微分方程建模
总结一下,在一个典型的微分问题中,以下的步骤是必须的:
把用文字语言描述的情况转化为数
学语言
陈述所涉及的原则或物理定律
建立微分方程
给定条件
求微分方程的解
求出参数
问题的答案
对照实际问题检验你的答案,想想答案的合理性,不足之处怎么 解决。
如果以上步骤都完成了,问题也就解决了。
例子 例一:减肥问题 一个人怎样才能减肥呢?好象有许多方式,但归
3929000 5336000 7228000 9757000 13109000 17506000 23192000 30412000 39372000 50177000 62769000 76870000 91972000 107559000 123124000 136653000 149053000
第1节 建立微分方程模型
什么时候 这应该是两个问题:一是
需要建立微分方程
的模型?
二是怎样建立微分方程的模型.
在我看来,第一个问题是最关键的.
那么, 什么时候需要建立微分方程的模型呢?
这要从我们的问题入手,在实际问题中,有许多表示”导数”的词,如”速 率”、“增长”(在生物学及人口问题中)、“衰变”(在放射性问题 中)、“边际”(经济问题中)等等。“改变”、“变化”、“增加”、“减 少”这些词就是信号,要注意什么在变化,导数也许可以用上。
2、 符号: ——时刻的产卵数 ——时刻年龄组鱼的大小, ——鱼的平均自然死亡率。 ——年龄组鱼的产卵力, ——年龄组鱼的的平均重量, ——年龄组鱼的捕捞强度系数,
——产卵时刻 3、 数据 =0.8 ,单位:克 ,E称为捕捞努力量 =
4、 模型 1、 无捕捞时鱼的增长
, 其中 其中
2、 固定努力量捕捞下鱼的增长 由假设:此时,捕捞期为: 故 ,-----------------------------------------------(1) ,,-------------------------(2) 其中 ------------------------------------------------------------------(3) -----------------------------------(4) 其中
(后面的四组数据是由Dartmouth学院写作组加上的)
可以用这个公式来估计我国的人口极限:
可以如下求得:1980年5月1日,我国公布的人口 总数1979年底为97092万人,当时人口增长率为, 于是从而求得(亿),即我国人口极限约为19.42亿 人。
注: 1、 显然,技术的发展,对环境的考虑,以及
微分方程建模
微分方程已有悠久的历史,而且 继续保持着进一步发展的活力,其主 要原因是它的根源深扎在各种实际问 题之中。
NEWTON最早用数学方法研究二体问 题,其中需要求解的运动方程是微分 方程。他以非凡的积分技巧解决了 它,从而在理论上证实了地球绕太阳 的运动轨道是一个椭圆,澄清了当时 关于地球将坠毁于太阳的一种悲观论 点。
变化=输入-输出
如果这个模式出现时你能理解它,可能微分方程就近在眼前了。
其次,要注意:微分方程是一个在任何时候都正确的瞬时表达式。这 是问题的核心。如果你找到了表示导数的关键词,就要想去找、及之间 的关系。这个关系往往就是你要找的微分方程。
建立微分方程,还有几个问题要注意:一是单位,要保持单位的一 致;二是给定的条件,就是关于系统在某一特定时刻的信息。它们独立 于微分方程而存在,可以用它们来确定有关的参数。、
用此模型估算1700-1961年间的人口数目,在1961
年,地球人口总数约为,增长率约为a=2%/年。代 Nhomakorabea入(2):
exp(0.02(t-1961)) (3)
计算结果与人口实况竟然惊人地近似。地球的实际
人口在此期间每35年翻一番,而用此公式计算:翻
一番的时间为34.6年。
现在,让我们看一下未来,问题来了:当时, 计算结果,具体地,由此模型可以求得: 到2510 年,人口总数为2000亿左右,到2635年,人口总数 为1万8千亿,我们地球的总表面积约为1万8千6百亿 平方英尺,其中80%被水覆盖。想象看,将近4个 人在一平方英尺里不能动是什么感觉。
3929000 5308000 7240000 9638000 12866000 17069000 23192000 31443000 38558000 50156000 62948000 75995000 91972000 105711000 122775000 131669000 150697000
(3) 这个方程被称为群体增长的逻辑律。a、b称为群 体的生命系数,b与a相比是十分微小的。因此,当 p不是很大时,方程中-bp2与ap相比将微不足道,这 时,群体的增长是指数形式。当p很大时,-bp2这 一项就不能忽略了,它将阻滞群体的增长。 (3)的解为:
(4) 上式有极限:
(5)
这个值称为容纳量,或最大容许值。 这个结果告诉我们:不论初始值怎样,群体规模 总是趋于极限值, 其次时,单调增加。又
我们这里提供一个分析
由物理定律:
这里代表空气阻力,有以下公式:
其中代表阻力系数,A代表跳远者和空气接触的 面积,是空气密度, 通常取0.375; A=0.75;
,单位:,于是 , 令,可以用降阶法解此方程:
代入初始条件,得: 即: 设跳远者跳过距离距离所用时间为,则(注意)
从而
为了计算,需要Bob Beamo的参数,,则
因为其值很小,所以
我们关心的是差 因为4.2远小于55,所以Bob Beamon的世界记录主要是个人能力获得。
例三、AMCM1996的A题。
这里,我们只是来看一下本题的微分方程讨论: 最优捕鱼策略
1、 假设 1、 所有的鱼在下一年初进入另一年龄组 2、 产卵在8月初 3、 4龄以上的鱼全部死亡 4、 孵化在每年的产卵之后,在下个年头进入一龄鱼。
纳起来也就是物理或手术,而物理也不外乎两种: 一是减少摄入量,二是增加消耗量。
分析:若某人的食量是M卡/日,他每天的自动消 耗为A卡/日,他健身的消耗大约是B卡/公斤/日,假
设以脂肪形式存在的热量100%有效,而1公斤脂肪 含热量10000卡。看这个人的体重随时间变化情 况。
解:设这人时刻的体重为公斤 显然,体重每天的变化=吸收量/天-消耗量/天 取天 消耗量/天=AB 于是得到微分方程(注意单位):
社会发展趋势对生命系数a、b都有重要影响。所 以,每隔几年要重新估计他们的值。
(7) 下表是Pearl和Reed预测的美国人口与实际观测的 人口数,我们可以看出物合的程度非常好。
表中的结果是值得注意的,特别是,因为我们没
有把移民进入美国以及这期间美国五次卷入战争而
造成大规模人口波动算进去。
问题:由Pearl和Reed估计美国极限人口为约为2 亿,可近来美国人口却稳定在2.5亿,为什么?
t P
(6) 当时,即单调增加。 当时,单调减少。 因此,若,则应具有如右上图所示形状,可看 出:群体总数达到极限值一半之前是一个加速增长 时期,之后则是一个增长速度减慢的时期。 生物学家G. F .Gause对属于原生动物门的草履虫 做了一个实验,证实了这些预测。 为了把这个结果应用到人口预测中来,还是按 1961年 世界人口的数值来估计,当时,一些生态学 家已估算出,而,当时人口增长率为2%/年,故有 可算出,代入可算出地球上人口的极限值为 根据这个结果,1961年我们仍处于人口加速增长 时期,因为当时的人口还没达到预测极限的一半。 作为这个规律的另一个验证。Pearl和Reed利用美 国1790、1850和1910年的人口普查数据,求出及, 解出美国人口的简化函数为:
答案:技术的发展,对污染的考虑,以及社会发展趋势都对生命系 数a,b有重要影响,美国在二战以后经济的高速发展,及新技术革命,而 美国在世界霸权的形成,使得它可以廉价地使用全世界的资源,使得美 国的实际人口高于它的预测值。
表1 1790~1950年美国人口
年
实际数
预测数
误差
百分比
1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950
前言:怎样做数模?或:怎样完成一个数模题目?
1、 读懂问题 1、读懂问题本身, 2、读懂相应的背景资料, 3、寻找别人的解决方法。
2、 适当添加条件 就是添加假设,将问题可能的解析固定。
3、 建立模型 1、固定符号; 2、介绍原理; 3、数学模型;.
4、 求出答案 1、模型求解; 2、参数讨论
5、 还原实际问题 6、 适度的讨论:总结与发挥 7、 最后,写成文章 怎样写成文章呢?四个字:实话实说!或者:怎 么做的就怎么写。 8、 摘要 一篇数模文章的摘要和科技文章的摘要不同,它 要比较详细:应该包括:主要问题的主要模型, 主要的结果
鱼群的增长:由(1)(2)并注意到连续性(3)有 ----------------------------------------------------(5)
其中:,
捕捞量: 单位时间第龄鱼的捕捞数:
, 则全年的捕捞数 则K年总的捕捞量(重量):
第2 人口问题:一阶微分方程 节 的应用
咋一看,用微分方程来建立一个物种的增长模型几乎是不可能的, 因为任何一个物种的群体总是整数变化的,因而不可能是时间的连续函 数。不过,如果给定的群体很庞大,那么增加的单一个体和群体的规模 相比是很微小的。所以我们可以近似假设大规模群体随时间是连续可微 地变化,因而可用微分方程这一工具来研究。
自上世纪二十年代(特别是第二次世 界大战)以来,微分方程的应用范围 不断扩大并深入到机械、电讯、化 工、生物、经济和其他社会学科的各 个领域,各种成功的例子不胜枚举。