Лекция: Группа. Моделирование экологических систем
· Зависимость роста численности популяции от рождаемости и смертности
Постановка задачи
Рассмотрим систему, в которой численность особей популяции зависит только от естественной рождаемости и смертности. Пищи в такой системе хватает всем, экология не нарушена, жизни ничто не угрожает. Это некий “шведский социализм” или “образцовый рай”.
Математическая модель
Пусть: КР — коэффициент рождаемости за один год;
КС — коэффициент смертности за один год.
Например, КР=0,03 означает, что в течение некоторого периода времени на каждые 100 особей рождается 3 новых. Или, иначе, прирост равен 3%. Для человека таким периодом может быть год, для бактерий или мух, к примеру, срок более короткий.
Математические формулы изменения численности можно записать так:
рост численности с учетом рождаемости:
Ч(I+1)=Ч(I)+Ч(I)*КР=Ч(I)*(1+КР);
падение численности с учетом смертности:
Ч(I+1)=Ч(I)-Ч(I)*КС=Ч(I)*(1-КС);
общее изменение численности:
Ч(I+1)=Ч(I)*(1+КР-КС),
где I — номер периода, Ч(I) — число особей через I периодов, Ч(I+1) — число особей спустя (I +1) периодов.
Вычислительный эксперимент
Выполнить моделирование популяции. Построить график «Зависимость роста численности популяции от рождаемости и смертности».
· Рождаемость и смертность с учетом роста численности
Постановка задачи
Как правило, численность популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от ограниченности пищевых и других ресурсов. Ранее мы определяли численность популяции по формуле:
Ч(I+1)=Ч(I)*(1+КР-КС).
Эту формулу можно записать как:
Ч(I+1)=Ч(I)*К,
где К — обобщенный коэффициент рождаемости и смертности — константа.
На самом деле этот коэффициент должен зависеть от меняющейся численности, т. е. являться функцией F(Ч). Действительно, как только численность превышает некоторый предел, возникает дефицит жизненного пространства и пищевых ресурсов и, как результат, растет смертность среди особей популяции. Такие явления наблюдаются не только в популяциях животных и насекомых, но и среди людей в тех странах, где рождаемость бесконтрольно растет.
Общий вид функции F(Ч) зависит от особенностей изучаемого биологического вида и окружающей его среды. Мы будем считать, что F(Ч) является линейной функцией, т. е. самой простой зависимостью. В общем виде линейную функцию F(Ч) можно задать следующей формулой:
F(Ч)=A*(1-B*Ч),
где А — обобщенный коэффициент устойчивости вида. Его величина отражает соотношение рождаемости и смертности среди особей, обитающих в благоприятных условиях. Чем выше А, тем более плодовит вид и выше выживаемость молодых особей. В — коэффициент среды обитания, определяется параметрами среды обитания биологического вида (площадь обитания, количество пищи и др.).
Математическая модель
С учетом линейной зависимости обобщенного коэффициента рождаемости и смертности от общего числа популяции численность вида изменяется во времени следующим образом:
Ч(I+1)=Ч(I)*F(Ч)=Ч(I)*А*(1-B*Ч(I)),
где I — номер периода, Ч(I) — число особей через I периодов, Ч(I+1) — число особей спустя (I+1) периодов.
Вычислительный эксперимент
Выполнить моделирование популяции. Построить график «Рождаемость и смертность с учетом роста численности».
Коэффициент устойчивости вида А=2,5 Коэффициент среды В=0,001. Выполнить моделирование и при других А и В.