1.8. Simulações numéricas de modelos de crescimento natural

Hora de implementarmos os métodos de Euler descritos na seção anterior.

Vamos ver variações do modelo de crescimento natural. Primeiramente, vamos considerar o modelo clássico, de uma equação diferencial ordinária \(\mathrm{d}x/\mathrm{d}t = \mu x\), com um parâmetro \(\mu\) constante, representando a taxa de crescimento específico. Depois, vamos permitir que \(\mu\) seja uma variável aleatória, representando uma incerteza no parâmetro. Em seguida, vamos considerar o caso em que \(\mu = \{\mu_t\}_{t\geq 0}\) é um processo aleatório, representando uma variabilidade temporal aleatória no parâmetro. Por último, vamos considerar \(\mu\) novamente constante mas com a equação perturbada por um termo estocástico, \(\mathrm{d}x = \mu x \mathrm{d}t + \sigma \mathrm{d}W_t\).

Usaremos apenas dois pacotes do Julia. Um é o Plots.jl, para visualização das soluções. O outro é o Random, da biblioteca padrão, apenas para fixar a reprodução das notas (gerar sempre os mesmos conjuntos de números aleatórios, por motivos didáticos e de controle de versão).

using Plots
theme(:ggplot2)
using Random
rng = Xoshiro(123)

Modelo de equação diferencial ordinária

Consideramos o problema de crescimento populacional

\[ \begin{cases} \displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = \mu x, \quad t > 0,\\ x(0) = x_0. \end{cases} \]

Para cada \(\mu > 0\) fixo, temos a solução \(x(t) = x_0 e^{\mu t}\), para \(t \geq 0\).

Resolvendo o problema de valor inicial pelo método de Euler, em um intervalo \(t_0 \leq t \leq T\), com \(t_0 = 0\), \(T > 0\) e um passo de tempo \(\Delta t > 0\), obtemos a sequência de valores aproximados

\[ x_{n+1} = x_n + \mu \Delta t x_n, \quad n = 0, 1, \dots, N, \]

onde \(N\) é um inteiro mais próximo de \(T/\Delta t\).

Escolhemos valores para \(T\), \(\mu\) e \(x_0\), além de \(t_0=0\):

t0 = 0.0
T = 20.0
μ = 0.1
x₀ = 0.2
nothing

Escolhemos, também, um valor para o passo de tempo, obtendo a malha temporal:

Δt = 0.2
t = t0:Δt:T

Isso nos dá \(N+1\) pontos na malha, onde

N = Int(round(T/Δt))

Podemos pré-alocar um vetor para a solução numérica:

x = Vector{Float64}(undef, N+1)
nothing

Iniciando o vetor com o valor de \(x_0\) e iterando de acordo com o método de Euler, obtemos a solução numérica aproximada:

x[1] = x₀
for n in 2:N+1
    x[n] = (1.0 + μ * Δt)x[n-1]
end

De posse da solução podemos visualizar o crescimento exponencial e compará-lo com a solução exata

plot(t, x, title="Crescimento exponencial \$(x_0 = $x₀, \\mu = $μ, T = $T, \\Delta t = $Δt)\$", titlefont = 10, xlabel = "t", ylabel="x", label="aproximação")

plot!(t, t -> x₀ * exp(μ * t), label="sol. exata")

Refinando a malha, obtemos uma solução mais próxima, onde quase não vemos diferença:

Δt = 0.02
t = t0:Δt:T
N = Int(round(T/Δt))
x = Vector{Float64}(undef, N+1)

x[1] = x₀
for n in 2:N+1
    x[n] = (1.0 + μ * Δt)x[n-1]
end

plot(t, x, title="Crescimento exponencial \$(x_0 = $x₀, \\mu = $μ, T = $T, \\Delta t = $Δt)\$", titlefont = 10, xlabel = "t", ylabel="x", label="aproximação", color=1)

Modelo com parâmetros aleatórios

Agora, vamos assumir uma incerteza em relação ao parâmetro, dada por uma distribuição normal, com média \(\bar\mu\) e desvio padrão \(\sigma\): \(\mu = \mathcal{N}(\bar\mu, \sigma^2)\).

Façamos uma amostragem de um certo número \(M\) de valores.

M = 100
μ̄ = 0.1
σ = 0.02
μ = μ̄ .+ σ * randn(rng, M)

histogram(μ, bins = 20, xlims=(0.0, 0.2), title="Histogram das realizações de \$\\mu \\sim \\mathcal{N}(\\bar\\mu, \\sigma^2); \\bar\\mu = $μ̄, \\sigma=$σ \$", xlabel="\$\\mu\$", titlefont=10, label=false)

Agora, vamos resolver a equação para cada valor sorteado.

Δt = 0.2
t = t0:Δt:T
N = Int(round(T/Δt))
x = Array{Float64}(undef, N+1, M)

x[1, :] .= x₀
for n in 2:N+1
    x[n, :] .= (1.0 .+ μ * Δt) .* x[n-1, :]
end

plot(t, x, alpha = 0.2, title="Conjunto de soluções \$(x_0 = $x₀, \\mu \\sim \\mathcal{N}($μ̄, {$σ}^2), T = $T, \\Delta t = $Δt)\$", titlefont = 10, xlabel = "t", ylabel="x", label=permutedims(["soluções"; fill(nothing, M-1)]), color=1)
plot!(t, x[:, 1], label="uma realização", linewidth=2, color=2)
plot!(t, sum(x, dims=2)/size(x, 2), linewidth=3, color=:orange, label="média")

Modelo de equação diferencial aleatória

Consideramos, agora, a equação aleatória

\[ \frac{\mathrm{d}X_t}{\mathrm{d}t} = \mu_t X_t, \]

onde \(\{\mu_t\}_t\) é um processo aleatório dado por \(\mu_t = \bar\mu + \sigma \sin(W_t)\), onde \(\bar\mu, \sigma > 0\) e \(\{W_t\}_{t\geq 0}\) é tal que \(W_0 = 0\), e \(W_{t + \tau} - W_t \sim \mathcal{N}(0, \tau)\) independentes.

μ̄ = 0.1
σ = 0.05
wt = 0.0

for m in 1:M
    x[1, m] = x₀
    for n in 2:N+1
        global wt += randn(rng) * √Δt
        μt = μ̄ + σ * sin(wt)
        x[n, m] = (1.0 + μt * Δt) .* x[n-1, m]
    end
end

plot(t, x, alpha = 0.2, title="Soluções RODE \$(x_0 = $x₀, \\mu_t = $μ̄ + $σ\\sin(W_t), T = $T, \\Delta t = $Δt)\$", titlefont = 10, xlabel = "t", ylabel="x", label=permutedims(["soluções"; fill(nothing, M-1)]), color=1)
plot!(t, x[:, 1], label="uma realização", linewidth=2, color=2)
plot!(t, sum(x, dims=2)/size(x, 2), linewidth=3, color=:orange, label="média")

Modelo de equação diferencial estocástica

Finalmente, vamos considerar a equação estocástica

\[ \mathrm{d}X_t = \bar\mu X_t \mathrm{d}t + \sigma X_t \mathrm{d}W_t, \]

onde \(\{W_t\}_t\) é um processo aleatório. Mais especificamente, vamos assumir que \(\{W_t\}_t\) modela um movimento Browniano, tendo incrementos independentes e estacionários, dados por \(\Delta W_t = W_{t + \Delta t} - W_t \sim \mathcal{N}(0, \Delta t)\).

μ̄ = 0.1
σ = 0.05

for m in 1:M
    x[1, m] = x₀
    for n in 2:N+1
        dw = randn(rng) * √Δt
        x[n, m] = (1.0 + μ̄ * Δt) * x[n-1, m] + σ * x[n-1, m] * dw
    end
end

plot(t, x, alpha = 0.2, title="Soluções SDE \$(x_0 = $x₀, \\bar\\mu = $μ̄, \\sigma = $σ, dW_t \\sim \\mathcal{N}(0, \\Delta t), T = $T, Δt = $Δt)\$", titlefont = 9, xlabel = "t", ylabel="x", label=permutedims(["soluções"; fill(nothing, M-1)]), color=1)
plot!(t, x[:, 1], label="uma realização", linewidth=2, color=2)
plot!(t, sum(x, dims=2)/size(x, 2), linewidth=3, color=:orange, label="média")

Exercícios

1. Resolva, via método de Euler, a equação diferencial

\[ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = (\alpha - \beta x) x, \quad x(0) = x_0, \]

com \(\alpha, \beta > 0, 0 < x_0 < \alpha / \beta, t_0 = 0, T > 0, 0 < \Delta t \ll T \) de sua escolha. Trace o gráfico da solução. Escolha parâmetros apropriados para que a mudança de concavidade, da solução, seja visível.

2. Resolva, via método de Euler, a equação diferencial

\[ \mathrm{d}X_t/\mathrm{d}t = (\alpha - \beta X_t) X_t, \quad X_0 = \mathcal{N}(\bar{x}_0, \sigma_{x_0}^2), \]

onde

\[ \alpha \sim \mathcal{N}(\bar\alpha, \sigma_\alpha^2), \beta \sim \mathcal{N}(\bar\beta, \sigma_\beta^2), \]

com \(\bar\alpha, \sigma_\alpha, \bar\beta, \sigma_\beta, \bar{x}_0, \sigma_{x_0} > 0, t_0 = 0, T > 0, 0 < \Delta t \ll T\) de sua escolha. Trace o gráfico de um conjunto de realizações dos parâmetros. Escolha parâmetros apropriados para que boa parte das realizações exiba a mudança de concavidade.

3. Resolva, via método de Euler, a equação diferencial aleatória

\[ \mathrm{d}X_t/\mathrm{d}t = (A_t - b X_t) X_t, \quad X_0 = x_0, \]

onde \(A_t = a + \sigma\sin(W_t)\) e \(W_{t + \tau} - W_t \sim \mathcal{N}(0, \tau)\), com \(a, b, \sigma > 0\), \(0 < x_0 < a / b\), \(t_0 = 0\), \(T > 0\) e \(0 < \Delta t \ll T\) de sua escolha. Trace o gráfico de um conjunto de realizações dos parâmetros. Escolha parâmetros apropriados para que a média das realizações exiba a mudança de concavidade.

4. Resolva, via método de Euler, a equação diferencial estocástica

\[ \mathrm{d}X_t = (\alpha - \beta X_t) X_t \mathrm{d}t + \sigma X_t \mathrm{d}W_t, \quad X_0 = x_0, \]

onde \(W_{t + \tau} - W_t \sim \mathcal{N}(0, \tau)\), com \(\alpha, \beta > 0\), \(0 < x_0 < \alpha / \beta\), \(\sigma > 0\), \(t_0 = 0\), \(T > 0\) e \(0 < \Delta t \ll T\) de sua escolha. Trace o gráfico de um conjunto de realizações dos parâmetros. Novamente, escolha parâmetros apropriados para que a média das realizações exiba a mudança de concavidade.