稳定性模型(简略版).ppt

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1、第五章 稳定性模型,5.1 捕鱼业的持续收获5.3 种群的相互竞争5.4 种群的相互依存5.5 种群的弱肉强食,稳定性模型,对象仍是动态过程，而建模目的是研究时间充分长以后过程的变化趋势 平衡状态是否稳定。,不求解微分方程，而是用微分方程稳定性理论研究平衡状态的稳定性。,5.1 捕鱼业的持续收获,再生资源（渔业、林业等）与非再生资源（矿业等）,再生资源应适度开发在持续稳产前提下实现最大产量或最佳效益。,问题及 分析,在捕捞量稳定的条件下，如何控制捕捞使产量最大或效益最佳。,如果使捕捞量等于自然增长量，渔场鱼量将保持不变，则捕捞量稳定。,背景,产量模型,假设,无捕捞时鱼的自然增长服从 Logis

2、tic规律,单位时间捕捞量与渔场鱼量成正比,建模,捕捞情况下渔场鱼量满足,不需要求解x(t),只需知道x(t)稳定的条件,r固有增长率,N最大鱼量,h(x)=Ex,E捕捞强度,x(t)渔场鱼量,一阶微分方程的平衡点及其稳定性,一阶非线性（自治）方程,F(x)=0的根x0 微分方程的平衡点,不求x(t),判断x0稳定性的方法直接法,(1)的近似线性方程,产量模型,稳定性判断,x0 稳定,可得到稳定产量,x1 稳定,渔场干枯,E捕捞强度,r固有增长率,产量模型,在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使产量最大,图解法,P的横坐标 x0平衡点,P的纵坐标 h产量,产量最大,控制渔场鱼量为最大鱼量的一半,

3、效益模型,假设,鱼销售价格p,单位捕捞强度费用c,单位时间利润,在捕捞量稳定的条件下，控制捕捞强度使效益最大.,求E使R(E)最大,渔场鱼量,收入 T=ph(x)=pEx,支出 S=cE,捕捞过度,封闭式捕捞追求利润R(E)最大,开放式捕捞只求利润R(E)0,R(E)=0时的捕捞强度(临界强度)Es=2ER,临界强度下的渔场鱼量,捕捞过度,令=0,5.3 种群的相互竞争,一个自然环境中有两个种群生存，它们之间的关系：相互竞争；相互依存；弱肉强食。,当两个种群为争夺同一食物来源和生存空间相互竞争时，常见的结局是，竞争力弱的灭绝，竞争力强的达到环境容许的最大容量。,建立数学模型描述两个种群相互竞争

4、的过程，分析产生这种结局的条件。,模型假设,有甲乙两个种群，它们独自生存时数量变化均服从Logistic规律;,两种群在一起生存时，乙对甲增长的阻滞作用与乙的数量成正比;甲对乙有同样的作用。,对于消耗甲的资源而言，乙(相对于N2)是甲(相对于N1)的 1 倍。,模型,模型分析,(平衡点及其稳定性),模型,判断P0(x10,x20)稳定性的方法直接法,(1)的近似线性方程,种群竞争模型的平衡点及稳定性,不稳定,21,11,P1,P2 是一个种群存活而另一灭绝的平衡点,P3 是两种群共存的平衡点,11,21,P1稳定的条件 11?,11,21,稳定条件,结果解释,对于消耗甲的资源而言，乙(相对于N

5、2)是甲(相对于N1)的1 倍。,P1稳定的条件：11,21 甲的竞争力强,甲达到最大容量，乙灭绝,P2稳定的条件：11,21,P3稳定的条件：11,21,通常1 1/2，P3稳定条件不满足,5.4 种群的相互依存,甲乙两种群的相互依存有三种形式,1)甲可以独自生存，乙不能独自生存；甲乙一起生存时相互提供食物、促进增长。,2)甲乙均可以独自生存；甲乙一起生存 时相互提供食物、促进增长。,3)甲乙均不能独自生存；甲乙一起生存时相互提供食物、促进增长。,模型假设,甲可以独自生存，数量变化服从Logistic规律;甲乙一起生存时乙为甲提供食物、促进增长。,乙不能独自生存；甲乙一起生存时甲为乙提供食物

6、、促进增长；乙的增长又受到本身的阻滞作用(服从Logistic规律)。,模型,乙为甲提供食物是甲消耗的1 倍,甲为乙提供食物是乙消耗的2 倍,种群依存模型的平衡点及稳定性,P2是甲乙相互依存而共生的平衡点,5.5 种群的弱肉强食(食饵-捕食者模型),种群甲靠丰富的天然资源生存，种群乙靠捕食甲为生，形成食饵-捕食者系统，如食用鱼和鲨鱼，美洲兔和山猫，害虫和益虫。,模型的历史背景一次世界大战期间地中海渔业的捕捞量下降(食用鱼和鲨鱼同时捕捞)，但是其中鲨鱼的比例却增加，为什么？,食饵（甲）数量 x(t),捕食者（乙）数量 y(t),甲独立生存的增长率 r,乙使甲的增长率减小，减小量与 y成正比,乙独

7、立生存的死亡率 d,甲使乙的死亡率减小，减小量与 x成正比,方程(1),(2)无解析解,食饵-捕食者模型(Volterra),a 捕食者掠取食饵能力,b 食饵供养捕食者能力,x(t)的“相位”领先 y(t),模型解释,初值,相轨线的方向,模型解释,r 食饵增长率,d 捕食者死亡率,b 食饵供养捕食者能力,捕食者 数量,食饵数量,a 捕食者掠取食饵能力,捕食者数量与r成正比,与a成反比,食饵数量与d成正比,与b成反比,模型解释,一次大战期间地中海渔业的捕捞量下降，但是其中鲨鱼的比例却在增加，为什么？,rr-1,dd+1,捕捞,战时捕捞,rr-2,dd+2,2 1,食饵(鱼)减少，捕食者(鲨鱼)增

8、加,自然环境,还表明：对害虫(食饵)益虫(捕食者)系统，使用灭两种虫的杀虫剂,会使害虫增加，益虫减少。,食饵-捕食者模型(Volterra)的缺点与改进,Volterra模型,多数食饵捕食者系统观察不到周期震荡,而是趋向某个平衡状态,即存在稳定平衡点,有稳定平衡点,相轨线是封闭曲线，结构不稳定一旦离开某一条闭轨线，就进入另一条闭轨线，不恢复原状。,自然界存在的周期性平衡生态系统是结构稳定的，即偏离周期轨道后，内部制约使系统恢复原状。,食饵-捕食者模型(Volterra)的缺点与改进,r1=1,N1=20,1=0.1,w=0.2,r2=0.5,2=0.18,相轨线趋向极限环,两种群模型的几种形式,相互竞争,相互依存,弱肉强食,