一類生物種群模型及其穩(wěn)定性數(shù)學畢業(yè)論文

一類生物種群模型及其穩(wěn)定性摘 要：本文討論一類種群發(fā)展方程，建立了年齡依賴種群系統(tǒng)的連續(xù)模型，半離散模型和離散化模型，并由特征值簡要討論了它們的穩(wěn)定性。關鍵詞：種群模型，半離散，穩(wěn)定性，特征值 引 言： 在自然界中生存的各種生物種群的發(fā)展受到各種影響，本文就年齡結構變化對單一生物種群的發(fā)展影響進行分析建模，結合1文，為討論方便，我們假設在一穩(wěn)定狀態(tài)環(huán)境中生物的生存條件僅受年齡結構變化限制，由此得出以下幾種模型。1、線性種群發(fā)展方程線性種群發(fā)展方程是分析、預測和定量控制的基礎。在一穩(wěn)定的狀態(tài)環(huán)境中，用r表示年齡，t表示時間，r, t皆為連續(xù)變化量，用表示t時刻年齡小于r的種群總數(shù)。顯然且當時， ，即對于固定的t為r的單調增函數(shù)，稱為種群函數(shù)。表示t時刻種群函數(shù)，m記為種群所能達到的最高年齡，則有的定義，易知=。當r, t都連續(xù)變化時，是r, t 的連續(xù)函數(shù)，假設的一階偏導數(shù)，都是一元連續(xù)函數(shù)。設=，稱為種群按年齡分布函數(shù)簡稱種群密度函數(shù)，由的單調性知且。設為充分小的年齡空間，>0時，則t時刻年齡在r和+r之間的種群總數(shù)為，另外有=，=t時刻年齡在和（>）之間的種群總數(shù)為設t時刻年齡在內平均單位時間內消亡總數(shù)為，為同一時刻年齡在內活著的種群數(shù)。定義 (1.2)稱為相對消亡率函數(shù)，對于充分小的及，由t到,年齡在中消亡總數(shù)為即 =設為充分小的時間區(qū)間，t時刻在之間的種群總數(shù)為，過了時間到達時，在此期間消亡數(shù)為，而在此期間沒消亡的種群到了時變成了年齡在中的種群，其總數(shù)為，用表示年齡在中的種群在時間內增長或消亡的種群總數(shù)，規(guī)定增生為正，消亡為負，稱為t時刻r歲種群的增消率，由于r和t具有相同的量綱，所以，于是有下式成立 (1.3) 變化為等式兩邊同除以得到由于，令得到 (1.4) 這就是所求種群連續(xù)發(fā)展方程，這是一階線性偏微分方程。取可得初始條件，可由統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出。設邊界條件為，若設為t時刻消亡與增殖數(shù)之比，稱為更新率為種群增殖成活率，則在t時刻在內消亡數(shù)為所以有 (1.5) 由此可得 (1.6)這即為種群發(fā)展方程的連續(xù)模型，這是一階線性偏微分方程系統(tǒng)。2、半離散種群發(fā)展方程當t連續(xù)r離散時的種群發(fā)展方程稱為半離散模型。下面用半離散逼近法求半離散模型。給定區(qū)間的一個分劃，記，用表示t年代滿 歲但不滿歲的種群總數(shù)，則 (2.1)由于這里，從而 (2.2)其中,對（1）中第一個方程兩邊從 到 積分得=即 由（2）有 這里,舍掉高階項有 (2.3)當取年齡間隔為1，即時 ，為 (2.4) 即對初始條件做離散化處理記 則有 (2.5) 對于外界條件 有對右端應用積分中值定理有所以有 即有 (2.6)因此我們有半離散模型: (2.7) 引進向量和矩陣記號有XGXAB則（2.7）即半離散模型可表示為 (2.8)這是一階線性常微分方程組。下面考慮半離散模型（2.8）在定常情況下的穩(wěn)定性。（定常情形指消亡率、成活率、增消率都不隨時間變化）。在一個相對安定的環(huán)境下，方程（2.8）可變?yōu)椋?(2.9)其中 A=B 稱為種群的增生率.A、B都是m-1階常數(shù)方陣，容易得出A+的特征多項式= (2.10)對于 的增生率 稱為種群臨界增生率由（2.10）易推得=由文2的方法可證明下述結論引理2.1: 0是A+的代數(shù)單特征值引理2.2:當時,A+有且只有一個正特征值,且此特征值的代數(shù)重數(shù)為1引理2.3當 時，A+ 的每個特征值都有負實部；且A+ 的每個非零特征值也具有負實部。從引理2.1、引理2.2、引理2.3易得定理2.1：對于系統(tǒng)（2.9），如果 ， 那么系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；如果 ，那么系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的，即對任意初始值，系統(tǒng)（2.9）的解 隨時間t的增加指數(shù)衰減到零的；如果 ，那么系統(tǒng)穩(wěn)定。上述結果與文3中連續(xù)型方程的穩(wěn)定性一致。3、離散種群發(fā)展方程為便于數(shù)值計算以利于統(tǒng)計分析，在定量計算中，為了用計算機求解種群發(fā)展方程，必須把r和t同時離散化。離散后的r和t我們 取整數(shù)值以年度為單位，將連續(xù)種群方程變成一個差分方程組，這即為種群發(fā)展過程的離散模型。離散模型不但適合于計算機計算、模擬和數(shù)據(jù)處理，而且又與傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法相一致。下面我們在半離散模型的基礎上建立離散模型。對r離散，由半離散模型有，記為種群狀態(tài)向量。再對t離散，單位取年，由(1.3)有p（r+）消去 ，令 ，上式兩邊對r 從i 到 積分，得到 (3.1)對等式右邊第一項應用積分中值定理，有這里滿足定義 為 t年代i歲按年齡消亡率，則（3.1）為或 (3.2)這里對于初始條件p(r,0)=作離散化處理，記 , 有 (3.3)對于邊界條件，p(0,t)表示t時刻單位時間內種群的新增生數(shù)，取，則p(0,t)就是 t-1 年到t年新增生種種群數(shù)，由p(0,t)= 有 (3.4)（3.4）的實際意義是這樣的，表示t年代I歲種群的消亡數(shù)， 表示消亡后I歲種群的消亡數(shù)，表示消亡后I歲種群的增殖更新數(shù)，為成活率，則 表示t年代I歲種群的增生數(shù)。因此即 為t年代各年齡種群增生數(shù)。如對于森林系統(tǒng)，表示t年i齡級林木采消率， 為t年代林木更新率即林木更新棵數(shù)與采消棵數(shù)之比，表示成活率，即 。因此表示t年代i齡級林木采伐棵數(shù)，則表示t年代i 齡級林木更新增殖數(shù)，表示t年代i齡級林木增值成活數(shù)，表示t年代各齡級林木增植成活總棵數(shù)。于是得到離散種群方程組（時間與林齡同步純林離散模型）： (3.5) （3.5）是一個以年度為時間間隔的查分方程組，引進向量和矩陣符號：G(t)= HB則（3.5）可表示成 這里H(t)稱為種群狀態(tài)轉移陣，B(t)稱為種群消亡陣,G(t)稱為干擾向量，加上初始條件可得完整的種群發(fā)展離散模型 (3.6)（3.6）是一個離散的雙線性系統(tǒng)，是控制量，通過改變 來達到控制種群狀態(tài)的目的。對于離散系統(tǒng)（3.6），由文23，可得到與半離散情形一致的穩(wěn)定性結果。 參考文獻： 1. 姜啟元. 數(shù)學建模 2. 宋 健. 于景元, 人口控制論. 1985 ,190-2013. Wang Dingjiang , The Stability of Forest evolution systems and the Critieal Proliferation rate of forest ,Applied Functional Analysis. 1995.Vol2.235-2384. Song jian etal.Scientia sinica (seriesA) (2)1996.113-123 5. Pazy A. Semigroups of Linear operators and applications to partial differential equations. Spinger-verlay New Yor ,1983 A Class of Bio -population Model and Its stabilityAbstract: In this paper , We study a class of poplution evlution equations, the continuous model and semidiscrete models and discrete models of the population systems with age-dependent isestablisbed . We also discussed its stability .Key words : population model; semidiscrete; stability; eigenvalue