Распространение по сетям: слухи, вирусы и пожары

← Назад к материалам
Средняя школа 14 Залы Графы Перколяция Клеточные автоматы

Дидактические цели

Что общего у слуха, вируса и пожара? Как моделировать их поведение? Мы увидим, что графы и клеточные автоматы создают правдоподобные математические модели, позволяющие изучать и предсказывать поведение явлений распространения. А в конце будем принимать стратегические решения, чтобы спасти деревню от огня!

Чему учимся

Работаем с моделированием реальных явлений — эпидемий, пожаров, слухов — с помощью графов, сеток и симуляции, развивая интуицию о том, почему небольшие изменения в связности и плотности могут иметь огромные последствия.

  • Ученик предсказывает до симуляции и сверяет свою интуицию с результатами: сначала с экспоненциальным ростом (3 × 2¹⁰), затем с графами, где узлы повторяются.
  • Исследует сети Эрдёша–Реньи и открывает, что стартовый узел важен: начало с хаба разгоняет заражение гораздо сильнее, чем начало с изолированного узла.
  • Сравнивает три топологии (случайная, «тесный мир», безмасштабная) и узнаёт, что структура сети определяет скорость распространения.
  • Отрабатывает вакцинацию мостов между сообществами: с помощью всего 7 вакцин — кого иммунизировать, чтобы остановить эпидемию?
  • Открывает перколяцию в квадратных, шестиугольных и треугольных сетках: существует критический порог плотности (≈ 0,59 для квадратной сетки), ниже которого огонь перестаёт распространяться.
  • Исследует влияние ветра на распространение в сетке и в финальном зале, в трёх сценариях с бюджетом 400, 500 и 500 монет и не более чем 60 ходами, распоряжается бюджетом, расставляя противопожарные полосы, пожарных и вертолёты, прежде чем огонь достигнет деревни.

Ключевые математические идеи

  • Распространение без ограничений следует экспоненциальному росту, хотя структура графа важна.
  • Сеть контактов — это граф: люди = узлы, контакты = рёбра; структура графа управляет скоростью заражения.
  • Хабы (узлы с высокой степенью) действуют как усилители. Когда сеть состоит из сообществ, вакцинация узлов-мостов между ними изолирует каждую группу и останавливает заражение.
  • Перколяция изучает связность случайной системы; существует критический порог p_c (зависящий от геометрии: ≈ 0,59 для квадратных клеток, ≈ 0,50 для шестиугольных, ≈ 0,70 для треугольных), при котором глобальная связность появляется или исчезает скачком.
  • Количество соседей каждой клетки определяет порог: больше соседей → ниже порог → огонь распространяется при меньшей плотности деревьев.

Содержание по залам

Зал 1 · Секрет, который вырывается на волю

Анимированный вводный зал, представляющий центральную идею лабораторного курса: некоторые вещи заразны (слух, песня, вирус, пожар) — иногда они остаются в одном углу, а иногда захватывают всё.

Задания для ученика

  • Прочитать введение и нажать кнопку, чтобы начать приключение.

Зал 2 · Предскажи масштаб

Сценарий чистого экспоненциального роста: 3 человека знают секрет, каждый рассказывает его 2 новым каждый день в течение 10 дней. Ученик предсказывает, сколько человек узнает секрет в конце (ответ: 3 × 2¹⁰ = 3072), прежде чем выяснить, почему эта модель слишком оптимистична.

Задания для ученика

  • Выбрать числовой диапазон, оценивающий количество людей через 10 дней.
  • Подумать, реалистично ли предположение «никто не повторяется».

Зал 3 · Твой первый граф

Случайный граф Эрдёша–Реньи из 30 человек с одним изначально заражённым узлом (жёлтый ореол). Ползунок управляет вероятностью передачи p на каждом шаге; ученик наблюдает, как меняется получающаяся эпидемия.

Задания для ученика

  • Двигать ползунок вероятности p и запускать несколько симуляций.
  • Определить диапазон p, при котором заражение охватывает почти все узлы.

Зал 4 · Важен ли первый?

Тот же граф Эрдёша–Реньи, но теперь заражение может начинаться с «популярного» узла (много связей), «среднего» или «одиночки». Ученик сначала предсказывает, какой начальный узел даст наибольшее распространение, а затем проверяет это экспериментально.

Задания для ученика

  • Предсказать, какой начальный узел распространит заражение дальше всего.
  • Запустить три эксперимента и сравнить результаты с предсказанием.

Зал 5 · Три разных мира

Три панели показывают три различные топологии сети (случайную, «тесный мир» и безмасштабную). Перед симуляцией ученик назначает метки в зависимости от того, какая сеть, по его мнению, распространит заражение быстрее; затем заражение запускается во всех трёх сразу и раскрывает ответ: безмасштабная сеть обычно самая быстрая, потому что хаб проходит её за несколько шагов.

Задания для ученика

  • Назначить прогностическую метку (быстрее/средняя/медленнее) каждой панели.
  • Запустить симуляции и проверить предсказание.

Зал 6 · Как рождается сеть?

Сеть растёт из ядра в 5 узлов: каждую секунду появляется новый узел и присоединяется к 2 уже существующим по активному правилу — предпочтительному (популярный привлекает больше), антипредпочтительному (одиночки привлекают больше) или случайному; ползунок p задаёт интенсивность правила. Рядом с графом гистограмма показывает распределение степеней, а счётчик — степень самого крупного хаба. Когда в сети становится 22 узла, появляется вопрос: какое правило объясняет, что в Instagram у немногих миллионы подписчиков, а у большинства — лишь десятки (предпочтительное присоединение, которое даёт безмасштабную сеть; Барабаши и Альберт).

Задания для ученика

  • Выращивать сеть по каждому правилу и при разных значениях p.
  • Сравнить гистограммы степеней и размер самого крупного хаба.
  • Ответить, какое правило даёт несколько гигантских хабов и много узлов с малым числом связей.

Зал 7 · Секрет вакцинации

Ученик получает 7 вакцин для сети из 100 человек, состоящей из 7 плотных сообществ, соединённых в кольцо узлами-мостами, и должен решить, кого иммунизировать до того, как эпидемия начнётся со случайного узла. Действенная стратегия — вакцинировать мосты между сообществами: тогда каждая группа оказывается изолированной и заражение не перескакивает из одной в другую.

Задания для ученика

  • Нажать на 7 узлов, которые нужно иммунизировать.
  • Запустить эпидемию и оценить, удалось ли сдержать распространение.

Зал 8 · Слух против болезни

Две панели с одной и той же сетью из 28 узлов, которая может быть случайной (Эрдёша–Реньи), «тесным миром» или безмасштабной. Слева распространяется слух: каждый узел один раз решает, с вероятностью p, рассказывать ли его, и тогда слух доходит либо до всех соседей, либо ни до кого. Справа — болезнь SIR: узел остаётся заразным T циклов, и у каждого соседа свой независимый шанс заразиться с вероятностью p. Два вопроса: кто при T = 1 обычно охватывает больше узлов (болезнь) и что происходит при увеличении T (болезнь распространяется дальше, потому что вероятность избежать заражения падает с 1 − p до (1 − p)ᵀ).

Задания для ученика

  • Выбрать топологию и задать p и T.
  • При T = 1 запустить симуляцию несколько раз и сравнить, сколько узлов охватывает каждая панель.
  • Увеличить T до 2 или больше и проверить, как меняется охват болезни.

Зал 9 · Волшебный скачок

Квадратная сетка, представляющая случайный лес: зелёный = дерево, серый = пустое место. Ученик снижает плотность деревьев и ищет порог, ниже которого огонь перестаёт пересекать лес от края до края (перколяция, p_c ≈ 0,59).

Задания для ученика

  • Пробовать различные плотности деревьев.
  • Найти процент, ниже которого огонь уже не пересекает весь лес.

Зал 10 · Число 59

Автоматический перебор плотностей при многих симуляциях на каждое значение: строится кривая вероятности пересечения в зависимости от плотности. Резкий переход около 59 % (p_c ≈ 0,59) становится виден на графике.

Задания для ученика

  • Запустить перебор и наблюдать получившуюся кривую.
  • Прочитать на графике значение плотности, при котором происходит переход.

Зал 11 · Шестиугольные клетки

Лес переходит от квадратной сетки к шестиугольной (у каждой клетки 6 соседей). Ученик снова ищет порог перколяции и проверяет, изменился ли он по сравнению с квадратной сеткой (теперь он около 50 %).

Задания для ученика

  • Исследовать различные плотности на шестиугольной сетке.
  • Оценить новый порог перколяции и сравнить его с прежними 59%.

Зал 12 · Треугольные клетки

Теперь сетка треугольная: каждая клетка граничит только с 3 соседями. При меньшем числе связей порог перколяции возрастает (примерно до 70 %). Ученик предсказывает направление изменения и проверяет это экспериментально. После того как порог назван, появляется таблица, сводящая три сетки: 3, 4 и 6 соседей у клетки, пороги ≈ 70 %, 59 % и 50 %.

Задания для ученика

  • Предсказать, поднимется ли порог, опустится или останется прежним по сравнению с шестиугольной сеткой.
  • Найти порог на треугольной сетке и сравнить с предсказанием.

Зал 13 · Ветер правит

Лес из шестиугольных клеток с фиксированной плотностью, два очага слева и противопожарная просека в центральном столбце; ветер всегда дует на восток. Три ползунка управляют скоростью ветра (0–100 км/ч), температурой (5–45 °C) и сухостью. Каждая попытка добавляет на график кривую числа горящих клеток по ходам, а для сравнения можно наложить экспоненту. Ученик называет скорость ветра, начиная с которой искры перелетают через просеку и поджигают другую сторону (≈ 40 км/ч).

Задания для ученика

  • Провести несколько попыток с разными скоростями ветра, температурой и сухостью.
  • Сравнить кривые числа горящих клеток по ходам для каждой попытки.
  • Назвать скорость ветра, начиная с которой огонь пересекает просеку.

Зал 14 · Спаси деревню

Стратегическая игра в реальном времени: пожар начинается на северо-западе, ветер дует с северо-запада на юго-восток, в сторону деревни. Есть три сценария (умеренный ветер в обычный день, сильный ветер и умеренный ветер в жару) с бюджетом 400, 500 и 500 монет и не более чем 60 ходами. Ученик расставляет противопожарные просеки (20 монет), пожарных (30), вертолёт (100, на участок 5 × 5) или, в крайнем случае и только один раз, искусственный дождь (250), чтобы ни один дом не сгорел.

Задания для ученика

  • Распределить бюджет между четырьмя доступными инструментами.
  • Симулировать пожар и корректировать стратегию до полной защиты деревни в каждом сценарии.

Залы для показа

Самые наглядные для показа и обсуждения в классе.

★
Зал 9 · Волшебный скачок — Переход перколяции визуально поразителен: небольшое изменение плотности — и огонь из затухающего превращается в охватывающий весь лес. Идеально для проецирования и обсуждения концепции критического порога.
★
Зал 10 · Число 59 — Сигмоидальная кривая, возникающая из автоматического перебора, наглядно материализует порог p_c ≈ 0,59. Отличный пример того, как статистика обнаруживает скрытый универсальный закон в кажущемся хаосе.
★
Зал 7 · Секрет вакцинации — Конкретное стратегическое решение (кого вакцинировать?) связывает теорию графов с общественным здравоохранением. Вызывает немедленную дискуссию в классе о справедливости, эффективности и роли узлов-мостов между сообществами в эпидемии.
★
Зал 14 · Спаси деревню — Финал с игровой механикой под давлением: ограниченный бюджет, реальное время и очевидные последствия. Объединяет всё усвоенное (порог, ветер, топология) в тактическое решение, которое захватывает и подходит для соревнования между группами.