数学建模微分方程的应用举例

第八节数学建模——微分方程的应用举例微分方程在物理学、力学、经济学和管理科学等实际问题中具有广泛的应用，本节我们将集中讨论微分方程的实际应用，读者可从中感受到应用数学建模的理论和方法解决实际问题的魅力.内容分布★衰变问题★逻辑斯谛方程★价格调整问题★人才分配问题模型★追迹问题内容要点：一、衰变问题镭、铀等放射性元素因不断放射出各种射线而逐渐减少其质量,这种现象称为放射性物质的衰变.根据实验得知,衰变速度与现存物质的质量成正比,求放射性元素在时刻t的质量.用x表示该放射性物质在时刻t的质量,则dxdt表示x在时刻t的衰变速度,于是“衰变速度与现存的质量成正比”可表示为.dxkxdt(8.1)这是一个以x为未知函数的一阶方程,它就是放射性元素衰变的数学模型,其中0k是比例常数,称为衰变常数,因元素的不同而异.方程右端的负号表示当时间t增加时,质量x减少.解方程(8.1)得通解.ktxCe若已知当0tt时,0,xx代入通解ktxCe中可得00,ktCxe则可得到方程(8.1)特解0()0,kttxxe它反映了某种放射性元素衰变的规律.注:物理学中,我们称放射性物质从最初的质量到衰变为该质量自身的一半所花费的时间为半衰期,不同物质的半衰期差别极大.如铀的普通同位素(238U)的半衰期约为50亿年;通常的镭(226Ra)的半衰期是1600年.半衰期是上述放射性物质的特征,然而半衰期却不依赖于该物质的初始量,一克226Ra衰变成半克所需要的时间与一吨226Ra衰变成半吨所需要的时间同样都是1600年,正是这种事实才构成了确定考古发现日期时使用的著名的碳-14测验的基础.二、逻辑斯谛（Logistic）方程:逻辑斯谛方程是一种在许多领域有着广泛应用的数学模型,下面我们借助树的增长来建立该模型.一棵小树刚栽下去的时候长得比较慢,渐渐地,小树长高了而且长得越来越快,几年不见,绿荫底下已经可乘凉了;但长到某一高度后,它的生长速度趋于稳定,然后再慢慢降下来.这一现象很具有普遍性.现在我们来建立这种现象的数学模型.如果假设树的生长速度与它目前的高度成正比,则显然不符合两头尤其是后期的生长情形,因为树不可能越长越快;但如果假设树的生长速度正比于最大高度与目前高度的差,则又明显不符合中间一段的生长过程.折衷一下,我们假定它的生长速度既与目前的高度,又与最大高度与目前高度之差成正比.设树生长的最大高度为H(m),在t(年)时的高度为h(t),则有()()[()]dhtkhtHhtdt(8.2)其中0k是比例常数.这个方程为Logistic方程.它是可分离变量的一阶常数微分方程.下面来求解方程(8.2).分离变量得,()dhkdthHh两边积分,()dhkdthHh得11[lnln()],hHhktCH或12,kHtCHkHtheCeHh故所求通解为22(),11kHtkHtkHtCHeHhtCeCe其中的1210CHCCeC是正常数.函数()ht的图象称为Logistic曲线.图8-8-1所示的是一条典型的Logistic曲线,由于它的形状,一般也称为S曲线.可以看到,它基本符合我们描述的树的生长情形.另外还可以算得lim().thtH这说明树的生长有一个限制,因此也称为限制性增长模式（阻滞增长模型）.注:Logistic的中文音译名是“逻辑斯谛”.“逻辑”在字典中的解释是“客观事物发展的规律性”,因此许多现象本质上都符合这种S规律.除了生物种群的繁殖外,还有信息的传播、新技术的推广、传染病的扩散以及某些商品的销售等.例如流感的传染、在任其自然发展(例如初期未引起人们注意)的阶段,可以设想它的速度既正比于得病的人数又正比于未传染到的人数.开始时患病的人不多因而传染速度较慢;但随着健康人与患者接触,受传染的人越来越多,传染的速度也越来越快;最后,传染速度自然而然地渐渐降低,因为已经没有多少人可被传染了.下面举两个例子说明逻辑斯谛的应用.人口阻滞增长模型1837年,荷兰生物学家Verhulst提出一个人口模型00(),()dyykbyytydt(8.3)其中,kb的称为生命系数.我们不详细讨论这个模型,只提应用它预测世界人口数的两个有趣的结果.有生态学家估计k的自然值是0.029.利用本世纪60年代世界人口年平均增长率为2%以及1965年人口总数33.4亿这两个数据,计算得2,b从而估计得:(1)世界人口总数将趋于极限107.6亿.(2)到2000年时世界人口总数为59.6亿.后一个数字很接近2000年时的实际人口数,世界人口在1999年刚进入60亿.新产品的推广模型设有某种新产品要推向市场,t时刻的销量为(),xt由于产品性能良好,每个产品都是一个宣传品,因此,t时刻产品销售的增长率dxdt与()xt成正比,同时,考虑到产品销售存在一定的市场容量N,统计表明dxdt与尚未购买该产品的潜在顾客的数量()Nxt也成正比,于是有()dxkxNxdt(8.4)其中k为比例系数.分离变量积分,可以解得()1kNtNxtCe(8.5)由dxxdt的图像知，当*()xtN时,则有0,dxdt即销量()xt单调增加.当*()2Nxt时,220;dxdt当*()2Nxt时,220;dxdt当*()2Nxt时,220;dxdt即当销量达到最大需求量N的一半时,产品最为畅销,当销量不足N一半时,销售速度不断增大,当销量超过一半时,销售速度逐渐减少.国内外许多经济学家调查表明.许多产品的销售曲线与公式(8.5)的曲线(逻辑斯谛曲线)十分接近.根据对曲线性状的分析,许多分析家认为,在新产品推出的初期,应采用小批量生产并加强广告宣传,而在产品用户达到20%到80%期间,产品应大批量生产;在产品用户超过80%时,应适时转产,可以达到最大的经济效益.三、价格调整模型假设某种商品的价格变化主要服从市场供求关系.一般情况下,商品供给量S是价格P的单调递增函数,商品需求量Q是价格P的单调递减函数,为简单起见,分别设该商品的供给函数与需求函数分别为(),()SPabPQPP(8.6)其中,,,ab均为常数,且0,0.b当供给量与需求量相等时,由(8.6)可得供求平衡时的价格eaPb并称eP为均衡价格.一般地说,当某种商品供不应求,即SQ时,该商品价格要涨,当供大于求,即SQ时,该商品价格要落.因此,假设t时刻的价格()Pt的变化率与超额需求量QS成正比,于是有方程[()()]dPkQPSPdt其中0,k用来反映价格的调整速度.将(8.6)代入方程,可得()edPPPdt(8.7)其中常数()0,bk方程(8.7)的通解为()tePtPCe假设初始价格0(0),PP代入上式,得0,eCPP于是上述价格调整模型的解为0()()teePtPPPe由于0知,t时,().ePtP说明随着时间不断推延,实际价格()Pt将逐渐趋近均衡价格eP.四、人才分配问题模型每年大学毕业生中都要有一定比例的人员留在学校充实教师队伍,其余人员将分配到国民经济其他部门从事经济和管理工作.设t年教师人数为1(),xt科学技术和管理人员数目为2(),xt又设1个教员每年平均培养个毕业生,每年从教育、科技和经济管理岗位退休、死亡或调出人员的比率为(01),表示每年大学生毕业生中从事教师职业所占比率(01),于是有方程111dxxxdt(8.8)212(1)dxxxdt(8.9)方程(8.8)有通解()11txCe(8.10)若设110(0),xx则110,Cx于是得特解1()10txxe(8.11)将(8.11)代入(8.9)方程变为1()220(1)tdxxxedt(8.12)求解方程(8.12)得通解1()022(1)ttxxCee(8.13)若设220(0),xx则212001,Cxx于是得特解211()200011ttxxxexe(8.14)(8.11)式和(8.14)式分别表示在初始人数分别为12(0),(0)xx情况,对应于的取值,在t年教师队伍的人数和科技经济管理人员人数.从结果看出,如果取1,即毕业生全部留在教育界,则当t时,由于,必有1()xt而2()0,xt说明教师队伍将迅速增加.而科技和经济管理队伍不断萎缩,势必要影响经济发展,反过来也会影响教育的发展.如果将接近于零.则1()0,xt同时也导致2()0,xt说明如果不保证适当比例的毕业生充实教师选择好比率,将关系到两支队伍的建设,以及整个国民经济建设的大局.五、追迹问题设开始时甲、乙水平距离为1单位,乙从A点沿垂直于OA的直线以等速0v向正北行走;甲从乙的左侧O点出发,始终对准乙以0(1)nvn的速度追赶.求追迹曲线方程,并问乙行多远时,被甲追到.建立如图8-8-2所示的坐标系,设所求追迹曲线方程为().yyx经过时刻t,甲在追迹曲线上的点为(,),Pxy乙在点0(1,).Bvt于是有0tan,1vtyyx(8.15)由题设,曲线的弧长OP为2001,xydxnvt解出0vt代入(8.15),得201(1)1.xxyyydxn两边对x求导,整理得21(1)1.xyyn这就是追迹问题的数学模型.这是一个不显含y的可降阶的方程,设(),ypxyp,代入方程得21(1)1xppn或2,(1)1dpdxnxp两边积分,得211ln(1)ln|1|ln||,ppxCn即211.1nCppx将初始条件00||0xxyp代入上式,得11.C于是211,1nyyx(8.16)两边同乘21,yy并化简得211,nyyx(8.17)(8.16)与(8.17)式相加,得111,21nnyxx两边积分,得1121(1)(1).211nnnnnnyxxCnn代入初始条件0|0xy得22,1nCn故所求追迹曲线方程为112(1)(1)(1),2111nnnnnxxnynnnn甲追到乙时,即曲线上点P的横坐标1,x此时2.1nyn即乙行走至离A点21nn个单位距离时被甲追到.