中国人口增长模型.doc
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1、中国人口增长模型摘 要中国是一个人口大国,人口数量、素质、结构、分布等问题始终是制约我国发展的关键因素之一。对中国人口做出分析和预测是一个重要问题。近年来中国的人口发展出现了一些新的特点,老龄化的加速,影响中国的年龄结构;出生人口的性别比持续升高,影响出生率,使出生率不再按自然规律变化,又出现了新的态势;乡村人口城镇化,由于城镇的消费水平很高,孩子的教育费很高,沉重的教育负担让每个人都不堪重负,所以父母目前都不愿意多生。 所以我们对人口进行了研究和改进,并用MATLAB等数学工具做出人口增长曲线和出生率,死亡率,性别比例,男女比例,城镇变化的曲线和方程。从中得到的具体规律有如下:城乡镇生育率的
2、拟合图,总体反映了各种人群的生育率呈下降趋势。鉴于中国的人口新态势,人口的指数增长模型和阻滞增长模型已不能预测中国的人口发展,因为这些模型都只考虑人口总数和总的增长率,并且人口的指数增长模型中生育率和出生率都是恒定的。我们建立的其中之一的模型在此基础上把生育率和出生率都做成时间的函数并且涉及年龄结构。因为不同年龄人的生育率和出生率有很大的差别。两个国家或地区目前的人口总数一样,如果一个国家或地区年轻人的比例高于另一个国家或地区,那么,二者人口的发展状况将大不一样。此模型要考虑人口按年龄的分布,即除了时间变量外,年龄是另一个变量,虽然这是一个离散变量,但由于人口的总数很多,可以认为它是时间和年龄
3、的一个连续可微函数,用偏微分方程描述其特点,便于理论分析。我们建立的另外一个模型是在指数模型的基础上,通过全面考虑影响人口增长率的各种因素,从而建立起可以敏感反映人口增长变化规律的模型。其优点为:这些影响因素都从人们的实际生活出发考虑,故可认为与年龄或其它无关,只是简单的关于年份的函数,这样就简化也优化了模型。总的说就是代入量少,反映程度敏感。这样建立模型既容易理解,又贴近现实。题目要求是要对中国人口增长的中短期,长期趋势进行预测,这也是我们建立模型的目的。中国人口的总变化趋势是:人口数量将会继续增加,只是增加的速度会在不同的年份段呈现不同的变化规律,如:经过预测可知,中国总人口量将会在203
4、5年左右达到又一峰值,则可知在2035年前,人口增长速度将会有一个大的提高,而在2035年后期峰值过后必会有一个人口增长速度的降低平缓过程。另外中国人口的其他表象因素如:老龄化程度,男女性别比例,乡村城镇化水平都有增长的趋势。总之,这两个模型都能达到预测的作用。在这两个模型的求解过程中,我们充分应用了 MATLAB 软件,省去了烦琐的演算过程。并且通过编写C+ 程序输入程序代码,避免了大量的手工录入,也方便数据的修改,从而使模型更实用,更方便推广。关键字:人口预测,出生率,死亡率,男女性别比例,老龄化,指数增长模型,阻滞增长模型 , 散点图 , 曲线拟合。(一)题的分析由于影响人口增长的因素比
5、较复杂,如果一开始把众多因素都考虑进去,将会非常困难。所以我们先考虑最重要的一些因素,如出生率,死亡率等,特别是要正确合理的使用现有的统计数据。关于人口的增长我们有一些现成的模型,比如属于连续性的微分方程模型,所以可以考虑将这些工具使用到这里。但关键的是怎样合理的使用这些结论,其中主要的也是最重要的任务就是确定相关参数,只要这个问题解决了,对未来人口的预测将会非常方便。而参数的确定可以利用已经有的人口数据加以分析处理,这将是本文的主要工作之一。另外根据已有的数据对所建的模型作出处理,也就是用离散化的方法通过作图,寻找变化规律,然后用经验模型来拟合,从而达到目的。现在我们从两个完全不同的角度探究
6、中国人口增长的问题,建立两个具有完全不同侧重面的模型,希望可以更好的解决这一问题。(二) 模型的具体介绍模型:下面这个模型是偏重社会化人性化的模型,具体如下:一, 摘要同上。二, 模型准备:为建立切合实际情况的中国人口增长模型,又希望此模型能够代入简单的易得到的数据,可以较准确的对中国中短期和长期的各方面的趋势做出预测。我们需要建立一个既,较完善的刻画了影响中国人口增长的各种因素,又趋于社会化的真正从人们的实际出发考虑人口增长本质的模型。为建立此模型,我们收集了历年来各种人口,社会数据以及社会常见现象的变化规律。我们需要通过对大量数据分析,比较,整和后,估计出所需要的估计参数值。具体有如下数据
7、:1人口的固有增长率 (整合历年来自然增长率得出的基值);2中国的极限承载人口数 (根据人口的领土的疆域面积推得);3医疗卫生条件改善程度的变化系数 (整合大量医疗卫生数据而得);4乡村城镇化水平的基础量 (此以年份基量1995为准);5乡村城镇化水平的变化系数 (整合历年来乡村城镇化水平的数据而得);三, 模型假设:前提假设:此模型只为便于研究预测中国人口的增长趋势,不具有太过准确的数理意义。1中国的资源有限,不妨设为“1”;一个人的正常生存需要占用资源 。且在 时刻人口增长的速率与当时的人口数成正比,为简单起见也假设与当时剩余资源 成正比,比例系数 表示人口的固有增长率。2为便于研究,假设
8、中国医疗卫生条件的改善程度是线性递增的,这也是符合实际的发展趋势的。3假设计划生育政策对人口增长的影响程度近似理解为一常数 。4假设男女比例失调对人口增长的影响程度也近似理解为一常数 。5假设人口迁入,迁出境外对人口的影响程度为“1”。在此理解为:通过大量出境入境中国的人口数据统计比较分析,二者可近似理解为动态变化平衡四 ,符号说明1,-时刻全国的总人口。(单位:人)2,-设中国总面积为1,则人均占有的资源为,其中为根据人口疆土面积土地极限承载人数。(单位:人)数值为163 ,-人口的固有增长率。数值为0.0837。4,-计划生育政策对人口的影响。数值为0.01987。5,-男女比例对人口的影
9、响。数值为0.01051。6,-医疗条件对人口的影响。数值为0.005922。7,-模型所研究的年份基量1995年的城市化水平数值为0.298,-乡村城镇化水平数值为0.014。9,-表示所研究的年份。(单位:年)五,模型的分析建立对于人口增长模型的研究,我们可供借鉴的有很多经典模型,如:Malthus 模型和 Logistic 模型。对其认真探讨分析,我们不难发现,究其主要缺点是:没有完备的考虑到可以影响人口增长的各种因素,只是单一的考虑某以因素或很少的因素,使得依照这些模型推得的人口总量与实际情况相差甚远。故我们要建立更加实用,有意义的模型,对多个影响人口增长的因素考虑是关键。我们不妨以
10、Malthus 模型为基础,通过添加更多因素的影响关系,逐步得出完美的模型:1我们首先具体看一下Malthus模型,它的假设条件和建立过程在多种书籍上均可直接查阅,在此不再赘述。我们直接看它的模型表达式: -由得:此时 表示人口增长率, 为常数且大于零。很明显的,在实际中人口增长率必部位常数,它与多种因素有关。那些因素就是通过影响人口增长率从而影响人口的总量变化。 2我们再深入的对 Logistic 模型进行分析研究的话,我们就会发现这个经典模型建立的关键思想。同样由于它的所有内容也可以在多种书籍上找到,我们在此也不再赘述。只说明一下从中得到的规律。为便于建立新模型,我们可直接利用它。究其本质
11、就是:将原人口模型中的常数人口增长率 现考虑进了资源的影响。理解它为人口数 P( 的函数,故而使模型更完备了些。我们可以沿用它的基本思维,在更多的考虑进去一些其他影响因素,从而建立更加完备的模型。具体分析如下:1/计划生育政策的影响。它本身与年份不具备明显的函数关系,所以可近似理解它为一常数。当然常数是通过大量数据整合估计出的,是具有合理性的。另外计划生育政策落实的越好,孩子的出生率就会降低,很明显的它对人口增长率是反比关系影响。男女比例失调的影响。由男女出生比例失调,导致男女总人口失衡影响结婚率,从而使生子率降低。它对人口增长率也是反比影响。乡村城镇化水平的影响,随着年份的推移,社会经济的发
12、展,明显的乡村城镇化水平会逐步提高,近似理解为它本身是年份的递增函数。另外我们不得不承认一些现象,由于受到城市高消费,环境等各条件的限制,生子率必然会有所降低。从而得出它对人口增长率也是反比影响。医疗卫生条件改善程度的影响。随着年份的推移,社会和经济的进步,医疗卫生条件会越来越好,由此我们可看出它本身与年份有递增关系。同时,医疗卫生条件的改善大大提高了老年人和婴儿的存活率,可看出它对人口增长率是正比影响。 现根据上述的分析,用直观的图表示: 考虑 再考虑 再考虑 再考虑再考虑 则可用多因素制约的r函数来代替指数增长模型中的 ,故可导出初步微分方程模型: 模型的解法如下:A= B= C= D=其
13、中AB,C,D均为常数。则1式可化为:化简为:对两边积分左边等于:右边等于: = = = 再设右边等于E,则由左边=右边,可得: 可化为: 既: 所以: 则: 总上所述,得我国的人口增长模型为:(,在此为随年份实际情况改变的实数量,它一般围绕在2左右变化,如1995到1997时为5.5/3,1998到2000为。两者是有其他影响因素综合估计出的比例参数)代入估计参数的具体数值,可得数据化的人口增长模型为:在实际计算中可对数据进行优化处理使容易计算且结果简单:如我们可处理模型优化成如下的形式:六,模型的验证与误差分析为了验证模型的实用性和合理性,我们用对比的方法进行分析,具体如下: t=1995
14、时,代入上述模型求的数值为:亿,同理依次代入年份可得其他数据。为了便于对比研究,将两列数据放入同一表格中,如下图: 年份P模型人数(亿)调查人数(亿)199512.21512.1121199612.24612.2389199712.26612.3626199812.51512.4761199912.53612.5786200012.56712.6743200112.60112.7627200212.83012.8453200312.85712.9227200412.87812.9658200512.9113.075我们通过仔细观察,对比,进行简单误差分析。我们需要对比同一年份的两组数据,找出差
15、距最大的与最少的两组即差距最大的一组是:时 亿普查数据 误差8.4 5.7 变化范围在5.7,8.4之间误差较小。 利用以上的数据,进行曲线拟合,如下图:程序如下:x=1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005y=12.215 12.246 12.266 12.515 12.536 12.567 12.601 12.830 12.857 12.878 12.91p=polyfit(x,y,3)x1=1995:1:2005;y1=polyval(p,x1);plot(x,y,*r,x1,y1,-b)P=-0.00796234.77
16、57-9547.86.3628e+006 七,模型预测我们建立模型的意义就是为了应用于实际。现我们根据此模型对中国做人口量的中短期,长期趋势进行预测。在这里我们规定:短期的时间间隔为10年,中期的时间间隔为20年,长期的时间间隔为50年,并且约定短,中,长期是相对于2005年定义的。为了得到较为准确的预测趋势,我们需要更多的数据。现我们选取各时期内几个典型的年份,代如模型并求值。利用上述数据并综合以前数据,进行曲线拟合得下图:P=3.1152e-009-3.7899e-0050.19211-519.347.897e+005-6.4041e+0082.1639e+011x=1995 1996 1
17、997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2010 2015 2020 2025 2035 2045 2055y=12.215 12.246 12.266 12.515 12.536 12.567 12.601 12.830 12.857 12.878 12.91 13.451 13.548 13.594 13.675 14.545 15.385 15.513p=polyfit(x,y,6)x1=1995:1:2060;y1=polyval(p,x1);plot(x,y,*r,x1,y1,-b)观察图,我们来归纳中国总人口增长的中短期,长期趋势:1
18、 短期趋势:从2005到2015年,中国人口总量将继续增加且增加的速度越来越快。2 中期趋势:从2005到2025年,中国人口将继续增加,增加的速度先较快后趋于平缓。尤其在2015到2025年间,中国总人口数量几乎持平。3 长期趋势:从2005到2055年,总体来看,中国热病口的总量将持续增加。只是增加的速度经历了:先快后慢然后更快的过程。尤其在2045年达到了中国人口总量的又一峰值,2045年后稍微有所下降,并且逐步平缓起来。4 补充:整体长久预测:2055年后,估计中国总人口将会呈现平缓趋势。依理推得世界人口也将会呈现平缓趋势。1 对于中国或世界,资源这一很重要的影响因素,其量毕竟是有限的
19、,全世界的人们都会想办法达到控制人口增加的目的。2 对于中国来说,随着社会经济的发展,可能会有越来越多的人移居到国外尤其是面积大人口少的国家。根据动态平衡分析,中国的总人口数(此处的“人口”指占有中国地域面积的人数)会呈平缓变八,型的优缺点及其改进的方向(一) 模型的优点:方法直观,算法简单,实用,只需输入年份,就可求出年所需要的全国人数及增长率,方便快捷。模型的求解过程,所需的已知量较少。在假设的条件下,能够得到较理想的结果,并对中长期的预测也有较好的效果。解决问题的方法在其他类似的问题中也适用,有一定的借鉴价值。(二) 模型的缺点:在实际问题中仍存在较大的误差,尤其是对中长期的预测。没能够
20、全面的解决人口的各类问题,在以后还会出现新的问题,要想综合全面的了解和解决人口面临的各类问题,该模型还需要改进完善。九,模型的推广由于时间的关系影响模型的因素还有许多没考虑进去,要想全面的解决人口问题还需在以后的实践中发现问题解决问题,如果把影响人口的所有的因素考虑进去并对此模型进一步的完善。例如,把政策,环境,国际形势,自然灾害,等因素加到模型中,对准确预测人口以后的发展趋势将更加准确和全面,在加上政策方面的针对性注意等,人口的控制将更加具有可操作性。那时此模型将边的更加重要。模型:此模型从数理的角度考虑,利用函数关系,偏微分方程等数学知识建立的模型。一摘要同上二模型假设 人的最高年龄为90
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