intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật bằng các mô hình vật lý thống kê

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST
Báo xấu
40
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu về các hành vi của các loài sinh vật nói chung và chuyển pha trong các hệ này nói riêng là một vấn đề mở, vẫn còn nhiều hiện tượng chưa được giải thích một cách thấu đáo. Các mô hình vật lý vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong các bài toán phức tạp liên ngành. Vì vật tác giả tiến hành nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật bằng các mô hình vật lý thống kê". Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật bằng các mô hình vật lý thống kê

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------*****--------------- NGUYỄN PHƢỚC THỂ NGHI£N CøU CHUYÓN PHA GOM CôM CñA C¸C LOµI SINH VËT B»NG C¸C M¤ H×NH VËT Lý THèNG K£ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2016
  2. VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… NGUYỄN PHƢỚC THỂ NGHI£N CøU CHUYÓN PHA GOM CôM CñA C¸C LOµI SINH VËT B»NG C¸C M¤ H×NH VËT Lý THèNG K£ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1: TS. NGÔ VĂN THANH 2: GS. TSKH NGUYỄN ÁI VIỆT HÀ NỘI – 2016
  3. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mới mà tôi công bố trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày 25 tháng 06 năm 2016 Tác giả: Nguyễn Phƣớc Thể i
  4. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận án này tôi xin chân thành cảm ơn TS. Ngô Văn Thanh đã luôn quan tâm sát sao, cùng tôi thực hiện các ý tưởng và giúp đỡ rất nhiều trong quá trình làm NCS. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS. TSKH Nguyễn Ái Việt người thầy đầu tiên tiếp nhận và chỉ hướng cho tôi để định hình mục tiêu nghiên cứu trong luận án, đồng thời là giáo viên hướng dẫn luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn NGƯT. Lê Công Cơ, Cô Nguyễn Thị Lộc trường Đại Học Duy Tân đã giúp đỡ tôi rất nhiều về vật chất và tinh thần trong thời gian tôi làm NCS. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo và lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, bộ môn Vật lý lý thuyết – Vật lý toán của Viện Vật Lý đã tạo mọi điều kiện học tập, nghiên cứu cho tôi trong quá trình làm NCS. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể gia đình, gia tộc luôn đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình theo đuổi và thực hiện ước mơ của mình. ii
  5. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................... i LỜI CÁM ƠN .......................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................. iii LIỆT KÊ CÁC HÌNH VẼ .................................................................... vii MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 Chƣơng 1. HÀNH VI TẬP THỂ CỦA CÁC LOÀI SINH VẬT ......... 5 1.1 Tổng quan ....................................................................................... 5 1.1.1 Hành vi tập thể ......................................................................... 5 1.1.2 Hệ tự tổ chức ............................................................................ 8 1.1.3 Hệ có con đầu đàn ................................................................... 9 . M ố h nh i ập thể của các loài sinh vật................................ 9 1.2.1 Schooling .................................................................................. 9 1.2.2 Flocking ................................................................................. 10 1.2.3 Swarming ............................................................................... 12 1.3 Giới thiệu các mô hình lý thuyết ................................................ 12 1.3.1 Mô hình SPP .......................................................................... 12 1.3.2 Mô hình TT ............................................................................. 15 1.3.3 Mô hình CS............................................................................. 17 1.4 . Kết luận ....................................................................................... 19 iii
  6. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ Chƣơng 2. CHUYỂN PHA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ............................................................................................. 20 2.1 Chuyển pha và các mô hình spin ................................................ 20 2.1.1 Chuyển pha ............................................................................ 20 2.1.2 Các mô hình spin ................................................................... 28 2.2 Phƣơng pháp mô phỏng đ ng học phân tử ............................... 31 2.2.1 Khái niệm ............................................................................... 32 2.2.2 Phương trình chuyển động và thế năng tương tác ................ 33 2.2.3 Các thuật toán giải phương trình chuyển động ..................... 33 2.2.4 Thuật toán Verlet ................................................................... 34 2.2.5 Thuật toán Leap – Frog ......................................................... 35 2.3 Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ....................................... 35 2.3.1 Nguyên tắc cơ bản của phương pháp mô phỏng Monte Carlo ......................................................................................................... 36 2.3.2 Lấy mẫu đơn giản .................................................................. 37 2.3.3 Lấy mẫu quan trọng ............................................................... 38 2.3.4 Các phương pháp biểu đồ ...................................................... 39 2.4 Kết luận ......................................................................................... 44 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU CHUYỂN PHA TRONG CÁC HỆ TỰ TỔ CHỨC.......................................................................... 45 3.1 Giới thiệu chung ........................................................................... 45 3.2 Hiệu ứng góc quan sát ................................................................. 49 3.2.1 Góc quan sát và góc mù ......................................................... 49 3.2.2 Phát triển mô hình ................................................................. 52 iv
  7. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ 3.2.3 Kết quả mô phỏng .................................................................. 54 3.3 Đề xuất các mô hình mới để nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật ........................................................................... 66 3.3.1 Mô hình spin XY ..................................................................... 67 3.3.2 Mô hình q-Potts...................................................................... 77 3.4 Kết luận ......................................................................................... 89 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................ 92 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 97 v
  8. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CS (Cucker and Smale) : Mô hình Cucker - Smale KT (Kosterlitz-Thouless) : Chuyển pha Kosterlitz-Thouless MC (Monte Carlo) : Mô phỏng Monte Carlo MD (molecular dynamic) : Động học phân tử PBCs : Điều kiện biên tuần hoàn SW (Spin waves) : Sóng spin. SAW (Self Avoiding Walks) : Các bước đi tự tránh. SPP (self-propelled particles) : Các hạt tự sắp xếp. TT (Toner and Tu) : Mô hình Toner - Tu vi
  9. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ LIỆT KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Hình ảnh về hành vi tập thể của đàn cừu [65]. .................................. 5 Hình 1-2 Hành vi schooling của đàn cá [63]. ................................................. 10 Hình 1-3 Hành vi flocking của đàn chim [174]. ............................................. 10 Hình 1-4 Mô hình lực tương tác: miền 1 là lực đẩy, miền 2 chủ yếu là lực sắp xếp với lực hút yếu, miền 3 là lực hút mạnh và miền 4 không có tương tác [170]................................................................................................... 16 Hình 1-5 Giản đồ pha trong không gian a-b [170]. ........................................ 17 Hình 2-1 Xoáy lý tưởng trong mô hình XY [97]. ........................................... 25 Hình 2-2 Đường viền quanh tâm xoáy [97]. ................................................... 26 Hình 3-1 Sự phụ thuộc của thông số trật tự vào nhiễu [177]. ......................... 47 Hình 3.2 Một số trạng thái động học của nhóm [177]. ................................... 48 Hình 3-3 Góc quan sát đối với con gần nhất từ cá thể V1 ngược lại V2 và cá thể V2 hướng tới cá thể V1 [28]...................................................................... 49 Hình 3-4 Phân bố theo chiều các con gần nhất [28]. ...................................... 50 Hình 3-5 Thông số trật tự phụ thuộc nhiễu tương ứng với các góc quan sát xác định [64]. ................................................................................................. 51 Hình 3-6 Góc quan sát của cá thể thứ i, ký hiệu là một nửa góc quan sát............................................................................................................. 54 Hình 3-7 Thông số trật tự biến thiên theo nhiễu (tính theo đơn vị ) với góc quan sát và tổng số cá thể . ............................................. 56 Hình 3-8 Variance của thông số trật tự phụ thuộc vào nhiễu (tính theo đơn vị ) với góc quan sát và . ............................................... 56 Hình 3-9 Thông số trật tự phụ thuộc vào nhiễu với các góc quan sát và ................................................... 58 Hình 3-10 Variance phụ thuộc vào nhiễu với các góc quan sát và ................................................... 58 vii
  10. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ Hình 3-11 Giản đồ pha trong không gian với N = 100, 400 và 900. Pha (I) và (II) ứng với góc quan sát của con mồi và vật săn. ........................ 59 Hình 3-12 Thông số trật tự phụ thuộc vào nhiễu với các kích thước của hệ và . .......................................................... 60 Hình 3-13 Thông số trật tự phụ thuộc vào nhiễu với các kích thước của hệ và . .......................................................... 61 Hình 3-14 Nhiễu tới hạn như là hàm của nghịch đảo của kích thước hệ 1/N đối với . .......................................................... 62 Hình 3-15 Variance phụ thuộc vào nhiễu với các kích thước của hệ và . ............................................................... 63 Hình 3-16 Variance phụ thuộc vào nhiễu với các kích thước của hệ và . ............................................................... 63 Hình 3-17 Sự phụ thuộc của vào N tính theo tỷ lệ . ..................... 64 Hình 3-18 Giá trị cực đại của phụ thuộc vào N với và . ........ 65 Hình 3-19 Giá trị cực đại của phụ thuộc vào N với và . ........ 65 Hình 3-20 Chuyển động tịnh tiến (a) và quay (b) của cá thể thứ i. ................ 70 Hình 3-21 Thông số trật tự của hệ phụ thuộc vào nhiễu với N = 100. ........... 72 Hình 3-22 Mật độ của hệ phụ thuộc vào nhiễu với N = 100. .......................... 72 Hình 3-23 Ảnh chụp vị trí và định hướng của các cá thể ở nhiễu bé . ................................................................................................................. 74 Hình 3-24 Hình ảnh phân bố các cá thể cá trong đàn ở nhiễu thấp từ chụp từ clip thực nghiệm [63]. ............................................................................. 74 Hình 3-25 Ảnh chụp vị trí và định hướng của các cá thể ở pha II, . 75 Hình 3-26 Hình ảnh phân bố các cá thể cá trong đàn ở nhiễu trung bình từ chụp từ clip thực nghiệm [63]. ................................................................ 75 Hình 3-27 Ảnh chụp vị trí và định hướng của các cá thể ở pha III, . ................................................................................................................. 76 viii
  11. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ Hình 3-28 Hình ảnh phân bố các cá thể cá trong đàn ở nhiễu thấp từ cắt từ clip thực nghiệm [63]. .................................................................................... 76 Hình 3-29 Sơ đồ các véc tơ định hướng với trạng thái.......................... 79 Hình 3-30 Thông số trật tự phụ vào thuộc nhiễu với kích thước hệ .82 Hình 3-31 Mật độ phụ thuộc vào nhiễu với kích thước hệ . ............. 82 Hình 3-32 Ảnh chụp cấu hình của hệ tại nhiễu . ............................ 83 Hình 3-33 Ảnh chụp cấu hình của hệ tại nhiễu . ........................... 84 Hình 3-34 Ảnh chụp cấu hình của hệ tại nhiễu . ........................... 84 Hình 3-35 Thông số trật tự phụ thuộc vào nhiễu với kích thước hệ và . ................................................................................ 85 Hình 3-36 Mật độ phụ thuộc vào nhiễu với kích thước hệ và . ................................................................................................................. 86 Hình 3-37 Hàm phân bố theo năng lượng với các kích thước và tại vùng nhiễu thấp............................................................................ 87 Hình 3-38 Hàm phân bố theo năng lượng với các kích thước và tại vùng nhiễu cao. ............................................................................ 88 Hình 3-39 Thông số trật tự tương ứng với mô hình mạng khí (lattice gas) có và mô hình mạng (lattice) có . ........................... 89 ix
  12. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển của Khoa học và Công nghệ thì vấn đề về Sinh thái – Môi trường đặt ra nhiều thách thức cho con người. Chẳng hạn như vấn đề tăng trưởng - tuyệt chủng của các loài, biến đổi gen, bệnh lạ do các chủng virut mới, khí thải độc hại và hiệu ứng nhà kính… Đã có nhiều cách tiếp cận từ các ngành khoa học khác nhau để nghiên cứu vấn đề này, các nhà sinh học thường quan tâm đến một số vấn đề liên quan đến sự tiến hóa, hành vi của các loài. Các nghiên cứu hóa học thường quan tâm đến vấn đề khí thải, ô nhiễm. Cách tiếp cận toán học thường dựa trên cơ sở toán thống kê để xây dựng các mô hình áp dụng cho các bài toán như dân số, tương tác vật săn - con mồi… Các nhà nghiên cứu vật lý cũng đã có nhiều đóng góp quan trọng như vấn đề hiệu ứng nhà kính, bức xạ, giải thích một số hành vi của các loài sinh vật dựa trên cơ sở các mô hình, lý thuyết đã có. Một trong những chủ đề rất thú vị của hệ sinh thái là hành vi tập thể của các loài sinh vật, thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong những năm qua. Các loài sinh vật nói chung thường sinh sống trong một tổ chức bầy đàn, ví dụ, đàn kiến, đàn cá, đàn chim, bầy ong… Những câu hỏi đặt ra ở đây về nguồn gốc, đặc tính của hành vi này là gì? cơ chế hình thành như thế nào?. Nghiên cứu hành vi của các loài sinh vật có thể cung cấp những thông tin quan trọng về nhóm, những thông tin cần thiết về môi trường thông qua các biểu hiện cụ thể của nhóm. Trong đó, các hành vi tập thể như flocking, schooling hay swarming đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài chục năm trở lại đây. Để nghiên cứu vấn đề này, các nhà toán học đề xuất các mô hình giải tích dựa trên cơ sở các phương trình động lực học cổ điển. Tuy nhiên, đối với các hệ với số lượng các cá thể rất lớn, phương pháp này sẽ rất khó để đưa ra lời giải chính xác. Nghiên cứu hành vi bởi các lý thuyết sinh học thì không 1
  13. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ đưa ra cơ chế vật lý rõ ràng, đa phần là luận hiện tượng về các hành vi của các loài sinh vật. Trong khi đó, bản chất của vật lý là nghiên cứu về các dạng vận động của vật chất, các lý thuyết đã được xây dựng khá chi tiết và đầy đủ cho các hệ một hạt cũng như nhiều hạt. Vì vậy, các mô hình vật lý luôn đóng vai trò chủ đạo cho các nghiên cứu liên ngành. Tuy nhiên, đến nay chưa có nhiều mô hình và lý thuyết vật lý được áp dụng để giải thích các hiện tượng và quy luật của các hệ phức tạp trong các lĩnh vực khoa học khác, đặc biệt là hệ sinh thái. Mô hình vật lý đầu tiên được đề xuất bởi Vicsek và các cộng sự [183] là nghiên cứu về hành vi chuyển pha của một nhóm động vật dựa trên cơ sở mô hình spin XY, mô hình này hiện nay là nền tảng cơ bản cho các nghiên cứu đặc tính bầy đàn của hệ tự tổ chức (nhóm không có cá thể đầu đàn). Nghiên cứu về các hành vi của các loài sinh vật nói chung và chuyển pha trong các hệ này nói riêng là một vấn đề mở, vẫn còn nhiều hiện tượng chưa được giải thích một cách thấu đáo. Các mô hình vật lý vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong các bài toán phức tạp liên ngành. Bởi vậy, chúng tôi chọn hướng nghiên cứu này làm chủ điểm với tiêu đề của bản luận án : ―Nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật bằng các mô hình vật lý thống kê‖. Ta biết rằng, đối với các loài sinh vật mà đặc biệt là sinh vật bậc cao, chúng có thể tương tác với nhau và với môi trường bằng các giác quan. Trong đó, khả năng quan sát của mắt có tính chất rất quan trọng và quyết định đến sự vận động, đặc biệt là hành vi tập thể. Trong các loài sinh vật, cấu trúc mắt của một số động vật rất khác nhau, có thể phân thành hai nhóm: (i) các động vật có mắt nằm phía trước mặt, (ii) các động vật với mắt ở hai bên mặt của đầu. Cấu trúc mắt cũng như khả năng quan sát của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi của các loài sinh vật. Đã có một số các nghiên cứu về khả năng quan sát của mắt như, Hall (1986), Ballerini (2008), Hemelrijk (2012)... Họ 2
  14. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ nghiên cứu trên chim Sáo đá, Mòng biển, cá Trích, cá Tuyết… và xác định được góc quan sát tối ưu của một số loài. Gần đây, một nghiên cứu rất đáng chú ý của Gao và các cộng sự về ảnh hưởng của góc quan sát đến hành vi chuyển pha [64]. Họ cho thấy rằng, giá trị tới hạn của trường ngoài (nhiễu) tăng khi giảm góc quan sát. Tuy nhiên, kết quả này tồn tại mâu thuẫn về ý nghĩa vật lý, bởi vì khi góc quan sát giảm thì số lượng tương tác của các cá thể lân cận lên một cá thể đang xét sẽ bị giảm đi, dẫn đến giá trị tới hạn của nhiễu giảm. Để giải quyết mâu thuẫn này, chúng tôi sử dụng lại mô hình của Vicsek, khảo sát sự phụ thuộc của thông số trật tự vào nhiễu tương ứng với các góc quan sát khác nhau. Đến nay các nghiên cứu dùng mô hình Vicsek làm cơ sở chỉ tập trung vào việc giải thích hành vi chuyển pha từ trật tự sang mất trật tự tại vùng nhiễu cao. Tuy nhiên, theo quan sát thực tế về hành vi gom cụm (flocking) của các loài sinh vật ở trạng thái bình thường (không bị nhiễu từ bên ngoài) thì hệ ở trạng thái tự do, phân bố ngẫu nhiên, các con vật tỏa ra xung quanh để tìm kiếm thức ăn. Hành vi này tương ứng với pha mất trật tự trong hệ vật lý. Khi bị tác động từ bên ngoài thì chúng gom cụm lại và sắp xếp trật tự (pha trật tự). Hành vi chuyển pha từ mất trật tự sang trật tự này không thể giải thích được từ mô hình của Vicsek. Thêm vào đó, theo quan sát thực nghiệm người ta dự đoán chuyển pha của hệ là chuyển pha loại I, bởi vì hành vi này diễn ra rất nhanh. Trong khi đó, từ mô hình Vicsek thì chuyển pha xảy ra là liên tục (chuyển pha loại II). Để giải quyết những hạn chế này, chúng tôi đã đề xuất hai mô hình mới: Mô hình thứ nhất chúng tôi xây dựng là từ cơ sở mô hình spin XY, Hamiltonian của hệ được định nghĩa bởi các thế tương tác giữa các cá thể với nhau bao gồm tương tác trao đổi, thế Morse và thế hóa học. Mô hình thứ hai dựa trên cơ sở mô hình Potts đồng hồ q trạng thái (q- Potts). Chúng tôi giả thuyết rằng, mỗi cá thể như một hạt với hai bậc tự do: 3
  15. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ một là tham số bên ngoài đặc trưng cho định hướng của chuyển động; hai là tham số nội tại để mô tả cho trạng thái bị kích thích hoặc không bị kích thích của mỗi cá thể dưới tác động của nhiễu. Trạng thái nội tại là tham số điều khiển tương tác của các cá thể. Các kết quả thu được phù hợp với quan sát thực nghiệm và đã khắc phục được những nhược điểm của mô hình spin XY. Nội dung của bản luận án được trình bày trong 3 chương. Tổng quan về hành vi tập thể của các loài sinh vật cũng như các mô hình lý thuyết sẽ được trình bày trong Chương 1. Lý thuyết chuyển pha và các phương pháp mô phỏng trên máy tính sẽ được trình bày trong Chương 2, với đầy đủ các thuật toán ứng dụng trong mô phỏng. Chương 3 trình bày những kết quả nghiên cứu về hiệu ứng góc quan sát đối với chuyển pha gom cụm, trình bày chi tiết về các mô hình mới được đề xuất và ứng dụng của chúng trong nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật, đặc biệt là chuyển pha ở vùng nhiễu thấp. 4
  16. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ Chƣơng . HÀNH VI TẬP THỂ CỦA CÁC LOÀI SINH VẬT 1.1 Tổng quan 1.1.1 Hành vi tập thể Hành vi tập thể của các loài sinh vật là hành vi của một hệ bao gồm các cá thể sinh vật cùng loài như cá, chim… Đặc điểm hành vi tập thể được hình thành từ các tác động qua lại lẫn nhau của cá thể để tạo nên các quy tắc, tính chất động học của cả hệ. Ví dụ, quy tắc sắp xếp để các cá thể sinh vật sắp xếp theo hướng của các con lân cận để dễ dàng di chuyển và có lợi về năng lượng. Hình 1-1 Hình ảnh về hành vi tập thể của đàn cừu [65]. Tương tác giữa các thành phần có thể mô tả đơn giản bởi lực hút/đẩy, sắp xếp hoặc phức tạp như là kết hợp của các tương tác đơn giản này xảy ra giữa các thành phần lân cận với nhau trong không gian và thời gian. Dưới một số điều kiện nhất định thì các hành vi tập thể được hình thành. Các hình ảnh được biết rõ trong thế giới tự nhiên về vấn đề này là đàn cá đang bơi, đàn chim bay lượn, đàn kiến hay bầy cừu với số lượng có thể từ vài chục con đến vài triệu con. Các hành vi động học tập thể hình thành trong một cộng đồng xã hội, trong đó các hành vi bầy đàn mà không có con đầu đàn vẫn tạo ra vận động có tổ chức gọi là tự tổ chức. Một số hành vi đặc trưng là flocking, schooling hay swaming đã được nghiên cứu trong một thời gian dài cho đến nay [1], [3], [6]-[12], [14]-[44],[52]-[58], [69], [88], [93], [144], [171], [183]. 5
  17. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ Nghiên cứu về hành vi tập thể của các loài sinh vật đến nay đã thu hút nhiều nhà khoa học với cách tiếp cận khác nhau như: sinh học, vật lý, toán học... Trên phương diện sinh học, các nhà nghiên cứu cho rằng các cá thể thường di chuyển theo chiều và tốc độ của các con gần nhất, quan trọng là giữ khoảng cách với nhau. Hamilton và Vine vào năm 1971 đã nghiên cứu chi tiết cấu trúc hình học của nhóm động vật [79], [184]. Họ đưa ra quan điểm về hành vi của các cá thể trong nhóm dẫn đến tính tập thể như sau: (1) Các cá thể có xu hướng chuyển động vào tâm nhóm để tránh rủi ro và bị ăn thịt. Các cá thể có đặc tính ích kỷ, cố gắng dùng những con khác làm vỏ bọc. (2) Khi có sự nguy hiểm do vật săn, các cá thể chuyển động gần nhau, cạnh tranh vị trí trung tâm. Khi có thức ăn, chúng có xu hướng di chuyển ra bên ngoài nhóm, mở rộng không gian, kích thước nhóm để cạnh tranh nguồn thức ăn. Thông thường, các cá thể đủ lượng thức ăn sẽ di chuyển vào tâm nhóm còn các cá thể đói di chuyển ra ngoài. (3) Các cá thể chuyển động theo nhóm còn có mục đích là lấy thông tin từ các cá thể khác như: thức ăn, thú săn, đồng thời có lợi về mặt năng lượng cũng như hợp tác săn mồi… Đáng chú ý là một số nghiên cứu của Partridge và các cộng sự về tương tác giữa các cá thể trong đàn [132]-[133], họ nghiên cứu về cấu trúc của đàn cá và kết luận rằng, các cá thể giữ một khoảng cách nhất định với các con lân cận được diễn tả bởi ―lực đẩy” cục bộ giữa các cá thể. Vào năm 1987, Reynolds đã đề xuất một mô hình đơn giản bao gồm 3 quy tắc: phân chia, sắp xếp và tự hợp để mô tả chuyển động của một hệ sinh vật trên máy tính [146]. Quy tắc phân chia để các cá thể tránh va chạm khi quá đông đúc, quy tắc sắp xếp mô tả sự điều chỉnh hướng chuyển động của mỗi cá thể, và tự hợp để đảm bảo các cá thể không bị tách ra khỏi đàn. Mô hình đã được ứng dụng thành công trong việc diễn tả chuyển động của bầy chim trên máy tính giống như trong quan sát thực tế. Để giải thích quá trình chuyển động tập thể, các nhà nghiên cứu vật lý đã có một di sản lý thuyết về các hệ nhiều hạt. Các lý thuyết này cũng có thể áp 6
  18. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ dụng để diễn tả hành vi tập thể của các loài sinh vật thông qua một số định nghĩa về tương tác. Tuy nhiên, các mô hình vật lý được đề xuất phải đảm bảo rằng, các thông số mô hình và kết quả chuyển động là không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm sinh học mà thể hiện tất cả bản chất hạt trong vật lý. Các hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà vật lý đối với hình thức động học này là dựa trên các hiện tượng tương tự như quy tắc sắp xếp của các spin trong mô hình sắt từ, dòng chất lưu hay sự truyền nhiệt… Những năm đầu của thập niên 90 trong thế kỷ trước, tại phòng thí nghiệm ở Budapest, nhà vật lý Tomas Vicsek đã quan sát các chuyển chuyển động của các đàn vi khuẩn, côn trùng, chim, cá… Cùng với các cộng sự thuộc lĩnh vực sinh học ở Đức và Isreal, họ đã đề xuất mô hình tự hợp (mô hình SPP: self-propelled particles) với hai thông tin chủ đạo trong chuyển động của nhóm sinh vật là quy tắc sắp xếp và nhiễu [41]-[43], [86], [136], [138], [141], [142], [180]-[183]. Các các thể sắp xếp để chuyển động theo chiều chuyển động trung bình của các con lân cận và tránh va chạm. Nhiễu là thông tin quan trọng để điều khiển độ trật tự của từng cá thể. Song song với đề xuất mô hình, họ xây dựng một chương trình và mô phỏng trên máy tính để diễn tả chuyển động của một đàn chim. Trong mô phỏng, mỗi con chim được giả thuyết chuyển động theo chiều và tốc độ các con lân cận của nó, với một khoảng cách tối thiểu không đổi. Giống như một hạt sắt từ, mỗi con chim tương tác với các cá thể lân cận gần nhất. Từ cơ sở lý luận và thực hiện mô phỏng trên máy tính, Vecsek đề xuất một dạng mới về sự chuyển pha cho các hệ tự tổ chức. Đó là chuyển pha từ trạng thái trật tự sang mất trật dưới ảnh hưởng của trường ngoài (nhiễu) với số cá thể từ vài chục đến vài trăm con. Vấn đề là hầu hết các quan sát trong đời sống thực ở cấp độ vĩ mô, kích thước không gian và số lượng cá thể lớn (từ vài ngàn đến vài triệu con), làm sao chúng thay đổi đồng bộ trong một thời gian ngắn là một vấn đề rất khó hiểu. Năm 1995, J. Toner và Y. Tu bị hấp dẫn bởi mô hình Vicsek, họ đề xuất lý thuyết để giải thích hành vi bầy đàn [170]-[174]. Hai nhà vật lý xem các con chim chuyển động giống như các hạt của chất lưu trong hệ vật lý. Họ sử 7
  19. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ dụng phương trình Navier-Stokes để mô hình hóa cho chuyển động tập thể của các loài sinh vật (mô hình TT). Các tham số mô hình được đề xuất tương tự như chất lưu thực tế, họ đã giải thích một số hành vi tập thể của các loài sinh vật. Đối với các nghiên cứu toán học, trong những năm gần đây vấn đề hành vi động học tập thể cũng được chú ý, hướng nghiên cứu điển hình là phát triển từ mô hình Cucker & Smale (mô hình CS) đề xuất năm 2007. Các tác giả đã nghiên cứu hệ sinh học trên cơ sở các phương trình động học cổ điển [36], [74]-[76], [118], [119]. Mô hình CS hình thành từ quy tắc cốt lõi là quá trình chuyển động diễn tiến liên tục trong không gian và thời gian, với các điều kiện tối thiểu để hình thành vận động tập thể. 1.1.2 Hệ tự tổ chức Tự tổ chức (self-organized) là một quá trình hình thành vận động tập thể bởi các quy tắc tương tác cục bộ từ một hệ hỗn loạn ban đầu. Quá trình này là tự phát, không có sự chỉ đạo hoặc kiểm soát bởi bất cứ tác nhân hoặc hệ con từ bên trong hoặc bên ngoài. Nó thường được kích hoạt bởi một sự biến đổi bất thường tại một vị trí nào đó và được khuếch đại bởi sự phản hồi liên tục, kết quả là đặc tính tổ chức cho hệ tự hình thành [85], [126], [128], [131], [134], [145], [162], [175], [182], [189], [191]. Khi tồn tại các nhóm lớn, các cá thể đạt được sự đồng thuận mà không cần con đầu đàn điều khiển toàn bộ hệ thống, các hành vi tập thể của hệ được hình thành từ hành vi của mỗi cá thể. Tự tổ chức xảy ra nhiều trong các loài sinh vật bậc thấp và cả trong một số loài động vật bậc cao như đàn cá... Về phương diện lý luận, người ta đưa ra các mô hình đơn giản nhất để nghiên cứu, giải thích cho các hành vi tập thể. Vấn đề quan trọng là phải đề xuất các quy tắc, quy luật tương tác để giải thích được những kết quả quan sát thực tế. Từ đó, có thể xây dựng một lý thuyết đúng nhất để áp dụng vào một lớp lớn các hệ khác nhau, kể cả các tương tác xã hội và các lĩnh vực khoa học khác nhau. Nắm được quy luật tự tổ chức cho một hệ nhất định nào đó, ta có thể đề xuất cơ chế điều chỉnh lỗi cho hệ qua các tác động thích hợp. 8
  20. LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN PHƯỚC THỂ 1.1.3 Hệ có con đầu đàn Trái lại với hệ tự tổ chức, trong một nhóm sinh vật có một hoặc một số con đầu đàn, nó có ưu thế nổi bật, có đầy đủ thông tin và khả năng thực hiện lãnh đạo đàn gọi là hệ có tổ chức [89], [101], [162], [179]. Điển hình cho hệ này trong sinh học là đàn chim, đàn ong… Tín hiệu từ con đầu đàn phát đi sẽ điều khiển định hướng di chuyển của các cá thể trong đàn. Để hiểu rõ hơn về khái niệm tổ chức, ta xét một nhóm người làm việc, đó là tổ chức hoặc chính xác hơn là hành vi có tổ chức nếu mỗi người làm việc chịu tác động một cách rõ ràng của người lãnh đạo (ví dụ sắp xếp của ―ông chủ‖) để tạo nên sản phẩm. Năm 2005, Couzin và các cộng sự đã đề xuất một mô hình đơn giản để mô tả làm cách nào một vài cá thể có thể dẫn đầu một nhóm và sau đó phát triển bởi các tác giả khác. Họ khảo sát một nhóm nhỏ khoảng 200 cá thể và toàn bộ cá thể này đều chuyển đến mục tiêu với chỉ 10 con đầu đàn [33]. Trong các nghiên cứu về sinh học gần đây cho thấy rằng, quá trình ra quyết định tập thể là sự kết hợp giữa hai loại quy tắc [139]: cá thể lãnh đạo (individual-based) và tự tổ chức (self-organized). Quy tắc thứ nhất đặc trưng cho sự khác biệt về trạng thái vận động, đó là sự khác biệt về địa vị xã hội, sinh lý, tình trạng sức mạnh… Quy tắc thứ hai tương ứng với sự tương tác, phản ứng đơn giản giữa các cá thể. Mô hình này dự đoán rằng, một phong trào tìm kiếm thức ăn được dẫn dắt bởi các cá nhân cụ thể, thậm chí có thể phân cấp lãnh đạo trong các hệ thống lớn các cá thể. Khi gia tăng kích thước của một hệ, các quá trình ra quyết định và thực hiện mệnh lệnh sẽ hiệu quả hơn [22], [99]. 1.2 M ố hành vi tập thể của các loài sinh vật 1.2.1 Schooling Trong hệ các loài động vật, nếu một nhóm các cá thể cùng loài, cùng kích thước, chuyển động cùng tốc độ và cùng chiều gọi là hành vi schooling. Hành 9
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1245 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
9=>0