逻辑斯蒂方程
逻辑斯蒂方程是一种在许多领域中有着广泛应用的数学模型,下面我们通过树的生长过程的例子来说明该模型的建立过程.
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,绿荫底下已经可以乘凉了,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. 折中一下,我们假定它的生长速度既与目前的高度成正比,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(m),在(年)时的高度为,则有
, (1)
其中是比例常数,称此方程为逻辑斯蒂(Logistic)方程. 它是可分离变量的一阶常微分方程.
下面来求解方程(1). 分离变量得
,
得 或 ,
故所求通解为
,
其中的是正常数.
函数的图像称为Logistic曲线. 如图所示的是一条典型的Logistic曲线,由于它的形状像,一般也称为曲线. 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.
注:Logistic的中文音译名是“逻辑斯蒂”. “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S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. 开始时患病的人少因而传染速度较慢;但随着健康人与患者接触,被传染的人越来越多,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.
知识点查询
版权所有©佛山市数苑科技信息有限公司
数苑网 粤ICP备09146901号