Katastrofeteori

Katastrofeteori omhandler bifurkasjoner i dynamiske systemer. Bifurkasjoner (gaffeldeling) vil si at små endringer i utgangsbetingelser (kritisk punkt, vippepunkt, transisjonspunkt) gir raske og dramatiske endringer i systemet, det blir ustabilt og kan vippe til den ene eller andre siden i gaffeldelingspunktet. . Den franske matematikern René Thom og den britiske topologen Christopher Zeeman har vært viktige bidragsytere til katastrofeteorien.

Det har knyttet seg stor interesse til å kunne forutsi katastrofer i et uforutsigbart kaotisk system (sommferfugleffekt, Lyapunovfunksjon) innen økonomi, økologi eller biologi.  Det kan gjelde raske og plutselige endringer (katastrofe) i et økonomisk system, sosialsystem og samfunnsstruktur, helse og sykdom,  klimasystem (tørke, flom), økosystem, mikrobiom, svingninger i populasjoner og populasjonskollaps, jordskjelv og tsunamier. Studier av hvorfor katastrofer og plutselige endringer i et system oppstår, har fått fornyet aktualitet, med ønske om å forstå på forhånd når blir et system blir ustabilt og vippepunkter (transisjonspunkter) opptrer, samt et systems robusthet ( resiliens ) til å tåle og absorbere forstyrrelser. Etter passering av et vippepunkt kan det være vanskelig å komme tilbake til det opprinnelige systemet grunnet hysterese. 

Før darwinismen utviklet paleontologen Cuvier en katastrofeteori om utrydning av arter for å kunne forklare fossilfunn, en teori som seinere ble forkastet.

Matematisk eksempel

Vi kan se på et system med en variabel brukt som et eksempel på når ustabilitet oppstår:

\(y= x^3 + ax\)

Hvis a er negativ har ligningen flere røtter.

Ustabilitet

Vi ser på den deriverte til funksjonen, beskrivelse av endringen over tid:

\(y'= 3x^2 + a\)

Ustabilitet

Figur av den deriverte av funksjonen y= x3+ax ved forskjellge verdier av a.Vi har maksimums- eller minimumspunkter når den førstederiverte er lik 0. Vi har de to røttene for a=-4, avmerket med en sirkel med henholdsvis oransje farge (ustabilt) og lysegrønn farge (stabilt). Man kan tenke seg en fasevæske som flyter langs X-aksen. Følg den svarte kurven for å finne de to røttene (-1.155 og +1.155). Når den deriverte er større enn >0 (positiv) så beveger flyten  seg til høyre og når den deriverte er  negativ dvs. <0, så går flyten til venstre. I venstre punkt møtes de to flyt og gir stabilitet, mens i punktet til høyre er det flyt motsatt vei, noe som gir ustabilitet

\(\rightarrow \bigcirc \leftarrow\;\;\;\;\; \leftarrow \bigcirc \rightarrow\)

Ustabilitet

Vi ser at når a<0 er systemet stabilt, men når a nærmer seg 0 blir plutselig systemet ustabilt og uforutsigbart. Dette kalles en foldkatastrofe.

Litteratur:

Strogatz, Steven H: Nonlinear dynamics and chaos. Perseus Books Publ. 1994

Tilbake til hovedside

Publisert 21. jan. 2020 14:19 - Sist endret 1. mars 2020 11:51