常微分方程考研讲义(4)

时间:2025-03-10

将上式改写为

dNdt

rN (1.12)

dNN

rdt

于是变量N和t被“分离”,两边积分得 lnN rt c

N cert (1.13)

c

其中c e为任意常数.(因为N 0也是方程(1.17)的解.

如果设初始条件为

t t0时,N(t) N0 (1.14) 代入上式可得c N0e

rt0

,.即方程(1.17)满足初值条件(1.19)的解为

r(t t0)

N(t) N0e

(1.15)

如果r 0,上式说明人口总数N(t)将按指数规律无限增长.将时间t以1年或10年离散化,那么可以说,人口数是以er为公比的等比数列增加的.

当人口总数不大时,生存空间、资源等极充裕,人口总数指数的增长是可能的.但当人口总数非常大时,指数增长的线性模型则不能反映这样一个事实;环境所提供的条件只能供养一定数量的人口生活,所以Malthus模型在N(t)很大时是不合理的.

荷兰生物学家Verhulst引入常数Nm(环境最大容纳量)表示自然资源和环境条件所容纳的最大人口 N(t) 数,并假设净相对增长率为r 1 ,即净相对增长率随N(t)的增加而减少,当N(t) Nm时,净

Nm

增长率 0.

按此假定,人口增长的方程应改为

dN

N r 1 N (1.16)dtNm

rN

2

这就是Logistic模型.当Nm与N2

Nm

与rN相比可以忽略,则模型变为Malthus模型;但Nm

与N相比不是很大时,

rN

Nm

这一项就不能忽略,人口增长的速度要缓慢下来.我们用Logistic模型.来预测

地球未来人数,某些人口学家估计人口自然增长率为r 0.029,而统计得世界人口在1960年为29.8亿,

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