【国家级精品课程】中南大学数学建模lingomatlab优化建模数模培训全国赛论文丁克与人口增长.doc
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1、 封一答卷编号(竞赛组委会填写):答卷编号(竞赛组委会填写):论文题目: A题:丁克与人口增长 参赛队员: 队号:951. 李伟 2. 徐庚 3. 高伟 丁克与人口增长摘要本文针对丁克现象及其对人口的影响问题,在合理的假设下,建立了马尔萨斯(Malthus)模型、改进的丁克率logistic增长模型和基于引入丁克系数的人口增长预测模型,并依此对我国未来50年丁克现象及未来50年的人口进行了预测。 首先,对于丁克的增长机理进行分析,依据微分方程表示丁克人数的增长,建立了马尔萨斯(Malthus)模型。分析知其存在无限增长的弊端,不能较好的进行中长期估计。针对这一缺点,又建立起改进的丁克率Logi
2、stic增长模型,参考已有数据,求出相关系数的估计值。根据所得曲线并采用Logistic 模型构造丁克现象预测函数,从而预测出我国未来50 年的丁克现象,运用MATLAB软件对预测数据进行图象模拟,直观的反映了我国丁克现象的发展趋势。然后,考虑到城市和乡镇人口增长的差异,在预测人口时将总人口数分为城市和乡镇两部分,对其分别预测。由于丁克现象会影响到生育率,因此引入了丁克系数对生育率进行修正,且城市和乡镇的丁克系数不同。根据引入丁克系数的人口增长预测模型预测未来50年中国人口数呈增长趋势,在2031年达到最大值150382万,然后开始减少。最后将结果与不考虑丁克现象预测结果作比较(见表七),可以
3、明显的看出丁克现象对中国人口起到了很好的限制增长作用。最后,对以上三个模型进行了优缺点分析,提出了几条合理性改进方向。关键词 丁克现象 马尔萨斯(Malthus)模型 Logistic 模型 一、问题的重述丁克DINK(Double/Dual Income No Kids),是双收入却主动不要孩子。从90年代初到90代末,在中国的各大城市里,“丁克家庭”的数量正稳步上升,近年来,丁克家庭在城市青年尤其是白领夫妇中的比例有逐渐增加之势。针对于这种现象,对我国未来50年的丁克现象进行预测,并在相应预测基础上,对我国未来50年的人口进行预测。二、问题的分析 90年代中期一份对“丁克家庭”的调查问卷显
4、示,选择不生育这一生活方式的主要原因中占第一位的是对中国人口问题的忧虑;第二位是为了使自己生活得更轻松;第三位是为了自我实现。本文在丁克现象的分析预测中,暂时忽略了一些外在影响因素。现在假设我国社会经济稳定,短期时间内丁克现象的自然增长率不变,此时,本文只考虑丁克现象原有的基数及自然增长率对未来丁克现象的数量发展的预测作用。考虑丁克人口的基数和自然增长率,运用微分机理分析,将丁克人口增量以差分形式表示,最后细化,得出增长的函数。分析丁克人口增长到一定数量后,注意到,国家政府机关、自然资源、环境条件对丁克人口增长起着阻滞作用,增长率将呈零增长趋于平衡状态,并且随着丁克人口的增加这种阻滞作用会越来
5、越大。阻滞作用体现在对丁克人口增长率r的影响上,使得r随着丁克人口数量P的增加而下降,因此增长率应该是丁克人数的函数。接下来本文研究了“丁克”现象对我国未来五十年人口发展的影响,并预测了未来五十年中国人口的数量。考虑到中国城乡二元结构的差异性,可将该问题分为城镇、乡村两个系统进行考虑,建立基于人口增长微分方程的数学模型,并可通过曲线拟合的方式利用相关数据分别得到城市、村镇的性别比和生育率随时间变化的函数关系式,继而可进一步得到加入“丁克”影响因子的人口综合净增长率,求出“丁克”影响下中国人口的变化,根据模型预测中国未来五十年人口数量,并检验模型精度。三、模型的假设1、假设近期经济发展过程没有跳
6、跃式变化2、不考虑生存空间等自然资源的制约,意外灾难等因素对人口变化的影响;3、政府政策较长时期基本不发生重大变化4、假定人口的发展因素也决定事物未来的发展,其条件是不变或变化不大5、假设所取数据能真实的反映我国人口的实际情况四、符号说明P(t) t年时丁克人口数K(t) 第t年时丁克人口占全国总人口的最大百分比G(t) t时刻我国人口总数 第年、年龄小于的人口数,即人口分布函数 人口密度函数 第年年龄在区间内的人数 第年年龄的人的死亡率 第年在内单位时间死亡人数五、模型的建立与求解5.1模型I:马尔萨斯(Malthus)模型5.1.1模型的建立首先,假设只考虑丁克人口的基数和自然增长率,其他
7、因素的影响暂不考虑,则在t到t+t这段时间内丁克人口增长为P(t+t)-P(t)=rt, P(t)P(t)t,由此,即得丁克人口满足的微分方程= rt, P(t)P(t) (1.1) 式(1.1)函数形式简单,但由于自然增长率rt, P(t)的不确定性,比较难于求解。模型II中会进一步探讨。在此设rt, P(t)=r(常数),则 = rP(t) P(t) = P (1.2)5.1.2模型的求解对式(1.2)进行求解,其解为 P(t)= Pe (1.3) 即丁克人数按指数规律增长。5.1.3结果分析依据模型的求解结果,可以推知,当t时,丁克人数也将趋于无穷,我们国家人口数将会达到下降趋势,并趋于
8、0,这显然不符合现实规律。当丁克人数达到一定数量时,我们国家将要采取一些措施,控制丁克人口增长,使我们国家人口数量趋于平衡以适应国家经济发展及社会稳定。5.2模型II:丁克率logistic增长模型5.2.1模型的建立丁克现象是最近几年才在国内兴起,最近未来几十年人数应当增加较快,但发展到一定程度时,国家政府机关、自然资源、环境条件对丁克人口增长起着阻滞作用,即阻滞因素会增大,最后增长会趋于平缓,甚至有可能下降,且根据实际因素考虑,丁克人口所占比例不会超过50%,考虑采用logistic 模型。阻滞作用体现在对丁克人口增长率r的影响上,使得r随着丁克人口数量P的增加而下降,因此增长率应该是丁克
9、人数的函数。若设丁克人数达到所占我国人口一个最大比K时,即丁克人口最大值KG(t),(G为t时刻我国人口总数),而此时丁克人数就可以描述为r(1-)P,从而模型改进为 = r(1-)P P(0) = P (2.1) 对r(P)的一个最简单的假定,设r(P)为P的线性函数,即:r(P)=r-mP (r0,m0)其中,r称为固有增长率,表示人口很少时的增长率,为了确定系数m的意义,引入在有阻滞因子存在的条件下所能容纳的丁克人口数KG(t),称为丁克人口容量。当P=KG(t)时,丁克人口不再增长。即增长率r(K G(t)=0时,得到如下函数: r(P)=r(1-) (r0,m0) (2.2)本文考虑
10、到现在没有丁克人数的一个最大值,此时,分别根据所收集到的数据进行分析。根据国家统计局网站相关报道,我国现阶段城镇人口比重为45.7%,乡村人口比重54.3%,人口区域结构城市化进程不断加快,由国家人口发展战略研究报告战略目标表明,到2020年,城镇化率提高到53%。因此本文把丁克人口所占最大比例分为城镇和乡村两个方面考虑。根据近几年来的调查报告表明我国一些大中城市现如今丁克人数已占12.4%。零点调查与指标数据网最近的一次合作研究结果表明:与1997年的同题调查结果相比,选择丁克(DINK)家庭的人数比例上升了1.1%,由于没有大量的数据事实,再加上城镇化进程加快,于是预测城镇丁克所占最大比为
11、11.8,乡村由于受传统的生育观念影响较深,人口素质偏低,在这里预测丁克所占最大比例为0.6,此时假设近几年来我国人口发展稳定,通过多次假设求解,根据城乡的差异,本文分别推测出城镇丁克人数、乡村丁克人数所占我国人口最大比例。得到在各种阻滞因子的影响下,人口增长的微分方程模型如下: (2.3)这里假设五十年后城镇化率达到55%,城镇丁克人数、乡村丁克人数所占我国人口最大比例分别为K=55%*11.8+45%*0.6=6.76根据国家人口发展战略研究报告我国到本世纪中叶,人口峰值控制在16亿人左右,之后人口总量缓慢下降,此时相对应的最大丁克人口数为:K G(t) =16*6.76=1181万5.2
12、.2 模型的求解5.2.2.1求解结果对上述模型,可以用分离变量法求解得到 P(t)= (2.4)根据上式,可求得: r=0.1054。根据已有数据进行丁克人口数求值,即得出1990年-2009年丁克人口数据。见表1表1 1990年-2009年中国丁克人口数据预测(单位:万)年份19901991199219931994丁克人口预测值34.197238.077342.378647.142352.4127年份19951996199719981999丁克人口预测值58.236764.664471.748379.543288.1057年份20002001200220032004丁克人口预测值97.49
13、38107.7658118.9796131.1914144.4542年份20052006200720082009丁克人口预测值158.8166174.3208191.0005208.8791227.9677代入数据,通过利用软件和对过去的丁克人口数进行求解,在其结果较为合理的情况下,又对未来50年内的丁克人口数进行了预测,得到表2。表2我国未来五十年丁克人口预测值(单位:万)年份丁克人口预测值2010248.26282015366.49612020503.97762025641.90512030761.23952035851.96422040914.38462045954.4404205097
14、9.00612055993.655420601002.24585.2.2.2 结果分析求解结果得到在2002年丁克人口数为118.9796万,根据国家有关部门调查,2002年我国丁克人口达到120万人。通过利用MATLAB软件对我国未来丁克人数发展趋势进行图象模拟,从视觉上更直观的看出未来丁克现象的影响。图1 我国未来丁克人数发展趋势5.3 模型III 基于引入丁克系数的人口增长预测模型 5.3.1 相关数据研究1. 考察历史上经典的人口模型(如Malthus模型)人口的增长率主要取决于出生率、死亡率。因此,我们需要首先对这些相关数据进行搜集、处理。(千分比)表3 出生率、死亡率与自然增长率历
15、史数据年 份出生率死亡率自然增长率年 份出生率死亡率自然增长率197818.256.2512.00199417.706.4911.21198018.216.3411.87199517.126.5710.55198120.916.3614.55199616.986.5610.42198222.286.6015.68199716.576.5110.06198320.196.9013.29199815.646.509.14198419.906.8213.08199914.646.468.18198521.046.7814.26200014.036.457.58198622.436.8615.5720
16、0113.386.436.95198723.336.7216.61200212.866.416.45198822.376.6415.73200312.416.406.01198921.586.5415.04200412.296.425.87199021.066.6714.39200512.406.515.89199119.686.7012.98200612.096.815.28199218.246.6411.60200712.106.935.17199318.096.6411.452. 出生率又取决于育龄妇女的生育率及育龄妇女在总人口中所占的比例。下表是1995-2005 年间城市、村镇育龄妇
17、女的生育率(千分比)。 表4 1995-2005 年间城市、村镇育龄妇女的生育率类型城市村镇199537.27154.505199656.6157.83199737.7755.79199836.2253.63199935.150.9200033.59148.256200131.0346.3200226.6845.17200326.744.3200429.1343.56200526.339.92用MATLAB绘制条形图如图2 1995-2005 年间城市、村镇育龄妇女生育率条形图 从中可以看出,城市、村镇育龄妇女生育率最近几年均呈下降趋势,但下降已趋于缓和。总体的趋势是,育龄妇女生育率城市村镇。
18、考虑到中国社会结构的二元性和二者发展规律的不同,我们在建立模型的过程中有必要将其分离开来讨论。3.出生人口性别比:图表6 是1994-2005 年间市镇乡出生人口男女性别比(以每100 个女性有多少男性记录)。表 5 19952005年城镇乡出生人口男女性别比类型城市村镇1995111.9113.41996111.7113.71997108.6111.61998110.7111.71999109.3112.32000111.5111.520011091122002111.3111.32003111.9113.92004114.4116.42005113.8115.8用MATLAB画出散点图:图
19、319952005年城镇乡出生人口男女性别比国际惯例比例在105:100 左右大致可视为正常,而从上图的数据来看我国的男女性别比例远超过这个数值,这说明我国男女比例失衡问题十分严重,长此发展下去将导致育龄妇女在总人口中的比例的减少,从而造成出生率下降,影响人口增长。因此,我们的模型中还要将出生人口的男女性别比考虑进去。3. 死亡率:从19721999中国人口死亡率散点图我们得知:人口死亡率在相当长的一段时间内维持在常数0.006314附近。图4 19721999中国人口死亡率散点图5.农村人口城市化:随着我国城市化进程的不断发展和社会经济的不断进步,以及城乡两地人口出生率的差异,大量的农村人口
20、转化为城镇人口,这对中国人口的增长将造成很大的影响。因此,必须把这个因素考虑进去。5.3.2 模型的建立与求解5.3.2.1 说明鉴于我们研究的是在没有大的自然灾害、社会动荡因素及生物技术水平带来的医疗技术的巨大的突破情况下的人口发展模型,因此,可认为死亡率基本不变,但生育率会有较大变化。通过对大量文献的总结,我们认为人口数量受出生率,育龄妇女所占总人口的百分比、生育率等的影响。男女出生性别比例,直接关系到将来育龄妇女所占总人口的百分比,从而影响出生率,进而影响人口数量。由1994-2005 年人口数据可知:在短期内育龄妇女所占总人口的百分比波动不是很大,可以直接通过这些数据预测今后育龄妇女所
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