亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        捕食與被捕食模型的研究進展

        2016-07-05 08:26:59吳楚芬妍佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院廣東佛山528000
        科技傳播 2016年12期
        關(guān)鍵詞:模型

        吳楚芬,柯 妍佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院,廣東佛山 528000

        ?

        捕食與被捕食模型的研究進展

        吳楚芬,柯妍
        佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院,廣東佛山528000

        摘要自然界中的生態(tài)關(guān)系錯綜復(fù)雜,最為常見的一類系統(tǒng)是捕食與被捕食模型。本文討論了捕食與被捕食模型其功能反應(yīng)函數(shù)的研究進展。

        關(guān)鍵詞捕食與被捕食;模型;功能反應(yīng)

        “物競天擇,適者生存”是生物進化論里的生存模式。生態(tài)系統(tǒng)中生物的演變過程漫長而復(fù)雜,而捕食與被捕食這種生物行為是一種較為普遍的現(xiàn)象。捕食現(xiàn)象隨處可見,眾多種群是如何演變至今?遵循何種規(guī)律?動物的增長為何未引起整個生物界混亂?動物受到何種制約條件?生物系統(tǒng)的平衡,種群之間是如何維持的,種群的持久性又涵蓋了什么規(guī)律。這一系列的問題,吸引了很多學(xué)者深入地去研究,用數(shù)學(xué)式子把它們的變化規(guī)律羅列出來。

        早在1838年,生物數(shù)學(xué)家P.F.Verhulst基于前人A.L.J.Quetelet的工作,發(fā)現(xiàn)生物增長過程中有阻抗因素后,提出了著名的Logistic方程[1]。P.F.Verhulst 對Malthus模型:

        進行了修改,從而得到Verhulst模型:

        在(1)、(2)中,t表示時刻,x表示種群密度,r表示相對增長率,模型(2)即是著名的Logistic方程,其主要描述種群增長走勢,K表示環(huán)境容納量,也稱之為系統(tǒng)的承受能力。

        在20世紀(jì)Lotka和Volterra開始研究捕食與被捕食模型,即著名的L-V模型[2,3]:

        其中,r1為食餌的增長率,r2為捕食者的死亡率,l1, l2表示捕食關(guān)系。L-V模型提出之后,很多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)模型雖然解釋了大量捕食現(xiàn)象,但是在某些情況下實驗結(jié)果和理論相差甚遠(yuǎn)。隨后許多科學(xué)家對模型進行了改進與定性分析,使得模型更加貼近現(xiàn)實生活。本文從具有功能反應(yīng)的捕食與被捕食模型出發(fā),分析捕食與被捕食模型的研究進程。

        1 具有功能反應(yīng)的捕食與被捕食模型的數(shù)學(xué)分析

        1.1具有功能反應(yīng)的捕食與被捕食模型的建立和發(fā)展

        20世紀(jì)20年代,生物學(xué)家U.D’Ancona發(fā)現(xiàn),第一次世界大戰(zhàn)期間,在地中海周邊的碼頭口岸捕捉回來的幾類魚群中,它們各自所占的百分比較平常時期有所變化,鯊魚等一系列捕食者所占的比例都明顯增長了。他認(rèn)為,在第一次世界大戰(zhàn)時期,漁民作業(yè)少,對魚類的捕捉量大幅度下降,導(dǎo)致海域中的被捕食魚類增加,隨之增加的也有作為捕食者的魚類。第一次世界大戰(zhàn)過后,漁民在海域里頻繁地作業(yè),被捕食者魚類數(shù)量逐漸減少,捕食者魚類也減少,但是U.D’Ancona在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一個問題,為什么鯊魚在魚類總量中所占的比例會上升呢?由此他就去拜訪了數(shù)學(xué)家V.Volterra。

        V.Volterra開始思考研究種群數(shù)量的變化,Volterra假設(shè),若不存在捕食者、食餌時,種群的增長就符合Malthus方程(1);而若捕食者存在時,在一定單位時間內(nèi)每一個捕食者對食餌的捕食量與食餌種群數(shù)目成正比,設(shè)比例常數(shù)為l ,即有:

        在(3)式中,x, y 分別表示食餌和捕食者的數(shù)量。若再假設(shè)捕食者捕食完食餌后,忽略時間滯后的作用,馬上轉(zhuǎn)化為能量,給捕食種群提供營養(yǎng)繁殖,設(shè)轉(zhuǎn)化系數(shù)為α,又設(shè)捕食者的死亡率為a ,從而有:

        結(jié)合以上式子(3)和(4),Volterra得到了由捕食者與食餌兩個種群相互作用制約的數(shù)學(xué)模型,即L-V模型:

        經(jīng)典的L-V模型成功地闡釋了當(dāng)時生物學(xué)家沒有辦法解決的疑問,但也有一些缺陷,如線性關(guān)系的死亡率,從而使得理論數(shù)據(jù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn),為了模型可以更加完美實用,不少學(xué)者都試圖對模型進行修正。經(jīng)典的L-V模型被推廣到如下的具有功能性反應(yīng)函數(shù)的捕食與被捕食模型:

        在(6)中,F(xiàn)(x)為食餌在沒有捕食者出現(xiàn)時的增長率,φ(x,y)為捕食者的功能反應(yīng)函數(shù),μ(y)為捕食者的死亡率。模型(6)中,起到關(guān)鍵作用的是功能性反應(yīng)函數(shù)、被捕食者的增長函數(shù)和捕食者的死亡率函數(shù),所以學(xué)者們圍繞這3個方面對L-V模型進行分析。

        1.2功能性反應(yīng)函數(shù)的分析討論

        功能反應(yīng)包含2個方面,食餌依賴型、捕食者依賴型的反應(yīng)函數(shù)。在一開始人們多局限于研究食餌依賴型功能反應(yīng)。

        當(dāng)食餌的數(shù)量無限增多的時候,捕食者并非一味地成正比例增加,而是達到一定程度,會出現(xiàn)緩慢的增長甚至出現(xiàn)停止增長的情況,就如同出現(xiàn)了環(huán)境最大容納量一樣。此時,科學(xué)家Holling和Watt開始研究其中的原因,提出一個新的關(guān)系,他們認(rèn)為食餌數(shù)量增加的時候,捕獲率應(yīng)該由一開始的線性上升直到一個穩(wěn)定的狀態(tài),到達一個捕獲的最高水平。他們在否定了L-V模型中簡單的線性關(guān)系的同時提出了Holling型功能反應(yīng)函數(shù)。在1965年,Holling[4]在實驗研究的基礎(chǔ)上,對不同種群的捕食者提出了3種不同的功能反應(yīng)。

        第一種是對濾食性動物(軟體動物)、大型藻類和酵母的取食過程研究,發(fā)現(xiàn)捕食過程都顯示出明顯的飽和度,增長都趨向于一個定值,把此類情況稱為HollingⅠ類功能反應(yīng)函數(shù)。

        對于無脊椎動物的實驗情況分析,捕食者的捕獲率是隨著食餌數(shù)量的增加而上升的,一直上升到一個飽和水平,當(dāng)食物足夠多時,捕食者的饑餓感降低導(dǎo)致捕獲率下降,把此類情況稱為HollingⅡ類功能反應(yīng)函數(shù)。

        對于脊椎動物的觀察研究發(fā)現(xiàn),在食物比較少的時候,動物會去觀察然后有方法地捕食,隨著食物數(shù)量增大捕獲率加速增大,當(dāng)食物數(shù)量增多到一定程度時,捕食者的饑餓感減弱捕獲率減少,最后達到飽和狀態(tài),把此類情況稱為HollingⅢ類功能反應(yīng)函數(shù)。

        又由于空間都是有限的、食物也會變得少,所以種群內(nèi)就會發(fā)生斗爭,斗爭導(dǎo)致種群數(shù)量下降,然而以上的3個Holling型功能反應(yīng)函數(shù)所表現(xiàn)出來的模型都是在第一象限的單調(diào)函數(shù)有違實際情況,實際上功能反應(yīng)函數(shù)并非都單調(diào)的。在微生物動力學(xué)中會出現(xiàn)抑制現(xiàn)象,人口動力學(xué)中出現(xiàn)群體御防現(xiàn)象,所以Andrews在文獻[5]中提出HollingⅣ類功能反應(yīng)函數(shù)。

        依賴于捕食者的功能反應(yīng)函數(shù),這是一直被學(xué)者們忽略的內(nèi)容。上述的Holling類功能反應(yīng)函數(shù)在捕食與被捕食模型中起著決定性的作用,但是不能否定的是,食餌功能反應(yīng)函數(shù)還不能全面的概括生物的功能反應(yīng)。當(dāng)環(huán)境變得惡劣時,物種會選擇遷徙,當(dāng)同類太多而食物不足時,種群內(nèi)就會發(fā)生斗爭,從而導(dǎo)致群內(nèi)數(shù)量下降。所以在食物充足時,食餌依賴型功能反應(yīng)函數(shù)可以滿足現(xiàn)實中的模型增長,食物不足導(dǎo)致種群內(nèi)部斗爭時就要考慮捕食者依賴型功能反應(yīng)函數(shù)。

        1955年,科學(xué)家Watt通過大量的研究,最終得出了這樣一個結(jié)論:捕食者的捕食效率是隨著捕食者的密度增大而降低的。于是,他提出了2類捕食者依賴型功能反應(yīng)函數(shù)[6]:和

        1969年,科學(xué)家Hassell和Varlay[6]考慮到捕食者們的相互干擾因素,提出了新的一類捕食者功能反應(yīng):φ(x ,y)=pxy-m,0<m≤1。

        1975年,科學(xué)家Beddington和DeAngelis[6]指出,捕食者不但要尋找食物,還有處理好與其他種群內(nèi)捕食者之間的競爭,以至于捕食效率下降,于是,他提出了B-D功能反應(yīng)函數(shù):

        比率依賴型功能反應(yīng)函數(shù)可以認(rèn)為是食餌種群和捕食者種群的數(shù)量(密度)比值的函數(shù)。最初提出該理論的是Arditi和Ginzburg,隨后很多學(xué)者們都展開了研究,最后得到的比率型功能反應(yīng)表達式如下[6]:

        功能性反應(yīng)函數(shù)其類型的不斷增加與修正,使得食餌-捕食者系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣闊。

        參考文獻

        [1]P.F.Verhulst,Notice sur la loi que la population suit dans son accroissement[J],Corr. Math. Phys.,1838, 10: 113-121.

        [2]A.J. Lotka, Elements of Physical Biology[M]. New York:Williams and Wilkins, 1925.

        [3]V. Volterra, Variazionie fluttuazioni del numero d’individui in specie animali conviventi [J] ,Men. Acad. Licei.,1926,2 :31-113.

        [4]C.S. Holling, The functional response of predators to prey density and its role in mimicry and population regulation [J], Mem. Ent. Soc. Can. 1965, 45: 1-60.

        [5]J.F. Andrews, A mathematical model for the continuous culture of microorganisms utilizing inhibitory substrates[J, Biotechnol. Bioeng.,1968,10:707-723.

        [6]陸征一,王穩(wěn)地.生物數(shù)學(xué)前沿[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

        中圖分類號Q-3

        文獻標(biāo)識碼A

        文章編號1674-6708(2016)165-0159-02

        基金項目:廣東省教育廳教學(xué)研究課題:理論與建模相結(jié)合的《常微分方程》實踐教學(xué)(gj41209)。

        作者簡介:吳楚芬,副教授,研究方向為微分方程理論及應(yīng)用。

        猜你喜歡
        模型
        一半模型
        一種去中心化的域名服務(wù)本地化模型
        適用于BDS-3 PPP的隨機模型
        提煉模型 突破難點
        函數(shù)模型及應(yīng)用
        p150Glued在帕金森病模型中的表達及分布
        函數(shù)模型及應(yīng)用
        重要模型『一線三等角』
        重尾非線性自回歸模型自加權(quán)M-估計的漸近分布
        3D打印中的模型分割與打包
        最近免费mv在线观看动漫 | 极品精品视频在线观看| 久久少妇呻吟视频久久久| av男人的天堂亚洲综合网| 熟女体下毛荫荫黑森林| 在线亚洲+欧美+日本专区| 国产又色又爽无遮挡免费动态图| 可以免费在线看黄的网站| 日本成人免费一区二区三区| 开心五月激情五月五月天| 一本久道综合色婷婷五月| 大肉大捧一进一出好爽视频| 四虎影视国产在线观看精品| 亚洲av色在线观看网站| av免费资源在线观看| 精品乱码一区内射人妻无码| 国产成人免费一区二区三区| 亚洲欧美国产日产综合不卡| 超碰青青草手机在线免费观看| 国色天香中文字幕在线视频| 久久精品免费观看国产| 国产一级免费黄片无码AV| 亚洲一区亚洲二区中文字幕| 日韩人妻中文字幕高清在线| 在线欧美中文字幕农村电影| 成黄色片视频日本秘书丝袜| 人妻丰满熟妇一二三区| 性做久久久久久免费观看| 八戒网站免费观看视频| 久久精品国产亚洲AV高清wy| 中文字幕人妻在线少妇| 亚洲日韩国产精品乱-久| 国内精品一区二区2021在线| 亚洲老女人区一区二视频 | 欧美黑人疯狂性受xxxxx喷水| 无码av专区丝袜专区| 91久久国产香蕉视频| 奇米影视777撸吧| 国产成人v爽在线免播放观看| 日本在线中文字幕一区二区| 亚洲国产成人久久精品一区|