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【趣味数学题】逻辑斯蒂增长模型

2021-11-12 11:26 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

逻辑斯蒂增长模型(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 是种群增长速率(单位时间数量的改变),r比增长率 (proportional growth rate),N 是种群的大小(个体的数量),K 是可能出现的最大种群数承载力(carrying capacity)。


题一:求此微分方程的稳态解(steady-state solutions)?
题二:如果初始条件 N(0)%20%3D%20N_0,求解微分方程。

【题解】

题一

稳态解(steady-state solutions)出现在 %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)

所以这个微分方程有两个稳态解:N%20%3D0N%20%3D%20K%20

题二

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

使用部分积分法(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


解初始条件问题:

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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