逻辑斯谛方程是一种在许多领域有着广泛应用的数学模型,下面我们借助树的增长来建立该模型.
一棵小树刚栽下去的时候长得比较慢,渐渐地,小树长高了而且长得越来越快,几年不见,绿萌底下已经可乘凉了;但长到某一高度后,它的生长速度趋于稳定,然后再慢慢降下来. 这一现象很具有普遍性. 现在我们来建立这种现象的数学模型.
如果假设树的生长速度与它目前的高度成正比,则显然不符合两头尤其是后期的生长情形,因为树不可能越长越快;但如果假设树的生长速度正比于最大高度与目前高度的差,则又明显不符合中间一段的生长过程. 折衷一下,我们假定它的生长速度既与目前的高度,又与最大高度和目前高度之差成正比.
设树生长的最大高度为,在(年)时的高度为,则有
(1)
其中是比例常数. 这个方程称为 Logistic 方程.
方程(1)是可分离变量的分离变量得
,
得
或 ,
故所求通解为
,
其中是正常数.
函数的图象称为 Logistic 曲线. 如图所示的是一条典型的 Logistic 曲线,由于它的形状,一般也称为 S 曲线. 可以看到,它基本符合我们描述的树的生长情形. 另外还可以算得
,
这说明树的生长有一个限制,因此也称为限制性增长模式.
补充说明
Logistic的中文音译名是“逻辑斯谛”. “逻辑”在字典中的解释是“客观事物发展的规律性”,因此许多现象本质上都符合这种规律. 除了生物种群的繁殖外,还有信息的传播、新技术的推广、传染病的扩散以及某些商品的销售等. 例如流感的传染,在任其自然发展(例如初期未引起人们注意)的阶段,可以设想它的速度既正比于得病的人数,又正比于未传染到的人数. 开始时,患病的人不多,因而传染速度较慢;但随着健康人与患者接触,受传染的人越来越多,传染的速度也越来越快;最后,传染速度自然而然地渐渐降低,因为已经没有多少人可被传染了.
应用举例
人口阻滞增长模型 1837年,荷兰生物学家Verhulst提出一个人口模型
,
其中称为生命系数.
我们不详细讨论这个模型,只提应用它预测世界人口数的两个有趣的结果.
有生态学家估计的自然值是0.029. 利用本世纪60年代世界人口年平均增长率为2%以及1965年人口总数33.4亿这两个数据,计算得,从而估计得:
(1)世界人口总数将趋于极限107.6亿.
(2)到2000年时世界人口总数为59.6亿.
后一个数字很接近2000年时的实际人口数,世界人口在1999年刚进入60亿.