数学建模微分方程模型课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,2,传染病模型,3,战争模型,4,最优捕鱼问题,1,微分方程模型,微 分 方 程 模 型,2 传染病模型 3 战争模型 4 最优捕鱼问题 1,1,微分方程模型,一、,微分方程模型的建模步骤,在自然科学以及工程、经济、医学、体育、生物、,社会等学科中的许多系统，有时很难找到该系统有关,变量之间的直接关系,函数表达式，但却容易找到,这些变量和它们的微小增量或变化率之间的关系式，,这时往往采用微分关系式来描述该系统,即建立微,分方程模型,。,我们以一个例子来说明建立微分方程模,型的基本步骤。,1 微分方程模型 一、微分方程模型的建模步骤,例,1,某人的食量是,10467,（焦,/,天），其中,5038,（焦,/,天）用于基本的新陈代谢（即自动消耗）。,在健身训练中，他所消耗的热量大约是,69,（焦,/,公斤,天）乘以他的体重（公斤）。假设,以脂肪形式贮藏的热量,100%,地有效，而,1,公斤脂,肪含热量,41868,（焦）。,试研究此人的体重随时间变化的规律。,例1 某人的食量是10467（焦/天），其中5038,模型分析,在问题中并未出现“变化率”、“导数”这样的关键,词，但要寻找的是体重（记为,W,）关于时间,t,的,函数。如果我们把体重,W,看作是时间,t,的连续可,微函数，我们就能找到一个含有 的微分方程。,模型分析,模型假设,1.,以,W(t),表示,t,时刻某人的体重，并设一天开始时,人的体重为,W,0,。,2,体重的变化是一个渐变的过程。因此可认为,W(t),是关于连续,t,而且充分光滑的。,3,体重的变化等于输入与输出之差，其中输入,是指扣除了基本新陈代谢之后的净食量吸收；,输出就是进行健身训练时的消耗。,模型假设,模型建立,问题中所涉及的时间仅仅是“每天”，由此，,对于“每天”体重的变化,=,输入,-,输出。由于考,虑的是体重随时间的变化情况，因此，可得,体重的变化,/,天,=,输入,/,天,输出,/,天。代入具,体的数值，得,输入,/,天,=10467,（焦,/,天）,5038,（焦,/,天）,=5429,（焦,/,天），,输出,/,天,=69,（焦,/,公斤,天）,（公斤）,=69,（焦,/,天）。,模型建立,体重的变化,/,天,=W/t,（公斤,/,天），,当,t,0,时，它等于,dW/dt,。,考虑单位的匹配，,利用,“,公斤,/,天,=,（焦,/,每天）,/41868,（焦,/,公斤）,”,可建立如下微分方程模型,体重的变化/天=W/t（公斤/天），,模型求解,用变量分离法求解，模型方程等价于,积分得,模型求解,从而求得模型解,就描述了此人的体重随时间变化的规律。,从而求得模型解,现在我们再来考虑一下：此人的体重会达到平衡吗,?,显然由,W,的表达式，当,t,时，体重有稳定值,W,81,。,我们也可以直接由模型方程来回答这个问题。,在平衡状态下，,W,是不发生变化的。所以,这就非常直接地给出了,W,平衡,=81,。,所以，如果我们需要知道的仅仅是这个平,衡值，就不必去求解微分方程了！,现在我们再来考虑一下：此人的体重会达到平衡吗?,至此，问题已基本上得以解决。,一般地，建立微分方程模型，其方法可归纳为：,(1),根据规律列方程。利用数学、力学、物理、,化学等学科中的定理或许多经过实践或实验检,验的规律和定律，如牛顿运动定律、物质放射,性的规律、曲线的切线性质等建立问题的微分,方程模型。,至此，问题已基本上得以解决。,(3),模拟近似法。在生物、经济等学科的实际问题中，,许多现象的规律性不很清楚，即使有所了解也是极其,复杂的，常常用模拟近似的方法来建立微分方程模型、,建模时在不同的假设下去模拟实际的现象，这个过程,是近似的，用模拟近似法所建立的微分方程从数学上,去求解或分析解的性质，再去同实际情况对比，看这,个微分方程模型能否刻划、模拟、近似某些实际现象。,本章将结合例子讨论几个不同领域中微分方程模型的,建模方法。,(3)模拟近似法。在生物、经济等学科的实际问题中，,2,传染病模型,问题,描述传染病的传播过程,分析受感染人数的变化规律,预报传染病高潮到来的时刻,预防传染病蔓延的手段,按照传播过程的一般规律，用机理分析方法建立模型,2 传染病模型问题 描述传染病的传播过程 分析受感染人数的,已感染人数,(,病人,),i,(,t,),每个病人每天有效接触,(,足以使人致病,),人数为,模型,1,假设,若有效接触的是病人，则不能使病人数增加,必须区分已感染者,(,病人,),和未感染者,(,健康人,),建模,?,已感染人数(病人)i(t)每个病人每天有效接触(足以,模型,2,区分已感染者,(,病人,),和未感染者,(,健康人,),假设,1,）总人数,N,不变，病人和健康 人的 比例分别为,2,）每个病人每天有效接触人数为,且,使接触的健康人致病,建模,日,接触率,SI,模型,模型2区分已感染者(病人)和未感染者(健康人)假设1）总人数,模型,2,1/2,t,m,i,i,0,1,0,t,t,m,传染病高潮到来时刻,(,日接触率,),t,m,Logistic,模型,病人可以治愈！,?,t=t,m,di,/,dt,最大,模型21/2tmii010ttm传染病高潮到来时刻(日,模型,3,传染病无免疫性,病人治愈成为健康人，健康人可再次被感染,增加假设,SIS,模型,3,）病人每天治愈的比例为,日,治愈率,建模,日接触率,1/,感染期,一个感染期内,每个病人的有效接触人数，称为,接触数,。,模型3传染病无免疫性病人治愈成为健康人，健康人可再次被感,模型,3,i,0,i,0,接触数,=1,阈值,感染期内,有效接触感染的健康者人数不超过病人数,1-1/,i,0,模型,2(SI,模型,),如何看作模型,3(SIS,模型,),的特例,i,di/dt,0,1,1,0,t,i,1,1-1/,i,0,t,1,di,/,dt,0,模型3i0i0接触数=1 阈值感染期内有效接触感染的,模型,4,传染病有免疫性,病人治愈后即移出感染系统，称,移出者,SIR,模型,假设,1,）总人数,N,不变，病人、健康人和移出者的比例分别为,2,）病人的日接触率,日,治愈率,接触数,=/,建模,需建立 的两个方程,模型4传染病有免疫性病人治愈后即移出感染系统，称移出者S,模型,4,SIR,模型,无法求出,的解析解,在相平面 上,研究解的性质,模型4SIR模型无法求出 在相平面,模型,4,消去,dt,SIR,模型,相轨线 的定义域,相轨线,1,1,s,i,0,D,在,D,内作相轨线 的图形，进行分析,模型4消去dtSIR模型相轨线 的定义域,s,i,1,0,1,D,模型,4,SIR,模型,相轨线 及其分析,传染病蔓延,传染病不蔓延,s,(,t,),单调减,相轨线的方向,P,1,s,0,i,m,P,1,:,s,0,1/,i,(,t,),先升后降至0,P,2,:,s,0,1/,i,(,t,),单调降至0,1/,阈值,P,3,P,4,P,2,S,0,si101D模型4SIR模型相轨线 及,模型,4,SIR,模型,预防传染病蔓延的手段,(,日接触率,),卫生水平,(,日,治愈率,),医疗水平,传染病不蔓延的条件,s,0,1/,的估计,降低,s,0,提高,r,0,提高阈值,1/,降低,(=,/,),群体免疫,模型4SIR模型预防传染病蔓延的手段(日接触率),模型,4,SIR,模型,被传染人数的估计,记被传染人数比例,x,s,0,i,0,P,1,i,0,0,s,0,1,小,s,0,1,提高阈值,1/,降低,被传染人数比例,x,s,0,-,1/,=,模型4SIR模型被传染人数的估计记被传染人数比例xs,战争分类：正规战争，游击战争，混合战争,只考虑双方兵力多少和战斗力强弱,兵力因战斗及非战斗减员而减少，因增援而增加,战斗力与射击次数及命中率有关,建模思路和方法为用数学模型讨论社会领域的实际问题提供了可借鉴的示例,第一次世界大战,Lanchester,提出预测战役结局的模型,3,战争模型,战争分类：正规战争，游击战争，混合战争只考虑双方兵力多少,一般模型,每方战斗减员率取决于双方的兵力和战斗力,每方非战斗减员率与本方兵力成正比,甲乙双方的增援率为,u,(,t,),v,(,t,),f,g,取决于战争类型,x,(,t,),甲方兵力，,y,(,t,),乙方兵力,模型假设,模型,一般模型 每方战斗减员率取决于双方的兵力和战斗力 每方非,正规战争模型,甲方战斗减员率只取决于乙方的兵力和战斗力,双方均以正规部队作战,忽略非战斗减员,假设没有增援,f,(,x,y,)=,ay,a,乙方每个士兵的杀伤率,a,=,r,y,p,y,r,y,射击率，,p,y,命中率,正规战争模型 甲方战斗减员率只取决于乙方的兵力和战斗力双,0,正规战争模型,为判断战争的结局，不求,x,(,t,),y,(,t,),而在相平面上讨论,x,与,y,的关系,平方律 模型,乙方胜,0正规战争模型为判断战争的结局，不求x(t),y(t),游击战争模型,双方都用游击部队作战,甲方战斗减员率还随着甲方兵力的增加而增加,忽略非战斗减员,假设没有增援,f,(,x,y,)=,cxy,c,乙方每个士兵的杀伤率,c,=,r,y,p,y,r,y,射击率,p,y,命中率,p,y,=s,ry,/,s,x,s,x,甲方活动面积,s,ry,乙方射击有效面积,游击战争模型双方都用游击部队作战 甲方战斗减员率还随着甲,0,游击战争模型,线性律 模型,0游击战争模型线性律 模型,0,混合战争模型,甲方为游击部队，乙方为正规部队,乙方必须,10,倍于甲方的兵力,设,x,0,=100,r,x,/,r,y,=1/2,p,x,=0.1,s,x,=1(km,2,),s,ry,=1(m,2,),0混合战争模型甲方为游击部队，乙方为正规部队乙方必须10,再生资源（渔业、林业等）与非再生资源（矿业等）,再生资源应适度开发,在持续稳产前提下实现最大产量或最佳效益。,问题及 分析,在,捕捞量稳定,的条件下，如何控制捕捞使产量最大或效益最佳。,如果使捕捞量等于自然增长量，,渔场鱼量将保持不变,，则捕捞量稳定。,背景,4,最优捕鱼问题,再生资源（渔业、林业等）与非再生资源（矿业等）再生资,产量模型,假设,无捕捞时鱼的自然增长服从,Logistic,规律,单位时间捕捞量与渔场鱼量成正比,建模,捕捞情况下渔场鱼量满足,不需要求解,x,(,t,),只需知道,x,(,t,),稳定的条件,r,固有增长率,N,最大鱼量,h,(,x,)=,Ex,E,捕捞强度,x,(,t,),渔场鱼量,产量模型假设 无捕捞时鱼的自然增长服从 Logistic,一阶微分方程的平衡点及其稳定性,一阶非线性（自治）方程,F,(,x,)=0,的根,x,0,微分方程的,平衡点,设,x,(,t,),是方程的解，若从,x,0,某邻域的任一初值出发，都有,称,x,0,是方程,(1),的,稳定平衡点,不求,x,(,t,),判断,x,0,稳定性的方法,直接法,(1),的近似线性方程,一阶微分方程的平衡点及其稳定性一阶非线性（自治）方程F(,产量模型,平衡点,稳定性判断,x,0,稳定,可得到稳定产量,x,1,稳定,渔场干枯,E,捕捞强度,r,固有增长率,产量模型平衡点稳定性判断x0 稳定,可得到稳定产量x1,产量模型,在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使产量最大,图解法,P,的横坐标,x,0,平衡点,P,的纵坐标,h,产量,产量最大,f,与,h,交点,P,控制渔场鱼量为最大鱼量的一半,y=rx,h,P,x,0,h,m,x,0,*,=,N,/2,P,*,y=E,*,x,y,0,y=h,(,x,),=Ex,x,N,y=f,(,x,),产量模型在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使产量最大图解,效益模型,假设,鱼销售价格,p,单位捕捞强度费用,c,单位时间利润,在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使效益最大,.,稳定平衡点,求,E,使,R