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EDOs

Tue, 20 Apr 2021 00:00:00 +0000

Introdução
EDOs de 1^a ordem
- Estrutura básica para simulação com R
- Interrupção automática da simulação
EDOs de 2^a ordem
Equações diferenciais simultâneas
Análise de estabilidade
Referências

Rafael de Acypreste¹, Theo Antunes²

Introdução

O objetivo geral desta nota é realizar simulações numéricas de equações diferenciais ordinárias com ênfase, especialmente, em aplicações econômicas. Todas as simulações são feitas utilizando-se o software R.

Para as simulações, serão utilizados os pacotes abaixo, adicionais à base do R. É preciso que sejam instalados (uma única vez) e carregados antes do uso:

# install.packages("deSolve")
# install.packages("PhaseR")
# install.packages("scatterplot3d")
# install.packages("latex2exp")
library(deSolve) # Funções para resolver EDOs
library(phaseR) # Funções para elaboração dos retratos de fase
library(scatterplot3d) # Gráficos em 3 dimensões
library(latex2exp) # Expressões escritas padrão LaTeX
options(scipen = 99) # Utiliza 99 casas decimais como padrão em vez de notação científica

Denota-se por equação diferencial ordinária (EDO) uma função desconhecida e a relação com suas derivadas. Como, em economia, costuma-se usar o tempo como variável independente, esta notação permanecerá ao longo do texto se não estiver disposto de outra maneira. Portanto, pode-se representar uma EDO de ordem \(n\) por

\[\begin{equation} f[y(t),y^{(1)}(t),y^{(2)}(t),...,y^{(n)}(t),t ] = 0 \tag{1} \end{equation}\]

em que \((n)\) é o grau da EDO e representa a maior ordem das derivadas da função desconhecida Seco and Patrão (2018). Uma notação da forma geral pode ser descrita por:

\[\begin{equation} a_n(t)y^{(n)}(t)+\dots+a_2(t)y^{(2)}(t)+a_1(t)y^{(1)}(t)+a_0(t)y(t) = g(t) \tag{2} \end{equation}\]

Neste texto, não serão abordados detalhes teóricos sobre equações diferenciais e sobre os modelos apresentados. O(a) leitor(a) deve recorrer aos documentos citados em caso de interesse.

EDOs de 1^a ordem

EDOs de 1^a ordem envolvem uma equação em termos da sua primeira derivada \(y'(t)\). Conforme Gandolfo (2005), pode-se encontrar uma solução de uma equação homogênea no formato \(y(t) = Ae^{-bt}\), cuja estabilidade depende do sinal de \(-b\). Alguns exemplos de equações na Figura 1.

Apesar de servir de motivação para a análise de EDOs, o objetivo desta nota não é resolver EDOs, encontrando uma função \(y(t)\) que a satisfaz, mas sim identificar o comportamento de tais equações a partir de resoluções numéricas e representações gráficas. Portanto, passa-se aos detalhes básicos para as simulações.

Figure 1: Elaboração própria.

Estrutura básica para simulação com R

Algumas equações diferenciais apresentam soluções analíticas, que podem ser resolvidas a partir de técnicas específicas. Para a economia, uma boa referência é o livro do Gandolfo (2005). Para aplicações mais detalhadas, consultar Seco and Patrão (2018). Nesses casos, simples técnicas de elaboração de gráficos podem ser adotadas no R ou outro software.

Porém, há situações que não se deseja ou não é simples encontrar uma solução analítica. Para esses casos, o R possui pacotes que ajudam a encontrar e representar graficamente soluções numéricas e retratos de fase, que podem ajudar na interpretação dos modelos.

O pacote utilizado para simulação e resolução de EDOs com o R é o deSolve. Um espectro maior de aplicações e parte das explicações aqui apresentadas podem ser encontradas em Soetaert, Petzoldt, and Setzer (2010)}. Recursos adicionais e manuais podem ser acessados digitando ?deSolve diretamente no console³.

Em primeiro lugar, deve-se definir uma função própria do modelo a ser simulado em linguagem própria do R com, no mínimo, os seguintes parâmetros nesta ordem:

Tempo para simulação;
Valor inicial das variáveis (estado); e
Parâmetros do modelo.

Quando da resolução, o modelo chamará essa função em cada período de tempo durante o processo de integração. Tempo e valores iniciais devem ser disponibilizados no formato de vetores (ou listas). A função with( )⁴ permite usar as variáveis em formato de lista diretamente dentro da função sem que seja necessário indicar o nome da lista todas as vezes. Por fim, a função deve retornar uma lista (os resultados serão concatenados se estivermos interessados em mais de uma EDO). Os comandos estão detalhados abaixo.

Com a função elaborada, são estabelecidos os nomes e valores dos parâmetros, a(s) condição(ões) inicial(is) e o período de tempo que se deseja fazer a simulação. Lembre-se de que, quanto maior o tempo e complexidade do modelo, maior será o nível de exigência computacional⁵.

Como exemplo de EDO de 1^a ordem, pode-se simular o seguinte modelo, baseado no modelo canônico de Solow (1956)⁶ representado na equação (3). \[\begin{equation} \dot{r} = sF(r,1) - nr \tag{3} \end{equation}\] em que \(r = \frac{K}{L}\) é a razão capital-trabalho, \(s\) é a taxa de poupança, \(n\) é a taxa de crescimento da força de trabalho e \(F(r,1)\) é uma função de produção homogênea de grau um a ser especificada.

No presente caso, uma função Cobb-Douglas na forma \(F(K,L) = K^\alpha L^{1-\alpha} \Rightarrow F(r,1) = r^\alpha\) pode ser adotada para a resolução numérica. Portanto, a equação diferencial a ser simulada é: \[\begin{equation} \dot{r} = sr^\alpha - nr \tag{4} \end{equation}\] cuja função para simuação da EDO pode ser construída por:

 ### Função em R que representa a EDO
solow_edo <- function(tempo, inicial, parametros){ # Parâmetros da função
list <- as.list(c(inicial, parametros)) # Lista c/ informações da EDO
with(list, { # with() acessa elementos da lista
dr = s*r^alpha - n*r # EDO de interesse
list(dr) # Retorna valores simulados
}) # Fim do with
} # Fim da função

A partir da função solow_edo criada, pode-se disponibilizar os dados específicos a partir da simulação com a função ode( ). Os valores dos parâmetros foram \(s = 0.1\), \(\alpha = 0.35\) e \(n = 0.05\) e o valor inicial \(r_0 = 1\). Ao final, estão os três primeiros e últimos resultados:

 ### Valor inicial
r <- c(r = 1) # Formato de vetor nominado de acordo com a função
### Parâmetros da função (podem ser estimados)
parametros <- c(s = 0.1,
alpha = 0.35,
n = 0.05) # Formato de vetor
### Sequência de tempo
tempo <- seq(0, 350, by = 1)
### Simulação do modelo
solow <- ode(y = r, # Condição inicial
times = tempo, # Tempo a ser simulado
func = solow_edo, # Função criada
parms = parametros) # Se parâmetros já definidos, use parms = NULL
### Exibição dos resultados
head(solow, n=3) # Exibe três primeiros

## time r
## [1,] 0 1.000000
## [2,] 1 1.049617
## [3,] 2 1.098443

tail(solow, n=3) # Exibe três últimos

## time r
## [349,] 348 2.904818
## [350,] 349 2.904819
## [351,] 350 2.904820

O gráfico resultado do modelo está descrito na Figura 2, sob o título “Modelo de Solow.”

Interrupção automática da simulação

Caso o interesse seja só a fase inicial de uma equação ou se tenha uma EDO convergente, é possível usar a funcionalidade root da função lsodar⁷.

A simulação será interrompida no momento em que as variáveis de estado estiverem a uma distância entre si menor que um parâmetro pré-definido (no exemplo, uma variação da ordem de 10^-4). Assim, a função raiz calcula, em primeiro lugar, a taxa de variação e, depois, a diferença entre a soma dos valores absolutos e a tolerância definida:

 ### Critério de parada
raiz <- function(tempo,incial,parametros) {
variacao <- unlist(solow_edo(tempo,incial,parametros)) # Desfaz lista
sum(abs(variacao)) - 1e-4 # Tolerância
}
### Nova simulação do modelo, acrescida da raiz
solow_raiz <- lsodar(y = r,
times = tempo,
func = solow_edo,
parms = parametros,
rootfun = raiz) # Indicação da função criada
tail(solow_raiz, n=3) # Compare com os três últimos sem parada

## time r
## [202,] 201.0000 2.901594
## [203,] 202.0000 2.901698
## [204,] 202.6914 2.901768

Por fim, os gráficos estão na Figura 2. Note que a função matplot()⁸ foi usada para ter uma interface melhor adaptada à plotagem lado a lado e a lidar com mais de uma variável no mesmo gráfico. Nesta nota, serão dados exemplos também com a função plot(), da base do R.

par(mfrow=c(1,2)) # Define gráficos a seguir em 1 linha e 2 colunas
### Série original
matplot(x = solow[,1],
y = solow[,2],
type = "l", # Gráfico de linha
lwd = 2, # Largura da linha
col = "red",
main = "Modelo de Solow",
xlab = "tempo",
ylab = "r(t)")
### Série com interrupção
matplot(x = solow_raiz[,1],
y = solow_raiz[,2],
type = "l",
lwd = 2,
col = "blue",
main = "Modelo de Solow com parada",
xlab = "tempo",
ylab = "r(t)")

Figure 2: Elaboração própria.

EDOs de 2^a ordem

EDOs de 2^a ordem envolvem a segunda derivada da função principal. Vale notar que, para fins computacionais, EDOs de 2^a ordem precisam ser escritas sob a forma de um sistema de equações de EDOs de 1^a ordem⁹, bem como duas condições iniciais. Assim, uma EDO no formato \[\begin{equation} \begin{split} y'' & = f(y,y',t) \\ y(t_0) & = y_{0}\\ y'(t_0) & = y'_{0} \end{split} \tag{5} \end{equation}\] pode ser reescrita como \[\begin{equation} \begin{split} y' & = y_1 \\ y'' & = y'_{1} = f(y,y_1,t) \\ y(t_0) & = y_{0}\\ y_1(t_0) & = y'_{0} \end{split} \tag{6} \end{equation}\]

A título de exemplo, pode-se simular o modelo de acelerador de segunda ordem exposto em Gandolfo (2005). A EDO do modelo é \[\begin{equation} K'' + \beta K'+ \alpha \beta K = \alpha \beta K^* \tag{7} \end{equation}\] em que \(K\) é o estoque corrente de capital, \(K^*\) é o estoque desejado de capital, \(\beta\) denota a velocidade de ajuste do investimento real ao investimento desejado. Por fim, \(\alpha\) é a velocidade de ajuste entre o estoque real e o desejado.

É possível ampliar o sistema com \(K^* = kY\), em que \(k\) é a relação capital-produto e \(Y\) é o produto da economia. Assim, a equação (7) pode ser reescrita, após manipulações algébricas, como \[\begin{equation} K'' + \beta \left(1-\frac{\alpha k}{1 - b}\right) K'+ \alpha \beta K = \alpha \beta k\frac{a}{1 - b} \tag{8} \end{equation}\] em que os termos \(a\) e \(b\) se referem a uma versão macroeconômica simples de uma função de consumo no formato \(C = a + bY\).

A versão em sistema de EDOs de 1^a ordem da equação (8) pode ser feita considerando \(I = K'\) o investimento e isolando as derivadas no lado esquerdo das equações: \[\begin{equation} \begin{split} K' & = I \\ I' & = -\beta \left(1-\frac{\alpha k}{1 - b}\right) I - \alpha \beta K + \alpha \beta k\frac{a}{1 - b}\\ K(t_0) & = K_{0}\\ K'(t_0) & = I'(t_0) = I_{0} \end{split} \tag{9} \end{equation}\]

Diante disso, segue-se passos semelhantes à resolução de EDOs de 1^a ordem. Em primeiro lugar, cria-se a função, agora com duas equações e duas saídas de dados.

 ### EDO do Acelerador de 2a ordem
acel_edo <- function(tempo, inicial, parametros){
with(as.list(c(inicial, parametros)),{
# Equações apresentadas em (9)
dK <- I
dI <- -beta*(1-(alfa*k/(1-b)))*I - alfa*beta*K + alfa*beta*k*a/(1-b)
list(c(dK,dI)) # Retorna dois valores
})
}

Em seguida, definem-se os parâmetros e o gráfico para representá-los na Figura 3.

tempo <- seq(0,200, by = 0.5)
inicial <- c(K = 1, I = 0)
parametros <- c(alfa = 0.05,
beta = 0.25,
a = 2,
b = 0.8,
k = 3)
### Função semelhante à situação de 1a ordem
acel <- ode(y = inicial,
times = tempo,
func = acel_edo,
parms = parametros)
### Gráfico da EDO
plot(x = acel[,"time"],
y = acel[,"K"],
type = "l",
lwd = 2,
col = "red",
xlab = "tempo",
ylab = "K(t)",
main = TeX("Acelerador de 2^a ordem")) # Formato de texto LaTeX
abline(h = 30, # Acrescenta linha tracejada para o equilíbrio
lty = "dashed")

Figure 3: Elaboração própria.

Por fim, note que as EDOs de ordem superiores podem ser resolvidas adotando uma combinação dos procedimentos explicitados acima.

Equação com coeficientes constantes

Equações com coeficientes constantes apresentam apenas a equação principal e suas derivadas variáveis no tempo. Um exemplo é a função \(y''(t) + 2y'(t) + y(t) = 0\). Sua versão em sistema de EDOs de 1^a ordem pode ser feita considerando \(y_1(t) = y(t)'\), isolando as derivadas no lado esquerdo das equações e adotando uma das soluções canônicas, conforme : \[\begin{equation} \begin{split} y' & = y_1 \\ y_1' & = -2y_1 - y\\ y(0) & = 0\\ y'(0) & = y_1 = 1 \end{split} \tag{10} \end{equation}\]

Diante disso, segue-se passos semelhantes à resolução de EDOs de 1^a ordem. Em primeiro lugar, cria-se a função, agora com duas equações e duas saídas de dados. O gráfico está representado na Figura 4.

 ### EDO de equação de coeficientes constantes
raizes_iguais <- function(t, inicial, parametros){
with(as.list(c(inicial, parametros)),{
### Sistema de Equações representando EDO de 2a ordem
dy <- y1
dy1 <- -2*y1 - y
### Resultados devem ser concatenados em uma lista
list(c(dy,dy1))
})
}
### Tempo máximo reduzido, pois converge rapidamente
tempo <- seq(1, 20, by = 0.1)
### Condições iniciais canônicas
inicial <- c(y = 0, y1 = 1)
### EDO
raizes_iguais_edo <- ode(y = inicial,
times = tempo,
func = raizes_iguais,
parms = NULL) # Equação com parâmetros já definidos

 ### Gráfico da EDO com coeficientes constantes
plot(raizes_iguais_edo[,"time"], raizes_iguais_edo[,"y"],
type = "l",
lwd = 2,
col = "red",
xlab = "t",
ylab = "y(t)",
main = TeX("$y''(t) + 2y'(t) + y(t) = 0$")) # Formato de texto LaTeX

Figure 4: Coeficientes Constantes

Equação de Laguerre

A equação de Laguerre tem aplicabilidade na Física quântica e em outras áreas da Matemática e Física. Exemplos de aplicações estão em . Um dos exemplos está na versão do orbital s de um átomo de hidrogênio em seu menor nível de energia. A equação de Laguerre, nesse caso, é dada por \(xy''(x)+(1-x)y'(x) + y(x) = 0\). Sua versão em sistema de EDOs de 1^a ordem pode ser feita considerando \(y_1(x) = y(x)'\) e isolando as derivadas no lado esquerdo das equações e adotando uma das soluções canônicas: \[\begin{equation} \begin{split} y' & = y_1 \\ y_1' & = \frac{-(1-x)}{x}y_1 - \frac{y}{x}\\ y(x_0) & = 0\\ y'(x_0) & = y_1 = 1 \end{split} \tag{11} \end{equation}\]

 ### EDO de equação de Laguerre
laguerre <- function(x, inicial, parametros){
with(as.list(c(inicial, parametros)),{
# Sistema de Equações representando EDO de 2a ordem
dy <- y1
dy1 <- -(1-x)/x*y1 - y/x
# Resultados devem ser concatenados em uma lista
list(c(dy,dy1))
})
}
x <- seq(1, 50, by = 0.1)
### Condições iniciais canônicas
inicial <- c(y = 0, y1 = 1)
### EDO
laguerre_edo <- ode(y = inicial,
times = x,
func = laguerre,
parms = NULL)

 ### Gráfico da EDO de Laguerre
plot(laguerre_edo[,"time"], laguerre_edo[,"y"],
type = "l",
lwd = 2,
col = "green",
xlab = "x",
ylab = "y(x)",
main = TeX("$xy''(x) + (1-x)y'(x) + y(x) = 0$")) # Formato de texto LaTeX

Figure 5: Equação de Laguerre

Equação de Euler

Um exemplo da chamada ``equação de Euler" é dado pela função \(t^2y''(t) + 2ty'(t) - 2y(t) = t^5\), conforme . Sua versão em sistema de EDOs de 1^a ordem pode ser feita considerando \(y_1(t) = y(t)'\) e isolando as derivadas no lado esquerdo das equações e adotando uma das soluções canônicas, conforme: \[\begin{equation} \begin{split} y' & = y_1 \\ y_1' & = \frac{-2y_1}{t} + \frac{2y}{t^2} + t^3\\ y(0) & = 1\\ y'(0) & = y_1 = 0 \end{split} \tag{12} \end{equation}\]

 ### EDO de equação de Euler
euler <- function(t, inicial, parametros){
with(as.list(c(inicial, parametros)),{
# Sistema de Equações representando EDO de 2a ordem
dy <- y1
dy1 <- -2/t*y1 + 2*y/t**2 + t**3
# Resultados devem ser concatenados em uma lista
list(c(dy,dy1))
})
}
tempo <- seq(1,10, by = 0.2)
### Condições iniciais canônicas
inicial <- c(y = 1, y1 = 0)
### EDO
euler_edo <- ode(y = inicial,
times = tempo,
func = euler,
parms = NULL)

 ### Gráfico da EDO com coeficientes constantes
plot(euler_edo[,"time"],euler_edo[,"y"],
type = "l",
lwd = 2,
col = "blue",
xlab = "t",
ylab = "y(t)",
main = TeX("$t^2y''(t) + 2ty'(t) - 2y(t) = t^5$ ")) # Formato de texto LaTeX

Figure 6: Equação de Euler

Equações diferenciais simultâneas

O caso de um sistema com duas EDOs de 1^a ordem pode ser resolvido de maneira semelhante ao modelo de 2^a ordem apresentado na seção ??. Portanto, aqui será apresentada uma solução numérica para um sistema de três EDOs simultâneas trabalhado por Ma and Bangura (2012). Trata-se de um sistema econômico e financeiro que combina taxa de juro, de investimento e de inflação. Os detalhes do modelo devem ser avaliados no artigo original.

O sistema fincaneiro (caótico) representado no modelo é tal que: \[\begin{equation} \begin{split} \dot{x} & = z + (y - a)x \\ \dot{y} & = 1 - by - x^2 \\ \dot{z} & = -x + cz \end{split} \tag{13} \end{equation}\] em que \(x\) expressa a taxa de juro, \(y\) representa a demanda por investimento e \(z\), o índice de preços. Ademais, \(a \geq 0\) é o volume de poupança, \(b \geq 0\) é o custo unitário do investimento e \(c \geq 0\) é a elasticidade da demanda por bens.

Para a simulação numérica, usam-se os seguintes valores iniciais e parâmetros sugeridos pelos autores: \(x_0 = 0.03\), \(y_0 = 0.15\), \(z_0 = 0.25\), \(a = 5\), \(b = 0.15\) e \(c = 0\). Com isso, a função é formada por:

 ### EDO do sistema financeiro caótico
financial_edo <- function(tempo, inicial, parametros) {
with(as.list(c(inicial,parametros)),{
dx <- z+(y - a)*x
dy <- 1 - b*y - x^2
dz <- -x - c*z
list(c(dx,dy,dz))
})
}

O modelo pode com as três variáveis ser simulado na Figura 7 por meio do pacote scatterplot3d.

tempo <- seq(0,100,by = .01)
inicial <- c(x = .03,
y = .15,
z = .25)
parametros <- c(a = 5,
b = .15,
c = .8)
### EDO
financial <- ode(y = inicial,
times = tempo,
func = financial_edo,
parms = parametros)
### Gráfico 3D de todo o sistema
scatterplot3d(financial[,-1], # Exclui a coluna tempo para que apenas
type = "l", # as variáveis sejam representadas
lwd = 3,
xlab = "juro",
ylab = "investimento",
zlab = "preços")

Figure 7: Elaboração própria.

A partir da resolução de todo o sistema, pode-se avaliar apenas a relação entre duas variáveis como na Figura 8:

 ### Relação entre juro e demanda por investimento
plot(x = financial[,"x"],
y = financial[,"y"],
type = "l",
lwd = 3,
xlab = "juro",
ylab = "investimento")

Figure 8: Elaboração própria.

A relação entre inflação e juro está na Figura 9.

 # Relação entre juro e preço
matplot(x = financial[,"time"],
y = financial[,c("x","z")],
type = "l",
lwd = 3,
xlab = "tempo",
ylab = "") # Exclui o título do eixo y
### Legenda
legend("bottomleft", # Local no gráfico
c("juro", "preços"), # Conteúdo da Legenda
col = 1:2, # Cores preto (1) e vermelho (2)
lty = 1:2) # Linha contínua (1) e tracejada (2)

Figure 9: Elaboração própria.

Análise de estabilidade

A análise de estabilidade com o pacote phaseR apresenta, de maneira gráfica, um diagrama de fase de uma EDO ou sistema de EDOs de modo a avaliar trajetórias iniciais distintas ou consequências de perturbações no modelo dinâmico.

Este pacote depende de uma função que represente a EDO a partir da estrutura deSolve, vista nas seções anteriores. Os nomes dos parâmetros até agora foram adotados para que ficassem mais intuitivos. Entretanto, para o retrato de fase, os nomes dos parâmetros que aparecem na função da EDO devem ser os mesmos aceitos pelo próprio pacote deSolve conforme:

O tempo deve ser representado pela letra t;
Os valores iniciais devem estar contidos num vetor y; e
Os parâmetros, indicados em um vetor parameters.

Estabilidade de EDO de 1^a ordem

Como primeiro exemplo, tem-se a análise do modelo de Solow, apresentado na seção ??. Reorganizando os nomes da função e dos parâmetros, os comandos são:

 ### EDO com os nomes padrão dos parâmetros
solow_edo <- function(t,y,parameters){
with(as.list(c(y,parameters)),{
r = y # Adaptação da notação do modelo
dr = s*r^alpha - n*r
list(dr)
})
}
t <- seq(0,300,1)
y <- c(r = 1)
parameters <- c(s= 0.1, alpha = 0.35, n=0.05)

Após os ajustes na nomenclatura, é possível acrescentar o campo de fluxos (ou de velocidades) com a função flowField(). Ademais, pode-se simular algumas trajetórias com a função trajectory() a partir de pontos iniciais distintos conforme a Figura 10. O gráfico base deve conter o ajuste “add = FALSE.” Caso contrário, será adicionado a outro gráfico pré-existente, gerando problemas de configuração.

 ### Gráfico com o campo de fluxos
flowField(solow_edo, # EDO
xlim = c(0,300), # Limite para o eixo do tempo
ylim = c(0,4.1), # Limite para a variável em análise
system = "one.dim", # Apenas uma variável contra o tempo
parameters = parameters, # Vetor numérico
add = FALSE, # Se TRUE, adiciona campo a um gráfico anterior
points = 15, # Densidade de setas (default = 21)
xlab = "tempo",
ylab = "r(t)",
main = "Estabilidade do Modelo de Solow")
### Desenho das trajetórias a partir de condições iniciais
trajectory(solow_edo,
y0 = c(0, 0.5, 1.5, 2.5, 3, 3.5, 4), # diferentes pontos iniciais
tlim = c(0, 300),
system = "one.dim",
parameters = parameters,
col = "blue")

Figure 10: Elaboração própria.

Retrato de fase

Pode-se também fazer o retrado de fase como na Figura 11, em que a variável em nível está representada no eixo horizontal e sua derivada no eixo vertical. Com isso, visualiza-se pontos de equilíbrio e suas estabilidades.

 ### Retrato de fase
phasePortrait(solow_edo,
ylim = c(0, 4), # Limite da variável dependente
system = "one.dim",
parameters = parameters,
col = "red",
xlab = "r(t)",
ylab = TeX("\\dot{r}(t)"),
main = "Retrato de Fase do Modelo de Solow")

Figure 11: Elaboração própria.

Estabilidade de sistema de duas EDOs de 1^a ordem - equilíbrio dinâmico

Procedimentos semelhantes podem ser adotados para um sistema com duas equações. Para um exemplo de sistema homogêneo de EDOs cujo equilíbrio é estável, utiliza-se exemplo sugerido por Gandolfo (2005) no capítulo 18 (exercício 3), cuja esturutra é: \[\begin{equation} \begin{split} \dot{x} & = -2x + 4y \\ \dot{y} & = -x + y \end{split} \tag{14} \end{equation}\] Além das informações disponíveis para o caso de uma variável (dimensão) apresentado acima, é possível desenhar as isolinhas nulas, que representam o formato geométrico onde a derivada de uma função é zero. Elas podem ser elaboradas com a função nullclines(). Note que, agora, os valores iniciais para a trajetória devem ser oferecidos em formato de matriz, representando os pares ordenados. O resultado pode ser visto na Figura 12.

 ### EDO do sistema
gandolfo_edo_estavel <- function(t,y,parameters){
x <- y[1] # Valores iniciais em formato de vetor
y <- y[2] # e precisam ser renomeados
dx <- -x-y
dy <- 5*x-3*y
list(c(dx,dy))
}
### Gráfico com o campo de fluxos
flowField(gandolfo_edo_estavel,
xlim = c(-5,5), # Limite da primeira variável
ylim = c(-5,5), # Limite da primeira variável
add = FALSE,
points = 15)
### Isolhinhas nulas
nullclines(gandolfo_edo_estavel, # EDO
xlim = c(-5,5), # Limites compatíveis com o campo de fluxos
ylim = c(-5,5))
### Matriz com as condições iniciais
y0 <- matrix(c(0,3, # Pares ordenaos para y0
0,-3,
-5,0,
4,-1),
ncol = 2,
byrow = TRUE) # Insere os dados numa matriz a partir das linhas
### Desenho das trajetórias a partir de condições iniciais
trajectory(gandolfo_edo_estavel,
y0 = y0,
tlim = c(-5, 5))

Figure 12: Elaboração própria.

 ### Matriz com as condições iniciais
y0

## [,1] [,2]
## [1,] 0 3
## [2,] 0 -3
## [3,] -5 0
## [4,] 4 -1

Estabilidade de sistema de duas EDOs de 1^a ordem - ponto de sela

Para um exemplo de sistema de EDOs cujo equilíbrio é caracterizado por uma trajetória de sela, pode-se adotar o sistema homogêneo sugerido por Gandolfo (2005) no capítulo 18 ( exercício 1) cuja esturutra é: \[\begin{equation} \begin{split} \dot{x} & = -2x + 4y \\ \dot{y} & = -x + y \end{split} \tag{15} \end{equation}\] É possível perceber que se trata de uma trajetória de sela, cujas trajetórias estáveis e instáveis podem ser elaboradas com a função drawManifolds(). O resultado pode ser visto na Figura 13.

 ### EDO
gandolfo_edo <- function(t,y,parameters){
x <- y[1] # Valores iniciais em formato de vetor
y <- y[2] # e precisam ser renomeados
dx <- -2*x-4*y
dy <- -x+y
list(c(dx,dy))
}
### Campo de fluxos
flowField(gandolfo_edo,
xlim = c(-5,5),
ylim = c(-5,5),
add = FALSE,
points = 15)
### Isolinhas
nullclines(gandolfo_edo,
xlim = c(-5,5),
ylim = c(-5,5))
### Trajetórias de sela (instável e estável)
drawManifolds(gandolfo_edo,
y0 = c(0, 0))
### Matriz de choques iniciais
y0 <- matrix(c(0,3,
0,-3,
-5,0,
4,-1),
ncol = 2,
byrow = TRUE)
### Trajetórias de choques
trajectory(gandolfo_edo,
y0 = y0,
tlim = c(-5, 5))

Figure 13: Elaboração própria.

Em linhas gerais, essas são as informações mais comuns na análise de sistemas dinâmicos no campo da Economia. Funções e tratamentos adicionais podem ser avaliados nos itens referenciados abaixo.

Referências

Gandolfo, Giancarlo. 2005. Economic Dynamics. Study. New York - USA: Springer US.

Ma, Junhai, and Hamza I. Bangura. 2012. “Complexity analysis research of financial and economic system under the condition of three parameters’ change circumstances.” Nonlinear Dynamics 70 (4): 2313–26. https://doi.org/10.1007/s11071-012-0336-z.

Seco, Lucas, and Mauro Patrão. 2018. Equações diferenciais ordinárias e séries de potências. Brasília - BRA: Editora Universidade de Brasília.

Soetaert, Karline, Jeff Cash, and Francesca Mazzia. 2012. Use R ! Solving Differential Equations in R-Springer. Verlag Berlin Heidelberg: Springer.

Soetaert, Karline, Thomas Petzoldt, and R. Woodrow Setzer. 2010. “Solving differential equations in R: Package deSolve.” Journal of Statistical Software 33 (9): 1–25. https://doi.org/10.18637/jss.v033.i09.

Solow, Robert M. 1956. “A Contribution to the Theory of Economic Growth.” The Quaterly Journal of Economics 70 (1): 65–95. http://piketty.pse.ens.fr/files/Solow1956.pdf.

Doutorando em Economia pela Universidade de Brasília. Pode ser contatado em rafaeldeacyprestemr@gmail.com.↩︎
Doutor em Economia pela Universidade de Brasília. Pode ser contatado em theosantunes@gmail.com.↩︎
Alguns exemplos de representação gráfica podem ser vistos com a função example(deSolve).↩︎
Para ver exemplos da função, clique aqui.↩︎
O tempo demandado para a análise pode ser medido com as seguintes funções concatenadas: print(system.time(<código da função ode>)).↩︎
Os detalhes do modelo podem ser consultados, pelo leitor, no artigo original e os artigos que o discutiram posteriormente.↩︎
Esta é a operação padrão na própria função ode().↩︎
Esta função desenha mais de uma coluna de uma matriz ao mesmo tempo. Com a função plot(), seriam necessários dois comandos.↩︎
Para mais detalhes, ver Soetaert, Cash, and Mazzia (2012).↩︎

Nota sobre gráficos 3

Tue, 20 Apr 2021 00:00:00 +0000

Introdução

Apresentar informações estatísticas por meio de gráficos pode ser uma ferramenta importante para melhorar o entendimento de informações complexas. Para isso, deve-se elaborar um gráfico eficiente. Uma forma é mais eficiente que a outra se sua informação pode ser decodificada pela maioria dos leitores de forma mais rápida ou mais fácil de acordo com Robbins (2004). Portanto, cuidados são necessários para que os gráficos não sejam ineficientes, confusos ou transmitam informações erradas.

Esta nota tem por objetivo apresentar o material utilizado e as rotinas realizadas para a apresentação de dados estatísticos econômicos com o pacote ggplot2. Esse pacote permite apresentar dados seguindo uma “gramática de gráficos,” que “makes ggplot2 very powerful because you are not limited to a set of pre-specified graphics, but you can create new graphics that are precisely tailored for your problem,” conforme Wickham (2015).

Em síntese, Wickham (2015) explica essa gramática de gráficos como uma representação estatística que mapeia informações em atributos estéticos (cores, formatos, tamanhos) de objetos geométricos (pontos, linhas, barras) em um sistema específico de coordenadas. Diferentes facetas podem ser usadas para representar, numa única imagem, diferentes subconjuntos de uma tabela. E é a combinação desses elementos que forma um gráfico.

Do ponto de vista mais concreto, em primeiro lugar, é necessário instalar (uma única vez) e carregar os pacotes abaixo para realizar as rotinas no R¹.

# install.packages("tidyverse") Instala o pacote tidyverse, por exemplo
library(tidyverse) # Organização das tabelas e elaboração de gráficos
library(RColorBrewer) # Paletas de cores para os gráficos
library(viridis) # Paletas de cores para os gráficos
library(ggthemes) # Interfaces gráficas adicionais
library(scales) # Ajuste de escala dos gráficos
library(lubridate) # Ferramenta para ajuste de datas
library(zoo) # Ferramenta também para ajuste de datas
library(sidrar) # Acessar dados do IBGE
#library(rbcb) # Acessar dados do BCB
options(scipen = 999)

Um bom processo de elaboração de gráficos exige que sua matéria prima esteja no formato ideal, com as tabelas devidamente organizadas. Esse processo de organização leva à chamada ``tidy data’’ (por isso o nome do primeiro pacote utilizado), conforme Wickham (2014). Em síntese, os dados devem ser organizados de duas formas. Cada valor (cada célula numa tabela do Excel, por exemplo) pertence a uma variável e a uma observação. Variável contém valores que se referem a uma mesma característica ou atributo — podemos citar como exemplos a data, o valor da taxa de inflação ou da taxa de desocupação e etc. — e são representadas por colunas. Cada observação, isto é, cada linha contém todos os valores medidos sobre uma mesma unidade, como uma região e um trimestre.

Compontentes básicos dos gráficos

Todos os gráficos feitos com o ggplot2 têm seis componentes básicos:

Informações (tabela);
Mapeamentos estéticos (variáveis e outras propriedades visuais);
Camadas (formato que as informações serão apresentadas, transformações estatísticas e ajustes de posicionamentos);
Escalas para cada mapeamento estético (guias para ler os valores, normalmente explicados nas legendas);
Sistema de coordenadas; e
Especificação de facetas ou subconjuntos.

Os três primeiros elementos são normalmente suficientes para análises exploratórias dos dados, em que o objetivo é conhecer melhor os dados que foram coletados. Tratam-se de gráficos usados apenas pelo pesquisador e, em geral, são insuficientes para apresentação dos resultados.

Para fins desta nota, utilizaremos em quase todos os gráficos as informações relativas à taxa de desocupação da força de trabalho (Tabela 6397), ao rendimento médio real (Tabela 5437) e à média de horas habitualmente trabalhadas por semana (Tabela 6372) por grupos de idade entre o 1^o trimestre de 2016 e o 1^o trimestre de 2020. Todas as informações foram coletadas na Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios Contínua Trimestral (PNADC/T), realizada pelo IBGE. Os dados são baixados por meio do pacote sidrar. Nesse caso, baixaremos as tabelas individualmente e, ao final, juntaremos pelas categorias em comum. As informações para identificar os elementos das tabelas que queremos podem ser acessadas pela função info_sidra().

## Tabela 6397 - Taxas de desocupação e de subutilização da força de trabalho,
## na semana de referência, das pessoas de 14 anos ou mais de idade,
## por grupos de idade
# info_sidra(6397,wb = T)
desocupacao <- get_sidra(6397,
period = "201601-202001", # Seleciona trimestres
geo = "Region", # 5 Regiões Brasileiras
variable = c(4099),
format = 2)
tabela1 <- desocupacao %>%
rename("Desocupacao" = Valor) %>% # Renomeia a variável de interesse
select(`Grande Região`,Trimestre, `Grupo de idade`,Desocupacao)
head(tabela1, n = 3) # Mostra as três primeiras linhas

## Grande Região Trimestre Grupo de idade Desocupacao
## 2 Norte 1º trimestre 2016 Total 10.5
## 3 Norte 1º trimestre 2016 14 a 17 anos 24.4
## 4 Norte 1º trimestre 2016 18 a 24 anos 23.2

## Tabela 5437 - Rendimento médio real, habitualmente recebido por mês e
## efetivamente recebido no mês de referência, do trabalho principal e
## de todos os trabalhos, por grupos de idade
# info_sidra(5437,wb = T)
rendimento <- get_sidra(5437,
period = "201601-202001",
geo = "Region",
variable = c(5932),
format = 2)
tabela2 <- rendimento %>%
rename("Rendimento" = Valor) %>%
select(`Grande Região`,Trimestre, `Grupo de idade`,Rendimento)
head(tabela2, n = 3)

## Grande Região Trimestre Grupo de idade Rendimento
## 2 Norte 1º trimestre 2016 Total 1719
## 3 Norte 1º trimestre 2016 14 a 17 anos 511
## 4 Norte 1º trimestre 2016 18 a 24 anos 1077

## Tabela 6372 - Média de horas habitualmente trabalhadas por semana e
## efetivamente trabalhadas na semana de referência, no trabalho principal
## e em todos os trabalhos, das pessoas de 14 anos ou mais de idade,
## por grupos de idade
#info_sidra(6372,wb = T)
horas <- get_sidra(6372,
period = "201601-202001",
geo = c("Region"),
variable = c(8186),
format = 2)
tabela3 <- horas %>%
rename("Horas" = Valor) %>%
select(`Grande Região`,Trimestre, `Grupo de idade`,Horas)
head(tabela3, n = 3)

## Grande Região Trimestre Grupo de idade Horas
## 2 Norte 1º trimestre 2016 Total 37.6
## 3 Norte 1º trimestre 2016 14 a 17 anos 25.9
## 4 Norte 1º trimestre 2016 18 a 24 anos 37.0

## Tabela com todos os dados agrupados por `Grande Região`,
## `Trimestre` e `Grupo de Idade`
emprego <- tabela1 %>%
left_join(tabela2) %>%
left_join(tabela3)
head(emprego, n = 2)

## Grande Região Trimestre Grupo de idade Desocupacao Rendimento Horas
## 1 Norte 1º trimestre 2016 Total 10.5 1719 37.6
## 2 Norte 1º trimestre 2016 14 a 17 anos 24.4 511 25.9

Portanto, trabalharemos com a tabela chamada ``emprego’’. Um gráfico simples que relaciona horas trabalhadas e rendimento é:

ggplot(emprego,
aes(x = Horas, y = Rendimento)) +
geom_point()

Note que o sinal de + é usado para adicionar camadas ao gráfico como padrão do pacote. Uma elaboração mais completa dos gráficos envolve, normalmente, os seis componentes básicos e serão detalhados abaixo.

Mapeamentos estéticos (variáveis)

Pode-se adicionar variáveis ao gráfico com a atribuição de cores (colour) e formato (shape) para variáveis categóricas e tamanho (size) para variáveis contínuas, que serão acompanhados de legenda:

ggplot(emprego,
aes(x = Horas, y = Rendimento, shape = `Grupo de idade`)) +
geom_point()

Robbins, Naomi B. 2004. Creating More Effective Graphs. New Jersey - USA: Wiley-Interscience. http://library1.nida.ac.th/termpaper6/sd/2554/19755.pdf.

Wickham, Hadley. 2014. “Tidy Data.” Journal of Statistical Software 59 (10): 1–23. http://www.jstatsoft.org/.

———. 2015. Elegant Graphics for Data Analysis. http://had.co.nz/ggplot2/book.

Ainda que nem todos sejam utilizados nesta nota, sugereimos ao leitor a consulta de informações adicionais dos pacotes para conhecer melhor suas respectivas funcionalidades.↩︎

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EDOs

Introdução

EDOs de 1a ordem

Estrutura básica para simulação com R

Interrupção automática da simulação

EDOs de 2a ordem

Equação com coeficientes constantes

Equação de Laguerre

Equação de Euler

Equações diferenciais simultâneas

Análise de estabilidade

Estabilidade de EDO de 1a ordem

Retrato de fase

Estabilidade de sistema de duas EDOs de 1a ordem - equilíbrio dinâmico

Estabilidade de sistema de duas EDOs de 1a ordem - ponto de sela

Referências

Nota sobre gráficos 3

Introdução

Compontentes básicos dos gráficos

Mapeamentos estéticos (variáveis)

EDOs de 1^a ordem

EDOs de 2^a ordem

Estabilidade de EDO de 1^a ordem

Estabilidade de sistema de duas EDOs de 1^a ordem - equilíbrio dinâmico

Estabilidade de sistema de duas EDOs de 1^a ordem - ponto de sela