Страница 21 из 36
Пример. Повторно рассмотрим приведенный выше пример, но предположим, что вместо того, чтобы умереть (уйти из профессии), 65% взрослых выживают на протяжении дополнительного временного шага (работают вплоть до пенсии и далее). Тогда модель становится немного сложнее: , , .
Опять же, правомерно называть эту модель линейной, так как все члены имеют первую степень. Однако из-за произведенной модификации уже не ясно, как выразить рост популяции одним уравнением. Очевидно, изменение модели должно привести к еще более быстрому росту популяции. Взрослые особи, которые живут дольше, могут производить больше яиц, производя еще больше взрослых особей, которые выживают дольше, и так далее. Однако новые темпы роста отнюдь не очевидны.
Пример. Предположим, нас интересует лес, состоящий из двух видов деревьев, где и обозначают количество каждого вида в лесу в год (дубы и берёзки, аналогично физики и математики, информатики и технологии). Когда дерево умирает, на его месте растет новое дерево, но новое дерево может быть любого вида. Чтобы быть конкретным, предположим, что деревья вида относительно долго живут, и только 1% умирает в данный год . С другой стороны, деревьев вида погибает 5%. Поскольку они быстро растут, деревья , однако, с большей вероятностью преуспеют в завоевании свободного пространство, оставленного мертвым деревом; 75% всех свободных мест достаются деревьям вида , и только 25% достаются деревьям вида . Все это можно выразить с помощью равенств , .
Вопросы для самопроверки:
– Объясните смысл каждой операции в этих уравнениях.
После упрощения модель представляет собой систему из двух линейных разностных уравнений
,
.
В отличие от предыдущих двух примеров, нет очевидного предположения о том, как будут вести себя популяции, смоделированные этими уравнениями.
Чтобы прийти к пониманию, предположим, что популяция начинается с и . Эти начальные значения численности популяции могли бы описывать лес, в котором большинство деревьев были выборочно вырублены ранее. Что произойдет с популяцией с течением времени? Компьютерный эксперимент показывает результаты в таблице 2.1.
Таблица 2.1. моделирование леса
Год
0 10 990
1 22.30 977.70
2 34.35 965.65
3 46.17 953.83
4 57.74 942.26
5 69.09 930.91
… … …
10 122.50 877.50
… … …
50 401.04 598.96
… … …
100 543.44 456.56
… … …
500 624.97 375.03
… … …
1000 625 375
… … …
В этой таблице показано довольно интересное поведение популяции; похоже, что численность приближается к равновесию, с 625 деревьями вида и 375 вида . Фактически, как можно видеть на рисунке 2.1, если бы начали с любого другого неотрицательного выбора и , численный эксперимент показал бы аналогичное движение к точно такому же соотношению численности деревьев к численности деревьев . То, что лес приблизится к стабильному распределению двух видов деревьев в отношении , не очевидно из уравнений. Еще менее понятно, почему стабильное распределение находится именно в таком соотношении. Чтобы начать понимать поведение моделей, подобных приведенной выше, нужно использовать несколько вспомогательных математических инструментов.
Рисунок 2.1. Два имитационных моделирования численности деревьев в лесу.
Очень полезными в данном случае оказываются векторы и матрицы. Наиболее удобным математическим языком описания моделей, приведенного выше типа, является язык линейной алгебры. Он включает в себя несколько типов математических объектов, которые могут оказаться полезны.
Определение. Вектором арифметического -мерного пространства называется упорядоченный набор вещественных чисел, обычно записываемый в виде строки, либо столбца.
Пример. и являются векторами в , а является вектором в .
Арифметические векторы обычно обозначаются прописными буквами с черточкой над ними. Например, можно использовать запись для обозначения распределения числа деревьев в год из примера выше, где . Как видите, много места на странице тратится впустую, когда векторы написаны в столбцах. Поэтому можно писать , что в данном случае несёт ту же информацию.
Определение. Матрица представляет собой прямоугольную таблицу вещественных чисел с строками и столбцами.
Пример. это матрица 2 × 2, а – матрица 3 × 4.