Динамика популяций. Фазовый портрет динамической ситемы.

  Вся электронная библиотека >>>

 Экология и безопасность жизнедеятельности >>

 

Учебники для вузов

Экология и безопасность жизнедеятельности


Раздел: Экономика

9.2. Динамика популяций

 

В современной экологии часто возникает вопрос: как определить численность той или иной популяции через определенное время? Ответ на него не только представляет теоретический, интерес, но и имеет большое практическое значение. Действительно, не зная этого, нельзя правильно планировать эксплуатацию различных возобновляемых природных ресурсов – промысловых рыб, охотничьих угодий и т.п. Может ли в решении этого вопроса помочь математика? Оказывается, да. Рассмотрим здесь некоторые простейшие модели, на которых проиллюстрируем подход к данному вопросу.

Пусть некоторая популяция имеет в момент времени t0 биомассу x0. Предположим, что в каждый момент времени скорость увеличения биомассы пропорциональна уже имеющейся биомассе, а возникающие явления конкуренции за источниками питания и самоотравления снижают биомассу пропорционально квадрату наличной биомассы. Если обозначить биомассу в момент времени t через х(t), а изменение ее за время t через х, то можно записать следующее приближенное равенство:

 

*х≈(kх-αх2) t,                     (9.1)

 

где α и k положительные постоянные (параметры).

В дифференциальной форме это соотношение имеет вид:

 

.                      (9.2)

 

Оно и представляет собой математическую модель процесса изменения биомассы популяций. В экологической литературе уравнение (9.2) часто называют логистическим.

Если теперь поставить вопрос о том, какова же будет биомасса в момент времени Т, то на него можно ответить экспериментально – дождаться этого момента и определить биомассу непосредственным измерением (вообще говоря, такое измерение может быть физически неосуществимым).

Другой путь – воспользоваться математической моделью, решая задачу Коши для уравнения (9.2) с начальным условием (9.3):

x(t0)=x0.                      (9.3)

 

Разделяя в уравнении (9.2) переменные, получим уравнение в дифференциалах

.                   (9.4)

Для дальнейшего удобно ввести новую переменную

 

z=αх,                     (9.5)

 

тогда (9.4) можно переписать в виде

                     (9.6)

Возвращаясь к исходному уравнению (9.2), заметим, что если x0= (т. е. z0=k), то задача Коши имеет решение x(t)x0 (рис. 9.1). Если x0 <, то уравнение (9.6) интегрируется следующим образом

ln zln(k-z)=ln z0- ln (k-z0)+k(t-t0),

откуда

,                   (9.7)

значит,

, t > 0             (9.8)

 

Если x0 > , то аналогично предыдущему случаю снова получаем формулу (9.8). Дифференцируя (9.8) по t, имеем

 

,                 (9.9)

 

откуда вытекает, что при x0 <  график функции х(t) монотонно возрастает, а при x0> – монотонно убывает, причем оба графика имеют горизонтальную асимптоту х= (рис. 9.1). Мы не приводим здесь элементарную, но громоздкую формулу второй производной d2x/dt2, показывающую, что верхний и нижний графики имеют по одной точке перегиба.

Мы рассмотрели весьма упрощенную ситуацию, так как предполагали, что популяция не взаимодействует ни с какими другими популяциями, учет же этого обстоятельства, конечно, значительно усложняет модель.

 

Рассмотрим одну из таких моделей. Будем обозначать биомассы двух популяций через х и у соответственно. Предположим, что обе популяции потребляют один и тот же корм, количество которого ограничено, и из-за этого находятся в конкурентной борьбе друг с другом.

Французский математик В. Вольтерра в 1926 г. показал, что при таком предположении динамика популяций достаточно хорошо описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

,                (9.10)

 

где  – определенные положительные числа.

Первые члены правых частей системы (9.10) характеризуют скорость роста популяций при отсутствии ограничивающих факторов. Вторые члены учитывают те изменения в скоростях, которые вызываются ограниченностью корма.

Задавая различные значения параметров, с помощью системы (9.10) можно описать взаимодействие двух популяций, одна из которых – хищник, а другая – жертва [36]. В литературе [47] более подробно описаны математические аспекты исследования системы (9.10).

Прежде чем исследовать, как будет вести себя система (9.10), заметим, что в любой момент времени t ее состояние полностью описывается значениями х и у: каждому состоянию системы соответствует некоторая точка (х, у) на плоскости хОу, называемой «фазовой плоскостью». Каждой точке фазовой плоскости можно поставить в соответствие вектор (стрелку на рис. 9.2) с координатами, которые являются правыми частями системы, указывающий направление движения в этой точке. Проведя из начальной точки линии, касательные этим векторам, получим траектории, по которым будет происходить движение системы, т. е. решения задачи Коши для системы (9.10) с начальными условиями

x(t0)=x0, y(t0)=y0,          (х00)Î х0у.      (9.11)

 

 

Чтобы составить представление о траекториях движения системы, построим линии, на которых  х=0 (здесь векторы параллельны оси Оу) и у = 0 (здесь векторы параллельны оси Ох). Для краткости обозначим производную  – через х, а  – через  у. Имеем

х=0, когда ,

у=0, когда ,

т. е. х = 0 на двух прямых в фазовой плоскости:

х=0 и =,

а у=0 также на двух прямых:

у=0 и = (рис. 9.2, 9.3).

По этим рисункам можно сделать следующие выводы. В обоих случаях имеем три стационарные точки, в которых одновременно х=0 и у=0, а именно: (0,0), (0, ) и (0, ), которые по известной классификации являются узлами. При этом, если >  (рис. 9.2), то устойчивым является только узел (, 0), а если <  (рис. 9.3), то узел (0, ). Таким образом, если > , то вторая популяция вымирает, y(t) → 0, t, а первая стабилизируется, x(t) →, t. Если же < , то имеем обратную картину:  первая популяция вымирает, x(t) → 0, t, а вторая стабилизируется, x(t) →, t. Наконец, если ==, то кроме неустойчивого узла (0,0) имеем линию стационарных точек – отрезок прямой  = (рис. 9.3).

 

В дальнейших рассмотрениях будем для простоты считать, что k1=k2=k и ε1= ε2= ε. Тогда, деля второе уравнение системы (9.10) на первое, получим =, откуда

,                  (9.12)

 

т. е. траекториями являются отрезки прямых, выходящих из начала координат (рис. 9.4). Обе популяции не вымирают и численность их стабилизируется к значениям, которые можно найти как координаты пересечения прямых =  и y = , откуда

           (9.13)

 

 

К содержанию книги:  Экология и безопасность жизнедеятельности

 

Смотрите также:

 

Экологическое право. Вопросы и аспекты  "Экологическое право. Право окружающей среды"   "Экологическое право"   "Экологическое право" 

 

Цены и ценообразование   Цены и ценообразование  "Финансовое право"   "Хозяйственное право"

 

ЭКОЛОГИЯ — наука, изучающая условия существования живых организмов ...

Впервые термин «экология» был использован нем. биологом Э. Геккелем в 1866 г., однако наиболее активное развитие Э. началось лишь в 30-х гг. 20 в. ...
www.bibliotekar.ru/624-7/67.htm

 

Экономические основы решения экологического, сырьевого и ...

На уже функционирующие международные и региональные экологические организации ... Экология в последнее время стала постоянным объектом. ...
www.bibliotekar.ru/biznes-38/87.htm

 

Влияние урбанизированной жилой среды на условия проживания и ...

Рассмотрение экологических проблем с современных позиций позволяет утверждать, что ухудшение окружающей природной среды не является...
www.bibliotekar.ru/zhilishe/2.htm

 

Оценка общей экономической ценности природных территорий

Экологические системы и особо охраняемые природные территории .... с определением хозяйственной и экологической ценности природных ресурсов. ...
www.bibliotekar.ru/biznes-8/85.htm