微分差分方程稳定性方法建模精.ppt
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1、微分差分方程稳定性方法建模第1页,本讲稿共77页微分、差分方程稳定性理论微分、差分方程稳定性理论n微分和差分方程的稳定理论,是研究方程微分和差分方程的稳定理论,是研究方程的解在自变量的解在自变量 t+时的发展趋势。反映时的发展趋势。反映在实际问题中,就是已知事物的现在状态,在实际问题中,就是已知事物的现在状态,希望了解其最终的发展趋势。希望了解其最终的发展趋势。n比如说准备修建拦河大坝,会对下游的河比如说准备修建拦河大坝,会对下游的河床及周围的生态系统产生怎样的影响?建床及周围的生态系统产生怎样的影响?建立稳定性模型可以对各种可能的最终结果立稳定性模型可以对各种可能的最终结果进行预测。进行预测
2、。第2页,本讲稿共77页微分、差分方程稳定性理论简介微分、差分方程稳定性理论简介常微分方程稳定性理论常微分方程稳定性理论差分方程稳定性理论差分方程稳定性理论第3页,本讲稿共77页一、常微分方程稳定性理论一、常微分方程稳定性理论1、一阶微分方程、一阶微分方程 方程右端不显含方程右端不显含t第4页,本讲稿共77页一阶微分方程一阶微分方程通常判断平衡点稳定性有两种方法,通常判断平衡点稳定性有两种方法,直接求解法直接求解法和和定性定性分析法分析法。定性分析法定性分析法1、若方程为线性,即、若方程为线性,即 f(x)=ax+b,则,则 a 0不稳定;不稳定;2、若方程为非线性,即、若方程为非线性,即 x
3、(t)=f(x),考虑,考虑 f (x0)。f (x0)0不稳定。不稳定。第5页,本讲稿共77页2、二阶微分方程、二阶微分方程所以讨论二阶微分方程的稳定性往往就归结为对二维一阶方所以讨论二阶微分方程的稳定性往往就归结为对二维一阶方程组的讨论程组的讨论第6页,本讲稿共77页二阶微分方程二阶微分方程求方程组的平衡点,即求解求方程组的平衡点,即求解下面设法给出下面设法给出P0稳定的判断准则。稳定的判断准则。第7页,本讲稿共77页二阶微分方程二阶微分方程首先将方程组线性化:首先将方程组线性化:其系数矩阵为:其系数矩阵为:第8页,本讲稿共77页二阶微分方程二阶微分方程二阶微分方程的稳定性由二阶微分方程的
4、稳定性由 p 和和 q 的正负决定。的正负决定。p 0 且且 q 0 时平衡点时平衡点 P0 稳定;稳定;p 0 或或 q 0 时平衡点时平衡点 P0 不稳定不稳定.第9页,本讲稿共77页3、一阶线性差分方程、一阶线性差分方程第10页,本讲稿共77页4、二阶线性差分方程、二阶线性差分方程第11页,本讲稿共77页5、一阶非线性差分方程、一阶非线性差分方程第12页,本讲稿共77页微分方程稳定性模型微分方程稳定性模型n可再生资源管理可再生资源管理n生态系统建模生态系统建模n差分形式的阻滞增长模型差分形式的阻滞增长模型n经济发展的蛛网模型经济发展的蛛网模型n军备竞赛模型军备竞赛模型第13页,本讲稿共7
5、7页一、可再生资源管理模型一、可再生资源管理模型n可再生资源可再生资源:与无限资源和有限资源相对而言。无限资源指阳光、空气等;有限资源指煤、铁等矿物和石油等。可再生资源指木材、粮食、蔬菜、肉类等,虽然有限,但可以再生。n建模目的建模目的:研究如何管理可再生资源才能使人类最终有尽可能多的收获。第14页,本讲稿共77页1 1、问题背景、问题背景渔场的矛盾渔场的矛盾渔场如果很少捕捞,那么经济效益会减少;如果捕捞太频繁或者太多,又会导致鱼群总数大量减少,影响渔场今后的产量。问题分析问题分析只有在“捕捞量=鱼的增长量”时,渔场的鱼量才能保持稳定。设法给出渔场鱼量变化规律,分析鱼量稳定的条件,并据此讨论:
6、如何制订捕捞策略才能使渔场的效益实现最大化?第15页,本讲稿共77页2 2、渔业资源开发模型、渔业资源开发模型记x(t)为t时刻渔场中的鱼量。在没有捕捞的情况下,鱼量的增长可以视为有限环境中生物种群的增长,即可以用Logistic模型来描述:第16页,本讲稿共77页2.1 2.1 假设假设(1)在无捕捞条件下,鱼的自然增长量服从上面的Logistic规律;(2)在有捕捞情况下,需要在Logistic模型中减去一个h(x,t),即单位时间的捕捞量。捕捞量函数反映的就是捕捞策略。通常的捕捞策略有两种:一是固定限额捕捞,即h(x,t)是一个常数;二是固定努力量捕捞,即取函数h(x,t)=Ex,E为常
7、数,表现的是捕捞努力程度。第17页,本讲稿共77页2.2 2.2 构造模型(构造模型(ScheaferScheafer模型)模型)对于这个模型,我们希望能分析出渔场应该使鱼量保持在怎样的一个水平上,以及怎样才能保持鱼量的稳定,即给出 t+时,x(t)的变化趋势。根据假设(根据假设(2),建立模型:),建立模型:第18页,本讲稿共77页2.3 2.3 平衡点与稳定性分析平衡点与稳定性分析令F(x)=r x(1-x/N)Ex=0(求平衡点)得到两个解:x0=N(1-E/r),x1=0两个平衡点的稳定性及稳定条件:考虑F (x)=r-E-2rx/N:F(x0)=E-r,F(x1)=r-E。由此可知:
8、若Er,则F(x0)0,x0稳定而x1不稳定;若Er,则F(x0)0而F(x1)0,x0不稳定而x1稳定。第19页,本讲稿共77页2.4 2.4 捕捞策略捕捞策略有了捕捞原则Er,如何使每年的捕捞量Ex都能达到最高?设法给出明确的捕捞策略,即确定每年的最佳捕捞量。分别记f(x)=rx(1-x/N),h(x)=Ex。直线族与抛物线的交点都是稳定平衡点。y=E1xy=E0 xy=r xOyxNx1N/2第20页,本讲稿共77页2.5 2.5 结论结论将捕捞能力控制在鱼群自然增长率的一半左将捕捞能力控制在鱼群自然增长率的一半左右,即右,即E r/2,或者单位时间内只捕捞总鱼量,或者单位时间内只捕捞总
9、鱼量的一半,都能保证渔场长期产量的最大化。的一半,都能保证渔场长期产量的最大化。根据这里的分析结果,我们可以调整捕捞努力量,根据这里的分析结果,我们可以调整捕捞努力量,实现长期的产量最大化。实现长期的产量最大化。可是产量最大化是渔场的目标吗?渔场的真正可是产量最大化是渔场的目标吗?渔场的真正目标是实现效益的最大化。这时需要对模型进目标是实现效益的最大化。这时需要对模型进行调整。行调整。第21页,本讲稿共77页3 3、最大经济效益模型、最大经济效益模型 综合考虑渔场捕捞成本捕捞成本和捕捞量捕捞量及鱼的鱼的市场价格市场价格,给出投入、产出之间的最优结合点。第22页,本讲稿共77页3.1 3.1 假
10、设假设(1)收获的单位鱼量价格为p(固定);(2)渔场捕捞成本与捕捞能力投入成正比,单位捕捞能力投入的费用为C。根据假设,渔场收入=p h(x),成本=C E,从而渔场的经济效益=pEx CE=(px C)E=R。现在的问题:求现在的问题:求E E,使渔场的经济效益最高。,使渔场的经济效益最高。第23页,本讲稿共77页3.2 3.2 模型分析模型分析产量稳定下来后,渔场的收益R=pExR-CE=pEN(1-E/r)-CE令R(E)=0,即R(E)=pN-C-2pNE/r=0E=1-C/(pN)r/2,xR=N(1-E/r)=N/2+C/2p,h(xR)=ExR=1-C2/(p2N2)rN/4。
11、E=r/2,x0=N/2h(x0)=rN/4第24页,本讲稿共77页3.3 3.3 结论结论在最大经济效益原则下,渔场的捕捞能力投在最大经济效益原则下,渔场的捕捞能力投入入 E 和长期产量和长期产量 h(x)都应该比最大产量模型都应该比最大产量模型稍低。同时,渔场鱼的保有总量略有增加。稍低。同时,渔场鱼的保有总量略有增加。也就是说,有的时候,产量最大并不能保证也就是说,有的时候,产量最大并不能保证收益最大,这在企业的经营当中是非常常见收益最大,这在企业的经营当中是非常常见的现象。的现象。第25页,本讲稿共77页4.4.盲目捕捞模型盲目捕捞模型假设经营者根本不顾长远利益,看到有利润就投入经营,没
12、有利润就放弃经营,这样会对渔场产生什么样的影响?这时经营者的决策完全是由利润决定的,只要有利润就捕捞,不考虑全局。考虑R(E)=pEN(1-E/r)-CE:令R(E)=0,得到Es=r(1-C/pN)。当E0,即有利可图,盲目经营者会继续增加捕捞能力,直到E Es,使R(E)0,即亏损经营。出现亏损,经营者又降低E第26页,本讲稿共77页盲目捕捞模型分析盲目捕捞模型分析Es=r(1-C/pN)是盲目捕捞情况下的临界状态,高于这个临界值则出现亏损,低于临界值则赢利。Es存在的条件:C C/N,相对于鱼的总量,鱼的价格必须大于成本才能保证临界点的存在。在没有科学经营策略的前提下,渔场应该始终把捕捞
13、能力控制在 Es 以下。在盲目捕捞情况下,渔场的稳定鱼量应该为:xs=C/p(将 Es 代入 x0 的表达式得到)第27页,本讲稿共77页盲目捕捞模型的结论盲目捕捞模型的结论在盲目捕捞情况下,渔场的稳定鱼量为:在盲目捕捞情况下,渔场的稳定鱼量为:xs=C/p注意:这个稳定鱼量由两个因素决定,一是捕捞成本,注意:这个稳定鱼量由两个因素决定,一是捕捞成本,二是鱼的价格。二是鱼的价格。这是一个典型的市场经济结果,捕捞量这是一个典型的市场经济结果,捕捞量(市场供应量市场供应量)、捕捞努力量、渔场最终稳定的保有量等等,完全由市捕捞努力量、渔场最终稳定的保有量等等,完全由市场的价格杠杆决定。场的价格杠杆决
14、定。完全自由的市场经济并不可取,现代经济应该是一完全自由的市场经济并不可取,现代经济应该是一种结合了宏观调控的市场经济。种结合了宏观调控的市场经济。第28页,本讲稿共77页二、两个生物种群的竞争模型二、两个生物种群的竞争模型考虑两个生物种群竞争同一种有限资源的问考虑两个生物种群竞争同一种有限资源的问题。在自然条件下,适应环境能力弱的种群题。在自然条件下,适应环境能力弱的种群将趋于灭亡,适应能力强的种群将增长到环将趋于灭亡,适应能力强的种群将增长到环境允许的最大数量。种群竞争模型现在已经境允许的最大数量。种群竞争模型现在已经被广泛地应用到描述企业、国家等社会实体被广泛地应用到描述企业、国家等社会
15、实体之间的竞争研究中。之间的竞争研究中。下面通过建立模型来解释这种现象,并分析下面通过建立模型来解释这种现象,并分析出现各种结局的条件。出现各种结局的条件。第29页,本讲稿共77页1.模型的建立模型的建立设同一环境中有甲、乙两个种群,设同一环境中有甲、乙两个种群,x1(t)、x2(t)分别记分别记t时刻时刻甲、乙种群的数量;甲、乙种群的数量;r1、r2为各自固有的增长率,为各自固有的增长率,N1、N2为各自环境最大容量。据此建立下面的模型:为各自环境最大容量。据此建立下面的模型:x1(t)=r1x1(1-x1/N1 -1x2/N2)x2(t)=r2x2(1-2x1/N1-x2/N2)其中其中
16、1,2 是非常关键的指标,反映一个种群对另是非常关键的指标,反映一个种群对另一种群的竞争能力。一种群的竞争能力。第30页,本讲稿共77页2.稳定性分析(竞争的结局)稳定性分析(竞争的结局)2.1 求平衡点求平衡点令令f(x1,x2)=g(x1,x2)=0,得到四个平衡点:,得到四个平衡点:P1(N1,0),P2(0,N2),P3(0,0),第31页,本讲稿共77页pq稳定稳定条件条件P1r1-r2(1-2)-r1r2(1-2)P2-r1(1-1)+r2-r1r2(1-1)P3-(r1+r2)r1r2P4r1(1-1)+r2(1-2)(1-1 2)-1r1r2(1-1)(1-2)(1-1 2)-
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