Celulární automaty (CA) a jejich aplikace. Samoorganizace Vlastnosti CA Samoorganizovaná kritikalita Vývoj rozhraní

Podobné dokumenty
Dynamické kritické jevy

Buněčné automaty a mřížkové buněčné automaty pro plyny. Larysa Ocheretna

Pokročilé simulace ve fyzice mnoha částic:

MODERNÍ APLIKACE STATISTICKÉ FYZIKY I

Úvod Teorie Studium CA Aplikace Souvislosti. Radek Pelánek

Monte Carlo. Simulační metoda založená na užití stochastických procesů a generace náhodných čísel.

Návrh fakultního znaku PřF UK

Pokročilé simulace ve fyzice mnoha částic:

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Úvod Teorie Studium CA Aplikace Souvislosti. Radek Pelánek

Hra života (Game of Life)

Modelov an ı biologick ych syst em u Radek Pel anek

Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

Teorie systémů TES 1. Úvod

Biofyzikální ústav LF MU Brno. jarní semestr 2011

Seriál: Numerické metody a počítačové simulace

Martina Husáková. Celulární automaty. Znalostní technologie III materiál pro podporu studia

Simulace pohybu chodců pomocí celulárních modelů

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. I. Základní pojmy FCH a kinetická teorie plynů

Biologicky inspirované výpočty. Schématické rozdělení problematiky a výuky

Úvod do teorie her

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

3. Optimalizace pomocí nástroje Řešitel

Bakalářská matematika I

Termodynamika (td.) se obecně zabývá vzájemnými vztahy a přeměnami různých druhů

IV117: Úvod do systémové biologie

analýzy dat v oboru Matematická biologie

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Složitost živých systémů. D. Lukáš 2015

1. Číselné posloupnosti - Definice posloupnosti, základní vlastnosti, operace s posloupnostmi, limita posloupnosti, vlastnosti limit posloupností,

1 Funkce dvou a tří proměnných

Nelineární systémy a teorie chaosu

Práce, energie a další mechanické veličiny

Termodynamika v biochemii

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Turbulence

Funkce dvou a více proměnných

01MDS.

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Singulární charakter klasické limity

Konečný automat. Studium chování dynam. Systémů s diskrétním parametrem číslic. Počítae, nervové sys, jazyky...

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Matematika 5 FSV UK, ZS Miroslav Zelený

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Fluktuace termodynamických veličin

Látkové množství n poznámky 6.A GVN

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

Termodynamika a živé systémy. Helena Uhrová

Fyzika - Sexta, 2. ročník

VNITŘNÍ ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 2. ročník - Termika

Modelování a simulace Lukáš Otte

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

U Úvod do modelování a simulace systémů

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

Úvod do zpracování signálů

Úvod do analytické mechaniky

IMOSI - MODELACE A SIMULACE LEARN 2013 správně možná špatně

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství

Matematické modely a způsoby jejich řešení. Kateřina Růžičková

Sluneční dynamika. Michal Švanda Astronomický ústav AV ČR Astronomický ústav UK

Potenciální proudění

NELINEÁRNÍ JEVY V DISIPATIVNÍCH SYSTÉMECH

Nultá věta termodynamická

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Moderní systémy pro získávání znalostí z informací a dat

Přednášky z předmětu Aplikovaná matematika, rok 2012

Molekulární dynamika polymerů

Fyzikální chemie. ochrana životního prostředí analytická chemie chemická technologie denní. Platnost: od do

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

Omezenost funkce. Definice. (shora, zdola) omezená na množině M D(f ) tuto vlastnost. nazývá se (shora, zdola) omezená tuto vlastnost má množina

Obsah PŘEDMLUVA 11 ÚVOD 13 1 Základní pojmy a zákony teorie elektromagnetického pole 23

Generování sítě konečných prvků

UČENÍ BEZ UČITELE. Václav Hlaváč

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Stefan Ratschan. Fakulta informačních technologíı. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 / 16

Dynamika systémů s proměnnou hmotností. Vojtěch Patočka Univerzita Karlova - MFF

SYSTÉMOVÁ METODOLOGIE (VII) Kybernetika. Ak. rok 2011/2012 vbp 1

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Složitost Filip Hlásek

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

Obr. 141: První tři Bernsteinovy iontové módy. Na vodorovné ose je bezrozměrný vlnový vektor a na svislé ose reálná část bezrozměrné frekvence.

Funkce v ıce promˇ enn ych Extr emy Pˇredn aˇska p at a 12.bˇrezna 2018

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

Zada ní 1. Semina rní pra ce z pr edme tu Matematický software (KI/MSW)

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Mechanika tekutin je nauka o rovnováze a makroskopickém pohybu tekutin a o jejich působení na tělesa do ní ponořená či jí obtékaná.

Pokud proudění splňuje všechny výše vypsané atributy, lze o něm prohlásit, že je turbulentní (atributy je třeba znát).

Asociativní sítě (paměti) Asociace známého vstupního vzoru s daným výstupním vzorem. Typická funkce 1 / 44

MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

Úvod do optimalizace, metody hladké optimalizace

Transkript:

Celulární automaty (CA) a jejich aplikace Samoorganizace Vlastnosti CA Samoorganizovaná kritikalita Vývoj rozhraní

Samorganizace Pojem samorganizace je užíván v různých kontextech v: informační teorii, termodynamice, matematice, kybernetice atd. Patří sem mhoho jevů např: - vznik hejn ptáků; - krystalizace; - konvekční proudění v kapalině; - etc.

Samorganizace Neexistuje však obecně přijímaná definice. Možnost: Samorganizace je proces při němž vzniká spontánně globální pořádek nebo koordinace v systému jen s lokálními interakcemi. Termodynamické hledisko: 2. termodynamická věta. Izolovaný systém se vyvíjí do stavu s maximální entropií, tj. max. neuspořádaností rovnovážné izolované systémy nevedou k samouspořádávání. Reálné samouspořádávající se systémy (rostliny, krystaly, spolecenství etc. ) jsou otevřené a disipativní. Je nutné studovat dynamiku otevřených systému!

Celulární automaty (CA) alternativní popis samoorganizace diskrétní souřadnice i diskrétní proměnné + diskrétní čas CA mají netriviální dynamické chování jednodušší než modely samoorganizace s diferenciálními rovnicemi CA jsou jednodušší, proto umožňují detailnější analýzu přesto velká rozmanitost komplikovaných jevů Historické pozn.: 1963 von Neumann a Ulam zavedli jako idealizaci biologických systémů ( cellular spaces ) s cílem modelování samoprodukce postupně zaváděny v dalších oblastech pod různými jmény 1983 Wolfram Rev. Mod. Phys. 55, 601 (1983)

Celulární automaty (CA) Formalizace: CA určen zadáním možných stavů a dynamických pravidel Stav: pravidelné uspořádání konečného počtu buněk, každá buňka může být v některém z konečného počtu stavů pole buněk indexované indexem i, obvykle mříž L v d dimenzích stav buňky je popsán hodnotou diskrétní proměnné s i z konečné množiny stavů S Pravidlo: lokální pravidlo evoluce v diskrétním čase t t +1 pro každé i definuj určité okolí O(i ) množina buněk v okolí buňky i pro každé i z L nová hodnota s i (t+1) = F({s} O(i) (t)) například: s( t ) s t XOR. t i 1 i. si 1 1

Celulární automaty - typy Různé typy: deterministické nebo stochastické podle charakteru pravidla synchronní (paralelní) asynchronní sekvenční (tj. po řadě) s náhodným výběrem podle množiny stavů S binární, speciálně S = {0, 1} q stavů

Celulární automaty - aplikace Používají se různých oblastech: dopravní problémy vývoj rozhraní hydrodynamika hrubý popis proudění tekutin, tj. řešení Navierových-Stokesových rovnic modelování biologické evoluce studium imunologie transport částic řešení Boltzmannovy rovnice studium samoorganizovaných kritických jevů etc. etc.

Celulární automaty - počet Počet automatů velmi rychle roste s dimenzí! např. nechť O(i ) jsou jen nejbližší sousedé a samotná buňka i se nepočítá, pak počet sousedů je K = 2d uvažujme binární automat, pak počet konfigurací v okolí buňky je N C = 2 K ( pro q stavů N C = q K ), C je množina konfigurací pravidlo: zobrazení množiny C stavů do množiny hodnot S počet pravidel je: N P = 2 N c = K 2 2 d 1 2 3 N C 2 2 = 4 2 4 = 16 2 4 = 64 N P 2 4 16 2 16 = 65536 2 64 > 10 19 Je-li zahrnut počáteční uzel, pak K = 2d +1 a počet automatů roste s dimenzí ještě rychleji.

CA může záviset i na původní buňce. d = 1, K = 3 (i-1, i, i+1) N C = 2 3 = 8 N P = 2 8 = 256 Pro analýzu lze využít symetrie, pak je jen 32 různých pravidel.

Celulární automaty - klasifikace V roce 1983 prozkoumal všechny automaty pro 1D a K=3 Wolfram, Rev. Mod. Phys. 55, 601 (1983). v případě q stavů N P q q K Obecně je nepraktické vyčíslovat všechny CA, užitečná je klasifikace podle: a) typu vývoje b) stability k poruše c) aplikace

Modelování evoluce koevoluce mnoha živých organizmů stejné složitosti Hra života game of life, http://cs.wikipedia.org/wiki/hra_%c5%beivota dvoustavový, dvourozměrný CA cca 1970, (britský matematik John Conway) vznikl před Wolframovým článkem! Buňky jsou obsazené nebo neobsazené organizmem, tj jsou živé nebo mrtvé. CA s K = 8, tj. 8 sousedů na čtvercové mřížce Pravidla: 1. Každá živá buňka s méně než dvěma živými sousedy zemře. 2. Každá živá buňka se dvěma nebo třemi živými sousedy zůstává žít. 3. Každá živá buňka s více než třemi živými sousedy zemře. 4. Každá mrtvá buňka s právě třemi živými sousedy oživne. Konfigurace se skládají z: stabilních elementů periodických vzorů pohybujících a měnících se strukrur http://www.bitstorm.org/gameoflife/

Hra života vývoj konfigurací CA K = 8

Hra života vznik nových klastrů pomocí děla wikipedia: game of life http://en.wikipedia.org/wiki/conway%27s_game_of_life#external_links http://www.bitstorm.org/gameoflife/

Vlastnosti hry života Vývoj na vzorku L x L vždy dosáhne stacionárního stavu s cca 3 % živých buněk - atraktor. Proces je samoorganizující se. Potřebný čas t rel ~ L 1/2. Proveďme poruchu stavu: jednu mrtvou buňku změňme na živou buňku. Následně se dosáhne obecně jiný stacionární stav. Změna se může lavinovitě šířit přes celou konfiguraci. Měříme velikost S laviny změn. n S S, 1,3 Existence mocninné závislosti implikuje, že není žádná typická velikost laviny! 3d varianta na youtube http://www.youtube.com/watch?v=xg0pkavl01y

Samoorganizovaná kritikalita http://en.wikipedia.org/wiki/self-organized_criticality self-organized criticality (SOC) BTW (Per Bak, Chao Tang and Kurt Wiesenfeld) model 1987 P. Bak, C. Tang a K. Wiesenfeld, Physical Review Letters 59 (4): 381 384, (1987). Samoorganizovaný kritický systém je disipativní systém spontánně se vyvíjející do stacionárního stavu s korelacemi na všech škálách. Příklady: hromádky sypaného písku stékající kapky na skle sněhové laviny pohyb zemských desek-zemětřesení vznik zácp v dopravě evoluce etc.

Pískové kupy

BTW model (Per Bak, Chao Tang and Kurt Wiesenfeld) z x, y 0 stav: soubor nezáporných celých čísel na 2 D mřížce pravidla: na náhodně vybraný uzel se uloží částice. z x, y libovolný uzel s, 4 z x y se zvětší na je nestabilní při dosažení nestability nastane redistribuce: z x, y z x, y 4 z x, y 1 z x 1, y z x 1, y 1 z x, y 1 z x, y 1 1 Vznik nestabilit se může řetězit.

Vznikají laviny změn Velikost laviny S se měří jako počet zasažených uzlů po přidání jedné částice.

Experimentální měření lavin skutečného materiálu

Rozdělení lavin pro rýžové kupy Křivky pro různé realizace Přeškálované křivky ukazují, že jev je univerzální.

Vlastnosti rozhraní Rozhraní je obecně hrubé: Hrubost se popisuje závislostí velikosti fluktuace W(L) na délce vzorku L. různé situace: v termální rovnováze nebo blízko rovnováhy - jev adsorpce-desorpce - jev hrubnutí, T -> T R, W -> daleko od rovnováhy hrubost též funkcí času W(L,t) - například u tzv. kinetického hrubnutí

Kinetické hrubnutí experimentální pozorování šíření kapaliny porézním médiem fronta hoření mnohé další situace, biologiský růst etc.

výška výška Profil rozhraní digitalizace experimentáních dat výsledek modelování pohybu v neuspořádaném mediu souřadnice

závislost na velikosti a na času - dynamické škálování z exponent hrubosti b růstový exponent z dynamický exponent

Modelování rozhraní Mřížový plyn převis Solid on solid

Jednoduché modely růstu rozhraní Edwards-Wilkinsonův model, Kardar-Parisi-Zhangův model, etc. jsou samoorganizující se a kritické.

simulace EW modelu v 2+1 dimenzích: S Pal, D.P Landau Physica A:267,3-4 (1999), 406 413

Celulární automaty pro růst povrchu CA určen zadáním možných stavů a dynamických pravidel Stav: pravidelné uspořádání konečného počtu buněk, každá buňka může být v některém z konečného počtu stavů pole buněk indexované indexem i, obvykle mříž L v d dimenzích stav buňky je popsán hodnotou diskrétní proměnné s i z konečné množiny stavů S zde výšky h i Pravidlo: lokální pravidlo evoluce v diskrétním čase t t +1 pro každé i definuj určité okolí O(i ) množina buněk v okolí buňky i pro každé i z L nová hodnota s i (t+1) = F({s} O(i) (t)) zde: urči uzel i a zvyš výšku: h i h i +1

Celulární automaty - typy Různé typy: deterministické nebo stochastické podle charakteru pravidla synchronní (paralelní) asynchronní sekvenční (tj. po řadě) s náhodným výběrem podle množiny stavů S binární, speciálně S = {0, 1} q stavů

Náhodná depozice Souřadnice: h 1, h 2,... h L Pravidlo evoluce s diskrétním časem t t +1 : Vyber náhodně uzel i a zvyš výšku: h i h i +1.

Náhodná depozice Určujeme hrubost analyticky řešitelné W(t) ~ t 1/2

výška výška růst v gravitačním poli model sedimentace Edwards Wilkinson (1982) souřadnice výsledek modelování konfigurace v různých časech souřadnice

Uloha saturace hrubosti Ukažte, že pro konečný vzorek a růstový model s interakcí dochází k saturaci hrubosti, srovnejte to s náhodou depozicí.

Další růstové modely single step SOS model WV model MBE - molecular beam epitaxy Single step SOS model : Růst probíhá jen na tzv. růstových místech.