jaar vóór het effectief aanbieden vergelijking (1), aanbod: aanbod reageert met vertraging op de prijs

31. Werktekst A – inleiding: andere vergelijkingen vergelijking (2), vraag: vergelijking (3), evenwicht: mechanisme: prijs van jaar n – 1 bepaalt aanbod van jaar n in jaar n stijgt/daalt prijs om evenwicht te krijgen er worden geen voorraden opgebouwd (product is bederfbaar, modegevoelig, …) vergelijking (4), begin:

32. Werktekst A – inleiding rechtstreeks ! via recursieve vergelijking en nu: aan het werk!

33. Lineaire recursievergelijkingen van de eerste orde met constante coëfficiënten en constant rechterlid recursievergelijkingen van de vorm (a en b getallen) mogelijkheden verkennen m.b.v. spinnenwebdiagrammen

34. Lineaire recursievergelijkingen van de eerste orde met constante coëfficiënten en constant rechterlid belangrijke punten i.v.m. verloop / limiet en evenwicht: • niet alleen stijgen en dalen maar ook ‘schommelen’ • er is niet altijd een (eindige) limietwaarde • ook als er geen limietwaarde is, is er in de meeste gevallen een evenwichtswaarde; het evenwicht is dan labiel

35. in webgrafiek: parabool! Werktekst B: een niet-lineaire recursievergelijking – vraag 2 stabiel evenwicht: verstoring herstelt zich; aantrekkend helling vd grafiek (raaklijn) in 0.6 ligt tussen -1 en 0 limietwaarde 0.6 (cfr. snijpunt parabool en rechte) gedempt schommelend

36. helling vd grafiek (raaklijn) in 5/7 is < -1 + onnauwkeurigheid in de beginwaarde: dus explosief schommelend, onstabiel evenwicht, afstotend Werktekst B – vraag 4 en 5 rij is constant, in 5/7 snijden parabool en rechte elkaar

37. Werktekst B – vraag 6 geen problemen met afrondingen! rij met periode 2

38. Werktekst B – vraag 7 grafiek van f en rechte snijden elkaar in 5/7 onstabiel evenwicht: raaklijn heeft ‘grote’ helling

39. Werktekst B – vraag 7 hernummeren constante rijen

40. Werktekst B – vraag 7

41. Werktekst B – vraag 8 periode 4 onderzoeken m.b.v.

42. Werktekst B – vraag 8 grafiek f4 uitvergroten helling in snijpunt, aantrekkend helling in ander snijpunt, afstotend een snijpunt

43. Verwant materiaal J.D. en Jan Roels, Discrete dynamische systemen, Uitwiskeling 20/3, mei 2004, zie www.uitwiskeling.be J.D., Discrete dynamische systemen, workshop op T3-symposium 2004, zie www.ua.ac.be/johan.deprez, www.t3vlaanderen.be C. Biront, J.D., Wiskundige begrippen en methoden – deel 3, Wolters-Plantyn, 1998 J.D., Rijen en differentievergelijkingen, nascholing PEDIC (Gent), zie www.ua.ac.be/johan.deprez J.D., Dirk Janssens, Discrete dynamische systemen: wiskundige modellen met rijen, vectoren en matrices, zie http://home.scarlet.be/~p1925850/vliebergh_april_2005 J.D., Discreet en dynamisch, plenaire lezing op T3-symposium 2005, zie www.ua.ac.be/johan.deprez, www.t3vlaanderen.be

44. Verwant materiaal: wat? meer voorbeelden i.v.m. basiszaken • toepassingen niet-lineaire recursievergelijkingen: • groei van de Amerikaanse bevolking • numeriek oplossen van een differentiaalvergelijking verband met matrixmodellen (Markovmodellen en Lesliemodellen)

45. Bedankt voor uw aandacht!