微分方程建模市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第四章第四章 微分方程建模微分方程建模 在许多实际问题中，当直接导出变量之间函数关系较在许多实际问题中，当直接导出变量之间函数关系较为困难，但导出包含未知函数导数或微分关系式较为轻易为困难，但导出包含未知函数导数或微分关系式较为轻易时，可用建立微分方程模型方法来研究该问题，时，可用建立微分方程模型方法来研究该问题，本节将经过一些最简单实例来说明微分方程建模普通本节将经过一些最简单实例来说明微分方程建模普通方法。在连续变量问题研究中，微分方程是十分惯用数学方法。在连续变量问题研究中，微分方程是十分惯用数学工具之一。工具之一。4.1 微分方程几个简单实例微分方程几个简单实例第1页例例1 （理想单摆运动）建立理想单摆运动满足微分（理想单摆运动）建立理想单摆运动满足微分方程，并得出理想单摆运动周期公式。方程，并得出理想单摆运动周期公式。从图从图3-1中不难看出，小球所受协力为中不难看出，小球所受协力为mgsin，依，依据据牛顿第二定律牛顿第二定律可得：可得：从而得出两阶微分方程：从而得出两阶微分方程：（3.1）这是理想单摆应这是理想单摆应满足运动方程满足运动方程 （3.13.1）是一个两阶非线性方程，不是一个两阶非线性方程，不易求解。当易求解。当很小时，很小时，sin，此时，此时，可考查（可考查（3.13.1）近似线性方程：）近似线性方程：（4.2）由此即可得出由此即可得出 （3.23.2）解为）解为:(t)=0cost 其中其中 当当 时时,(t)=0故有故有MQPmg图图4-1（4.14.1）近）近似方程似方程第2页例例2 一个半径为一个半径为Rcm半球形容器内开始时盛满了水，半球形容器内开始时盛满了水，但因为其底部一个面积为但因为其底部一个面积为Scm2小孔在小孔在t=0时刻被打开，时刻被打开，水被不停放出。问：容器中水被放完总共需要多少时水被不停放出。问：容器中水被放完总共需要多少时间？间？解解:以容器底部以容器底部O点为点为 原点，取坐标系如图原点，取坐标系如图3.3所表示。所表示。令令h(t)为为t时刻容器中水高度，现建立时刻容器中水高度，现建立h(t)满足微分方程。满足微分方程。设水从小孔流出速度为设水从小孔流出速度为v(t)，由力学定律，在不计水内，由力学定律，在不计水内部磨擦力和表面张力假定下，有：部磨擦力和表面张力假定下，有：因体积守衡，又可得：因体积守衡，又可得：易见：易见：故有：故有：即：即：这是可分离变量一阶微分方程，得这是可分离变量一阶微分方程，得 RxySO图图4-3hr第3页 为了保持自然资料合理开发与利用，人类必须保持并控为了保持自然资料合理开发与利用，人类必须保持并控制生态平衡，甚至必须控制人类本身增加。制生态平衡，甚至必须控制人类本身增加。本节将建立几个简单单种群增加模型，以简略分析一下本节将建立几个简单单种群增加模型，以简略分析一下这方面问题。普通生态系统分析能够经过一些简单模型复合这方面问题。普通生态系统分析能够经过一些简单模型复合来研究，大家若有兴趣能够依据生态系统特征自行建立对应来研究，大家若有兴趣能够依据生态系统特征自行建立对应模型。模型。漂亮大自然 种群数量本应取离散值，但因为种群数量种群数量本应取离散值，但因为种群数量普通较大，为建立微分方程模型，可将种群数普通较大，为建立微分方程模型，可将种群数量看作连续变量，甚至允许它为可微变量，由量看作连续变量，甚至允许它为可微变量，由此引发误差将是十分微小。此引发误差将是十分微小。离散化为连续，方离散化为连续，方便研究便研究4.24.2 MalthusMalthus模型与模型与LogisticLogistic模型模型第4页模型模型1 1 马尔萨斯（马尔萨斯（MalthusMalthus）模型）模型 马尔萨斯在分析人口出生与死亡情况资料后发觉，马尔萨斯在分析人口出生与死亡情况资料后发觉，人口净增加率人口净增加率r r基本上是一常数，（基本上是一常数，（r r=b b-d d,b b为出生率，为出生率，d d为死亡率），为死亡率），既：既：或或（4.5）（4.6）（4.1）解为：解为：其中其中N0=N(t0)为初始时刻为初始时刻t0时种群数。时种群数。马尔萨斯模型一个显著特点马尔萨斯模型一个显著特点：种群数量翻一番所需时种群数量翻一番所需时间是固定间是固定。令种群数量翻一番所需时间为令种群数量翻一番所需时间为T，则有：，则有：故故第5页模型检验模型检验 比较历年人口统计资料，可发觉人口增加实际情况与马尔萨斯模型预报结果基本相符，比如，1961年世界人口数为30.6（即3.06109），人口增加率约为2%，人口数大约每35年增加一倍。检验17至1961260年人口实际数量，发觉二者几乎完全一致，且按马氏模型计算，人口数量每34.6年增加一倍，二者也几乎相同。模型预测模型预测 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方式增加。比如，到25，人口达21014个，即使海洋全部变成陆地，每人也只有9.3平方英尺活动范围，而到2670年，人口达361015个，只好一个人站在另一人肩上排成二层了。故马尔萨斯模型是不完善。几何级数增加MalthusMalthus模型模型实际上只有在群体总数实际上只有在群体总数不太大时才合理，到总数增大时，不太大时才合理，到总数增大时，生物群体各组员之间因为有限生存生物群体各组员之间因为有限生存空间，有限自然资源及食物等原因，空间，有限自然资源及食物等原因，就可能发生生存竞争等现象。就可能发生生存竞争等现象。所以所以MalthusMalthus模型假设人口模型假设人口净增净增加率不可能一直保持常数，它加率不可能一直保持常数，它应该与人口数量相关。应该与人口数量相关。第6页模型模型2 2 Logistic Logistic模型模型 人口净增加率应该与人口数量相关，即：人口净增加率应该与人口数量相关，即：r=r(N)从而有：从而有：（3.7）r(N N)是未知函数，但依是未知函数，但依据实际背景，它无法用据实际背景，它无法用拟合方法来求拟合方法来求 。为了得出一个有实际意义模为了得出一个有实际意义模型，我们不妨采取一下工程型，我们不妨采取一下工程师标准。工程师们在建立实师标准。工程师们在建立实际问题数学模型时，总是采际问题数学模型时，总是采取尽可能简单方法。取尽可能简单方法。r(N)最简单形式是常数，此时最简单形式是常数，此时得到就是马尔萨斯模型。对马得到就是马尔萨斯模型。对马尔萨斯模型最简单改进就是引尔萨斯模型最简单改进就是引进一次项（竞争项）进一次项（竞争项）对马尔萨斯模型引入一次项（竞争项），令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：此时得到微分方程：或或（3.8）（4.8）被称为被称为LogisticLogistic模型或生物总数增加统计筹算律，是由荷兰数学生物模型或生物总数增加统计筹算律，是由荷兰数学生物学家弗赫斯特（学家弗赫斯特（VerhulstVerhulst）首先提出。一次项系数是负，因为当种群数量很大）首先提出。一次项系数是负，因为当种群数量很大时，会对本身增大产生抑制性，故一次项又被称为竞争项。时，会对本身增大产生抑制性，故一次项又被称为竞争项。（4.84.8）可改写成：可改写成：（3.9）(4.9)式还有另一解释，因为空间和资源都是有限，不可能供养无限增式还有另一解释，因为空间和资源都是有限，不可能供养无限增加种群个体，当种群数量过多时，因为人均资源拥有率下降及环境恶化、加种群个体，当种群数量过多时，因为人均资源拥有率下降及环境恶化、疾病增多等原因，出生率将降低而死亡率却会提升。设环境能供养种群数疾病增多等原因，出生率将降低而死亡率却会提升。设环境能供养种群数量上界为量上界为K（近似地将（近似地将K看成常数），看成常数），N表示当前种群数量，表示当前种群数量，K-N恰为环境恰为环境还能供养种群数量，（还能供养种群数量，（4.9）指出，种群增加率与二者乘积成正比，恰好）指出，种群增加率与二者乘积成正比，恰好符合统计规律，得到了试验结果支持，这就是（符合统计规律，得到了试验结果支持，这就是（4.9）也被称为统计筹算）也被称为统计筹算律原因。律原因。第7页图图4-5对对（4.94.9）分离变量：分离变量：两边积分并整理得：两边积分并整理得：令令N(0)=N0，求得：，求得：故故（4.94.9）满足初始条件满足初始条件N(0)=N0解为：解为：（4.10）易见：易见：N(0)=N0，N(t)图形请看图图形请看图4.5 第8页模型检验模型检验 用用LogisticLogistic模型来描述种群增加规律效果怎样呢？模型来描述种群增加规律效果怎样呢？19451945年年克朗皮克（克朗皮克（CrombicCrombic）做了一个人工喂养小谷虫试验，数学生）做了一个人工喂养小谷虫试验，数学生物学家高斯（物学家高斯（EFGaussEFGauss）也做了一个原生物草履虫试验，）也做了一个原生物草履虫试验，试验结果都和试验结果都和LogisticLogistic曲线十分吻合。曲线十分吻合。大量试验资料表明用大量试验资料表明用LogisticLogistic模型来描述种群增加，效果模型来描述种群增加，效果还是相当不错。比如，高斯还是相当不错。比如，高斯把把5只草履虫放进一个盛有只草履虫放进一个盛有0.5cm3营营养液小试管，他发觉，开始时草履虫以天天养液小试管，他发觉，开始时草履虫以天天230.9%速率增加，速率增加，今后增加速度不停减慢，到第五天到达最大量今后增加速度不停减慢，到第五天到达最大量375个，试验数个，试验数据与据与r=2.309，a=0.006157，N(0)=5LogisticLogistic曲线：曲线：几乎完全吻合，见图几乎完全吻合，见图3.6。图图4-6第9页MalthusMalthus模型和模型和LogisticLogistic模型总结模型总结 MalthusMalthus模型和模型和LogisticLogistic模型模型均为对微分方程（均为对微分方程（4.7）所作模拟近似方程。前一模型假设了种群增加率所作模拟近似方程。前一模型假设了种群增加率r为一常数，为一常数，（r被称为该种群内禀增加率）。后一模型则假设环境只能被称为该种群内禀增加率）。后一模型则假设环境只能供养一定数量种群，从而引入了一个竞争项。供养一定数量种群，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解进行检验，看其是否与实际情况相符或基本相符。求得解进行检验，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，不然就得找出不相符主要原因，相符性越好则模拟得越好，不然就得找出不相符主要原因，对模型进行修改。对模型进行修改。Malthus Malthus模型与模型与LogisticLogistic模型即使都是为了研究种群数量增模型即使都是为了研究种群数量增加情况而建立，但它们也可用来研究其它实际问题，只要这些实加情况而建立，但它们也可用来研究其它实际问题，只要这些实际问题数学模型有相同微分方程即可，下面我们来看两个较为有际问题数学模型有相同微分方程即可，下面我们来看两个较为有趣实例。趣实例。第10页例例5 5 新产品推广新产品推广 经济学家和社会学家一直很关心新产品推销速度经济学家和社会学家一直很关心新产品推销速度问题。怎样建立一个数学模型来描述它，并由此析出问题。怎样建立一个数学模型来描述它，并由此析出一些有用结果以指导生产呢？以下是第二次世界大战一些有用结果以指导生产呢？以下是第二次世界大战后日本家电业界建立电饭包销售模型。后日本家电业界建立电饭包销售模型。设需求量有一个上界，并记此上界为设需求量有一个上界，并记此上界为K，记，记t时刻已销售出电时刻已销售出电饭包数量为饭包数量为x(t)，则还未使用人数大致为，则还未使用人数大致为Kx(t)，于是由统计筹，于是由统计筹算律：算律：记百分比系数为记百分比系数为k k，则则x(t)满足：满足：此方程即此方程即LogisticLogistic模型，解为：模型，解为：还有两个奇解还有两个奇解:x=0和和x=K 对对x(t)求一阶、两阶导数：求一阶、两阶导数：第11页轻易看出，轻易看出，x(t)0，即，即x(t)单调增加。单调增加。由由x(t0)=0，能够得出，能够得出 =1，此时，此时，。当当t0，x(t)单调增加，而当单调增加，而当tt0时，时，x(t)k k（药品未吸收完前，输入速率通常总大于分解与排泄（药品未吸收完前，输入速率通常总大于分解与排泄速率），但也有例外可能（与药品性质及机体对该药品吸收、分解能力相关）速率），但也有例外可能（与药品性质及机体对该药品吸收、分解能力相关）。当。当k k1 1 k k时，体内药品量均很小，这种情况在医学上被称为触发翻转时，体内药品量均很小，这种情况在医学上被称为触发翻转（flip-flopflip-flop）。当）。当k k1 1=k k时时，对固定，对固定t t，令，令k kk k1 1取极限（应用罗比达法则），取极限（应用罗比达法则），可得出在这种情况下血药浓度为：可得出在这种情况下血药浓度为：所以所以第17页 图图4-94-9给出了上述三种情况下体内血药浓度改变曲线。轻给出了上述三种情况下体内血药浓度改变曲线。轻易看出，快速静脉注射能使血药浓度马上到达峰值，惯用于抢易看出，快速静脉注射能使血药浓度马上到达峰值，惯用于抢救等紧急情况；口服、肌注与点滴也有一定差异，主要表现在救等紧急情况；口服、肌注与点滴也有一定差异，主要表现在血药浓度峰值出现在不一样时刻，血药有效浓度保持时间也不血药浓度峰值出现在不一样时刻，血药有效浓度保持时间也不尽相同，（注：为到达治疗目标，血药浓度应到达某一有效浓尽相同，（注：为到达治疗目标，血药浓度应到达某一有效浓度，并使之维持一特定时间长度）。度，并使之维持一特定时间长度）。图4-9 我们已求得三种常见给药方式下血药浓度我们已求得三种常见给药方式下血药浓度C C(t t)，当然也轻，当然也轻易求得血药浓度峰值及出现峰值时间，因而，也不难依据不一易求得血药浓度峰值及出现峰值时间，因而，也不难依据不一样疾病治疗要求找出最正确治疗方案。样疾病治疗要求找出最正确治疗方案。第18页 新药品、新疫苗在临床应用前必须经过较长时间基础研究、小量试制、中间试验、专业机构评审及临床研究。当一个新药品、新疫苗研制出来后，研究人员必须用大量试验搞清它是否真有用，怎样使用才能发挥最大效用，提供给医生治病时参考。在试验中研究人员要测定模型中各种参数，搞清血药浓度改变规律，依据疾病特点找出最正确治疗方案（包含给药方式、最正确剂量、给药间隔时间及给药次数等），这些研究与试验据预计最少也需要多年时间。在春夏之交SARS（非典）流行期内，有些人希望医药部门能赶快拿出一个能治疗SARS良药或预防SARS有效疫苗来，但这只能是一个空想。SARS突如其来，形成了“外行不懂、内行陌生”情况。国内权威机构一度曾认为这是“衣原体”引发肺炎，能够用抗生素控制和治疗。但实际上，抗生素类药品对SARS控制与治疗丝毫不起作用。以钟南山院士为首广东省教授并不迷信权威，坚持认为SARS是病毒感染引发肺炎，两个月后（4月16日），世界卫生组织正式确认SARS是冠状病毒一个变种引发非经典性肺炎（注：这种确认并非是由权威机构定义，而是经对猩猩屡次试验证实）。发觉病原体尚且如此不易，要攻克难关，找到治疗、预防方法当然就更困难了，企图几个月处理问题注定只能是一个不切实际幻想。第19页 上述研究是将机体看成一个均匀分布同质单元，故被上述研究是将机体看成一个均匀分布同质单元，故被称单房室模型，但机体实际上并不是这么。药品进入血液，称单房室模型，但机体实际上并不是这么。药品进入血液，经过血液循环药品被带到身体各个部位，又经过交换进入经过血液循环药品被带到身体各个部位，又经过交换进入各个器官。所以，要建立更靠近实际情况数学模型就必须各个器官。所以，要建立更靠近实际情况数学模型就必须正视机体部位之间差异及相互之间关联关系，这就需要多正视机体部位之间差异及相互之间关联关系，这就需要多房室系统模型。房室系统模型。IIIk12k21两房室系统图4-10 图图4-104-10表示是一个常见两房室模型，其表示是一个常见两房室模型，其间间k k1212表示由室表示由室I I渗透到室渗透到室IIII改变率前系数，而改变率前系数，而k k2121则表示由室则表示由室IIII返回室返回室I I改变率前系数，它们改变率前系数，它们刻划了两室间内在联络，其值应该用试验测刻划了两室间内在联络，其值应该用试验测定，使之尽可能地靠近实际情况。定，使之尽可能地靠近实际情况。当差异较大部分较多时，当差异较大部分较多时，能够类似建立多房室系能够类似建立多房室系统，即统，即N N房室系统房室系统第20页4.44.4 传染病模型传染病模型 传染病是人类大敌，经过疾病传输过程中若干主要原因传染病是人类大敌，经过疾病传输过程中若干主要原因之间联络建立微分方程加以讨论，研究传染病流行规律并找之间联络建立微分方程加以讨论，研究传染病流行规律并找出控制疾病流行方法显然是一件十分有意义工作。在本节中，出控制疾病流行方法显然是一件十分有意义工作。在本节中，我们将主要用多房室系统观点来对待传染病流行，并建立起我们将主要用多房室系统观点来对待传染病流行，并建立起对应多房室模型。对应多房室模型。医生们发觉，在一个民族或地域，当某种传染病流传时，医生们发觉，在一个民族或地域，当某种传染病流传时，涉及到总人数大致上保持为一个常数。即既非全部些人都会涉及到总人数大致上保持为一个常数。即既非全部些人都会得病也非毫无规律，两次流行（同种疾病）涉及人数不会相得病也非毫无规律，两次流行（同种疾病）涉及人数不会相差太大。怎样解释这一现象呢？试用建模方法来加以证实。差太大。怎样解释这一现象呢？试用建模方法来加以证实。问题提出：问题提出：第21页 设某地域共有设某地域共有n+1人，最初时刻共有人，最初时刻共有i人得病，人得病，t时刻已时刻已感染（感染（infective）病人数为）病人数为i(t)，假定每一已感染者在单位，假定每一已感染者在单位时间内将疾病传输给时间内将疾病传输给k个人（个人（k称为该疾病传染强度），且设称为该疾病传染强度），且设此疾病既不造成死亡也不会康复此疾病既不造成死亡也不会康复模型模型1 此模型即此模型即MalthusMalthus模型，它大致上反应了传染病流行早期模型，它大致上反应了传染病流行早期病人增加情况，在医学上有一定参考价值，但伴随时间推移，病人增加情况，在医学上有一定参考价值，但伴随时间推移，将越来越偏离实际情况。将越来越偏离实际情况。已感染者与还未感染者之间存在着显著区分，有必要将人已感染者与还未感染者之间存在着显著区分，有必要将人群划分成已感染者与还未感染易感染，对每一类中个体则不加群划分成已感染者与还未感染易感染，对每一类中个体则不加任何区分，来建立两房室系统。任何区分，来建立两房室系统。则可导出：则可导出：故可得：故可得：(4.15)第22页模型模型2 记记t时刻病人数与易感染人数时刻病人数与易感染人数（susceptible）分别为分别为i(t)与与s(t)，初始时刻病人数为，初始时刻病人数为 i。依据病人不死也不会康复假设。依据病人不死也不会康复假设及（竞争项）统计筹算律，及（竞争项）统计筹算律，其中：其中：解得：解得：（4.17）可得：可得：（3.16）统计结果显示，统计结果显示，(4.17)(4.17)预报结果比预报结果比(4.15)(4.15)更靠近实际情况。医学上称曲线更靠近实际情况。医学上称曲线 为传染病为传染病曲线，并称曲线，并称 最大值时刻最大值时刻t1为此传染病流行高为此传染病流行高峰。峰。令：令：得：得：此值与传染病实际高峰期非常靠近，可用作医学上预报公式。模型模型2 2仍有不足之处，它仍有不足之处，它无法解释医生们发觉现象，无法解释医生们发觉现象，且当初间趋与无穷时，模且当初间趋与无穷时，模型预测最终全部些人都得型预测最终全部些人都得病，与实际情况不符。病，与实际情况不符。为了使模型更准为了使模型更准确，有必要再将确，有必要再将人群细分，建立人群细分，建立多房室系统多房室系统第23页infectiverecoveredsusceptiblekl（4.18）l 称为传染病恢复系数 求解过程以下：求解过程以下：对（对（3）式求导，由（）式求导，由（1）、（）、（2）得：）得：解得：解得：记：记：则：则：将人群划分为三类（见右图）：易感染者、已感染将人群划分为三类（见右图）：易感染者、已感染者和已恢复者（者和已恢复者（recovered）。分别记）。分别记t时刻三类人数为时刻三类人数为s(t)、i(t)和和r(t)，则可建立下面三房室模型：，则可建立下面三房室模型：模型模型3第24页infectiverecoveredsusceptiblekl 由由(1)(1)式可得：式可得：从而解得：从而解得：积分得：积分得：（3.19）不难验证，当t+时，r(t)趋向于一个常数，从而能够解释医生们发觉现象。为揭示产生上述现象原因（为揭示产生上述现象原因（3.183.18）中第）中第（1 1）式改写成：）式改写成：其中其中 通常是一个与疾病种类相关通常是一个与疾病种类相关较大常数。较大常数。下面对下面对 进行讨论，请参见右图进行讨论，请参见右图假如假如 ，则有则有 ，此疾病在该地域根本流行不起，此疾病在该地域根本流行不起来。来。假如假如 ，则开始时，则开始时 ，i(t)单增。但在单增。但在i(t)增加同时，增加同时，伴随地有伴随地有s(t)单减。当单减。当s(t)降低到小于等于降低到小于等于 时，时，i(t)开始减开始减小，直至此疾病在该地域消失。小，直至此疾病在该地域消失。鉴于在本模型中作用，鉴于在本模型中作用，被医被医生们称为此疾病在该地域阀生们称为此疾病在该地域阀值。值。引入解释了为何此疾病引入解释了为何此疾病没有涉及到该地域全部些人。没有涉及到该地域全部些人。图4-14 第25页总而言之，模型总而言之，模型3 3指出了传染病以下特征：指出了传染病以下特征：（1 1）当当人人群群中中有有些些人人得得了了某某种种传传染染病病时时，此此疾疾病病并并不不一一定定流传，仅当易受感染人数与超出阀值时，疾病才会流传起来。流传，仅当易受感染人数与超出阀值时，疾病才会流传起来。（2 2）疾疾病病并并非非因因缺缺乏乏易易感感染染者者而而停停顿顿传传输输，相相反反，是是因因为为缺乏传输者才停顿传输，不然将造成全部些人得病。缺乏传输者才停顿传输，不然将造成全部些人得病。（3 3）种群不可能因为某种传染病而绝灭。）种群不可能因为某种传染病而绝灭。模型检验：模型检验：医疗机构普通依据医疗机构普通依据r(t)来统计疾病涉及人数来统计疾病涉及人数，从广义上了，从广义上了解，解，r(t)为为t时刻已就医而被隔离人数，是康复还是死亡对模型时刻已就医而被隔离人数，是康复还是死亡对模型并无影响。并无影响。及：及：注意到：注意到：可得可得：（4.20）第26页 通常情况下，传染病涉及人数占总人数百分比不会太大，通常情况下，传染病涉及人数占总人数百分比不会太大，故故 普通是小量。利用泰勒公式展开取前三项，有：普通是小量。利用泰勒公式展开取前三项，有：代入（代入（4.204.20）得近似方程：）得近似方程：积分得：积分得：其中：其中：这里双曲正切函数这里双曲正切函数 ：而：而：对对r(t)求导求导：（4.21）第27页曲线曲线 在医学上被称为疾病传染曲线。在医学上被称为疾病传染曲线。图图4-14（a）给出了（）给出了（4.21）式曲线图形，可用医疗单位天式曲线图形，可用医疗单位天天实际登录数进行比较拟合得最优曲线。天实际登录数进行比较拟合得最优曲线。图4-14（a）图4-14（b）统计了19下六个月至19上六个月印度孟买瘟疫大流行期间每七天死亡人数，不难看出二者有很好一致性。第28页4.54.5 捕食系统捕食系统VolterraVolterra方程方程 问题背景：问题背景：意大利生物学家意大利生物学家DAncona曾致力于鱼类种群相互制约曾致力于鱼类种群相互制约关系研究，在研究过程中他无意中发觉了一些第一次世界关系研究，在研究过程中他无意中发觉了一些第一次世界大战期间地中海沿岸港口捕捉几个鱼类占捕捉总量百分比大战期间地中海沿岸港口捕捉几个鱼类占捕捉总量百分比资料，从这些资料中他发觉各种软骨掠肉鱼，如鲨鱼、鳐资料，从这些资料中他发觉各种软骨掠肉鱼，如鲨鱼、鳐鱼等我们称之为捕食者（或食肉鱼）一些不是很理想鱼类鱼等我们称之为捕食者（或食肉鱼）一些不是很理想鱼类占总渔获量百分比。在占总渔获量百分比。在 19141923年期间，意大利阜姆港收年期间，意大利阜姆港收购鱼中食肉鱼所占百分比有显著增加：购鱼中食肉鱼所占百分比有显著增加：年代年代1914191419151915191619161917191719181918百分比百分比11.911.921.421.422.122.121.221.236.436.4年代年代1919191919201920192119211922192219231923百分比百分比27.327.316.016.015.915.914.814.810.710.7 他知道，捕捉各种鱼百分比近似地反应了地中海里各种他知道，捕捉各种鱼百分比近似地反应了地中海里各种鱼类百分比。战争期间打鱼量大幅下降，但捕捉量下降为何鱼类百分比。战争期间打鱼量大幅下降，但捕捉量下降为何会造成鲨鱼、鳐鱼等食肉鱼百分比上升，即对捕食者有利而会造成鲨鱼、鳐鱼等食肉鱼百分比上升，即对捕食者有利而不是对食饵有利呢？他百思不得其解，无法解释这一现象，不是对食饵有利呢？他百思不得其解，无法解释这一现象，就去讨教当初著名意大利数学家就去讨教当初著名意大利数学家V.VolterraV.Volterra，希望他能建立，希望他能建立一个数学模型研究这一问题。一个数学模型研究这一问题。第29页 Volterra将鱼划分为两类。一类为食用鱼（食饵），数量将鱼划分为两类。一类为食用鱼（食饵），数量记为记为x1(t)，另一类为食肉鱼（捕食者），数量记为，另一类为食肉鱼（捕食者），数量记为x2(t)，并，并建立双房室系统模型。建立双房室系统模型。1、模型建立、模型建立 大海中有食用鱼生存足够资源，可假设食用鱼独立生存大海中有食用鱼生存足够资源，可假设食用鱼独立生存将按增加率为将按增加率为r1指数律增加（指数律增加（Malthus模型），既设：模型），既设：因为捕食者存在，食用鱼数量因而降低，设降低速率与因为捕食者存在，食用鱼数量因而降低，设降低速率与二者数量乘积成正比（竞争项统计筹算律），即：二者数量乘积成正比（竞争项统计筹算律），即：对于食饵对于食饵（PreyPrey）系统）系统 ：1 1反应了捕食者掠取食饵能力反应了捕食者掠取食饵能力第30页对于捕食者对于捕食者（PredatorPredator）系统）系统：捕食者设其离开食饵独立存在时死亡率为捕食者设其离开食饵独立存在时死亡率为r2，即：，即：综合以上分析，建立综合以上分析，建立P-P模型（模型（Volterra方程）方程组：方程）方程组：（4.31）方程组（方程组（4.31）反应了在没有）反应了在没有些人工捕捉自然环境中食饵些人工捕捉自然环境中食饵与捕食者之间相互制约关系。与捕食者之间相互制约关系。下面我们来分析该方程组。下面我们来分析该方程组。但食饵提供了食物，使生命得以延续。这一结果也要经过竞争来实但食饵提供了食物，使生命得以延续。这一结果也要经过竞争来实现，再次利用统计筹算律，得到：现，再次利用统计筹算律，得到：第31页2、模型分析、模型分析 方程组（方程组（4.31）是非线性，不易直接求解。轻易看出，）是非线性，不易直接求解。轻易看出，该方程组共有两个平衡点，即：该方程组共有两个平衡点，即：Po(0,0)是平凡平衡点且显著是不稳定，没必要研究：和和第32页解释解释DAncona发觉现象发觉现象 引入捕捞能力系数引入捕捞能力系数，（，（01），），表示单位时间表示单位时间内捕捞起来鱼占总量百分比。故内捕捞起来鱼占总量百分比。故Volterra方程应为：方程应为：平衡点平衡点P位置移动到了：位置移动到了：因为捕捞能力系数因为捕捞能力系数引入，食引入，食用鱼平均量有了增加，而食用鱼平均量有了增加，而食肉鱼平均量却有所下降，肉鱼平均量却有所下降，越越大，平衡点移动也越大。大，平衡点移动也越大。食用鱼数量反而因食用鱼数量反而因捕捞它而增加，捕捞它而增加，真是这么？！真是这么？！第33页 P-P模型导出结果虽非绝对直理，但在一定程度上是附合模型导出结果虽非绝对直理，但在一定程度上是附合客观实际，有着广泛应用前景。比如，当农作物发生病虫害时，客观实际，有着广泛应用前景。比如，当农作物发生病虫害时，不要随随便便地使用杀虫剂，因为杀虫剂在杀死害虫同时也可不要随随便便地使用杀虫剂，因为杀虫剂在杀死害虫同时也可能杀死这些害虫天敌，（害虫与其天敌组成一个双种群捕食系能杀死这些害虫天敌，（害虫与其天敌组成一个双种群捕食系统），这么一来，使用杀虫剂结果会适得其反，害虫愈加猖獗统），这么一来，使用杀虫剂结果会适得其反，害虫愈加猖獗了。了。（3）打鱼对食用鱼有利而对食肉鱼不利，多打鱼）打鱼对食用鱼有利而对食肉鱼不利，多打鱼（当然要在一定程度内，如（当然要在一定程度内，如0，b10，共栖系统。，共栖系统。（ii）a20（或或a20，b10），捕食系统。），捕食系统。（iii）a20，b10，竞争系统。，竞争系统。（i）（iii）组成了生态学中三个最基本类型，种群间）组成了生态学中三个最基本类型，种群间较为复杂关系能够由这三种基本关系复合而成。较为复杂关系能够由这三种基本关系复合而成。第37页对于普通生态系对于普通生态系统，假如经过求统，假如经过求解微分方程来讨解微分方程来讨论经常会碰到困论经常会碰到困难。难。怎样来讨论普通生态系统怎样来讨论普通生态系统假如困难话能够假如困难话能够研究种群改变率，研究种群改变率，搞清轨线走向来搞清轨线走向来了解各种群数量了解各种群数量最终趋势。最终趋势。第38页 在研究实际课题时，数值解方法可能会用得更多。当在研究实际课题时，数值解方法可能会用得更多。当解析解无法求得时，计算机作为强大辅助工具发挥了它应解析解无法求得时，计算机作为强大辅助工具发挥了它应起作用。研究起作用。研究19991999年美国大学生数学建模竞赛题年美国大学生数学建模竞赛题A A（小行（小行星撞击地球）时就碰到了一个棘手问题：怎样描述南极地星撞击地球）时就碰到了一个棘手问题：怎样描述南极地域生态系统，怎样定量化地研究小行星撞击地球对南级生域生态系统，怎样定量化地研究小行星撞击地球对南级生态环境影响？在上网查阅了南极附近海洋生态情况后，可态环境影响？在上网查阅了南极附近海洋生态情况后，可将南极附近生物划分成三个部分：海藻、鳞虾和其它海洋将南极附近生物划分成三个部分：海藻、鳞虾和其它海洋生物。鳞虾吃海藻，其它海洋动物吃鳞虾，利用基本建模生物。鳞虾吃海藻，其它海洋动物吃鳞虾，利用基本建模技巧建立了一个三房室系统模型。小行星撞击会影响大气技巧建立了一个三房室系统模型。小行星撞击会影响大气层能见度，从而影响到海藻生长（光合作用），进而影响层能见度，从而影响到海藻生长（光合作用），进而影响到生物链中其它生物。因为无法得到模型中参数值（实际到生物链中其它生物。因为无法得到模型中参数值（实际上，小行星撞击南极事件并未发生过），就取了一系列不上，小行星撞击南极事件并未发生过），就取了一系列不一样参数值，对不一样参数值下模型数值解进行了分析对一样参数值，对不一样参数值下模型数值解进行了分析对比，研究了解对各参数改变灵敏度，即可取得了十分有意比，研究了解对各参数改变灵敏度，即可取得了十分有意义结果。义结果。第39页4.74.7 分布参数法建模分布参数法建模 前面建立模型都用了考查对象在系统中均匀分布假设。前面建立模型都用了考查对象在系统中均匀分布假设。这种方法建模被称为集中参数法。这种方法建模被称为集中参数法。考虑个体差异（或分布差异）建模方法被称为分布参数考虑个体差异（或分布差异）建模方法被称为分布参数法。分布参数法用于连续变量问题时，得到通常都是偏微分法。分布参数法用于连续变量问题时，得到通常都是偏微分方程，不论建模还是求解都比较困难。仅举两个简单例子，方程，不论建模还是求解都比较困难。仅举两个简单例子，来说明这种方法应用。来说明这种方法应用。第40页例例8 人口问题偏微分方程模型人口问题偏微分方程模型 人有年纪、性别等区分，本例中考虑到这些原因，用人有年纪、性别等区分，本例中考虑到这些原因，用分布参数法来建立人口问题数学模型。分布参数法来建立人口问题数学模型。令令p(t,x)为为t时刻年纪为时刻年纪为x人口密度，则人口密度，则t时人口总数为：时人口总数为：其中其中A为人最大寿命。为人最大寿命。设设t时刻年纪为时刻年纪为x人死亡率为人死亡率为d(t,x)，则有：，则有：dx=dt，由上式可导出：，由上式可导出：（3.38）初始条件初始条件:P(0,x)=P0(x)（3.39）边界条件边界条件:（4.40）k k(t t,x x)女性性别比女性性别比b b(t t,x x)女性生育率女性生育率 x x1 1,x x2 2 妇女生育期妇女生育期第41页 对（对（4.38）式关于）式关于x从从0到到A积分，得：积分，得：令：令：B(t)、D(t)分别为分别为t时刻生育率和死亡率。则有：时刻生育率和死亡率。则有：若若B(t)、D(t)与与t无关，则可得无关，则可得:此即此即MalthusMalthus模型模型第42页例例9 交通流问题交通流问题 问题两个角度：问题两个角度：司机或旅客司机或旅客安全、快速地到达目地交通管理部门交通管理部门尽可能多人安全地经过尽可能多人安全地经过集中参数法：集中参数法：假设车流量是均匀分布假设车流量是均匀分布 目标使车流密度保持在安全范围之内，让司机尽可目标使车流密度保持在安全范围之内，让司机尽可能开得快些即可，必要时司机自己会刹车。能开得快些即可，必要时司机自己会刹车。现实生活中可能吗？现实生活中可能吗？第43页车流密度和车速不可能是常数车流密度和车速不可能是常数分布参数法：分布参数法：x轴表示公路，轴表示公路，x轴正向表示车流方向。轴正向表示车流方向。假如采取连续模型，设假如采取连续模型，设u(t,x)为时刻为时刻t时车辆按时车辆按x方向分布方向分布密度，再设密度，再设q(t,x)为车辆经过为车辆经过x点流通率。点流通率。车辆数守恒，有：车辆数守恒，有：假设函数连续可微，有：假设函数连续可微，有：（3.41）因为安全上原因，因为安全上原因，q是是u函数，该函数关系称为基本方程函数，该函数关系称为基本方程或结构方程。或结构方程。第44页 利用经验公式导出基本方程。利用经验公式导出基本方程。q0uumuj图4-28 图图4-28是依据美国公路上车辆情况而统计出来曲线是依据美国公路上车辆情况而统计出来曲线,其中其中u单位是车辆数单位是车辆数/每英里，每英里，q单位为车辆数单位为车辆数/每小时。图中能够看每小时。图中能够看出：出：（2）u增大到一定程度（到达增大到一定程度（到达um）时，）时，q到达最大；到达最大；u继续继续增大时，车辆流增大时，车辆流q将减小，这表示车辆密度太大反而会影响车将减小，这表示车辆密度太大反而会影响车辆率，使之下降，（出现堵塞）。辆率，使之下降，（出现堵塞）。（1）当）当u值较小时，公路利用率较低，值较小时，公路利用率较低，q较小（较小（u=0时公路时公路是空置，车辆率是空置，车辆率q为零）；伴随为零）；伴随u增大，公路利用率逐步提升，增大，公路利用率逐步提升，q逐步增大。逐步增大。依据美国公路实际统计：依据美国公路