Con 2 variabili dinamiche dx1 (t ) dt f1 x1 (t ), x2 (t ) dx2 (t ) f x (t ), x (t ) 2 1 2 dt con x1(0), x2(0) assegnati f1 ( x1 , x2 ) 0 Equilibri: f 2 ( x1 , x2 ) 0 x2 Segno dei secondi membri x1 0 x1 0 f1 ( x1 , x2 ) 0 f 2 ( x1 , x2 ) 0 x1 0 x2 0 x2 0 x2 0 vettori di fase x1 Preda-predatore (Vito Volterra, 1926) Densità prede x 1 r x1 b x1x2 x1 x 2 m x2 + c x1x2 Densità predatori x2 x 1 x1 (r b x2) 0 x 2 x2( m + c x1) 0 x2 x1 0 x1 0 x1 0 x2 0 x2 0 x2 0 x1 Vito Volterra (1860-1940) Il matematico si trova in possesso di uno strumento mirabile e prezioso, creato dagli sforzi accumulati per lungo andare di secoli dagli ingegni più acuti e dalle menti più sublimi che siano mai vissute. Egli ha, per così dire, la chiave che può aprire il varco a molti oscuri misteri dell’universo, ed un mezzo per riassumere in pochi simboli una sintesi che abbraccia e collega vasti e disparati risultati di scienze diverse Vito Volterra (1860-1940) […] Ma è intorno a quelle scienze nelle quali le matematiche solo da poco tempo hanno tentato d’introdursi, le scienze biologiche e sociali, che è più intensa la curiosità, giacché è forte il desiderio di assicurarsi se i metodi classici, i quali hanno dato così grandi risultati nelle scienze meccanico-fisiche, sono suscettibili di essere trasportati con pari successo nei nuovi ed inesplorati campi che si dischiudono loro dinanzi. dal discorso inaugurale per l’anno accademico 1901-1902 dell’Università di Roma "Plasmare dunque concetti in modo da poter introdurre la misura; misurare quindi; dedurre poi delle leggi; risalire da esse ad ipotesi; dedurre da queste, mercé l'analisi, una scienza di enti ideali si, ma rigorosamente logica; confrontare poscia con la realtà; rigettare o trasformare, man mano che nascono contraddizioni tra i risultati del calcolo ed il mondo reale, le ipotesi fondamentali che han già servito; e giungere così a divinare fatti e analogie nuove, o dallo stato presente arrivare ad argomentare quale fu il passato e che cosa sarà l'avvenire; ecco, nei più brevi termini possibili, riassunto il nascere e l'evolversi di una scienza avente carattere matematico.“ Vito Volterra, Saggi Scientifici, Zanichelli Bologna 1920 Y E X Fluttuazioni del numero di lepri e linci canadesi ricostruite in base al numero delle pelli acquistate dalla Compagnia della Baia di Hudson nei diversi anni, da Mac Lulich (1937) x1 r x1 sx12 x1x2 = x1(rsx1bx2) x 2 m x2 + c x1x2 = x2(m+cx1) Predatori x2 Crescita logistica della preda Prede x1 Predatori x2 4 3 2 1 tempo 1 2 Prede x1 Sazietà del predatore b bx2 x1 rx1 sx x1 x2 x1 r sx1 a x1 a x1 2 1 c cx1 x 2 mx2 x1 x2 x2 m a x1 a x1 (a) Lotka-Volterra senza classico senza smorzatore per la preda (b) Con smorzatore per la preda (c) Con saturazione dell’appetito Modelli lineari a tempo continuo bidimensionali dX 1 (t ) dt a11 X 1 (t ) a12 X 2 (t ) dX 2 (t ) a X (t ) a X (t ) 21 1 22 2 dt Sol. di prova X 1 w1et X 2 w2et w1et a11w1et a12 w2et Sostituisco w2et a21w1et a22 w2et (a11 ) w1 a12 w2 0 a21w1 (a22 ) w2 0 Ha soluzioni non nulle se cioè Sistema lineare omogeneo con parametro (equazione agli autovalori) (a11 )(a22 ) a12a21 0 2 (a11 a22 ) (a11a22 a12a21 ) 0 Tr Det 0 2 = a11 a22 a12 a21 Tr2 4det = 0 = a11 + a22 (1) Due radici 1,2 (autovalori) reali distinte con corrispondenti autovettori v1 e v2 Tr2 4Det >0 Soluzione generale: X(t) = C1 v1e 1t +C2 v2 e 2t (2) Due radici 1,2 (autovalori) reali coincidenti Tr2 4Det = 0 e t Soluzione generale: X(t) = v (C1 +C2t) (3) Due radici 1,2 (autovalori) complesse coniugate: Tr2 4Det < 0 1 a +ib 2 a ib Soluzione generale: S.D. dx1 (t ) dt f1 x1 (t ), x2 (t ) dx2 (t ) f x (t ), x (t ) 2 1 2 dt f1 ( x1 , x2 ) 0 Equilibri: f 2 ( x1 , x2 ) 0 f i aij |( p ,q ) x j con x1(0), x2(0) assegnati Stabilità di ciascun equilibrio. Approssimazione lineare in un intorno. Sia (x1*, x2*) un equilibrio, dette X1 = x1 x1*, X2 = x2 x2* si introduce l’approssimazione lineare in un intorno dell’equilibrio calcolando in esso le 4 derivate parziali: Matrice Jacobiana aij f i x j Calcolata in un punto di equilibrio Approx. lineare dX 1 (t ) dt a11 X 1 (t ) a12 X 2 (t ) dX 2 (t ) a X (t ) a X (t ) 21 1 22 2 dt Esempio Cont. esempio Esempi Competizione fra due specie x1 r1 x1 s1 x12 12 x1 x2 x1 r1 s1 x1 12 x2 x 2 r2 x2 s x 12 x1 x2 x2 r2 s2 x2 12 x1 2 2 2 Gli esperimenti di Gause (1934) due specie di protozoi: Paramecium aurelia e Paramecium caudatum. Ponendo in colture separate le due specie, e rinnovando periodicamente il terreno, si ottennero curve di accrescimento approssimativamente sigmoidali con il conseguimento d’uno stato stazionario. Ponendo le due specie insieme in uno stesso terreno di coltura si vide che mentre Paramecium aurelia manteneva ancora un accrescimento logistico, la popolazione di Paramecium caudatum, dopo un certo numero di giorni (circa 8), cominciò a diminuire fino a scomparire del tutto. Da ciò si può dedurre che una delle due specie è riuscita a competere meglio per le risorse causando l’estinzione di quella concorrente. Il principio d’esclusione competitiva (principio di Gause). Se due specie coesistono in un medesimo ambiente ciò avviene in ragione del fatto che esse presentano nicchie ecologiche separate. Qualora, però, le due specie presentino nicchie sovrapposte, allora una delle due specie prenderà il sopravvento sull’altra fino ad eliminarla. Comunque, spesso la coesistenza è garantita dalla presenza di nicchie ecologiche non completamente sovrapposte (le specie in questioni possono presentare, infatti, differenze lievi a livello di dieta o di habitat). In conseguenza di ciò nasce il quesito su quanto due nicchie debbano essere separate affinché la coesistenza sia permessa.. Edward Lorenz (May 23, 1917–April 16, 2008) dx x y dt dy Rx y xz dt dz Bz xy dt