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生存微分方程的数值解

已有 3820 次阅读 2012-5-12 09:24 |系统分类:科研笔记|关键词:学者| 微分方程, 数值解, 生存方程

  先列出改进后的生存方程:
  [left{ begin{array}{l}
frac{{d{A_1}}}{{dt}} = {c_1}B - {e_1}t.................................................................(1) \
frac{{d{A_2}}}{{dt}} = {c_2}B - {e_2}t.................................................................(2) \
frac{{dB}}{{dt}} = (a - {b_1}{A_1} - {b_2}{A_2})B - frac{alpha }{{1 + {e^{beta (B - k)}}}}..........................................(3) \
 end{array} right.]
  对该方程进行精确求解有点难度,为了节约时间,先尝试使用数值的方法来求解该方程组。在对该方程的解的特性有了深入了解以后,就可以对其进行深入的分析。
  其中:
  A1表示重金属含量
  A2表示温室气体含量
  B表示恐龙数量
  图中恐龙数量已做归一化处理,以便于比较。而三个变量:A1、A2和B都必须大于零。

  经过仔细设置相应的参数,可以获得如下的数值解:
  
  图1 两个因素衰减速度一致
  
  从图中可以看出这跟单因素的影响一致。
  
  参数:
    a = 0.02
    b1 = 1
    c1 = 0.0000000003
    e1 = 0.00000003
    b2 = 1
    c2 = 0.0000000003
    e2 = 0.00000003
    alpha = 100
    beta = 10
    k = 50
  
  

  图2 两个因素上升速度一样,但重金属含量衰减的更慢一些

  
  参数:
    a = 0.02
    b1 = 1
    b2 = 1
    c1 = 0.0000000003
    c2 = 0.0000000003
    e1 = 0.000000003
    e2 = 0.00000003
    alpha = 100
    beta = 10
    k = 50
  
  
  图3 重金属上升的慢、衰减的慢;温室气体衰减的快
  
  此时可以看出温室气体出现衰减振荡,而恐龙数量也出现衰减振荡,直至最终灭绝。
  参数:
    a = 0.02
    b1 = 1
    b2 = 1

    c1 = 0.00000000003

    c2 = 0.0000000003
    e1 = 0.0000000003
    e2 = 0.0000003

    alpha = 100

    beta = 10
    k = 50
  
  
  图4 温室气体衰减速度继续增加
  
  可以看出温室气体振荡次数增加。而恐龙数量也呈现不规则的变化。最终还是趋向灭绝。
  参数:
    a = 0.02
    b1 = 1
    b2 = 1
    c1 = 0.00000000003
    c2 = 0.0000000003
    e1 = 0.0000000003

    e2 = 0.0000001

    alpha = 100

    beta = 10
    k = 50
  
  
  图5 温室气体衰减的太快
  
  从图中可以看出温室气体不再出现振荡。但是恐龙数量还是出现衰减式振荡变化。
  参数:
    a = 0.02
    b1 = 1
    b2 = 1
    c1 = 0.00000000003
    c2 = 0.0000000003
    e1 = 0.0000000003

    e2 = 0.000001

    alpha = 100

    beta = 10
    k = 50
  
  由于时间比较匆忙,图表制作的不够精细。或许采用gif动画方式,显示上升和衰减参数的动态变化会更直观一些。
  当然最终还是通过直接对公式本身进行分析的方式来得可靠一些,如果有时间、也不太难的话,近期就可以做这样的工作。


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