微分方程模型.PPT

1、12021-12-7微分方程模型微分方程模型22021-12-7微分方程模型：微分方程模型： 联系某些变量及其变化率或导数的关系式。求解微分方程有三种方法：求解微分方程有三种方法： 1）求精确解；2）求数值解（近似解）；3）定性理论方法。微分方程模型反映的是变量之间的间接关系。微分方程模型反映的是变量之间的间接关系。32021-12-7建立微分方程模型的方法建立微分方程模型的方法（1）根据规律列方程 利用数学、力学、物理、化学等学科中的定理利用数学、力学、物理、化学等学科中的定理或经过实验检验的规律等找出变量及其导数之间的或经过实验检验的规律等找出变量及其导数之间的关系，来建立微分方程模型。关

2、系，来建立微分方程模型。如，根据放射性元素衰减规律：如，根据放射性元素衰减规律： 放射性元素的衰减速率与当时的剩余量成正比放射性元素的衰减速率与当时的剩余量成正比)()(tkxdttdx42021-12-7（2）微元分析法 利用已知的定理与规律寻找微元之间的关系利用已知的定理与规律寻找微元之间的关系式，与第一种方法不同的是对微元而不是直接对式，与第一种方法不同的是对微元而不是直接对函数及其导数应用规律。函数及其导数应用规律。如，半球形的容器，水从它底如，半球形的容器，水从它底部的小孔流出。部的小孔流出。dxyxfdy),( )?h t 0()SdhS vdtdhhS水所在的横截面水所在的横截面

3、52021-12-7（3）模拟近似法 在生物、经济等学科的实际问题中，许多在生物、经济等学科的实际问题中，许多现象的规律性不很清楚，即使有所了解也是极现象的规律性不很清楚，即使有所了解也是极其复杂的，建模时在不同的假设下去模拟实际其复杂的，建模时在不同的假设下去模拟实际的现象，建立能近似反映问题的微分方程，然的现象，建立能近似反映问题的微分方程，然后从数学上求解或分析所建方程及其解的性质，后从数学上求解或分析所建方程及其解的性质，再去同实际情况对比，检验此模型能否刻画、再去同实际情况对比，检验此模型能否刻画、模拟某些实际现象。模拟某些实际现象。6常见的微分方程模型：常见的微分方程模型：2003

4、2003年，年，A A题：题：SARSSARS的传播的传播常微分方程组或差分方程组20042004年，年，C C题：饮酒驾车题：饮酒驾车线性常微分方程组19961996年，年，A A题：最优捕鱼策略题：最优捕鱼策略常微分方程，无限增长模型7常见的微分方程模型：常见的微分方程模型：20072007年，年，A A题：人口增长模型题：人口增长模型常微分方程或方程组20112011年，年，C C题：企业退休职工养老金制度的改革题：企业退休职工养老金制度的改革常微分方程，阻滞增长模型82021-12-7n人口模型人口模型-精确解精确解n差分方程差分方程-数值解数值解n生物种群模型生物种群模型-定性分析定

5、性分析92021-12-71012/7/2021)(00)()(ttretNtN人口增长基本模型人口增长基本模型1)马尔萨斯马尔萨斯(Malthus)模型模型rNdtdN称为内禀增长率称为内禀增长率rdNNdt 表示表示 时刻的人口数量时刻的人口数量( )N tt人口相对增长率人口相对增长率人口相对增长率为常数人口相对增长率为常数otNN01112/7/20212) 罗杰斯特罗杰斯特(Logistic)模型模型(1)mdNNrNdtN 表示该种群的最大容纳量表示该种群的最大容纳量mN000()()()( )1mmNN tr ttN tNN te(1)mdNNrNdtNtNoN0NmNm/2tm

6、123） -Logisitic模型模型001NtNNNrNdttdNm)()()(调整 ，可使阻滞因子变大或缩小。4）Usher模型模型001NtNNNNdttdNm)()()(人口推广模型人口推广模型132021-12-7下面是美国近两个世纪的人口统计数据（百万），下面是美国近两个世纪的人口统计数据（百万），试建立数学模型，预测试建立数学模型，预测20102010年美国的人口数。年美国的人口数。年179018001810182018301840185018601870人口3.95.37.29.612.917.123.231.438.6年1880189019001910192019301940

7、1950人口50.262.976.092.0106.5123.2131.7150.7年19601970198019902000人口179.3204.0226.5251.4281.4 人口预测问题人口预测问题14data1790, 3.9 ,1800, 5.3 ,1810, 7.2 ,1820, 9.6 ,1830, 12.9 ,1840, 17.1 ,1850, 23.2 ,1860, 31.4 ,1870, 38.6 ,1880, 50.2 ,1890, 62.9 ,1900, 76 ,1910, 92.0 ,1920, 106.5 ,1940, 131.7 ,1950, 150.7 ,19

8、60, 179.3 ,1970, 204.0 ,1980, 226.5 ,1990, 251.4 ,2000, 281.4152021-12-7一一 建模分析建模分析目标：目标：寻找人口数量随时间变化的规律。人口的变化规律有其内在的规律，如Malthus 模型模型Logistic模型模型题中给的数据有什么作用呢？题中给的数据有什么作用呢？函数关系式162021-12-7Malthus 模型模型二二 建立模型建立模型00)()()(NtNtrNdttdN其中N(t) 表示 t 时刻人口数。 )()( 00ttreNtN要进行预测要进行预测确定参数确定参数N0, r, t0172021-12-77

9、901 0t参数估计参数估计零时刻的人数为N0 )()1790(0treNtN以下用1790年至1900年的数据来估计参数的值。 )1790(ln)(ln0trNtN )1790( trayaNytN0ln,)(ln利用最小二乘法进行线性拟合利用最小二乘法进行线性拟合181）用1790年至1900年的数据拟合，利用Mathematic软件计算可得ear0.2743/10yr1884. 40N 1884. 4)()1790(02743. 0tetN )()1790(0treNtN192）用全部数据（1790年至2000年）拟合，计算可得ear0.2022/10yr0450. 60N)1790(0

10、2022. 00450. 6)(tetN )()1790(0treNtN2021不能预测222021-12-7年179018001810182018301840185018601870人口3.95.37.29.612.917.123.231.438.6年18801890190019101920193019401950人口50.262.976.092.0106.5123.2131.7150.7年19601970198019902000人口179.3204.0226.5251.4281.4找原因找原因观察相对增长率的变化观察相对增长率的变化 2011nnnnNNNr232021-12-7年1790

11、1800181018201830184018501860增长率%2.953.102.992.972.913.013.082.45年18701880189019001910192019301940增长率%2.442.422.051.911.661.461.021.04年195019601970198019902000增长率%1.581.491.161.051.091.16相对增长率并不是常数！与人口数有关。相对增长率并不是常数！与人口数有关。且随人口数量的增加而减少。且随人口数量的增加而减少。24252021-12-7假设人口相对增长率随人口的增加而线性减少。假设人口相对增长率随人口的增加而线性

12、减少。三三 建立新的预测模型建立新的预测模型0)0()()()(NNtNNrdttdN0)0()()(NNtrNdttdNLogisitic模型模型0)0()1 ()(NNNNNrdttdNm)1790 (0)1(1)(trmmeNNNtNmNrssNrNr)(262021-12-7参数估计参数估计srNsNrNrm,)(年17901800181018201830184018501860增长率%2.953.102.992.972.913.013.082.45年18701880189019001910192019301940增长率%2.442.422.051.911.661.461.021.04

13、年195019601970198019902000增长率%1.581.491.161.051.091.16用1860年至1990年的数据拟合27拟合结果：拟合结果：year0.25025/10r708.396mN)1790( 0) 1(1)(trmmeNNNtN282021-12-7模型分析模型分析)1790( 0) 1(1)(trmmeNNNtNyear0.25025/10r708.396mN2930312021-12-7年17901800181018201830184018501860实际人口3.95.37.29.612.917.123.231.4计算人口N3.95.06.58.310.7

14、13.717.522.3年18701880189019001910192019301940实际人口38.650.262.976.092.0106.5123.2131.7计算人口N28.335.845.056.269.785.5103.9124.5年195019601970198019902000实际人口150.7179.3204.0226.5251.4281.4计算人口N147.2171.3196.2221.2245.3274.9%5.2误差约为32四四 人口预测人口预测trmmeNNNtN 0) 1(1)(将将2000年的数据代入计算得年的数据代入计算得ear0.2440/10yr107.4

15、36mN332021-12-7代入计算得代入计算得326.307)2010(N即即2010年的美国人口总数为年的美国人口总数为307.326百万。百万。%5 . 2误差约为美报告显示美国人口总数已达美报告显示美国人口总数已达3.07亿亿2009年12月24日10:49新华网 34微分方程模型表达的是函数的间接关系，虽然有些方微分方程模型表达的是函数的间接关系，虽然有些方程可求出精确解，但并不意味着就能很好的解决问题。程可求出精确解，但并不意味着就能很好的解决问题。微分方程模型中参数的估计可能会更重要。微分方程模型中参数的估计可能会更重要。注意弄清参数的意义，掌握参数估计的技巧的。注意弄清参数的意义，掌握参数估计的技巧的。352021-12-7我们关注361、PM2.5产生发展演化的规律？产生发展演化的规律？2、如何治理和控制？、如何治理和控制？371、第三方电子支付平台之间的相互关系的数学模型、第三方电子支付平台之间的相互关系的数学模型2、第三方电子支付平台与银行之间关系的数学模型、