Кіріспе

Динамикалық жүйелер теориясы — күрделі динамикалық жүйелердің мінез-құлқын сипаттау үшін қолданылатын математиканың бір саласы, әдетте дифференциалдық теңдеулер немесе айырмашылық теңдеулер арқылы. Дифференциалдық теңдеулер қолданылғанда, бұл теория үздіксіз динамикалық жүйелер деп аталады. Физикалық тұрғыдан алғанда, үздіксіз динамикалық жүйелер — классикалық механиканың жалпылама түрі болып табылады, онда қозғалыс теңдеулері тікелей постулатталады және ең аз әрекет принципінің Эйлер-Лагранж теңдеулерімен шектелмейді. Айырмашылық теңдеулер қолданылғанда, теория дискретті динамикалық жүйелер деп аталады. Егер уақыт айнымалысы кейбір аралықтарда дискретті, ал басқа аралықтарда үздіксіз болса, немесе Кантор жиыны сияқты кез келген уақыт жиынтығы болса, онда уақыт шкалалары бойынша динамикалық теңдеулер пайда болады. Кейбір жағдайларда дифференциалдық-айырма теңдеулер сияқты аралас операторлармен де модельдеу мүмкін. Бұл теория динамикалық жүйелердің ұзақ мерзімді сапалық мінез-құлқымен айналысады және жүйелердің қозғалыс теңдеулерінің сипатын және, мүмкін болған жағдайда, олардың шешімдерін зерттейді. Бұл жүйелер көбінесе механикалық немесе басқа физикалық сипаттағы болады, мысалы, планеталардың орбиталары мен электрондық тізбектердің мінез-құлқы, сондай-ақ биология, экономика және басқа салаларда кездесетін жүйелер. Қазіргі зерттеулердің көп бөлігі хаотикалық және ерекше жүйелерді зерттеуге бағытталған. Бұл зерттеу саласы жай ғана динамикалық жүйелер, математикалық динамикалық жүйелер теориясы немесе динамикалық жүйелердің математикалық теориясы деп те аталады.

Шолу

Динамикалық жүйелер теориясы мен хаос теориясы динамикалық жүйелердің ұзақ мерзімді сапалық мінез-құлқымен айналысады. Мұнда динамикалық жүйені анықтайтын теңдеулерге нақты шешім табуға емес, "Жүйе ұзақ мерзімде тұрақты күйге жетеді ме, және егер солай болса, қандай тұрақты күйлер болуы мүмкін?", немесе "Жүйенің ұзақ мерзімді мінез-құлқы бастапқы жағдайына байланысты ма?" деген сұрақтарға жауап беруге басымдық беріледі. Маңызды мақсат – берілген динамикалық жүйенің тұрақты нүктелерін немесе тұрақты күйлерін сипаттау; бұл уақыт өте өзгермейтін айнымалының мәндері. Осы тұрақты нүктелердің кейбіреулері тартымды, яғни егер жүйе жақын орналасқан күйде басталса, ол тұрақты нүктеге қарай жиналады. Сол сияқты, жүйедегі бірнеше уақыт кезеңінен кейін қайталанатын жүйе күйлері, яғни кезеңдік нүктелер де қызығушылық тудырады. Кезеңдік нүктелер де тартымды болуы мүмкін. Шарковский теоремасы – бір өлшемді дискретті динамикалық жүйенің кезеңдік нүктелерінің саны туралы маңызды мәлімдеме. Тіпті қарапайым сызықтық емес динамикалық жүйелер де көрінетін кездейсоқ мінез-құлықты көрсетеді, бұл хаос деп аталады. Хаостың нақты анықтамасын берумен және зерттеумен айналысатын динамикалық жүйелер саласы хаос теориясы деп аталады.

Тарих

Динамикалық жүйелер теориясының тұжырымдамасы Ньютон механикасынан бастау алады. Онда, басқа да табиғаттану ғылымдарында және инженериялық салалардағыдай, динамикалық жүйелердің эволюциялық заңы жүйенің болашақтағы қысқа мерзімді күйін анықтайтын қатынас арқылы беріледі. Жылдам есептеу машиналарының пайда болуына дейін динамикалық жүйені шешу үшін күрделі математикалық әдістер қажет болды және бұл тек динамикалық жүйелердің шектеулі класы үшін ғана мүмкін еді. Математикалық динамикалық жүйелер теориясының тамаша мысалдары: , , және .

Динамикалық жүйелер

Динамикалық жүйе тұжырымдамасы – кез келген бекітілген "ережеге" арналған математикалық формализация, ол оның қоршаған кеңістігіндегі нүктенің орнының уақытқа қатысты өзгеруін сипаттайды. Мысалдарға сағат маятнигінің қозғалысын, құбырдағы су ағынын және көлдегі жыл сайынғы балықтар санын сипаттайтын математикалық модельдер жатады. Динамикалық жүйенің күйі нақты сандар жиынтығымен немесе, жалпы алғанда, тиісті күй кеңістігіндегі нүктелер жиынтығымен анықталады. Жүйенің күйіндегі шағын өзгерістер сандардағы шағын өзгерістерге сәйкес келеді. Бұл сандар геометриялық кеңістіктің координаттары болып табылады. Динамикалық жүйенің эволюция ережесі – қазіргі күйден болашақ қандай күйлер туындайтынын сипаттайтын бекітілген ереже. Ереже детерминистік (берілген уақыт аралығында болашақ күйді ағымдағы күй бойынша нақты болжауға болады) немесе стохастикалық (күйдің эволюциясын белгілі бір ықтималдықпен ғана болжауға болады) болуы мүмкін.

Динамизм

Динамицизм, сонымен қатар когнитивтік ғылымдағы динамикалық гипотеза деп те аталады, когнитивтік ғылымдағы жаңа бағыт, оны философ Тим ван Гелдердің еңбектері көрсетеді. Ол, дифференциалдық теңдеулер дәстүрлі компьютерлік модельдерге қарағанда танымды модельдеу үшін көбірек қолайлы екенін дәлелдейді.

Сызықтық емес жүйе

Математикада сызықтық емес жүйе – сызықтық қағиданы қанағаттандырмайтын жүйе, яғни суперпозиция принципіне бағынбайтын жүйе. Күрделірек түсіндіргенде, сызықтық емес жүйе – шешімі тәуелсіз компоненттердің сызықтық қосындысы түрінде жазылмайтын кез келген мәселе. Тәуелсіз айнымалылардың функциясының болуымен ғана ерекшеленетін сызықтық жүйе, қатаң анықтама бойынша сызықтық емес саналады, бірақ мұндай жүйелер көбінесе сызықтық жүйелермен бірге зерттеледі, себебі белгілі бір ерекше шешімі болған жағдайда оларды сызықтық жүйеге келтіруге болады.

Арифметикалық динамика

Арифметикалық динамика – 1990 жылдары пайда болған және математиканың екі саласын – динамикалық жүйелер мен сандар теориясын біріктіретін сала. Классикалық дискретті динамика кешен жазықтықтың немесе нақты түзудің өзін-өзі бейнелеулерінің қайталануын зерттеумен айналысады. Арифметикалық динамика – полиномдар немесе рационалдық функциялардың қайталап қолданылуының нәтижесінде бүтін сандардың, рационал сандардың, p-адық сандардың және/немесе алгебралық нүктелердің сандар теориялық қасиеттерін зерттейді.

Хаос теориясы

Хаос теориясы белгілі бір динамикалық жүйелердің қылықтарын сипаттайды, яғни уақыт өте келе күйі өзгеріп отыратын жүйелердің, бастапқы шарттарға өте сезімтал динамиканы көрсете алатын жүйелерді (әдетте көбелек эффектісі деп аталады). Осы сезімталдық, бастапқы шарттардағы бұзылыстардың экспоненциалды өсуі түрінде көрінетін болғандықтан, хаостық жүйелердің қылықтары ретсіз болып көрінеді. Бұл жүйелер детерминистік болғанымен, яғни олардың болашақ динамикасы бастапқы шарттарымен толық анықталады, кездейсоқ элементтерге орын жоқ. Осы қылық детерминистік хаос немесе жай ғана хаос деп аталады.

Күрделі жүйелер

Күрделі жүйелер – табиғатта, қоғамда және ғылымда күрделі деп саналатын жүйелердің ортақ қасиеттерін зерттейтін ғылыми сала. Ол күрделі жүйелер теориясы, күрделілік ғылымы, күрделі жүйелерді зерттеу және/немесе күрделілік ғылымы деп те аталады. Мұндай жүйелердің басты мәселелері – оларды формалды түрде модельдеу және симуляциялаудағы қиындықтар. Осы көзқарас бойынша, әртүрлі зерттеу контексттерінде күрделі жүйелер олардың әртүрлі атрибуттары негізінде анықталады. Күрделі жүйелерді зерттеу, көбінесе редукционистік стратегия жеткіліксіз болған ғылымның көптеген салаларына жаңа дем беруде. Сондықтан күрделі жүйелер көбінесе кең термин ретінде қолданылады, ол нейроғылымдар, әлеуметтік ғылымдар, метеорология, химия, физика, компьютерлік ғылымдар, психология, жасанды өмір, эволюциялық есептеу, экономика, жер сілкінісін болжау, молекулалық биология және тірі жасушалардың табиғатын зерттеу сияқты алуан түрлі салалардағы мәселелерді зерттеуге арналған тәсілді қамтиды.

Басқару теориясы

Бақылау теориясы – инженерия және математиканың салааралық бөлімі, ол динамикалық жүйелердің қызметін бақылауға және өзгертуге қатысты.

Эргодикалық теория

Эргодикалық теория — инвариантты өлшемге ие динамикалық жүйелерді және олармен байланысты мәселелерді зерттейтін математиканың бір саласы. Оның бастапқы дамуы статистикалық физиканың мәселелерімен шақырылды.

Функционалдық талдау

Функционалдық талдау – математиканың, әсіресе талдаудың, векторлық кеңістіктерді және оларға әсер ететін операторларды зерттеумен айналысатын саласы. Оның тарихи тамыры функционалдық кеңістіктерді зерттеуде, атап айтқанда функциялардың түрлендірулерінде, мысалы Фурье түрлендіруінде, сондай-ақ дифференциалдық және интегралдық теңдеулерді зерттеуде жатыр. «Функционал» сөзінің осы қолданылуы вариациялық есептеуге қатысты, онда аргументі функция болатын функцияны білдіреді. Оның жалпы қолданылуы математик және физик Вито Вольтерраға байланысты, ал оның негізін қалаудың көп бөлігі математик Стефан Банахқа тиесілі.

Графикалық динамикалық жүйелер

Графикалық динамикалық жүйелер (GDS) тұжырымдамасы графиктерде немесе желілерде жүзеге асылатын процестердің кең спектрін сипаттау үшін қолданылуы мүмкін. Графтық динамикалық жүйелерді математикалық және есептеулік тұрғыдан талдаудағы маңызды мәселе – олардың құрылымдық ерекшеліктерін (мысалы, желінің байланыстылығын) және осыдан туындайтын жаһандық динамиканы байланыстыру болып табылады.

Жобаланған динамикалық жүйелер

Жобаланған динамикалық жүйелер – шешімдері шектеулер жиынтығымен шектелген динамикалық жүйелердің қылықтарын зерттейтін математикалық теория. Бұл ғылым оптималдаудың және тепе-теңдік мәселелерінің статикалық әлемімен, сондай-ақ қалыпты дифференциалдық теңдеулердің динамикалық әлемімен байланысты және оларды қолдануға мүмкіндік береді. Жобаланған динамикалық жүйе жобаланған дифференциалдық теңдеуге сәйкес келетін ағын арқылы беріледі.

Символикалық динамика

Символикалық динамика – топологиялық немесе тегіс динамикалық жүйені абстрактілі символдардың шексіз тізбектерінен тұратын дискретті кеңістік арқылы модельдеу тәсілі. Әрбір символ жүйенің күйін көрсетеді, ал жүйенің динамикасы (эволюциясы) ығысу операторы арқылы анықталады.

Жүйелік динамика

Жүйелік динамика – жүйелердің уақыт өте қалай өзгеретінін түсінуге бағытталған тәсіл. Ол бүкіл жүйенің мінез-құлқы мен күйіне әсер ететін ішкі кері байланыс тізбектері мен уақыт кешігулерін қарастырады. Жүйелік динамиканы жүйелерді зерттеудің басқа тәсілдерінен ерекшелейтін нәрсе – кері байланыс тізбектерін қорлар мен ағындар арқылы сипаттауға қолданылатын тіл. Осы элементтер тіпті сырттай қарағанда қарапайым жүйелердің де қандай күрделі сызықтық еместікті көрсетуін түсіндіруге көмектеседі.

Топологиялық динамика

Топологиялық динамика – динамикалық жүйелер теориясының бір саласы болып табылады, онда динамикалық жүйелердің сапалық, асимптотикалық қасиеттері жалпы топологиялық көзқарас тұрғысынан зерттеледі.

Биомеханикада

Спорттық биомеханикада динамикалық жүйелер теориясы қозғалыс ғылымдарында спортшының өнімділігі мен тиімділігін модельдеуге қабілетті ая ретінде пайда болды. Динамикалық жүйелер тұрғысынан қарағанда, адамның қозғалыс жүйесі – тыныс алу, қан айналымы, жүйке, қаңқа-бұлшықет, сезімталдық сияқты өзара байланысты кіші жүйелердің өте күрделі желісі болып табылады, және ол көптеген өзара әрекеттесетін құрамдастардан (мысалы, қан жасушалары, оттегі молекулалары, бұлшықет тіні, метаболизм ферменттері, байланыстырылған тіндер және сүйек) тұрады. Динамикалық жүйелер теориясында қозғалыс үлгілері физикалық және биологиялық жүйелерде кездесетін өзін-өзі ұйымдастырудың жалпы процестері арқылы қалыптасады. Осы аяны тұжырымдамалық қолданылуымен байланысты ешбір мәлімдеме ғылыми тұрғыдан расталмаған.

Когнитивтік ғылымда

Динамикалық жүйелер теориясы нейроғылым және когнитивтік даму саласында, әсіресе когнитивтік дамудың нео-Пяжелік теорияларында қолданылған. Когнитивтік дамуды синтаксис және жасанды интеллект негізіндегі теорияларға қарағанда физикалық теориялар жақсырақ көрсетеді деген сенім бар. Сондай-ақ, дифференциалдық теңдеулер адамның мінез-құлқын модельдеу үшін ең қолайлы құрал деп саналады. Бұл теңдеулер агенттің күй кеңістігі арқылы когнитивтік траекториясын бейнелеу үшін интерпретацияланады. Басқаша айтқанда, динамиктер психологияның белгілі бір орталық және ішкі қысымдар астындағы агенттің когнициясы мен мінез-құлқының сипаттамасы (дифференциалдық теңдеулер арқылы) болуы керек (немесе болып табылады) деп санайды. Хаос теориясының тілі де жиі қолданылады. Онда білушінің санасы теңгерімсіздік күйіне жетеді, онда ескі үлгілер бұзылады. Бұл когнитивтік дамудың фазалық өтуі болып табылады. Өзін-өзі ұйымдастыру (тұрақты формалардың спонтанды түрде пайда болуы) белсенділік деңгейлері бір-бірімен байланысқанда басталады. Жаңа пайда болған макроскопиялық және микроскопиялық құрылымдар бір-бірін қолдап, процесті жылдамдатады. Бұл байланыстар мидағы жаңа тәртіптің құрылымын "скаллопинг" (күрделі орындалудың қайта-қайта құрылуы және күйреуі) процесі арқылы қалыптастырады. Бұл жаңа, ерекше күй прогрессивті, дискретті, ерекше және болжауға келмейтін болып табылады. Динамикалық жүйелер теориясы жақында балалық дамудағы ұзақ уақыттан бері шешілмей келген "A емес B" қатесі деп аталатын мәселені түсіндіру үшін қолданылды. Сонымен қатар, 1990 жылдардың ортасынан бастап жүйелік-теориялық байланысқа бағытталған когнитивтік ғылым (ДЖТ) (сызықтық емес) Динамикалық жүйелер теориясының (ДЖТ) әдістерін көбірек қабылдады. Қазіргі заманғы байланыстың әртүрлі нейросимволикалық когнитивтік нейроархитектураларын, олардың математикалық құрылымдық ядросын ескере отырып, (сызықтық емес) динамикалық жүйелер деп жіктеуге болады. Нейрокогнициядағы коннективистік когнитивтік нейроархитектураларды ДЖТ-мен біріктіруге жасалған бұл әрекеттер невроинформатика мен коннективизмнен ғана емес, сонымен қатар жақында даму психологиясынан ("Динамикалық өріс теориясы" (ДӨТ)) және "эволюциялық робототехникадан" және "эволюциялық есептеудің" математикалық әдісімен байланысты "эволюциялық робототехникадан" туындайды. Толық көрініс үшін Маурерге қараңыз.

Екінші тілді дамытуда

Динамикалық жүйелер теориясын екінші тілді меңгеруді зерттеуге қолдану Диана Ларсен Фриманға байланысты, ол 1997 жылы жариялаған мақаласында екінші тілді меңгеруді тілдің жоғалуымен қатар тілді меңгеруді де қамтитын даму процесі ретінде қарастыру қажет екенін айтты. Ол өз мақаласында тілді динамикалық, күрделі, сызықты емес, хаотикалық, болжамсыз, бастапқы жағдайларға сезімтал, ашық, өзін-өзі ұйымдастыратын, кері байланысқа сезімтал және бейімделуге қабілетті динамикалық жүйе ретінде қарастыру керек екенін мәлімдеді.