ONA 11 – Różniczkowanie i całkowanie numeryczne

Dziś będziemy zajmować się różniczkowaniem i całkowaniem numerycznym. Slajdy są tu: ONA11-calkowanie

Przydatny będzie nam przede wszystkim pakiet scipy.integrate ale będziemy też korzystać z nowych funkcji pakietu matplotlib, takich jak wykresy strzałkowe

0. Na początek proponuje obejrzeć sobie program opisujący model Lotki-Volterry ( lotka_volterra ) i spróbować wykonać go po kawałku ze zrozumieniem. Jeśli są pytania, to proszę pytać

1. Naszym właściwym zadaniem jest budowa podobnego modelu dla problemu inwazji Zombie (opisanego w artykule naukowym , kopia lokalna tu: Zombies). Mamy tu 3 zmienne: ludzi niezarażonych (S), zombie (Z) oraz ofiary konfliktu (R). System jest dynamiczny, a jego zmiany opisują równania różniczkowe:

• dS/dt = P – B*S*Z -D*S,
• dZ/dt = B*S*Z +G*R – A*S*Z,
• dR/dt = D*S + A*S*Z – G*R,

gdzie

• P oznacza przyrost naturalny ludzi,
• B – współczynnik z którym zombie spotykając niezarażonego może go zarazić,
• D – współczynnik śmiertelności ludzi z przyczyn naturalnych,
• G – prawdopodobieństwo, że zombie powstanie z martwej ofiary,
• A – szansa na to, że w pojedynku człowieka z zombie, to zombie zostanie pokonane

Interesują nas następujące pytania:

a) Jak wygląda ewolucja systemu w czasie (w zakresie 0..5000),  jeśli na początku jest tylko 1000 ludzi niezarażonych (nie ma zombie, ani ciał) i mamy następujące prametry:

• P=0.0001
• D=0.0001
• B=0.0095
• G=0.0001
• A=0.0001

Rozwiązanie przedstaw na wykresie 3 zmiennych (S,Z i R) od czasu

b) Czy zagładę populacji można zatrzymać poprzez zwiększanie współczynnika urodzin P? Rozwiązanie uzasadnij. Który ze współczynników musiałby wynosić 0, żeby populacja mogła poradzić sobie z zombie?

c) Zaprezentuj pole wektorowe populacji zombie i ludzi względem parametrów A i B?

d*) Zaprezentuj pole wektorowe 3d dla zmiennych S,Z,R