Dyskretne modele populacji



Podobne dokumenty
Dyskretne modele populacji

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Metoda Simplex bez użycia tabel simplex 29 kwietnia 2010

WNIOSKOWANIE W MODELU REGRESJI LINIOWEJ

Indeks odwzorowania zmiennej zespolonej wzgl. krzywej zamknietej

Ekonomia matematyczna i dynamiczna optymalizacja

Wyk lad 3 Wielomiany i u lamki proste

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L METODA HÜCKLA. Ćwiczenia. mm

Równania ró znicowe wg A. Ostoja - Ostaszewski "Matematyka w ekonomii. Modele i metody".

Wyk lad 9 Podpierścienie, elementy odwracalne, dzielniki zera

ANALIZA II 15 marca 2014 Semestr letni. Ćwiczenie 1. Czy dan a funkcjȩ da siȩ dookreślić w punkcie (0, 0) tak, żeby otrzymana funkcja by la ci ag la?

Wyk lad 14 Formy kwadratowe I

Wyk lad 12. (ii) najstarszy wspó lczynnik wielomianu f jest elementem odwracalnym w P. Dowód. Niech st(f) = n i niech a bedzie

Zagadnienie Dualne Zadania Programowania Liniowego. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

Liczby zespolone, liniowa zależność i bazy Javier de Lucas. a d b c. ad bc

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

ep do matematyki aktuarialnej Micha l Jasiczak Wyk lad 3 Tablice trwania życia 2

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Wykład z równań różnicowych

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

ep do matematyki aktuarialnej Micha l Jasiczak Wyk lad 2 Tablice trwania życia

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

SYSTEM DIAGNOSTYCZNY OPARTY NA LOGICE DOMNIEMAŃ. Ewa Madalińska. na podstawie prac:

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Sterowanie optymalne dla uk ladów nieliniowych. Zasada maksimum Pontriagina.

Rozdzia l 11. Przestrzenie Euklidesowe Definicja, iloczyn skalarny i norma. iloczynem skalarnym.

Zadania o liczbach zespolonych

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Wyk lad 6 Podprzestrzenie przestrzeni liniowych

Matematyka A, klasówka, 24 maja zania zadań z kolokwium z matematyki A w nadziei, że pope lni lem wielu b le. rozwia

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

y 1 y 2 = f 2 (t, y 1, y 2,..., y n )... y n = f n (t, y 1, y 2,..., y n ) f 1 (t, y 1, y 2,..., y n ) y = f(t, y),, f(t, y) =

z n n=1 S n nazywamy sum a szeregu. Szereg, który nie jest zbieżny, nazywamy rozbieżnym. n=1

Ekstrema funkcji wielu zmiennych.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Stabilność II Metody Lapunowa badania stabilności

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

EGZAMIN MAGISTERSKI, 18 września 2013 Biomatematyka

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

14 Modele z czasem dyskretnym

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Jeden przyk lad... czyli dlaczego warto wybrać MIESI.

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Proste modele o zªo»onej dynamice

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Zajęcia nr. 3 notatki

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

celu przyjmijmy: min x 0 = n t Zadanie transportowe nazywamy zbilansowanym gdy podaż = popyt, czyli n

Dwie proste mogą być względem siebie prostopadłe, równoległe albo przecinać się pod kątem innym niż prosty..

SZKO LA PODSTAWOWA HELIANTUS WARSZAWA ul. BAŻANCIA 16. Szeṡcian w uk ladzie wspȯ lrzȩdnych x, y, z GEOMETRIA PRZESTRZENNA STEREOMETRIA

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Pochodne cz ¾astkowe i ich zastosowanie.

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

Suma i przeciȩcie podprzestrzeń, suma prosta, przestrzeń ilorazowa Javier de Lucas

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

Wyk lad 5 W lasności wyznaczników. Macierz odwrotna

ci agi i szeregi funkcji Javier de Lucas Ćwiczenie 1. Zbadać zbieżność (punktow a i jednostajn a) ci agu funkcji nx 2 + x

Wyk lad 4 Macierz odwrotna i twierdzenie Cramera

Zestaw nr 6 Pochodna funkcji jednej zmiennej. Styczna do krzywej. Elastyczność funkcji. Regu la de l Hospitala

Zadania. kwiecień Ćwiczenia III. Zadanie 1. Uk lad A o energii E A skontaktowano termicznie z uk ladem B o energii E B.

W. Guzicki Próbna matura, grudzień 2014 r. poziom rozszerzony 1

Funkcje dwóch zmiennych

DZYSZKOLNE ZAWODY MATEMATYCZNE. Eliminacje rejonowe. Czas trwania zawodów: 150 minut

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Wprowadzenie do równań ró znicowych i ró zniczkowych.

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

na p laszczyźnie kartezjaṅskiej prowadzimy prost a o rȯwnaniu s 1. (1.1) s 0 + t 1 t 0

P. Urzyczyn: Materia ly do wyk ladu z semantyki. Uproszczony 1 j. ezyk PCF

Otrzymaliśmy w ten sposób ograniczenie na wartości parametru m.

Wykład z modelowania matematycznego.

ep do matematyki aktuarialnej Micha l Jasiczak Wyk lad 9 Analiza pewnego problemu i krótkie przypomnienie, czyli Powtarzanie jest matka nauki.

Rotacje i drgania czasteczek

FUNKCJE LICZBOWE. x 1

Pisemny egzamin dyplomowy. na Uniwersytecie Wroc lawskim. na kierunku matematyka. zadania testowe. 22czerwca2009r. 60 HS-8-8

FUNKCJA KWADRATOWA. Zad 1 Przedstaw funkcję kwadratową w postaci ogólnej. Postać ogólna funkcji kwadratowej to: y = ax + bx + c;(

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Grupy i cia la, liczby zespolone

Paradygmaty programowania. Paradygmaty programowania

Matematyka dyskretna dla informatyków

Wzory Viete a i ich zastosowanie do uk ladów równań wielomianów symetrycznych dwóch i trzech zmiennych

Wyk lad 3 Wyznaczniki

WYKŁAD 3. DYNAMIKA ROZWOJU

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Normy wektorów i macierzy

Matematyka A, egzamin, 17 czerwca 2005 rozwia zania

Wyk lad 14 Cia la i ich w lasności

W. Guzicki Zadanie IV z Informatora Maturalnego poziom rozszerzony 1

Rys Mo liwe postacie funkcji w metodzie regula falsi

Matematyka A kolokwium, 27 maja 2015, godz. 18:15 20:10

Transkrypt:

Dyskretne modele populacji Micha l Machtel Adam Soboczyński 19 stycznia 2007 Typeset by FoilTEX

Dyskretne modele populacji [1] Wst ep Dyskretny opis modelu matematycznego jest dobry dla populacji w których nie ma zjawiska zachodzenia na siebie pokoleń. B edziemy analizować modele opisywane przez uk lady dynamiczne postaci: x n+1 = f(x n ) Sztuka modelowania polega na umiej etnym dobraniu f(x) tak, aby powyższe równanie dobrze oddawa lo obserwowane fakty.

Dyskretne modele populacji [2] Przyk lady ważniejszych modeli liniowy x n+1 = rx n x n = r n x 0 liniowy logistyczny x n+1 = x n [1 + r((k x n )/K)]

Dyskretne modele populacji [3] Przyk lady ważniejszych modeli cd.. eksponencjalny logistyczny x n+1 = x n exp[r((k x n )/K)] z opóźnieniem(delay model) x n+1 = f(x n,x n T )

Dyskretne modele populacji [4] Prosty model rozwoju populacji Na wst epie rozważymy bardzo uogólniony model, który można zastosować przy charakeryzacji rozwoju populacji prymitywnych zwierz at. Zak ladamy, ze nasze zwierz eta rozmnażaja sie raz w roku. Znamy średni a ilość potomstwa przypadaj acego na samic e (s), oraz wspó lczynnik przyżywalności zwierz at przez rok życia (b). Zak ladamy, że ilość samców i samic jest jednakowa, wi ec możemy w naszym modelu rozważać tylko samice. Wówczas w n+1 - wszym roku życia naszej populacji jej liczb e b edzie można określić równaniem: x n+1 = s(1 + b)x n

Dyskretne modele populacji [5] Prosty model rozwoju populacji ptaków Poprzedni model opisywa l przyrost populacji bardzo prostych gatunków zwierz at które ca ly czas mia ly zdolność do reprodukcji. Niestety nie jest tak u ptaków. Ptaki możemy podzielić na 3 grupy, ze wzgledu na ich rozwój: piskl eta - opiekuj a sie nimi rodzice m lode ptaki - już nie opiekuj a sie nimi rodzice, ale nie maj a jeszcze zdolności do reprodukcji doros le ptaki - s a to ptaki, które przetrwa ly i maj a zdolność do rozmnażania

Dyskretne modele populacji [6] Prosty model rozwoju populacji ptaków Przy wyznaczaniu liczebności populacji musimy mieć dane nast epuj ace wskaźniki: b - średnia ilość piskl at na doros lego osobnika s c, s j, s a - wspó lczynniki przeżycia odpowiednio piskl at, m lodych i doros lych osobników C n+1 = ba n J n+1 = s c C n A n+1 = s j J n + s a A n

Dyskretne modele populacji [7] Model rozwoju populacji ptaków Poprzednie modele mia ly znacz ac a wad e, gdyż nie uwzgl ednia ly one maksymalnej pojemności środowiska. Mog lo dojść do takich sytuacji w których wielokość naszej populacji d aży laby do nieskończoności lub do zera, w zależnosci od naszych wspó lczynników. W naszym nowym modelu mamy wartość K, która odpowiada za pojemność naszego środowiska. Wówczas nasz model bedzie mia l postać: C n+1 = ba n J n+1 = s c (1 P n K )C n A n+1 = s j (1 P n K )J n + s a (1 P n K )A n

Dyskretne modele populacji [8] Populacje o rozmiarze sta lym po kilku pokoleniach Z punktu widzenia uk ladow dynamicznych i stabilności najbardziej interesuj a nas modele w których b edzie można przewidzieć sytuacje populacji po n-latach. W takich modelach bedziemy szukać punktów sta lych. Rozważmy nastepuj acy model: przy warunkach pocz atkowych: C n+1 = 2A n J n+1 = 0.8C n A n+1 = A n (1 A n 500 )J n + 0.7A n C 0 = J 0 = 0, A 0 = 100

Dyskretne modele populacji [9] Populacje o rozmiarze sta lym po kilku pokoleniach cd.. Obliczamy uk lad równań postaci: i otrzymujemy punkty sta le postaci: C = 2A J = 0.8C A = A(1 A 500 )J + 0.7A (0, 0,0), (531, 425, 266).

Dyskretne modele populacji [10] Model eksponencjalno - logistyczny Stabilność populacji w zależności od parametrów modelu jest ważnym zagadnieniem. Badania wp lywu parametrów przeprowadza si e m.in. przy określaniu ograniczeń na po lowy ryb, regulowaniu populacji drapieżników i ofiar, lub też kontroli szkodników. Nawet proste modele mog a wykazywać dość zróżnicowane zachowanie. Oto model Ricker a: x t+1 = x t exp[r(1 x t /K)], r > 0 Po przeskalowaniu przez pojemność środowiska u t = x t /K uzyskujemy u t+1 = u t exp[r(1 u t )] Równanie to jest zależne od parametru r i od populacji pocz atkowej u 0

Dyskretne modele populacji [11] Szukanie ekwilibriów Szukamy stanów równowagi, czyli ekwilibriów (punktów sta lych) u = u exp[r(1 u)] Mamy wi ec u = 0. Dla u > 0 1 = exp[r(1 u)] r(1 u) = 0 u = 1 S a to wi ec jedyne ekwilibria. 0 jest repelerem, bo dla u t (0, 1) r(1 u t ) > 0 e r(1 u t) > 1 u t+1 > u t

Dyskretne modele populacji [12] Kryterium różniczkowe Obliczamy pochodn a funkcji f(u) = ue r(1 u) f (u) = e r(1 u) + ue r(1 u) ( r) = e r(1 u) (1 ur) Pami etaj ac o tym,że r > 0, wyliczamy u = 0 u = 1 f (0) = e r (1 0) = e r > 1 f (1) = e 0 (1 r) = 1 r Zatem mamy stabilność dla r (0, 2). Co si e dzieje, gdy r przekracza 2?

Dyskretne modele populacji [13] Badamy zachowanie modelu Badamy zachowanie dla r równego odpowiednio 0.5, 1.9, 2.3, 2.6 i 3 przy K = 200. Na ostatnim wykresie można zobaczyć, kiedy pojawia si e oscylacja i chaos. Po lewej stabilny wykres dla r = 0.5, po prawej, przy r bliskim 2, można zaobserwować zanikaj ac a oscylacj e wokó l K.

Dyskretne modele populacji [14] Badamy zachowanie modelu cd.. Przy r > 2 populacja oscyluje wokó l K, po przekroczeniu 3 na dolnym wykresie widać chaos.

Dyskretne modele populacji [15] Badamy zachowanie modelu cd.. Wykres pokazuj acy zachowanie ostatnich 75 populacji z 200.

Dyskretne modele populacji [16] Model dyskretny z opóźnieniem Model eksponencjalno - logistyczny z opóźnieniem T x t+1 = x t exp[r(1 x t T /K)] Ustalamy T = 1. Po przeskalowaniu przez K otrzymujemy: u t+1 = u t exp[r(1 u t 1 )] Podobnie jak w poprzednim modelu, mamy ekwilibria w u = 0 i u = 1. Jeśli u t 1,u t < 1, to u t+1 > u t, czyli 0 nadal jest repelerem. Nie możemy jednak w prosty sposób zastosować kryterium różniczkowego do zbadania stabilności u = 1.

Dyskretne modele populacji [17] Model dyskretny z opóźnieniem - linearyzacja Skorzystamy z innej metody na sprawdzenie stabilności u = 1: linearyzacji. Zapisujemy u t = 1 + v t, v t 1 i otrzymujemy 1 + v t+1 = 1 + v t exp[r( v t 1 ] (1 + v t )(1 rv t 1 ) 1 + v t v t 1 St ad mamy v t+1 v t + rv t 1 = 0 o równaniu charakterystycznym postaci λ 2 λ + r = 0. Mamy = 1 4r i jeden lub dwa pierwiastki: λ 1, λ 2. Dla r 1 4 pierwiastki s a rzeczywiste: λ 1,λ 2 = [1± 1 4r] 2 < 1. Zatem v t = Aλ t 1 + Bλ t 2, lim t v t = 0 Przy r = 1 4 mamy v t = (A + B t)( 1 2 )t. Jeśli r > 1 4, to λ 1, λ 2 C

Dyskretne modele populacji [18] Model dyskretny z opóźnieniem - linearyzacja cd.. Niech ρ = r, θ = tan 1 (4r 1) 1/2. Wówczas λ 1, λ 2 = ρe ±iθ. Dodatkowo λ 1 λ 2 = λ 1 2 = ρ 2 = r, wi ec dla r < 1 mamy λ 1 λ 2 < 1. v t = Aλ t 1 + Bλ t 2 = Aλ t 1 + Bλ t 1 Ponieważ v t R, wi ec B = A, sk ad otrzymujemy v t = 2 A ρ t cos(tθ + γ) gdzie γ = arg A. Przy r 1 θ tan 1 ( 3) = Π/3. Gdy r > 1, v t rośnie wraz z t. Po cos(tπ/3 + γ) o okresie 6 spodziewamy si e 6-cyklowej okresowości. Przy dużym r pojawia si e chaos.

Dyskretne modele populacji [19] Dodatki: Programy napisane w Maple modeledyskretne.mws