~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Arc.Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Номер скриншота №:
✰ BD2A70C31BE9D972DF73A1136F8363DF__1717910280 ✰
Заголовок документа оригинал.:
✰ Population dynamics - Wikipedia ✰
Заголовок документа перевод.:
✰ Динамика населения - Википедия ✰
Снимок документа находящегося по адресу (URL):
✰ https://en.wikipedia.org/wiki/Population_dynamics ✰
Адрес хранения снимка оригинал (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/bd/df/bd2a70c31be9d972df73a1136f8363df.html ✰
Адрес хранения снимка перевод (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/bd/df/bd2a70c31be9d972df73a1136f8363df__translat.html ✰
Дата и время сохранения документа:
✰ 11.06.2024 07:11:09 (GMT+3, MSK) ✰
Дата и время изменения документа (по данным источника):
✰ 9 June 2024, at 08:18 (UTC). ✰ 

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Сервисы Ask3.ru: 
 Архив документов (Снимки документов, в формате HTML, PDF, PNG - подписанные ЭЦП, доказывающие существование документа в момент подписи. Перевод сохраненных документов на русский язык.)https://arc.ask3.ruОтветы на вопросы (Сервис ответов на вопросы, в основном, научной направленности)https://ask3.ru/answer2questionТоварный сопоставитель (Сервис сравнения и выбора товаров) ✰✰
✰ https://ask3.ru/product2collationПартнерыhttps://comrades.ask3.ru


Совет. Чтобы искать на странице, нажмите Ctrl+F или ⌘-F (для MacOS) и введите запрос в поле поиска.
Arc.Ask3.ru: далее начало оригинального документа

Динамика населения - Википедия Jump to content

Динамика населения

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Динамика населения — это тип математики, используемый для моделирования и изучения размера и возрастного состава населения как динамических систем .

История [ править ]

Динамика населения традиционно была доминирующей отраслью математической биологии , история которой насчитывает более 220 лет. [1] хотя за последнее столетие сфера применения математической биологии значительно расширилась. [ нужна цитата ]

Начало демографической динамики широко рассматривается как работа Мальтуса , сформулированная как мальтузианская модель роста . Согласно Мальтусу, если предположить, что условия (окружающая среда) остаются постоянными ( при прочих равных условиях ), население будет расти (или сокращаться) в геометрической прогрессии . [2] : 18  Этот принцип лег в основу последующих теорий прогнозирования, таких как демографические исследования, такие как работы Бенджамина Гомпертца. [3] и Пьер Франсуа Верхюльст в начале 19 века, который уточнил и скорректировал мальтузианскую демографическую модель. [4]

Более общая формулировка модели была предложена Ф. Дж. Ричардсом в 1959 г. [5] далее расширенный Саймоном Хопкинсом , в котором модели Гомпертца, Ферхюльста, а также Людвига фон Берталанфи рассматриваются как частные случаи общей формулировки. — Уравнения «хищник-жертва» Лотки-Вольтерры еще один известный пример. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] а также альтернативные уравнения Ардити–Гинзбурга . [14] [15]

Логистическая функция [ править ]

Упрощенные демографические модели обычно начинаются с четырех ключевых переменных (четырех демографических процессов ), включая смерть, рождение, иммиграцию и эмиграцию. Математические модели, используемые для расчета изменений в демографии и эволюции населения, исходят из предположения об отсутствии внешнего влияния. Модели могут быть более математически сложными, когда «...данным одновременно противопоставляются несколько конкурирующих гипотез». [16] Например, в закрытой системе, где не происходит иммиграции и эмиграции, скорость изменения численности особей в популяции можно описать как:

где N — общее количество особей в конкретной изучаемой экспериментальной популяции, B — число рождений, а D — число смертей на одну особь в конкретном эксперименте или модели. Алгебраические символы b , d и r обозначают уровни рождаемости, смертности и скорость изменений на одного человека в общей популяции, внутреннюю скорость роста. Эту формулу можно прочитать как скорость изменения численности населения ( dN / dt ) равна рождаемости минус смертность ( B D ). [2] [13] [17]

Используя эти методы, принцип роста населения Мальтуса позже был преобразован в математическую модель, известную как логистическое уравнение :

где N — плотность биомассы, a — максимальная скорость изменения на душу населения, а K пропускная способность населения. Формулу можно прочитать следующим образом: скорость изменения численности населения ( dN / dt ) равна приросту ( aN ), который ограничен пропускной способностью (1 − N / K ) . Из этих основных математических принципов дисциплина популяционной экологии расширяется до области исследований, которые изучают демографию реальных популяций и сравнивают эти результаты со статистическими моделями. В области популяционной экологии часто используются данные об истории жизни и матричная алгебра для разработки матриц проекций плодовитости и выживаемости. Эта информация используется для управления запасами диких животных и установления квот на вылов. [13] [17]

роста скорость Внутренняя

Скорость, с которой популяция увеличивается в размерах, если нет сил, зависящих от плотности, регулирующих популяцию, известна как внутренняя скорость роста . Это

где производная — темп прироста населения, N — размер населения, а r — собственная скорость прироста. Таким образом, r — это максимальная теоретическая скорость увеличения численности населения на одну особь, то есть максимальная скорость роста населения. Эта концепция обычно используется в экологии или управлении популяциями насекомых , чтобы определить, как факторы окружающей среды влияют на скорость увеличения популяций вредителей. См. также экспоненциальный рост населения и логистический рост населения. [18]

Эпидемиология [ править ]

Динамика населения пересекается с другой активной областью исследований в математической биологии: математической эпидемиологией , изучением инфекционных заболеваний, поражающих население. Были предложены и проанализированы различные модели распространения вируса, которые дают важные результаты, которые могут быть применены к решениям политики здравоохранения. [ нужна цитата ]

Геометрические популяции [ править ]

Популяции Operophtera brumata геометрические. [19]

Приведенная ниже математическая формула используется для моделирования геометрических популяций. Такие популяции растут в отдельные репродуктивные периоды между интервалами воздержания , в отличие от популяций, которые растут без определенных периодов для воспроизводства. Предположим, что натуральное число t является индексом поколения ( t=0 для первого поколения, t=1 для второго поколения и т. д.). Буква t используется потому, что индексом поколения является время. Скажем , N t обозначает в поколении t количество особей популяции, которые будут воспроизводиться, т. е. размер популяции в поколении t . Популяция следующего поколения, то есть популяция в момент времени t+1, равна: [20]

где

  • B t — число рождений в популяции между поколениями t и t +1 ,
  • D t — число смертей между поколениями t и t + 1 ,
  • I t — число иммигрантов , добавленных к населению между поколениями t и t + 1 , и
  • E t — число эмигрантов , выбывших из населения между поколениями t и t + 1 .

Для простоты мы предполагаем, что миграция в популяцию или из нее отсутствует, но следующий метод можно применить без этого предположения. Математически это означает, что для всех I t t = E t = 0 . Предыдущее уравнение принимает вид:

В целом число рождений и число смертей примерно пропорциональны численности населения. Это замечание мотивирует следующие определения.

  • Уровень рождаемости в момент времени t определяется соотношением b t = B t / N t .
  • Уровень смертности во время t определяется как d t = D t / N t .

Тогда предыдущее уравнение можно переписать так:

Тогда мы предполагаем, что уровни рождаемости и смертности не зависят от времени t (что эквивалентно предположению, что число рождений и смертей эффективно пропорционально численности населения). Это основное предположение для геометрических популяций, поскольку с его помощью мы собираемся получить геометрическую последовательность . Затем мы определяем геометрическую скорость роста R = b t - d t как коэффициент рождаемости минус уровень смертности. Геометрическая скорость прироста не зависит от времени t , поскольку, согласно нашему предположению, ни коэффициент рождаемости, ни уровень смертности не зависят друг от друга. Мы получаем:

Это уравнение означает, что последовательность (N t ) является геометрической с первым членом N 0 и общим отношением 1 + R , которое мы определяем как λ . λ также называется конечной скоростью роста.

Следовательно, по индукции получаем выражение численности популяции в момент времени t :

где λ т — конечная скорость роста, возведенная в степень числа поколений. Последнее выражение удобнее предыдущего, поскольку оно явно. Например, скажем, кто-то хочет вычислить с помощью калькулятора N 10 численность населения в десятом поколении, зная N 0 — начальную численность населения и λ — конечную скорость прироста. В последней формуле результат виден сразу, если подставить t = 10 , необходимо ли с предыдущей формулой знать N 9 , N 8 , ..., N 2 до N 1 .

Мы можем выделить три случая:

  • Если λ > 1 , т. е. если R > 0 , т. е. (при условии, что и рождаемость, и смертность не зависят от времени t ), если b 0 > d 0 , т. е. если рождаемость строго превышает смертность, то численность популяции увеличивается и стремится к бесконечности. Конечно, в реальной жизни население не может расти бесконечно: в какой-то момент у него не хватает ресурсов, и поэтому уровень смертности увеличивается, что лишает законной силы наше основное предположение, поскольку уровень смертности теперь зависит от времени.
  • Если λ < 1 , т. е. если R < 0 , т. е. (в предположении, что и рождаемость, и смертность не зависят от времени t ), если b 0 < d 0 , т. е. если рождаемость строго меньше смертности, то численность популяции уменьшается и стремится к 0 .
  • Если λ = 1 , т.е. если R = 0 , т.е. (в предположении, что уровень рождаемости и смертности не зависит от времени t ), если b0 т.е. если уровень = d0 , рождаемости равен уровню смертности, то Размер популяции постоянен и равен исходной популяции N 0 .

Время удвоения [ править ]

G. stearothermophilus имеет более короткое время удвоения (td), чем E. coli и N. meningitidis . Скорость роста двух видов бактерий будет различаться на неожиданные порядки, если время удвоения двух видов будет отличаться хотя бы на 10 минут. У эукариот , таких как животные, грибы, растения и протисты, время удвоения намного дольше, чем у бактерий. Это снижает скорость роста эукариотов по сравнению с бактериями. G. stearothermophilus , E. coli и N. meningitidis имеют 20-минутную, [21] 30 минут, [22] и 40 минут [23] время удвоения при оптимальных условиях соответственно. Если бы популяции бактерий могли расти бесконечно (чего они не делают), то количество бактерий в каждом виде приближалось бы к бесконечности (∞). Однако процент бактерий G. stearothermophilus от всех бактерий приближается к 100%, тогда как процент E. coli и N. meningitidis вместе взятых от всех бактерий приближается к 0%. Этот график представляет собой симуляцию этого гипотетического сценария. В действительности, популяции бактерий не растут бесконечно в размерах, и трем видам требуются разные оптимальные условия, чтобы свести время удвоения к минимуму.
Время в минутах % это G. stearothermophilus
30 44.4%
60 53.3%
90 64.9%
120 72.7%
→∞ 100%
Время в минутах % это кишечная палочка
30 29.6%
60 26.7%
90 21.6%
120 18.2%
→∞ 0.00%
Время в минутах % это N. meningitidis
30 25.9%
60 20.0%
90 13.5%
120 9.10%
→∞ 0.00%
Отказ от ответственности: Популяции бактерий являются логистическими , а не геометрическими. Тем не менее, времена удвоения применимы к обоим типам популяций.

Время удвоения ( t d ) популяции — это время, необходимое для того, чтобы популяция выросла вдвое. [24] Мы можем рассчитать время удвоения геометрической популяции, используя уравнение: N t = λ т N 0 , используя наши знания о том, что популяция ( N ) увеличивается в два раза по сравнению с размером ( 2 N ) после времени удвоения. [20]

Время удвоения можно найти, взяв логарифм . Например:

Или:

Поэтому:

полураспада популяций Период геометрических

Период полураспада популяции — это время, необходимое для того, чтобы популяция сократилась вдвое. Мы можем рассчитать период полураспада геометрической популяции, используя уравнение: N t = λ т N 0 , используя наши знания о том, что популяция ( N ) уменьшается вдвое ( 0,5 N ) после периода полураспада. [20]

где t 1/2 – период полураспада.

Период полураспада можно рассчитать, взяв логарифмы (см. выше).

Обратите внимание: поскольку предполагается, что численность населения сокращается, λ < 1 , поэтому ln( λ ) < 0 .

Математическая связь между геометрическими популяциями и логистическими

В геометрических популяциях R и λ представляют собой константы роста (см. 2 и 2.3 ). Однако в логистических популяциях внутренняя скорость роста, также известная как внутренняя скорость роста ( r ), является соответствующей константой роста. Поскольку поколения воспроизводства в геометрической популяции не перекрываются (например, размножаются один раз в год), но перекрываются в экспоненциальной популяции, геометрическая и экспоненциальная популяции обычно считаются взаимоисключающими. [25] Однако оба набора констант имеют математическое соотношение, приведенное ниже. [20]

Уравнение роста экспоненциальной популяции:

где e число Эйлера , универсальная константа , часто применимая в логистических уравнениях, а r — собственная скорость роста.

Чтобы найти связь между геометрической популяцией и логистической популяцией, мы предполагаем, что N t одинаково для обеих моделей, и расширяем до следующего равенства:

Давая нам
и

Эволюционная теория игр [ править ]

Эволюционная теория игр была впервые разработана Рональдом Фишером в его статье 1930 года «Генетическая теория естественного отбора» . [26] В 1973 году Джон Мейнард Смит формализовал центральную концепцию — эволюционно стабильную стратегию . [27]

Динамика численности населения использовалась в нескольких приложениях теории управления . Эволюционную теорию игр можно использовать в различных промышленных и других контекстах. В промышленности он в основном используется в системах с несколькими входами и несколькими выходами ( MIMO ), хотя его можно адаптировать для использования в системах с одним входом и одним выходом ( SISO ). Другими примерами применения являются военные кампании, распределение воды , отправка распределенных генераторов , лабораторные эксперименты, транспортные проблемы, проблемы связи и другие.

Колебательный [ править ]

Размер популяции растений испытывает значительные колебания из-за ежегодных колебаний окружающей среды. [28] Динамика растений испытывает более высокую степень этой сезонности, чем млекопитающие, птицы или двустворчатые насекомые. [28] В сочетании с возмущениями, вызванными болезнями , это часто приводит к хаотичным колебаниям . [28]

В популярной культуре [ править ]

Компьютерная игра SimCity , Sim Earth и MMORPG Ultima Online , среди прочего, попытались смоделировать некоторые из этих демографических динамик.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мальтус, Томас Роберт. Очерк принципа народонаселения : Экономическая библиотека
  2. ^ Перейти обратно: а б Турчин, П. (2001). «Есть ли в популяционной экологии общие законы?». Ойкос . 94 (1). John Wiley & Sons Ltd. ( Северное общество Ойкос ): 17–26. Бибкод : 2001Ойкос..94...17Т . дои : 10.1034/j.1600-0706.2001.11310.x . S2CID   27090414 .
  3. ^ Гомпертц, Бенджамин (1825). «О природе функции, выражающей закон человеческой смертности, и о новом способе определения ценности жизни при непредвиденных обстоятельствах» . Философские труды Лондонского королевского общества . 115 : 513–585. дои : 10.1098/rstl.1825.0026 . S2CID   145157003 .
  4. ^ Верхюльст, PH (1838 г.). «Заметьте по закону, что численность населения продолжает увеличиваться» . Корр. Математика и физика . 10 : 113–121.
  5. ^ Ричардс, Ф.Дж. (июнь 1959 г.). «Гибкая функция роста для эмпирического использования» . Журнал экспериментальной ботаники . 10 (29): 290–300. дои : 10.1093/jxb/10.2.290 . JSTOR   23686557 . Проверено 16 ноября 2020 г.
  6. ^ Хоппенстедт, Ф. (2006). «Модель Хищник-жертва» . Схоларпедия . 1 (10): 1563. Бибкод : 2006SchpJ...1.1563H . doi : 10.4249/scholarpedia.1563 .
  7. ^ Лотка, AJ (1910). «Вклад в теорию периодической реакции» . Дж. Физ. хим. 14 (3): 271–274. дои : 10.1021/j150111a004 .
  8. ^ Гоэл, Н.С.; и другие. (1971). О Вольтерре и других нелинейных моделях взаимодействующих популяций . Академическая пресса .
  9. ^ Лотка, AJ (1925). Элементы физической биологии . Уильямс и Уилкинс .
  10. ^ Вольтерра, В. (1926). «Вариации и колебания численности особей сожительствующих видов животных». Мем. Линкейцы Рим . 2 :31–113.
  11. ^ Вольтерра, В. (1931). «Вариации и колебания численности особей у видов животных, живущих вместе». В Чепмене, Р.Н. (ред.). Экология животных . МакГроу-Хилл .
  12. ^ Кингсленд, С. (1995). Моделирование природы: эпизоды истории популяционной экологии . Издательство Чикагского университета. ISBN  978-0-226-43728-6 .
  13. ^ Перейти обратно: а б с Берриман, А.А. (1992). «Происхождение и эволюция теории хищник-жертва» (PDF) . Экология . 73 (5): 1530–1535. дои : 10.2307/1940005 . JSTOR   1940005 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 мая 2010 г.
  14. ^ Ардити, Р.; Гинзбург, Л.Р. (1989). «Связь в динамике хищник-жертва: зависимость от соотношения» (PDF) . Журнал теоретической биологии . 139 (3): 311–326. Бибкод : 1989JThBi.139..311A . дои : 10.1016/s0022-5193(89)80211-5 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 17 ноября 2020 г.
  15. ^ Абрамс, Пенсильвания; Гинзбург, Л.Р. (2000). «Природа хищничества: зависит от добычи, зависит от соотношения или нет?». Тенденции в экологии и эволюции . 15 (8): 337–341. дои : 10.1016/s0169-5347(00)01908-x . ПМИД   10884706 .
  16. ^ Джонсон, Дж.Б.; Омланд, Канзас (2004). «Выбор модели в экологии и эволюции» (PDF) . Тенденции экологии и эволюции . 19 (2): 101–108. CiteSeerX   10.1.1.401.777 . дои : 10.1016/j.tree.2003.10.013 . ПМИД   16701236 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 июня 2011 г. Проверено 25 января 2010 г.
  17. ^ Перейти обратно: а б Вандермеер, Дж. Х.; Гольдберг, Делавэр (2003). Популяционная экология: Первые принципы . Вудсток, Оксфордшир : Издательство Принстонского университета . ISBN  978-0-691-11440-8 .
  18. ^ Ян, Гэри С.; Алмазан, Либерти П.; Пасия, Джоселин Б. (2005). «Влияние азотных удобрений на внутреннюю скорость роста Hysteroneura setariae (Thomas) (Homoptera: Aphididae) на рисе ( Oryza sativa L.)» . Экологическая энтомология . 34 (4): 938–43. дои : 10.1603/0046-225X-34.4.938 .
  19. ^ Хассел, Майкл П. (июнь 1980 г.). «Стратегии добывания пищи, популяционные модели и биологический контроль: практический пример». Журнал экологии животных . 49 (2): 603–628. Бибкод : 1980JAnEc..49..603H . дои : 10.2307/4267 . JSTOR   4267 .
  20. ^ Перейти обратно: а б с д «Геометрические и экспоненциальные модели населения» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 апреля 2015 г. Проверено 17 августа 2015 г.
  21. ^ «Бацилла стеаротермофилус NEUF2011» . Микроб вики .
  22. ^ Чендлер, М.; Берд, RE; Каро, Л. (май 1975 г.). «Время репликации хромосомы K12 Escherichia coli как функция времени удвоения клеток». Журнал молекулярной биологии . 94 (1): 127–132. дои : 10.1016/0022-2836(75)90410-6 . ПМИД   1095767 .
  23. ^ Тобиасон, DM; Зайферт, HS (19 февраля 2010 г.). «Геномный состав видов Neisseria » . Журнал бактериологии . 192 (8): 2160–2168. дои : 10.1128/JB.01593-09 . ПМЦ   2849444 . ПМИД   20172999 .
  24. ^ Баучер, Лорен (24 марта 2015 г.). «Что такое время удвоения и как оно рассчитывается?» . Образование населения .
  25. ^ «Рост населения» (PDF) . Университет Альберты . Архивировано из оригинала (PDF) 18 февраля 2018 г. Проверено 16 ноября 2020 г.
  26. ^ «Эволюционная теория игр» . Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Центра изучения языка и информации (CSLI) Стэнфордского университета. 19 июля 2009 г. ISSN   1095-5054 . Проверено 16 ноября 2020 г.
  27. ^ Нанджундия, В. (2005). «Джон Мейнард Смит (1920–2004)» (PDF) . Резонанс . 10 (11): 70–78. дои : 10.1007/BF02837646 . S2CID   82303195 .
  28. ^ Перейти обратно: а б с Альтизер, Соня; Добсон, Эндрю; Хоссейни, Парвиес; Хадсон, Питер; Паскаль, Мерседес; Рохани, Пейман (2006). «Сезонность и динамика инфекционных заболеваний» . Обзоры и синтезы. Экологические письма . 9 (4). Blackwell Publishing Ltd ( Национальный центр научных исследований Франции (CNRS)): 467–84. Бибкод : 2006EcolL...9..467A . дои : 10.1111/J.1461-0248.2005.00879.X . hdl : 2027.42/73860 . ПМИД   16623732 . S2CID   12918683 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец оригинального документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: BD2A70C31BE9D972DF73A1136F8363DF__1717910280
URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Population_dynamics
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Population dynamics - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)