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1、稳定性模型,1. 种群的相互竞争 2. 种群的相互依存 3. 种群的弱肉强食,稳定性模型,对象仍是动态过程，而建模目的是研究时间充分长以后过程的变化趋势 平衡状态是否稳定。,不求解微分方程，而是用微分方程稳定性理论研究平衡状态的稳定性。,1. 种群的相互竞争,一个自然环境中有两个种群生存，它们之间的关系：相互竞争；相互依存；弱肉强食。,当两个种群为争夺同一食物来源和生存空间相互竞争时，常见的结局是，竞争力弱的灭绝，竞争力强的达到环境容许的最大容量。,建立数学模型描述两个种群相互竞争的过程，分析产生这种结局的条件。,模型假设,有甲乙两个种群，它们独自生存时数量变化均服从Logistic规律;,两
2、种群在一起生存时，乙对甲增长的阻滞作用与乙的数量成正比; 甲对乙有同样的作用。,对于消耗甲的资源而言，乙(相对于N2)是甲(相对于N1) 的 1 倍。,模型,模型分析,(平衡点及其稳定性),模型,判断P0 (x10,x20) 稳定性的方法直接法,(1)的近似线性方程,仅当1, 2 1时，P3才有意义,模型,平衡点稳定性分析,平衡点 Pi 稳定条件： p 0 且 q 0,种群竞争模型的平衡点及稳定性,不稳定,21,11,P1, P2 是一个种群存活而另一灭绝的平衡点,P3 是两种群共存的平衡点,11, 21,P1稳定的条件 11 ?,11,21,稳定条件,平衡点稳定性的相轨线分析,从任意点出发(
3、t=0)的相轨线都趋向P1(N1,0) (t),P1(N1,0)是稳定平衡点,(1) 21, 11,有相轨线趋向P1,有相轨线趋向P2,P1稳定的条件：直接法21,(3) 11, 21,(2) 11, 21,(4) 11, 21,加上与(4)相区别的 11,P2 稳定,P3 稳定,结果解释,对于消耗甲的资源而言，乙(相对于N2)是甲(相对于N1)的1 倍。,P1稳定的条件：11,21 甲的竞争力强,甲达到最大容量，乙灭绝,P2稳定的条件：11, 21,P3稳定的条件：11, 21,通常1 1/2，P3稳定条件不满足,2. 种群的相互依存,甲乙两种群的相互依存有三种形式,1) 甲可以独自生存，乙
4、不能独自生存；甲乙一起生存时相互提供食物、促进增长。,2) 甲乙均可以独自生存；甲乙一起生存 时相互提供食物、促进增长。,3) 甲乙均不能独自生存；甲乙一起生存时相互提供食物、促进增长。,模型假设,甲可以独自生存，数量变化服从Logistic规律; 甲乙一起生存时乙为甲提供食物、促进增长。,乙不能独自生存；甲乙一起生存时甲为乙提供食物、促进增长；乙的增长又受到本身的阻滞作用 (服从Logistic规律)。,模型,乙为甲提供食物是甲消耗的1 倍,甲为乙提供食物是乙消耗的2 倍,种群依存模型的平衡点及稳定性,P2是甲乙相互依存而共生的平衡点,平衡点P2稳定性的相轨线,11, 121,P2稳定,12
5、1 前提下P2存在的必要条件,结果解释,21 甲必须为乙提供足够的食物甲为乙提供的食物是乙消耗的 2 倍,11, 121条件下使121 成立,P2稳定条件：11, 121,甲可以独自生存,乙不能独立生存,3. 种群的弱肉强食(食饵-捕食者模型),种群甲靠丰富的天然资源生存，种群乙靠捕食甲为生，形成食饵-捕食者系统，如食用鱼和鲨鱼，美洲兔和山猫，害虫和益虫。,模型的历史背景一次世界大战期间地中海渔业的捕捞量下降(食用鱼和鲨鱼同时捕捞)，但是其中鲨鱼的比例却增加，为什么？,食饵（甲）数量 x(t), 捕食者（乙）数量 y(t),甲独立生存的增长率 r,乙使甲的增长率减小，减小量与 y成正比,乙独立
6、生存的死亡率 d,甲使乙的死亡率减小，减小量与 x成正比,方程(1),(2) 无解析解,食饵-捕食者模型(Volterra),a 捕食者掠取食饵能力,b 食饵供养捕食者能力,Volterra模型的平衡点及其稳定性,平衡点,稳定性分析,P点稳定性不能用近似线性方程分析,p =0, q 0 P: 临界状态,q 0 P 不稳定,用数学软件MATLAB求微分方程数值解,xy 平面上的相轨线,计算结果（数值，图形）,x(t), y(t)是周期函数，相图(x,y)是封闭曲线,x(t), y(t)的周期约为9.6,xmax 65.5, xmin 6, ymax 20.5, ymin 3.9,用数值积分可算出
7、 x(t), y(t)一周期的平均值： x(t)的平均值约为25, y(t)的平均值约为10。,食饵-捕食者模型(Volterra),用相轨线分析 点稳定性,c 由初始条件确定,在相平面上讨论相轨线的图形,用相轨线分析 点稳定性,相轨线,时无相轨线,以下设,相轨线,P中心,相轨线是封闭曲线,求x(t), y(t) 在一周期的平均值,轨线中心,用相轨线分析 点稳定性,x(t) 的“相位”领先 y(t),模型解释,初值,相轨线的方向,模型解释,r 食饵增长率,d 捕食者死亡率,b 食饵供养捕食者能力,捕食者 数量,食饵数量,a 捕食者掠取食饵能力,捕食者数量与r成正比, 与a成反比,食饵数量与d成
8、正比, 与b成反比,模型解释,一次大战期间地中海渔业的捕捞量下降，但是其中鲨鱼的比例却在增加，为什么？,rr-1, dd+1,捕捞,战时捕捞,rr-2, dd+2 , 2 1,食饵(鱼)减少， 捕食者(鲨鱼)增加,自然环境,还表明：对害虫(食饵)益虫(捕食者)系统，使用灭两种虫的杀虫剂, 会使害虫增加，益虫减少。,食饵-捕食者模型(Volterra)的缺点与改进,Volterra模型,多数食饵捕食者系统观察不到周期震荡,而是趋向某个平衡状态,即存在稳定平衡点,有稳定平衡点,相轨线是封闭曲线，结构不稳定一旦离开某一条闭轨线，就进入另一条闭轨线，不恢复原状。,自然界存在的周期性平衡生态系统是结构稳定的，即偏离周期轨道后，内部制约使系统恢复原状。,食饵-捕食者模型(Volterra)的缺点与改进,r1=1, N1=20, 1=0.1, w=0.2, r2=0.5, 2=0.18,相轨线趋向极限环,两种群模型的几种形式,相互竞争,相互依存,弱肉强食,
