Malthus模型与Logistic模型 为了保持自然资料的合理开发与利用,人类必须保持并控 制生态平衡,甚至必须控制人类自身的增长。 以下将建立几个简单的单种群增长模型,以简略分析一下 这方面的问题。一般:本乏体的分析可以通过一些简单模型的 复合离散化为连续,方 据生态系统的特征自行建立 相区 便研究 美丽的大自然 种群的数量本应取离散值,但由于种群数 量一般较大,为建立微分方程模型,可将种群 数量看作连续变量,甚至允许它为可微变量, 由此引起的误差将是十分微小的
为了保持自然资料的合理开发与利用,人类必须保持并控 制生态平衡,甚至必须控制人类自身的增长。 以下将建立几个简单的单种群增长模型,以简略分析一下 这方面的问题。一般生态系统的分析可以通过一些简单模型的 复合来研究,大家若有兴趣可以根据生态系统的特征自行建立 相应的模型。 美丽的大自然 种群的数量本应取离散值,但由于种群数 量一般较大,为建立微分方程模型,可将种群 数量看作连续变量,甚至允许它为可微变量, 由此引起的误差将是十分微小的。 离散化为连续,方 便研究 Malthus模型与Logistic模型
模型1马尔萨斯(Malthus)模型 马尔萨斯在分析人口出生与死亡情况的资料后发现,人口 净增长率r基本上是一常数,(r=bd为出生率,为死 亡率),即:1dN N dt =r或 (3.5) (3.1)的解为:N(0=Neu- (3.6) 其中N。=N(t)为初始时刻t时的种群数。 马尔萨斯模型的一个显著特点:种群数量翻一番所需 的时间是固定的。 令种群数量翻一番所需的时间为T,则有:2N。=N,e 故
模型1 马尔萨斯(Malthus)模型 马尔萨斯在分析人口出生与死亡情况的资料后发现,人口 净增长率r 基本上是一常数,(r =b-d,b为出生率,d为死 亡率),即: 1 dN r N dt = dN rN dt 或 = (3.5) 0 ( ) 0 ( ) r t t N t N e − = (3.6) (3.1)的解为: 其中N0 =N(t 0 )为初始时刻t 0时的种群数。 马尔萨斯模型的一个显著特点:种群数量翻一番所需 的时间是固定的。 令种群数量翻一番所需的时间为T,则有: 0 0 2 rT N N e = ln 2 T r 故 =
模型楂 簌历向的姨的像特红料6年[火?的期倪 戌丹何破数铺型邮蘑报结国童土细安 即辣海弹金 的每6年明 Malthus模型实际上口右在胜体兑 扇上抄 所以Malthus模型假设的人口 每34. 净增长率不可能始终保持常数, 它应当与人口数量有关。 级颈的增长 0.5 1950 2000 2050 2100 2150 2200 年
模型检验 比较历年的人口统计资料,可发现人口增长的实际情况 与马尔萨斯模型的预报结果基本相符,例如,1961年世界人 口数为30.6 (即3.06×109),人口增长率约为2%,人口数大 约每35年增加一倍。检查1700年至1961的260年人口实际数 量,发现两者几乎完全一致,且按马氏模型计算,人口数量 每34.6年增加一倍,两者也几乎相同。 1950 2000 2050 2100 2150 2200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 1011 t /年 N/人 马尔萨斯模型人口预测 模型预测 假如人口数真能保持每34.6年增加一倍,那么人口数将 以几何级数的方式增长。例如,到2510年,人口达2×1014个, 即使海洋全部变成陆地,每人也只有9.3平方英尺的活动范围, 而到2670年,人口达36×1015个,只好一个人站在另一人的 肩上排成二层了。 故马尔萨斯模型是不完善的。 几何级数的增长 Malthus模型实际上只有在群体总 数不太大时才合理,到总数增大时, 生物群体的各成员之间由于有限的 生存空间,有限的自然资源及食物 等原因,就可能发生生存竞争等现 象。 所以Malthus模型假设的人口 净增长率不可能始终保持常数, 它应当与人口数量有关
模型2 Logistic模型 人口净增长率应当与人口数量有关,即:=) 从而右·dM (3.9)式还有另一解释,由于空间和资源都是有限的,不可能供养无限 增长的种群个体,当种群数量过多时,由于人均资源占有率的下降及环境 恶化、疾病增多等原因,出生率将降低而死亡率却会提高。设环境能供养 的种群数量的上界为K(近似地将K看成常数),N表示当前的种群数量, K-N恰为环境还能供养的种群数量,(3.9)指出,种群增长率与两者的乘 积成正比,正好符合统计规律,得到了实验结果的支持,这就是(3.9)也 被称为统计筹算律的原因。 (3.8)可改写成: dN (3.8)被软为6ist心模型或生物总数增恨的统计筹算律,是由荷兰数学生 物学家弗赫斯特(Verhulst)首先提出的。一次项系数是负的,因为当种群数 量很大时,会对自身增大产生抑制性,故一次项又被称为竞争项
模型2 Logistic模型 人口净增长率应当与人口数量有关,即: r=r(N) 从而有: ( ) dN r N N dt = (3.7) r(N)是未知函数,但根 据实际背景,它无法用 拟合方法来求 。 为了得出一个有实际意义的 模型,我们不妨采用一下工 程师原则。工程师们在建立 实际问题的数学模型时,总 是采用尽可能简单的方法。 r(N)最简单的形式是常数,此 时得到的就是马尔萨斯模型。 对马尔萨斯模型的最简单的改 进就是引进一次项(竞争项) 对马尔萨斯模型引入一次项(竞争项),令 r(N)=r-aN 此时得到微分方程: ( ) dN r aN N dt = − (1 ) dN N r N dt K 或 = − (3.8) (3.8)被称为Logistic模型或生物总数增长的统计筹算律,是由荷兰数学生 物学家弗赫斯特(Verhulst)首先提出的。一次项系数是负的,因为当种群数 量很大时,会对自身增大产生抑制性,故一次项又被称为竞争项。 (3.8)可改写成: ( ) dN k K N N dt = − (3.9) (3.9)式还有另一解释,由于空间和资源都是有限的,不可能供养无限 增长的种群个体,当种群数量过多时,由于人均资源占有率的下降及环境 恶化、疾病增多等原因,出生率将降低而死亡率却会提高。设环境能供养 的种群数量的上界为K(近似地将K看成常数),N表示当前的种群数量, K-N恰为环境还能供养的种群数量,(3.9)指出,种群增长率与两者的乘 积成正比,正好符合统计规律,得到了实验结果的支持,这就是(3.9)也 被称为统计筹算律的原因
对(3.9)分离变量: dN=kKdt 两边积分并整理得: N- K 1+Ce版 令N(O)=N,求得: K-N。 N 故(3.9)的满足初始条件N(O)=N的解为: NoK N(t)= No+(K-No)e- (3.10) 易见: 1.5 N0=1.5 Logistic曲线 N(0)=No,lim N(t)=K K=1 N(t)的图形请看图3.5 0.5 N0=0.1 10 20 0 40 50 图3-5
图3-5 对(3.9)分离变量: 1 1 dN kKdt N K N + = − 两边积分并整理得: 1 kKt K N Ce− = + 令N(0)=N0,求得: 0 0 K N C N − = 故(3.9)的满足初始条件N(0)=N0的解为: 0 0 0 ( ) ( ) kKt N K N t N K N e− = + − (3.10) 易见: N(0)=N0 , lim ( ) t N t K →+ = N(t)的图形请看图3.5
模型检验 用Logistici模型来描述种群增长的规律效果如何呢?1945 年克朗皮克(Crombic)做了一个人工饲养小谷虫的实验,数 学生物学家高斯(E·F·Gauss)也做了一个原生物草履虫实验, 实验结果都和Logisticl曲线十分吻合。 大量实验资料表明用Logistic模型来描述种群的增长,效 果还是相当不错的。例如,高斯把5只草履虫放进一个盛有 0.5c3营养液的小试管,他发现,开始时草履虫以每天230.9% 的速率增长,此后增长速度不断减慢,到第五天达到最大量 375个,实验数据与=2.309,0.006157,N(0)=5的Logistic曲 线: 375 N(t)= 1+74e207几乎完全吻合,见图3.6 400 K=375 300 200 100 N0=5 图3-6
模型检验 用Logistic模型来描述种群增长的规律效果如何呢?1945 年克朗皮克(Crombic)做了一个人工饲养小谷虫的实验,数 学生物学家高斯(E·F·Gauss)也做了一个原生物草履虫实验, 实验结果都和Logistic曲线十分吻合。 大量实验资料表明用Logistic模型来描述种群的增长,效 果还是相当不错的。例如,高斯把5只草履虫放进一个盛有 0.5cm3营养液的小试管,他发现,开始时草履虫以每天230.9% 的速率增长,此后增长速度不断减慢,到第五天达到最大量 375个,实验数据与r=2.309,a=0.006157,N(0)=5的Logistic曲 线: 2.309 几乎完全吻合,见图3.6。 375 ( ) 1 74 N t t e − = + 图3-6
Malthus模型和Logistic模型的总结 ■ Malthus模型和Logistic模型均为对微分方程(3.7) 所作的模拟近似方程。前一模型假设了种群增长率为一常 数,(被称为该种群的内禀增长率)。后一模型则假设环 境只能供养一定数量的种群,从而引入了一个竞争项。 ■用模拟近似法建立微分方程来研究实际问题时必须对 求得的解进行检验,看其是否与实际情况相符或基本相符。 相符性越好则模拟得越好,否则就得找出不相符的主要原 因,对模型进行修改。 Malthus模型与Logistic模型虽然都是为了研究种群数量的 增长情况而建立的,但它们也可用来研究其他实际问题,只要这 些实际问题的数学模型有相同的微分方程即可,下面我们来看两 个较为有趣的实例
Malthus模型和Logistic模型的总结 Malthus模型和Logistic模型均为对微分方程(3.7) 所作的模拟近似方程。前一模型假设了种群增长率r为一常 数,(r被称为该种群的内禀增长率)。后一模型则假设环 境只能供养一定数量的种群,从而引入了一个竞争项。 用模拟近似法建立微分方程来研究实际问题时必须对 求得的解进行检验,看其是否与实际情况相符或基本相符。 相符性越好则模拟得越好,否则就得找出不相符的主要原 因,对模型进行修改。 Malthus模型与Logistic模型虽然都是为了研究种群数量的 增长情况而建立的,但它们也可用来研究其他实际问题,只要这 些实际问题的数学模型有相同的微分方程即可,下面我们来看两 个较为有趣的实例
例5赝品的鉴定 历史背景: 他他要求都是科岸地的确品地速韩事在埃震馏☑维世确是子证阴增品是 这个肉题者直拖在监里地链沸米尔的能画内基门徒们帅的色-,当 应硕面接锐城学家范]国斜轮满自己的通敌罪已被改为伪造罪,因此他 拒绝将这幅画变陈,以免留下罪证
历史背景: 例5 赝品的鉴定 在第二次世界大战比利时解放以后,荷兰野战军保安机关开始搜捕纳粹同 谋犯。他们从一家曾向纳粹德国出卖过艺术品的公司中发现线索,于1945年 5月29日以通敌罪逮捕了三流画家范·梅格伦(H·A·Vanmeegren),此人 曾将17世纪荷兰名画家扬·弗米尔(Jan Veermeer)的油画“捉奸”等卖给 纳粹德国戈林的中间人。可是,范·梅格伦在同年7月12日在牢里宣称:他从 未把“捉奸”卖给戈林,而且他还说,这一幅画和众所周知的油画“在埃牟 斯的门徒”以及其他四幅冒充弗米尔的油画和两幅德胡斯(17世纪荷兰画家) 的油画,都是他自己的作品,这件事在当时震惊了全世界,为了证明自己是 一个伪造者,他在监狱里开始伪造弗米尔的油画“耶稣在门徒们中间”,当 这项工作接近完成时,范·梅格伦获悉自己的通敌罪已被改为伪造罪,因此他 拒绝将这幅画变陈,以免留下罪证。 为了审理这一案件,法庭组织了一个由著名化学家、物理学家和艺术史学 家组成的国际专门小组查究这一事件。他们用X射线检验画布上是否曾经有 过别的画。此外,他们分析了油彩中的拌料(色粉),检验油画中有没有历 经岁月的迹象。科学家们终于在其中的几幅画中发现了现代颜料钴兰的痕迹, 还在几幅画中检验出了20世纪初才发明的酚醛类人工树脂。根据这些证据, 范·梅格伦于1947年10月12日被宣告犯有伪造罪,被判刑一年。可是他在监 狱中只待了两个多月就因心脏病发作,于1947年12月30日死去。 然而,事情到此并未结束,许多人还是不肯相信著名的“在埃牟斯的门 徒”是范·梅格伦伪造的。事实上,在此之前这幅画已经被文物鉴定家认定为 真迹,并以17万美元的高价被伦布兰特学会买下。专家小组对于怀疑者的回 答是:由于范·梅格伦曾因他在艺术界中没有地位而十分懊恼,他下决心绘制 “在埃牟斯的门徒”,来证明他高于三流画家。当创造出这样的杰作后,他 的志气消退了。而且,当他看到这幅“在埃牟斯的门徒”多么容易卖掉以后, 他在炮制后来的伪制品时就不太用心了 。这种解释不能使怀疑者感到满意, 他们要求完全科学地、确定地证明“在埃牟斯的门徒”的确是一个伪造品。 这一问题一直拖了20年,直到1967年,才被卡内基·梅伦(CarnegieMellon)大学的科学家们 基本上解决
原理与模型 测定油画和其他岩石类材料的年龄的关键是本世纪初发现的 放射性现象。 放射性现象:著名物理学家卢瑟夫在本世纪初发现,某些“放 射性”元素的原子是不稳定的,并且在已知的一段时间内,有 一定比例的原子自然蜕变而形成新元素的原子,且物质的放射 性与所存在的物质的原子数成正比。 用N()表示时间时存在的原子数,则 =-N 用来计算半衰期T: dt dN =-IN 常数是正的,称为该 dt 其解为:N()=Neu-b) 物质的衰变常数 W(4)=N 与负增长的Malthus模 许多物质的半衰期已被测 令 No 2 则有一样T=1-1,= 定,如碳14,其7=5568: 轴238,其T=45亿年
原理与模型 测定油画和其他岩石类材料的年龄的关键是本世纪初发现的 放射性现象。 放射性现象:著名物理学家卢瑟夫在本世纪初发现,某些“放 射性”元素的原子是不稳定的,并且在已知的一段时间内,有 一定比例的原子自然蜕变而形成新元素的原子,且物质的放射 性与所存在的物质的原子数成正比。 用N(t)表示时间t时存在的原子数,则: dN N dt = − 常数λ是正的,称为该 物质的衰变常数 用λ来计算半衰期T: 0 0 ( ) dN N dt N t N = − = 与负增长的Malthus模 型完全一样 其解为: 0 ( ) 0 ( ) t t N t N e− − = 0 1 2 N N 令 = 0 ln 2 T t t 则有: = − = 许多物质的半衰期已被测 定,如碳14,其T=5568; 轴238,其T=45亿年
与本问题相关的其他知识: (1)艺术家们应用白铅作为颜料之一,已达两干年以上。白 铅中含有微量的放射铅210,白铅是从铅矿中提炼出来的,而 铅又属于铀系,其演变简图如下(删去了许多中间环节) (2)地壳里几乎所有的岩石中均含有微量的轴。一方面,铀 系中的各种放射性物质均在不断衰减,而另一方面,铀又不断 地衰减,补充着其后继元素。从而,各种放射性物质(除轴以 外)在岩石中处于放射性平衡中。根据世界各地抽样测量的资 料,地壳中的铀在铀系中所占平均重量比约为百万分之2.7(一 般含量极微)。各地采集的岩石中铀的含量差异很大,但从未 发现含量高于2一3%的。 (3)从铅矿中提炼铅时,铅210与铅206一起被作为铅留下, 而其余物质则有0一95%被留在矿渣里,因而打破了原有的放 射性平衡。(注:这些有关物理、地质方面的知识在建模时可 向相应的专家请教。)
与本问题相关的其他知识: (1)艺术家们应用白铅作为颜料之一,已达两千年以上。白 铅中含有微量的放射铅210,白铅是从铅矿中提炼出来的,而 铅又属于铀系,其演变简图如下(删去了许多中间环节) (2)地壳里几乎所有的岩石中均含有微量的铀。一方面,铀 系中的各种放射性物质均在不断衰减,而另一方面,铀又不断 地衰减,补充着其后继元素。从而,各种放射性物质(除铀以 外)在岩石中处于放射性平衡中。根据世界各地抽样测量的资 料,地壳中的铀在铀系中所占平均重量比约为百万分之2.7(一 般含量极微)。各地采集的岩石中铀的含量差异很大,但从未 发现含量高于2—3%的。 (3)从铅矿中提炼铅时,铅210与铅206一起被作为铅留下, 而其余物质则有90—95%被留在矿渣里,因而打破了原有的放 射性平衡。(注:这些有关物理、地质方面的知识在建模时可 向相应的专家请教。)