稳定性模型种群间的相互关系.ppt

6.5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？第32页,共46页，星期六，2024年，5月食饵（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第33页,共46页，星期六，2024年，5月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,q0P:临界状态q0P′不稳定第34页,共46页，星期六，2024年，5月tx(t)y(t)020.00004.00000.100021.24063.96510.200022.56493.94050.300023.97633.9269………5.10009.616216.72355.20009.017316.2064………9.500018.47504.04479.600019.61363.99689.700020.83113.9587用数学软件MATLAB求微分方程数值解x~y平面上的相轨线第35页,共46页，星期六，2024年，5月计算结果（数值，图形）x(t),y(t)是周期函数，相图(x,y)是封闭曲线观察，猜测x(t),y(t)的周期约为9.6xmax?65.5,xmin?6,ymax?20.5,ymin?3.9用数值积分可算出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)第36页,共46页，星期六，2024年，5月消去dt用相轨线分析点稳定性c由初始条件确定取指数第37页,共46页，星期六，2024年，5月x0fmf(x)x0g(y)gmy0y0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第38页,共46页，星期六，2024年，5月y2y1xQ3Q4qy1y2x1x2pyy0xx0P0x1x2Q1Q2Q1(x1,y0),Q2(x2,y0)Q3(x,y1),Q4(x,y2)相轨线退化为P点存在x1x0x2,使f(x1)=f(x2)=p存在y1y0y2,使g(y1)=g(y2)=q相轨线是封闭曲线族xQ3Q4f(x)xx0fm0g(y)gmy0y0相轨线P~中心第39页,共46页，星期六，2024年，5月相轨线是封闭曲线x(t),y(t)是周期函数(周期记T)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第40页,共46页，星期六，2024年，5月?T2T3T4T1PT1T2T3T4x(t)的“相位”领先y(t)模型解释初值相轨线的方向第41页,共46页，星期六，2024年，5月模型解释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Pr/ad/ba~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成正比,与b成反比第42页,共46页，星期六，2024年，5月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？r?r-?1,d?d+?1捕捞战时捕捞r?r-?2,d?d+?2,?2?1???xy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。第43页,共46页，星期六，2024年，5月食饵-捕食者模型(Volterra)的缺点与改进Volterr