微分方程模型(一)

2021-08-26 11:56:02 字數 994 閱讀 4693

人口模型

量化人口增長的趨勢

1.malthus 模型

模型假設

(i)設x(t)表示t時刻的人口數,且x(t)連續可微。

(ii)人口的增長率r 是常數(增長率=出生率—死亡率)。

(iii)人口數量的變化是封閉的,即人口數量的增加與減少只取決於人口中個體的

生育和死亡,且每乙個體都具有同樣的生育能力與死亡率。

建模求解:

由假設,t時刻到t + δt 時刻人口的增量為x(t + δt) − x(t) = rx(t)δt。由泰勒展開式得x(t + δt) − x(t) = (dx/dt)δt.

於是可以得到:dx/dt=rx。x(0)=x

求解微分方程得:x (t)= x

模型評價:

基本符合1700~1961的世界人口**,但是不符合2023年以來的美國人口增長規律。

顯然,用這一模型進行**的結果遠高於實際人口增長,誤差的原因是對增長率r

的估計過高。由此,可以對r 是常數的假設提出疑問。

2.阻滯增長模型(logistic 模型)

我們將增長率看成隨人口增長而減少的函式,且r(x)為x的減函式。符合自然生長的規律。

模型假設

(i)設r(x)為x的線性函式,r(x) = r − sx。(工程師原則,首先用線性

(ii)自然資源與環境條件所能容納的最大人口數為

建模與求解:

由假設(i),(ii)可得r(x),即r(x)=r(1- x/

同理有 dx/dt=r(1- x/

求得x(t)=

與 malthus 模型一樣,代入一些實際資料進行驗算,在1930 年之後,計算與實際偏差較大。原因之一是60 年代

的實際人口已經突破了假設的極限人口

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