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【趣味數(shù)學(xué)題】邏輯斯蒂增長(zhǎng)模型

2021-11-12 11:26 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

鄭濤(Tao Steven Zheng)著

【問(wèn)題】

邏輯斯蒂增長(zhǎng)模型(Logistic growth model)的微分方程是

%5Cfrac%7BdN%7D%7Bdt%7D%20%3D%20rN%5Cleft(1%20-%20%5Cfrac%7BN%7D%7BK%7D%20%5Cright)%20

其中 %5Cfrac%7BdN%7D%7Bdt%7D 是種群增長(zhǎng)速率(單位時(shí)間數(shù)量的改變),r比增長(zhǎng)率 (proportional growth rate),N 是種群的大?。▊€(gè)體的數(shù)量),K 是可能出現(xiàn)的最大種群數(shù)承載力(carrying capacity)。


題一:求此微分方程的穩(wěn)態(tài)解(steady-state solutions)?
題二:如果初始條件 N(0)%20%3D%20N_0,求解微分方程。

【題解】

題一

穩(wěn)態(tài)解(steady-state solutions)出現(xiàn)在 %5Cfrac%7BdN%7D%7Bdt%7D%20%3D%200 。 那么,

0%20%3D%20rN%5Cleft(1%20-%20%5Cfrac%7BN%7D%7BK%7D%20%5Cright)

所以這個(gè)微分方程有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)解:N%20%3D0N%20%3D%20K%20。

題二

把微分方程 %5Cfrac%7BdN%7D%7Bdt%7D%20%3D%20rN%5Cleft(1%20-%20%5Cfrac%7BN%7D%7BK%7D%20%5Cright) 改寫成 %5Cfrac%7BdN%7D%7Bdt%7D%20%3D%20rN%5Cleft(%5Cfrac%7BK%20-%20N%7D%7BK%7D%20%5Cright)%20

使用部分積分法(integration by parts):

%5Cint%20%5Cfrac%7BK%7D%7BN(K%20-%20N)%7D%20dN%20%3D%20%5Cint%20r%20dt

其中

%5Cfrac%7BK%7D%7BN(K%20-%20N)%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7BN%7D%20%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7BK-N%7D

因此,

%5Cint%20%5Cfrac%7B1%7D%7BN%7D%20%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7BK-N%7D%20dN%20%3D%20%5Cint%20r%20dt%20

%5Cint%20%5Cleft(-%5Cfrac%7B1%7D%7BN%7D%20-%20%5Cfrac%7B1%7D%7BK-N%7D%20%5Cright)%20dN%20%3D%20-%5Cint%20r%20dt%20

-%5Cln%7CN%7C%20%2B%20%5Cln%7CK-N%7C%20%3D%20-rt%20%2B%20C

%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7BK-N%7D%7BN%7D%5Cright%7C%20%3D%20-rt%20%2B%20C%20

%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7BK-N%7D%7BN%7D%5Cright%7C%20%3D%20-rt%20%2B%20C

%20%5Cfrac%7BK-N%7D%7BN%7D%20%3D%20%7Be%7D%5E%7B-rt%20%2B%20C%7D%20

%5Cfrac%7BK-N%7D%7BN%7D%20%3D%20%7Be%7D%5E%7B-rt%7D%7Be%7D%5E%7BC%7D%20


A%20%3D%20%7Be%7D%5E%7BC%7D,所以

%5Cfrac%7BK%7D%7BN%7D%20-%201%20%3D%20A%7Be%7D%5E%7B-rt%7D

%5Cfrac%7BK%7D%7BN%7D%20%3D%201%20%2B%20A%7Be%7D%5E%7B-rt%7D%20%20

%20N%20%3D%20%5Cfrac%7BK%7D%7B1%20%2B%20A%7Be%7D%5E%7B-rt%7D%7D%20%20


解初始條件問(wèn)題:

N(0)%20%3D%20%5Cfrac%7BK%7D%7B1%20%2B%20A%7Be%7D%5E%7B-r(0)%7D%7D%20%20

N_0%20%3D%20%5Cfrac%7BK%7D%7B1%20%2B%20A%7D

%20A%20%3D%20%5Cfrac%7BK%7D%7BN_0%7D%20-1

因此,

N(t)%20%3D%20%5Cfrac%7BK%7D%7B1%20%2B%20%5Cleft(%5Cfrac%7BK%7D%7BN_0%7D%20-%201%20%5Cright)%7Be%7D%5E%7B-rt%7D%7D



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