Äîêóìåíò âçÿò èç êýøà ïîèñêîâîé ìàøèíû. Àäðåñ îðèãèíàëüíîãî äîêóìåíòà : http://www.mccme.ru/edu/index.php?ikey=viarn-models2
Äàòà èçìåíåíèÿ: Unknown
Äàòà èíäåêñèðîâàíèÿ: Sun Apr 10 23:41:14 2016
Êîäèðîâêà: koi8-r
Mathematical Education: Stat'i V.I. Arnol'da

Ìàòåìàòè÷åñêîå îáðàçîâàíèå: â÷åðà, ñåãîäíÿ, çàâòðà…


Àðíîëüä Âëàäèìèð Èãîðåâè÷
"Æåñòêèå" è "ìÿãêèå" ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè

2. Îïòèìèçàöèÿ êàê ïóòü ê êàòàñòðîôå

Ïðîñòåéøàÿ ìîäåëü ðîñòà =kx ïðåäëîæåíà Ìàëüòóñîì (äëÿ ðîñòà íàñåëåíèÿ Çåìëè). Îíà âåäåò, êàê õîðîøî èçâåñòíî, ê ýêñïîíåíöèàëüíîìó (ò. å. î÷åíü áûñòðîìó) ðîñòó íàñåëåíèÿ x ñ òå÷åíèåì âðåìåíè. Ýòà æåñòêàÿ ìîäåëü ïðèìåíèìà (ðàçóìååòñÿ, ñ îãîâîðêàìè), íàïðèìåð, ê ðàçâèòèþ íàóêè â 1700-1950 ãîäàõ (èçìåðÿåìîìó, ñêàæåì, ÷èñëîì íàó÷íûõ ñòàòåé) (ðèñ. 4). Ïðîäîëæåíèå ýêñïîíåíöèàëüíîãî ðîñòà íàóêè â ñëåäóþùèé âåê áûñòðî ïðèâåëî áû ê èñ÷åðïàíèþ áóìàãè è ÷åðíèë, ïðè÷åì ÷èñëî ó÷åíûõ äîëæíî áûëî áû äîñòè÷ü ïîëîâèíû íàñåëåíèÿ çåìíîãî øàðà.


Ðèñ. 4. Ðîñò íàóêè.

ßñíî, ÷òî îáùåñòâî (âî âñåõ ñòðàíàõ) íå ìîæåò ýòîãî äîïóñòèòü, è ñëåäîâàòåëüíî ðàçâèòèå íàóêè äîëæíî áûòü ïîäàâëåíî (÷òî ìû è íàáëþäàåì âî ìíîãèõ ñòðàíàõ; â Ðîññèè ðåôîðìèðîâàíèå àêàäåìè÷åñêîé íàóêè ïðîèñõîäèò êàê ðàç ñåé÷àñ).

Àíàëîãè÷íûå ÿâëåíèÿ íàñûùåíèÿ ïðîèñõîäÿò â ëþáîé ïîïóëÿöèè (è, âåðîÿòíî, âñêîðå ïðîèçîéäóò ñ ÷åëîâå÷åñòâîì â öåëîì): êîãäà íàñåëåíèå ñòàíîâèòñÿ ñëèøêîì áîëüøèì, ìàëüòóñîâñêàÿ æåñòêàÿ ìîäåëü ñ ïîñòîÿííûì êîýôôèöèåíòîì ðîñòà k ïåðåñòàåò áûòü ïðèìåíèìîé. Åñòåñòâåííî, ïðè ñëèøêîì áîëüøèõ x êîíêóðåíöèÿ çà ðåñóðñû (ïèùó, ãðàíòû è ò. ä.) ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ k, è æåñòêàÿ ìîäåëü Ìàëüòóñà äîëæíà áûòü çàìåíåíà ìÿãêîé ìîäåëüþ

=k(x)x

ñ çàâèñÿùèì îò íàñåëåíèÿ êîýôôèöèåíòîì ðàçìíîæåíèÿ. Ïðîñòåéøèì ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ âûáîð k(x)=a-bx, ÷òî ïðèâîäèò ê òàê íàçûâàåìîé ëîãèñòè÷åñêîé ìîäåëè (ðèñ. 5):
=ax-bx2, íàïðèìåð, =x-x2.

Âûáîðîì ñèñòåìû åäèíèö x è t ìîæíî ïðåâðàòèòü êîýôôèöèåíòû a è b â 1. Ïîä÷åðêíó, îäíàêî, ÷òî âûâîäû, êîòîðûå áóäóò ñäåëàíû íèæå, îñòàþòñÿ (ñ òî÷íîñòüþ äî ÷èñëîâûõ çíà÷åíèé êîíñòàíò) ñïðàâåäëèâûìè è ïðè ëþáûõ çíà÷åíèÿõ êîýôôèöèåíòîâ a è b è äàæå äëÿ øèðîêîãî êëàññà ìîäåëåé ñ ðàçëè÷íûìè (óáûâàþùèìè ñ x) ôóíêöèÿìè k(x). Èíûìè ñëîâàìè, äàëüíåéøèå âûâîäû îòíîñÿòñÿ êî âñåé ìÿãêîé ìîäåëè, à íå ê ñïåöèàëüíîé æåñòêîé ëîãèñòè÷åñêîé ìîäåëè.


Ðèñ. 5. Ëîãèñòè÷åñêàÿ ìîäåëü.

Íà ðèñ. 5 ñëåâà èçîáðàæåí ãðàôèê ôóíêöèè k(x)x, ïîëîæèòåëüíîé ìåæäó òî÷êàìè A è B.  öåíòðå èçîáðàæåíî âåêòîðíîå ïîëå 1 íà èçîáðàæàþùåé âñåâîçìîæíûå ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû îñè x. Îíî óêàçûâàåò ñêîðîñòü ýâîëþöèè ñîñòîÿíèÿ.  òî÷êàõ A è B ñêîðîñòü ðàâíà íóëþ: ýòî ñòàöèîíàðíûå ñîñòîÿíèÿ. Ìåæäó A è B ñêîðîñòü ïîëîæèòåëüíà (íàñåëåíèå ðàñòåò), à çà òî÷êîé B -- îòðèöàòåëüíà (íàñåëåíèå óáûâàåò). Ñïðàâà èçîáðàæåíà ðåçóëüòèðóþùàÿ çàâèñèìîñòü íàñåëåíèÿ îò âðåìåíè ïðè ðàçíûõ íà÷àëüíûõ óñëîâèÿõ.

Ìîäåëü ïðåäñêàçûâàåò, ÷òî ñ òå÷åíèåì âðåìåíè óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòàöèîíàðíûé ðåæèì B, êîòîðûé óñòîé÷èâ: áîëüøåå íàñåëåíèå óìåíüøàåòñÿ, ìåíüøåå -- óâåëè÷èâàåòñÿ.

Ëîãèñòè÷åñêàÿ ìîäåëü óäîâëåòâîðèòåëüíî îïèñûâàåò ìíîãî÷èñëåííûå ÿâëåíèÿ íàñûùåíèÿ. Âáëèçè A, êîãäà íàñåëåíèå ìàëî, îíà î÷åíü áëèçêà ê ìàëüòóçèàíñêîé ìîäåëè. Íî ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøèõ x (ïîðÿäêà 1/2 ïðè íàøåì âûáîðå êîýôôèöèåíòîâ) íàáëþäàåòñÿ ðåçêîå îòëè÷èå îò ìàëüòóçèàíñêîãî ðîñòà (îáîçíà÷åííîãî íà ðèñ. 5 ïóíêòèðîì): âìåñòî óõîäà x íà áåñêîíå÷íîñòü íàñåëåíèå ïðèáëèæàåòñÿ ê ñòàöèîíàðíîìó çíà÷åíèþ B. Íàñåëåíèå Çåìëè ñåé÷àñ ïðèáëèæàåòñÿ ê 6 ìèëëèàðäàì. Ñòàöèîíàðíîå çíà÷åíèå (ïî ðàçíûì îöåíêàì) 16-20 ìèëëèàðäîâ ÷åëîâåê.

Ëîãèñòè÷åñêàÿ ìîäåëü ÿâëÿåòñÿ îáû÷íîé â ýêîëîãèè. Ìîæíî ñåáå ïðåäñòàâèòü, íàïðèìåð, ÷òî x -- ýòî êîëè÷åñòâî ðûá â îçåðå èëè â ìèðîâîì îêåàíå. Ïîñìîòðèì òåïåðü, êàê ñêàæåòñÿ íà ñóäüáå ýòèõ ðûá ðûáîëîâñòâî ñ èíòåíñèâíîñòüþ c:

=x-x2-c.
Âû÷èñëåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî îòâåò ðåçêî ìåíÿåòñÿ ïðè íåêîòîðîì êðèòè÷åñêîì çíà÷åíèè êâîòû âûëîâà, c. Äëÿ íàøåé æåñòêîé ìîäåëè ýòî êðèòè÷åñêîå çíà÷åíèå åñòü c= 1/4, íî àíàëîãè÷íûå ÿâëåíèÿ èìåþò ìåñòî è äëÿ ìÿãêîé ìîäåëè
=x-k(x)x-c
(êðèòè÷åñêîå çíà÷åíèå ñ â ýòîì ñëó÷àå ìàêñèìóì ôóíêöèè k(x)x).


Ðèñ. 6. Íåäîëîâ (à), ïåðåëîâ (á) è îïòèìèçàöèÿ (â) ðûáîëîâñòâà.

Õîä ýâîëþöèè ÷èñëà ðûá x ñ òå÷åíèåì âðåìåíè t èçîáðàæåí íà ðèñ. 6. Åñëè êâîòà c ìàëà, òî èçìåíåíèÿ (ïî ñðàâíåíèþ ñî ñâîáîäíîé ïîïóëÿöèåé, äëÿ êîòîðîé c =0) ñîñòîÿò â ñëåäóþùåì.

Ñèñòåìà èìååò äâà ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèÿ, A è B. Ñîñòîÿíèå B óñòîé÷èâî: ïîïóëÿöèÿ â ýòîì ñëó÷àå íåñêîëüêî ìåíüøå, ÷åì íåîáëàâëèâàåìàÿ, íî îíà âîññòàíàâëèâàåòñÿ ïðè ìàëûõ îòêëîíåíèÿõ x îò ðàâíîâåñíîãî çíà÷åíèÿ B.

Ñîñòîÿíèå A íåóñòîé÷èâî: åñëè âñëåäñòâèå êàêèõ-ëèáî ïðè÷èí (ñêàæåì, áðàêîíüåðñòâà èëè ìîðà) ðàçìåð ïîïóëÿöèè óïàäåò õîòü íåìíîãî íèæå óðîâíÿ A, òî â äàëüíåéøåì ïîïóëÿöèÿ (õîòÿ è ìåäëåííî, åñëè îòëè÷èå îò A íåâåëèêî) áóäåò óíè÷òîæåíà ïîëíîñòüþ çà êîíå÷íîå âðåìÿ.

Ïî ìîåìó ìíåíèþ, ñîñòîÿíèå íàóêè â Ðîññèè â íàñòîÿùåå âðåìÿ îïèñûâàåòñÿ ïðèìåðíî òî÷êîé A: îíî åùå ñòàöèîíàðíî, íî, êàê ãîâîðÿò ôèçèêè, êâàçèñòàöèîíàðíî â òîì ñìûñëå, ÷òî íåáîëüøîå âñòðÿõèâàíèå ìîæåò ëåãêî ïðèâåñòè ê íåîáðàòèìîìó óíè÷òîæåíèþ.

Ïðè áoëüøèõ êðèòè÷åñêîé êâîòàõ âûëîâà c ïîïóëÿöèÿ x óíè÷òîæàåòñÿ çà êîíå÷íîå âðåìÿ, êàê áû âåëèêà îíà íè áûëà â íà÷àëüíûé ìîìåíò.

Ýòî -- ñóäüáà ìàìîíòîâ, áèçîíîâ, ìíîãèõ êèòîâ: ýêîëîãè ïîäñ÷èòàëè, ñêîëüêî âèäîâ ïîãèáàåò åæåäíåâíî ïîä âëèÿíèåì äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà, è ýòè öèôðû óæàñàþò. Ìîäåëè ýòîãî ðîäà îïèñûâàþò òàêæå áàíêðîòñòâî ôèðì, êîíöåðíîâ è ãîñóäàðñòâ. Îïàñíîñòü óíè÷òîæåíèÿ â íàøåé ìîäåëè ïîÿâëÿåòñÿ òîãäà, êîãäà íåóñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå A ïðèáëèæàåòñÿ ê óñòîé÷èâîìó ñîñòîÿíèþ B, ò. å. êîãäà âåëè÷èíà x îïóñêàåòñÿ ïðèìåðíî äî ïîëîâèíû èñõîäíîé ñòàöèîíàðíîé âåëè÷èíû íåîáëàâëèâàåìîé ïîïóëÿöèè.

Íàñåëåíèå Ðîññèè, ìíå êàæåòñÿ, åùå íå ïîíèçèëîñü äî ýòîãî ñìåðòåëüíî îïàñíîãî óðîâíÿ, íî, ïî-âèäèìîìó, äâèæåòñÿ ê íåìó. Íàóêà æå â Ðîññèè íàõîäèòñÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ èìåííî â òàêèõ óñëîâèÿõ "ïåðåëîâà". Íàïðèìåð, çàðàáîòíàÿ ïëàòà ãëàâíîãî íàó÷íîãî ñîòðóäíèêà â Ìàòåìàòè÷åñêîì èíñòèòóòå èì. Ñòåêëîâà ÐÀÍ (êàêîâûì ÿ ÿâëÿþñü) ñîñòàâëÿåò ìåíåå 100 äîëëàðîâ â ìåñÿö. Ýòî ðàç â ñòî ìåíüøå çàðïëàòû ìîèõ êîëëåã â ÑØÀ (è ðàç â 50 ìåíüøå, ÷åì âî Ôðàíöèè). Ïîíÿòíî, ÷òî â òàêèõ óñëîâèÿõ âåëè÷èíà c (ñêîðîñòü óáûëè ÷èñëà ó÷åíûõ â Ðîññèè) îãðàíè÷èâàåòñÿ â îñíîâíîì äèñêðèìèíàöèîííûìè ìåðàìè, ïðèíèìàåìûìè Çàïàäîì (íàïðèìåð, ÑØÀ) äëÿ îõðàíû ñâîèõ ðàáî÷èõ ìåñò îò íàïëûâà ëó÷øå ïîäãîòîâëåííûõ èíîñòðàííûõ àñïèðàíòîâ è äîêòîðàíòîâ (â îñíîâíîì èç Êèòàÿ è èç Ðîññèè).

Èç ñêàçàííîãî âèäíî, ÷òî âûáîð çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà c ÿâëÿåòñÿ ÷ðåçâû÷àéíî âàæíûì ìîìåíòîì óïðàâëåíèÿ ýêñïëóàòàöèåé ïîïóëÿöèè x. Ñòðåìÿñü ê óâåëè÷åíèþ êâîòû ýêñïëóàòàöèè c, ðàçóìíàÿ ïëàíèðóþùàÿ îðãàíèçàöèÿ íå äîëæíà ïðåâîñõîäèòü êðèòè÷åñêèé óðîâåíü (â íàøåì ñëó÷àå c˜1/4). Îïòèìèçàöèÿ ïðèâîäèò ê âûáîðó èìåííî êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ c= 1/4, ïðè êîòîðîì ýêñïëóàòèðóåìàÿ ïîïóëÿöèÿ åùå íå óíè÷òîæàåòñÿ, íî äîõîä îò ýêñïëóàòàöèè çà åäèíèöó âðåìåíè äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîãî çíà÷åíèÿ c = 1/4 (áîëüøèé äîõîä â íàøåé ïîïóëÿöèè â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè íåâîçìîæåí, òàê êàê ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ïðèðîñòà äàæå è íåýêñïëóàòèðóåìîé ïîïóëÿöèè åñòü 1/4).

Èç íèæíåé ÷àñòè ðèñ. 6 ìû âèäèì, ÷òî ïðîèçîéäåò ïðè òàêîì "îïòèìàëüíîì" âûáîðå, c= 1/4. Êàêîâà áû íè áûëà íà÷àëüíàÿ ïîïóëÿöèÿ x > 1/2, ñ òå÷åíèåì âðåìåíè îíà âûéäåò íà ñòàöèîíàðíûé ðåæèì A=B = 1/2. Ýòà ñòàöèîíàðíàÿ ïîïóëÿöèÿ, îäíàêî, íåóñòîé÷èâà. Íåáîëüøîå ñëó÷àéíîå óìåíüøåíèå x ïðèâîäèò ê ïîëíîìó óíè÷òîæåíèþ ïîïóëÿöèè çà êîíå÷íîå âðåìÿ.

Ñëåäîâàòåëüíî, îïòèìèçàöèÿ ïàðàìåòðîâ ïëàíà ìîæåò ïðèâîäèòü (è ïðèâîäèò âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ, èç êîòîðûõ íàøà ìîäåëü -- ëèøü ïðîñòåéøèé ïðèìåð) ê ïîëíîìó óíè÷òîæåíèþ ïëàíèðóåìîé ñèñòåìû âñëåäñòâèå âîçíèêàþùåé èç-çà îïòèìèçàöèè íåóñòîé÷èâîñòè.

Íàøà ìÿãêàÿ ìîäåëü, ïðè âñåé ñâîåé î÷åâèäíîé ïðèìèòèâíîñòè, ïîçâîëÿåò, îäíàêî, ïðåäúÿâèòü ñïîñîá áîðüáû ñ óêàçàííûì çëîì. Îêàçûâàåòñÿ, óñòîé÷èâîñòü âîññòàíàâëèâàåòñÿ, åñëè çàìåíèòü æåñòêîå ïëàíèðîâàíèå îáðàòíîé ñâÿçüþ. Èíûìè ñëîâàìè, ðåøåíèå î âåëè÷èíå ýêñïëóàòàöèè (êâîòû âûëîâà, íàëîãîâîãî ïðåññà è ò. ä.) ñëåäóåò ïðèíèìàòü íå äèðåêòèâíî (c=const), à â çàâèñèìîñòè îò äîñòèãíóòîãî ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû:

c=kx,

ãäå ïàðàìåòð k ("äèôôåðåíöèàëüíàÿ êâîòà") ïîäëåæèò âûáîðó.


Ðèñ. 7. Óñòîé÷èâàÿ ñèñòåìà ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ.

 ýòîì ñëó÷àå ìîäåëü ïðèíèìàåò âèä (ðèñ. 7)

=x-x2-kx.

Ïðè k<1 ñ òå÷åíèåì âðåìåíè óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå B, êîòîðîå óñòîé÷èâî. Ñðåäíèé ìíîãîëåòíèé "äîõîä" c =kx â ýòîì ñîñòîÿíèè îïòèìàëåí, êîãäà ïðÿìàÿ y=kx ïðîõîäèò ÷åðåç âåðøèíó ïàðàáîëû y = x-x2, ò. å. ïðè k = 1/2. Ïðè ýòîì âûáîðå äèôôåðåíöèàëüíîé êâîòû k ñðåäíèé "äîõîä" c= 1/4 äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî âîçìîæíîãî â íàøåé ñèñòåìå çíà÷åíèÿ. Íî, â îòëè÷èå îò æåñòêî ïëàíèðóåìîé ñèñòåìû, ñèñòåìà ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ óñòîé÷èâà è ïðè îïòèìàëüíîì çíà÷åíèè êîýôôèöèåíòà k (íåáîëüøîå ñëó÷àéíîå óìåíüøåíèå ïî îòíîøåíèþ ê ñòàöèîíàðíîìó óðîâíþ x=B ïðèâîäèò ê àâòîìàòè÷åñêîì âîññòàíîâëåíèþ ñòàöèîíàðíîãî óðîâíÿ ñèëàìè ñàìîé ñèñòåìû).

Áîëåå òîãî, íåáîëüøîå îòêëîíåíèå êîýôôèöèåíòà îò îïòèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ k= 1/2 ïðèâîäèò íå ê ñàìîóíè÷òîæåíèþ ñèñòåìû (êàê ýòî áûëî ïðè íåáîëüøîì îòêëîíåíèè îò îïòèìàëüíîãî æåñòêîãî ïëàíà c), à ëèøü ê íåáîëüøîìó óìåíüøåíèþ "äîõîäà".

Èòàê, ââåäåíèå îáðàòíîé ñâÿçè (ò. å. çàâèñèìîñòè ïðèíèìàåìûõ ðåøåíèé îò ðåàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ äåë, à íå òîëüêî îò ïëàíîâ) ñòàáèëèçèðóåò ñèñòåìó, êîòîðàÿ áåç îáðàòíîé ñâÿçè ðàçðóøèëàñü áû ïðè îïòèìèçàöèè ïàðàìåòðîâ.

Âñå ñêàçàííîå âûøå îñòàíåòñÿ ñïðàâåäëèâûì è äëÿ ìÿãêîé ìîäåëè (ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ïåðåñ÷åòîì êîýôôèöèåíòîâ). Ñëåäóåò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî èìåííî ýòà íåçàâèñèìîñòü îò äåòàëåé æåñòêîé ìîäåëè (êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, íå ñëèøêîì õîðîøî èçâåñòíû) äåëàåò âûâîäû ìÿãêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïîëåçíûìè.

Ïîïûòêè çàìåíèòü ìÿãêîå ìîäåëèðîâàíèå æåñòêèì îáû÷íî ïðèâîäÿò ê èåðàðõèè âñå áîëåå ñëîæíûõ è ãðîìîçäêèõ ìàòåìàòè÷åñêèõ ïîñòðîåíèé, èññëåäîâàíèå êîòîðûõ äîñòàâëÿåò ïðåêðàñíûé ìàòåðèàë äëÿ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà äèññåðòàöèé, íî ðåàëüíàÿ öåííîñòü êîòîðûõ çà÷àñòóþ íå ïðåâîñõîäèò â ñóùíîñòè ïðîñòûõ (õîòÿ áåç ìàòåìàòèêè è íå î÷åâèäíûõ) âûâîäîâ, îñíîâàííûõ íà àíàëèçå èìåííî ïðîñòåéøèõ ìîäåëåé, ïîäîáíûõ îïèñàííîé âûøå.


1Èìåííî, â êàæäîé òî÷êå, èçîáðàæàþùåé ñîñòîÿíèÿ, ïðèëîæåí âåêòîð ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ ýòîãî ñîñòîÿíèÿ, ò. å. . Ñì, íàïðèìåð [10], ñ. 32.

Ñëåäóþùèé ðàçäåë

Rambler's Top100