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| | * 人口预测:用于模拟和预测人类人口增长,如珀尔和里德对美国人口的研究。 | | * 人口预测:用于模拟和预测人类人口增长,如珀尔和里德对美国人口的研究。 |
| | * 资源管理:指导渔业、林业等可再生资源的可持续利用,避免过度开发。核心原则是使资源种群数量保持在环境容纳量K的一半(K/2)附近,此时种群增长速率最大,可获得最大持续产量。 | | * 资源管理:指导渔业、林业等可再生资源的可持续利用,避免过度开发。核心原则是使资源种群数量保持在环境容纳量K的一半(K/2)附近,此时种群增长速率最大,可获得最大持续产量。 |
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| | + | 令N为种群(人口)规模(生态学经常用N代替),t代表时间,该模型用以下微分方程表示: |
| | + | <math>{\displaystyle {\frac {dN}{dt}}=rN\left(1-{\frac {N}{K}}\right)}</math>, |
| | + | 其中常数r为种群(人口)增长率,K为环境承载力。 |
| | + | 方程中,早期的几乎无阻力的增长率来自+rN。增长率r代表种群(人口)数量N在一个单位时间内的增长比例。后来,随着人口的增长,第二项$-rN^2/K$变得几乎和第一项一样大,种群N内的个体之间开始争夺某些关键资源(例如食物或生存空间)而相互干扰。这种对抗效应称为“瓶颈”,由参数K代表。竞争会降低总合增长率,直到N停止增长(种群/人口成熟)。方程的解($N_0$为初始种群/人口数量)为 |
| | + | <math>{\displaystyle N(t)={\frac {KN_{0}e^{rt}}{K+N_{0}\left(e^{rt}-1\right)}}={\frac {K}{1+\left({\frac {K-N_{0}}{N_{0}}}\right)e^{-rt}}}</math>, |
| | + | 其中:<math>{\displaystyle \lim _{t\to \infty }N(t)=K}</math>。 |
| | + | 可以说,K是N的极限值,即经过无限长时间后(或在有限时间内近似),种群(人口)规模所能达到的最大值。须注意,只要初始值<math>{\displaystyle N(0)>0}</math>,无论取值多少,种群数量都会渐近环境承载力的值,包括<math>{\displaystyle N(0)>K}</math>的情况下。 |
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| | + | 生态学中有时称一个物种是r策略或K策略(R/K选择理论)的,这是指它们在自然选择过程形成的生物生命周期策略。选取变量的量纲(因次分析),使n代表以环境承载力单位计的种群数量,<math>{\displaystyle \tau }</math>代表以<math>{\displaystyle 1/r}</math>的单位计量的时间,得出无量纲微分方程: |
| | + | <math>{\displaystyle {\frac {dn}{d\tau }}=n(1-n)}</math>。 |
| | + | 由于环境条件会影响环境承载力,因此它可能是随时间变化的,<math>{\displaystyle K(t)>0}</math>,得出以下数学模型: |
| | + | <math>{\displaystyle {\frac {dN}{dt}}=rN\cdot \left(1-{\frac {N}{K(t)}}\right)}</math> |
| | + | 其中一种特别重要的情况是承载力随时期以T为周期变化的情况: |
| | + | <math>{\displaystyle K(t+T)=K(t)}</math>, |
| | + | 可见,只要初始值<math>{\displaystyle N(0)>0}</math>,无论具体取值为多少,<math>{\displaystyle N(t)}</math>会逼近一个周期为<math>{\displaystyle T}</math>的周期解<math>{\displaystyle N_{*}(t)}</math>。 |
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| | + | <math>{\displaystyle T}</math>的典型取值为1年,在此情况下,<math>{\displaystyle K(t)}</math>可表示天气条件的周期性变化。 |
| | + | 另一个有趣的一般化情形是考虑承载能力<math>K_{(t)}</math>作为关于较早时间的种群数量的函数,以表示种群改变其所处环境的延迟。这就构成了一个逻辑斯谛时滞方程,它具有非常丰富的行为,在某些参数范围内呈现双稳定,以及单调衰减至零、平滑指数增长、间断无限增长(即多个S形)、间断增长或交替到平稳水平、振荡接近稳定水平、持续振荡、有限时间奇异点以及有限时间死亡。 |
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| | ==医学:流行病传播模型== | | ==医学:流行病传播模型== |
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| | * 疫情预测:在COVID-19疫情期间,广义逻辑斯谛函数(理查兹增长曲线)被用于拟合感染轨迹,预测疫情发展趋势。 | | * 疫情预测:在COVID-19疫情期间,广义逻辑斯谛函数(理查兹增长曲线)被用于拟合感染轨迹,预测疫情发展趋势。 |
| | * 肿瘤生长:用于描述肿瘤在营养限制条件下的生长动力学。化疗效果也可通过在该方程中增加一个杀伤项来建模<math>\frac{dX}{dt} = rX(1-\frac{X}{K}) - c(t)X</math>。 | | * 肿瘤生长:用于描述肿瘤在营养限制条件下的生长动力学。化疗效果也可通过在该方程中增加一个杀伤项来建模<math>\frac{dX}{dt} = rX(1-\frac{X}{K}) - c(t)X</math>。 |
| | + | 逻辑斯谛微分方程可用于肿瘤生长的建模。这一用法可视为上述的生态学/人口学模型的延伸。以<math>{\displaystyle X(t)}</math>表示肿瘤在时间<math>{\displaystyle t}</math>的大小,其变化动态遵循 |
| | + | <math>{\displaystyle X'=r\left(1-{\frac {X}{K}}\right)X}</math>, |
| | + | 属于以下类型: |
| | + | <math>{\displaystyle X'=F(X)X,\quad F'(X)\leq 0,}</math>, |
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| | + | 其中<math>{\displaystyle F(X)}</math>为肿瘤增殖率。 |
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| | + | 如果采用化疗产生对数杀伤效果,则等式修改为 |
| | + | <math>{\displaystyle X'=r\left(1-{\frac {X}{K}}\right)X-c(t)X}</math>, |
| | + | 其中<math>{\displaystyle c(t)}</math>为治疗引起的肿瘤死亡率。在理想化的极长的治疗下,<math>{\displaystyle c(t)}</math>可模型化为周期为<math>{\displaystyle T}</math>的周期函数或(在持续的输液治疗下)常数函数,有 |
| | + | <math>{\displaystyle {\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}c(t)\,dt>r\to \lim _{t\to +\infty }x(t)=0}</math>, |
| | + | 即,如果平均治疗引起的肿瘤死亡率大于基线增殖率,则疾病能被根除。当然,这是一个过于简化的生长和治疗模型(例如没有考虑克隆抗性现象)。 |
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| | ==化学与物理学== | | ==化学与物理学== |