[理学]生态岛平衡数模论文.doc
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1、生态岛平衡摘要 本文就生态岛上植物、麋鹿和狼三个种群的平衡问题,建立模型未加干扰因素的捕食者被捕食者基本模型,运用龙格-库塔算法和Matlab数学软件,对植物、麋鹿和狼三个种群的数量随时间的变化进行定量的数值分析求解,这样我们就可以定量的预测未来若干年内狼和麋鹿的数量,解决了问题一。针对问题二,由植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图,我们定量的说明了该生态岛上的植物、麋鹿和狼三个种群最终将达到生态平衡,其种群数量将在(3500,125,30)上下波动,达到平衡的时间是48年。针对问题三,我们将在生态系统达到平衡的时候对不同麋鹿捕猎数量的生态平衡进行分析,运用Matlab数学软件作出植物、麋鹿
2、和狼的数量在捕杀后随时间的变化关系图,我们定量说明了:只要在平衡态时对麋鹿进行适量的捕杀,该生态系统最终都将在20年内恢复到平衡状态,植物、麋鹿和狼三个种群的数量将恢复到(3500,125,30),这也说明了该生态系统具有较好的自动调节平衡的能力。如果全部捕杀完麋鹿的话,那么狼也将在5.355年后灭绝,植物恢复到环境允许的最大容量7000株. 最后针对问题四,我们运用Matlab数学软件作图,我们定量说明了每当生态系统达到平衡后,捕猎麋鹿25只,该生态系统植物、麋鹿和狼的数量将在8年内恢复到平衡位置(3500,125,30),捕猎周期是8年。在推广模型中,我们建立了一个更加符合实际情况的有干扰
3、因素的捕食者被捕食者模型,加了高斯白噪声干扰因素后,使得该生态系统达到一个动态的平衡,而这一动态平衡为物种的进化提供了条件,更加符合实际情况。关键字: 生态平衡 Matlab 龙格-库塔算法 种群数量 高斯白噪声一、问题重述假设某岛上有一个很大的麋鹿群,它们靠岛上的植物为生,同时岛上还存在一个仅仅靠麋为生的狼群。有人对岛上麋与狼的数量进行了长期观察,通过定性分析画出了一个结构模型,如图1所示。这个结构模型启发我们:可以用这种食物链中的能量输入和输出的变化来描述植物、糜鹿和狼之间的数量关系。把食物链上每个分离环节中储存的能量定为模型的变量,经研究知道:一只狼平均具有37240千卡能量,一只糜平均
4、具有413000千卡能量。在植物环节里的平均生产率按可利用的入射太阳辐射能的3来估计,约为7500千卡米2年。食物链处于平衡状态时,各分离环节含有的能量可画成如图2所示的“能量金字塔”。该生态系统中个模块之间的能量转换如表1所示。设岛上现有狼45只,麋6000只。1. 建立数学模型预测未来若干年内狼和麋的数量。2. 试问该生态系统中麋鹿和狼能否达到生态平衡?或需要多长时间才能达到生态平衡?3. 假如希望在岛上开辟一个猎场,猎取一定数量的麋,会使该生态系统的生态平衡受到什么样的影响?或到达新平衡点需要多长时间?4就猎场规模及猎取麋的数量给有关部门写一份建议,以保持该岛的生态平衡。图1图2表1:
5、(基本数据单位:千卡/米2年)E10E20E30岛的面积 (米2)120000.540.0025564106F01F10F15F12F14F20F25F23F30F3575000.450.0550.0030.08531.610.50.2551.69.5二、基本假设1假设环境条件允许植物、麋鹿和狼种群数量有一个各自的最大值,即环境容纳量分别为,;2. 假设种群数量的增长是种群个体死亡与繁殖的共同作用结果,即简单利用净增长率来描述;3假设种群中每个个体处于同一水平,在种群增长的过程中个体的差异如年龄结构等不予考虑;4假设不考虑种群数量增长率的时滞效应;5假设当植物、麋鹿和狼都各自独立生存时,独立生
6、存规律遵从Logistic规律;三、定义和符号说明:t时刻植物种群的数量;:t时刻麋鹿种群的数量;:t时刻狼种群的数量;:植物的净增长率;:麋鹿净增长率的绝对值;: 狼净增长率的绝对值;:环境资源容许的植物的最大数量;:环境资源容许的麋鹿的最大数量;:是环境资源容许的狼的最大数量;:单位数量的麋鹿掠取植物量的比例;:单位数量的植物供养单位麋鹿量的比例; :单位数量的狼掠取单位麋鹿量的比例;:单位数量的麋鹿供养单位狼量的比例;四、问题分析和基本思路问题一分析:由于麋鹿、狼种群数量较大,可以认为种群总数是随时间连续变化的。我们先在Logistic模型基础上考虑种群之间的关系,建立模型无干扰因素的捕
7、食者被捕食者基本模型,再参考相关文献确定该生态系统的相关参数【1】,采用龙格-库塔算法,运用Matlab数学软件进行数值分析,作出植物、麋鹿和狼的数量随时间的变化的关系图,并同时作出麋鹿和狼的数量的演化相图,从而更加清楚的了解和预知麋鹿和狼种群数量的变化(见附录表一)。同时,我们还对平衡点的稳定性作了分析。在本文最后我们还做了一个更加符合实际的有干扰因素的捕食者-被捕食者模型(见附录程序二),该模型描述麋鹿、狼的数量随时间变化具有波动性,最终的平衡态也是稳定波动的,更加符合实际情况。问题二分析:在问题一中建立的无干扰因素的捕食者被捕食者基本模型上,利用Matlab数学软件绘图,我们可以看出该生
8、态系统能否达到平衡状态,什么时候能够达到平衡。问题三分析:同样道理,在问题一中建立的无干扰因素的捕食者-被捕食者基本模型上,利用Matlab数学软件绘图,改变程序(见附录程序一)的初始条件,作出植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图,这样我们可以从图像中看出该系统是否可以在打猎后再次达到生态平衡,以及再次达到平衡所需要的时间。问题四分析:我们知道一次性捕猎麋鹿的数量越多,得到的生物资源也越丰富,但同时生态系统再次恢复到平衡的时间也越长,甚至有可能破坏该生态岛的生态系统。所以有必要就问题三的结果,我们从一次性捕猎麋鹿的数量和生态系统恢复到平衡的时间两个角度考虑一次性捕猎麋鹿的数量,同时根据允许的
9、狩猎规模对有关部门写一份建议,以便于维护该生岛的生态平衡。五、无干扰因素捕食者-被捕食者基本模型(模型)5.1无干扰因素捕食者-被捕食者模型的建立由于麋鹿、狼种群数量较大,可以认为种群总数是随时间连续变化的。植物的增长模型:当仅考虑植物独立生存时,植物的增长模型为: (5.1)而植物又为麋鹿提供食物, 于是食物链中的植物增长模型应为: (5.2)麋鹿的增长模型:考虑到麋鹿没有植物的存在会灭亡,于是麋鹿独立存在时的增长模型为: (5.3)当考虑植物为麋鹿提供食物时,该式右端应加上植物对麋鹿的促进作用,而麋鹿的增长又受到自身的阻滞作用,于是麋鹿增长模型应改为: (5.4)另一方面麋鹿又为狼提供食物
10、,于是食物链中的麋鹿增长模型应为: (5.5)狼的增长模型:考虑到狼没有麋鹿的存在会灭亡,于是独立存在时的增长模型为: (5.6)麋鹿为狼提供食物,且狼的增长又会受到自身的阻滞增长作用,于是食物链中的狼的增长模型应为: (5.7)根据方程(5.2)(5.5)(5.7)我们得到植物、麋鹿和狼三者捕食者与被捕食的相互关系模型,即: (5.8)5.2模型参数的确定根据文献1提供的数据,我们得到有关参数如下5.3模型的求解由于模型中描述问题的微分方程组比较复杂,较难求解。于是我们选择龙格-库塔方法求微分方程组初值问题的数值解。龙格-库塔算法: 考察区间内一点用与两个点的斜率值和加权平均作为平均斜率,即
11、令式中的为待定系数。仍取,先用欧拉方法提供的预报值:然后用通过计算产生斜率值。这样设计出的计算格式具有形式: (5.9)其中含两个待定参数、,我们适当选取这些参数的值,使得格式(5.9)具有较高精度。 假定,分别将和做泰勒展开,有 代入(5.9)式可知和二阶泰勒展开式比较系数可以发现,欲使(5.9)的截断误差为,只要。 满足这一条件的一簇格式称为二阶龙格-库塔格式。特别地,当,时,龙格-库塔格式(5.9)就是梯形公式的预报-校正格式。上面讲述了单个方程的差分法,只要把和理解为向量,则所提供的各种算法即可推广应用到一阶方程组的情形。对于方程组令,以、表示节点上的近似解,则梯形公式的预报-校正格式
12、具有形式:预报 校正 相应的四阶龙格-库塔格式为算法的Matlab实现:利用Matlab软件求解捕食者与被捕食的相互关系模型(5.8),可以得到植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系如图5.1所示图5.1 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图为了更加清楚的看出植物、麋鹿和狼的数量在刚开始的几年时间内随时间的变化关系,我们对图5.1相应部分进行放大,得到图5.2 图5.2 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大)为了更加清楚的看出麋鹿和狼的数量最终的平衡情况,我们对图5.1相应部分进行放大,得到图5.3图5.3 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大) 为了更加清楚明了的观察
13、麋鹿和狼的数量随时间的变化关系和趋势,我们做出了麋鹿和狼的演化相图图5.4图5.4 麋鹿和狼的数量的演化相图为了更加清楚明了的观察植物、麋鹿和狼的数量随时间的变化关系和趋势,我们做出了植物、麋鹿和狼的三维演化相图图5.5 图5.5 植物、麋鹿和狼的数量的演化相图从图5.1可看出的变化情况, 随着时间的推移, 都趋于一个稳定值,从数值解中可近似得到该稳定值为:( 3500,125,30) 。5.4模型的稳定性分析根据微分方程组(5.8) 解代数方程组: (5.10)得到8个平衡点:000000000000为了达到生态系统平衡,3种生物中的某一种不至灭绝, 仅当平衡点中的 时才有实际意义,从上面8
14、 个平衡点可以看出, 只有 点才表明植物、麋鹿、狼在同一环境里相互依存而共生,下面将分析稳定的条件。由 点的表达式容易看出, 要使平衡点有实际意义, 即, 必须满足下面的条件: (5.11)我们不难验证前面MatLab 微分方程数值解所设的参数是满足以上条件的, 并且=(5250,78,11)这与数值计算的结果差不多, 表明为稳定平衡点。六、不同麋鹿捕猎数量的生态平衡分析在岛上开辟一个猎场,猎取一定数量的麋鹿,会使该生态系统的生态平衡受到影响。6.1捕猎100只麋鹿情况分析当原来的生态系统达到平衡时,麋鹿在125只上下波动,狼在30只上下波动,现在打猎100只麋鹿后,麋鹿只剩下25只,狼数量还
15、是30只左右。再用Matlab,作出植物、麋鹿和狼的数量在打完猎后随时间的变化图像: 图6.1 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图为了更加清楚的观察麋鹿和狼的数量在麋鹿狩猎后在头几年内随时间变化的关系图,我们对图6.1的相应部分做了放大处理,得到图6.2 图6.2 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大)为了更加清楚的观察麋鹿和狼的数量在麋鹿狩猎后再次达到平衡的情况,我们对图6.1的相应部分做了放大处理,得到图6.3 图6.3 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大)为了更加清楚的观察麋鹿和狼的数量随时间变化,我们做出了麋鹿和狼的演化相图,得到图6.4 图6.4 麋鹿和
16、狼的数量的演化相图为了更加清楚的观察植物、麋鹿和狼的数量随时间变化,我们做出了植物、麋鹿和狼的三维演化相图,得到图6.5 图6.5 植物、麋鹿和狼的数量的演化相图6.2捕猎124只麋鹿情况分析现在打猎124只麋鹿后,麋鹿只剩下1只,狼数量还是30只左右。再用Matlab,作出植物、麋鹿和狼的数量在捕猎完麋鹿后随时间的变化图像: 图6.6 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图 图6.7 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大) 图6.8 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大) 图6.9 麋鹿和狼的数量的演化相图 图6.10 植物、麋鹿和狼的数量的演化相图6.3捕猎125只
17、麋鹿情况分析现在打猎125只麋鹿后,麋鹿只剩下0只,狼数量还是30只左右。再用Matlab,作出植物、麋鹿和狼的数量在打完猎后随时间的变化图像: 图6.11 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图 图6.12 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大) 图6.13 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大) 图6.14 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图(部分放大) 图6.15 麋鹿和狼的数量的演化相图 图6.16 植物、麋鹿和狼的数量的演化相图综合上述三种比较有代表性的打猎情况,我们对其结果作了表6.1,以便于统计观察规律。表6.1捕捉麋鹿数量100124125系统是否平
18、衡是是否平衡时各种群数量植物350035007000麋鹿1251250狼30300结论:只要在平衡态时对麋鹿进行适量的捕杀,该生态系统最终都将在20年内恢复到平衡状态,植物、麋鹿和狼三个种群的数量将恢复到平衡态(3500,125,30),这也说明了该生态系统具有较好的自动调节平衡的能力。如果全部捕杀完麋鹿的话,那么狼也将在5.355年后灭绝,植物恢复到环境允许的最大容量7000株,这个结果符合自然生态系统的发展规律。七、干扰条件下的捕食者-被捕食者系统动态模型【2】模型是一种理想的情况,没有干扰。在模型的基础上,我们建立了模型。在模型里,我们考虑了外界的干扰和内部的涨落对系统演化的影响,即植物
19、、鹿和狼的演化同时都受到外界的干扰,那么考虑干扰之后的演化方程就变为如下: (7.1)式中,是描写干扰的三个无关联的高斯白噪声,代表外界环境或内部涨落对鹿和狼生长的影响,即噪声的影响。它们满足以下的统计性质: (7.2) 其中 为噪声(干扰)的强度。考虑外界环境干扰对系统演化的影响后,仍取上述参数;方程组(7.1)可写为: (7.3) 在方程组(7.3)的基础上,我们运用Matlab数学软件作出了分别在无干扰因素和有干扰因素存在的两种情况下植物、麋鹿和狼的数量随时间变化关系图,如下。 图7.1 植物、麋鹿和狼的数量随时间变化的关系图 为了更加清楚观察和对比干扰因素对生态系统的影响,我们作出了分
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