2.1 常微分方程模型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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。本节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。,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,由此引起的误差将是十分微小的。,1.,马尔萨斯生物定律与人口增长模型,1,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）,或,（,1,）,（,2,）,（,1,）,的解为：,其中,N,0,=,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：,故,2,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,3.0610,9,），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。,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,210,14,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,3610,15,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。,3,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：,（,3,）,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：,（,4,）,（,4,）,可改写成：,（,5,）,(5),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，（,5,）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（,5,）也被称为统计筹算律的原因。,4,图,1,对,（,5,）,分离变量：,两边积分并整理得：,令,N,(0)=,N,0,，求得：,故,（,5,）,的满足初始条件,N,(0)=,N,0,的解为：,（,6,）,易见：,N,(0)=,N,0,，,N,(,t,),的图形请看图,1,5,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（,EFGauss,）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,0.5cm,3,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：,几乎完全吻合，见图,2,。,图,2,6,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,）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。,7,历史背景,:,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（,HAVanmeegren,），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。,2.,赝品鉴定,8,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。,历史背景,:,9,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（,Carnegie-Mellon,）大学的科学家们 基本上解决。,历史背景,:,10,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：,常数,是正的，称为该物质的衰变常数,用,来计算半衰期,T,:,与负增长的,Malthus,模型完全一样,其解为,:,令,则有,:,许多物质的半衰期已被测定，如碳,14,，其,T,=5568,；铀,238,，其,T,=45,亿年。,11,与本问题相关的其他知识,:,艺术家们用白铅作为颜料之一，白铅从铅矿中提炼，含微量放射铅,210,，其演变简图如下,铀,238-45,亿年,-,钍,234-24,天,-,钋,234-6/5,分,-,铀,234-257,亿年,-,钍,230-8,万年,-,镭,226-1600,年,-,氡,222-19/5,天,-,钋,218-3,分,-,铅,214-27,分,-,钋,214-,铅,210-20,年,-,铋,210-5,天,-,钋,210-138,天,-,铅,206,放射性平衡：自然界中，如果,母体,的,半衰期,比任何一代子体都长，从纯母体出发，经过足够长,(5,10,倍于最长子体半衰期,),后，放射系中各中间成员衰减量与生成量相等时，我们就把这种状态称为放射性平衡,。,12,简化假定：,本问题建模是为了鉴定几幅不超过,300,年的古画，为了使模型尽可能简单，可作如下假设：,(1),由于镭的半衰期为,1600,年，经过,300,年左右，应用微分方程方法不难计算出白铅中的镭至少还有原量的,90%,，故可以假定，,1,克白铅的镭单位时间的分解数基本不变,记为,r,。,(2),由于,铅,210,的衰变为：,铅,210,T=20,年,钋,210,铅,206,T=138,天,若画为真品，颜料应有,300,年左右或,300,年以上的历史，则,1,克白铅中钋,210,的分解数几乎等于铅,210,的分解数。可用前者代替后者,（因钋的半衰期较短，易于测量）,。,13,建模：,(1),记提炼白铅的时刻为,t,=0,，当时每克白铅中铅,210,的分子数为,y,0,，由于提炼前，矿藏处于放射性平衡，因此铀与铅的单位时间内的分解数相同，可以估计,1,克白铅中铅,210,每分钟分解数应远小于,30000,个。,当,则,（个）,这些铀约重,（克）,即,1,克白铅不超过,0.04,克铀，含量为,4%,地壳中的铀在铀系中所占平均重量比一般为百万分之,2.7,。各地采集的岩石中铀的含量从未高于,3%,的。,14,(2),设,t,时刻,1,克白铅中铅,210,含量为,y,(,t,),，而镭的单位时间分解数为,r,（常数），则,y,(,t,),满足微分方程：,由此解得：,故：,画中每克白铅所含铅,210,目前的分解数,y,及目前镭的分解数,r,均可用仪器测出，,取,t,为真画距今的年限，,从而求出,y,0,的近似值，并利用（,1,）判断这样的分解数是否合理。,若计算所得提炼前的铅,210,分解数大于,30000,，说明画是赝品,15,Carnegie-Mellon,大学的科学家们利用上述模型对部分有疑问的油画作了鉴定，测得数据如下（见表,3-1,）。,油画名称,210,分解数（个,/,分）,镭,226,分解数（个,/,分）,1,、在埃牟斯的门徒,8.5,0.8,2,、濯足,12.6,0.26,3,、看乐谱的女人,10.3,0.3,4,、演奏曼陀琳的女人,8.2,0.17,5,、花边织工,1.5,1.4,6,、笑女,5.2,6.0,计算,y,0,（个,/,分）,98050,157130,127340,102250,1274.8,-10181,表,3-1,对“在埃牟斯的门徒”，,y,0,98050,（个,/,每克每分钟），它必定是一幅伪造品。类似可以判定（,2,），（,3,），（,4,）也是赝品。,判定,结果：,16,利用放射原理，还可以对其他文物的年代进行测定。例如对有机物（动、植物）遗体，考古学上目前流行的测定方法是放射性碳,14,测定法，这种方法具有较高的精确度，其基本原理是：由于大气层受到宇宙线的连续照射，空气中含有微量的中微子，它们和空气中的氮结合，形成放射性碳,14,（,C,14,）。有机物存活时，它们通过新陈代谢与外界进行物质交换，使体内的,C,14,处于放射性平衡中。一旦有机物死亡，新陈代谢终止，放射性平衡即被破坏。因而，通过对比测定，可以估计出它们生存的年代。例如，,1950,年在巴比伦发现一根刻有,Hammurabi,王朝字样的木炭，经测定，其,C,14,衰减数为,4.09,个,/,每克每分钟，而新砍伐烧成的木炭中,C,14,衰减数为,6.68,个,/,每克每分钟，,C,14,的半衰期为,5568,年，由此可以推算出该王朝约存在于,3900-4000,年前。,17,