种群的相互竞争模型中数值计算与结果分析

河北大学《数学模型》实验实验报告一、实验目的1.学会编写程序段。2.能根据m文件的结果进行分析。3.根据图像进行比较和分析。二、实验要求8-1捕鱼业的持续收获运行下面的m文件，并把相应结果填空，即填入“_________”。clear;clc;%无捕捞条件下单位时间的增长量：f(x)=rx(1-x/N)%捕捞条件下单位时间的捕捞量：h(x)=Ex%F(x)=f(x)-h(x)=rx(1-x/N)-Ex%捕捞情况下渔场鱼量满足的方程：x'(t)=F(x)%满足F(x)=0的点x为方程的平衡点%求方程的平衡点symsrxNE;%定义符号变量Fx=r*x*(1-x/N)-E*x;%创建符号表达式x=solve(Fx,x)%求解F(x)=0（求根）%得到两个平衡点，记为：%x0=______________,x1=___________x0=x(2);x1=x(1);%符号变量x的结构类型成为2×1sym%求F(x)的微分F'(x)symsx;%定义符号变量x的结构类型为1×1symdF=diff(Fx,'x');dF=simple(dF)%简化符号表达式%得F'(x)=________________%求F'(x0)并简化dFx0=subs(dF,x,x0);%将x=x0代入符号表达式dFdFx0=simple(dFx0)%得F’(x0)=_______%求F’(x1)dFx1=subs(dF,x,x1)%得F’(x1)=________%若Er，有F'(x0)0，F'(x1)0，故x0点稳定，x1点不稳定（根据平衡点稳定性的准则）；%若Er，则结果正好相反。%在渔场鱼量稳定在x0的前提下（Er），求E使持续产量h(x0)达到最大hm。%通过分析（见教材p216图1），只需求x0*使f(x)达到最大，且hm=f(x0*)。symsrxNfx=r*x*(1-x/N);df=diff(fx,'x');x0=solve(df,x)%得x0*=______hm=subs(fx,x,x0)%得hm=_______%又由x0*=N(1-E/r)，可得E*=______%产量模型的结论是：%将捕捞率控制在固有增长率的一半（E=r/2）时，能够获得最大的持续产量。8-2种群的相互竞争（1）补充如下指出的程序段，然后运行该m文件，对照教材上的相应结果。clear;clc;%甲乙两个种群满足的增长方程：%x1'(t)=f(x1,x2)=r1*x1*(1-x1/N1-k1*x2/N2)%x2'(t)=g(x1,x2)=r2*x2*(1-k2*x1/N1-x2/N2)%求方程的平衡点，即解代数方程组%f(x1,x2)=0g(x1,x2)=08-3种群的相互竞争（2）补充如下指出的程序段，然后运行该m文件，对照教材上的相应结果。clear;clc;%甲乙两个种群满足的增长方程：%x1'(t)=f(x1,x2)=r1*x1*(1-x1/N1-k1*x2/N2)%x2'(t)=g(x1,x2)=r2*x2*(1-k2*x1/N1-x2/N2)%求方程的平衡点，即解代数方程组%f(x1,x2)=0g(x1,x2)=0编写出该程序段。三、实验内容8-1捕鱼业的持续收获——产量模型%文件名：p178.mclear;clc;%无捕捞条件下单位时间的增长量：f(x)=rx(1-x/N)%捕捞条件下单位时间的捕捞量：h(x)=Ex%F(x)=f(x)-h(x)=rx(1-x/N)-Ex%捕捞情况下渔场鱼量满足的方程：x'(t)=F(x)%满足F(x)=0的点x为方程的平衡点%求方程的平衡点symsrxNE;%定义符号变量Fx=r*x*(1-x/N)-E*x;%创建符号表达式x=solve(Fx,x)%求解F(x)=0（求根）%得到两个平衡点，记为：%x0=N(1-x/N),x1=0x0=x(2);x1=x(1);%符号变量x的结构类型成为2×1sym%求F(x)的微分F'(x)symsx;%定义符号变量x的结构类型为1×1symdF=diff(Fx,'x');dF=simple(dF)%简化符号表达式%得F'(x)=___________%求F'(x0)并简化dFx0=subs(dF,x,x0);%将x=x0代入符号表达式dFdFx0=simple(dFx0)%得F’(x0)=E-r%求F’(x1)=r-EdFx1=subs(dF,x,x1)%得F’(x1)=r-E%若Er，有F'(x0)0，F'(x1)0，故x0点稳定，x1点不稳定（根据平衡点稳定性的准则）；%若Er，则结果正好相反。%在渔场鱼量稳定在x0的前提下（Er），求E使持续产量h(x0)达到最大hm。%通过分析（见教材p178图1），只需求x0*使f(x)达到最大，且hm=f(x0*)。symsrxNfx=r*x*(1-x/N);a)df=diff(fx,'x');x0=solve(df,x)%得x0*=N/2hm=subs(fx,x,x0)%得hm=(r*N)/4%又由x0*=N(1-E/r)，可得E*=r/2%产量模型的结论是：%将捕捞率控制在固有增长率的一半（E=r/2）时，能够获得最大的持续产量。[提示]符号简化函数simple的格式：simple(S)对符号表达式S尝试多种不同的算法简化，以显示S表达式的长度最短的简化形式。变量替换函数sub的格式：Subs(S,OLD,NEW)将符号表达式S中的OLD变量替换为NEW变量。8-2种群的相互竞争%文件名：p186.mclear;clc;%甲乙两个种群满足的增长方程：%x1'(t)=f(x1,x2)=r1*x1*(1-x1/N1-k1*x2/N2)%x2'(t)=g(x1,x2)=r2*x2*(1-k2*x1/N1-x2/N2)%求方程的平衡点，即解代数方程组%f(x1,x2)=0%g(x1,x2)=0%得4个平衡点：%P(1)=P1（N1，0）%P(2)=P2（0，N2）%P(3)=P3（N1*(-1+k1)/(-1+k2*k1)，N2*(-1+k2)/(-1+k2*k1)）%P(4)=P4（0，0）%平衡点位于第一象限才有意义，故要求P3：k1,k2同时小于1，或同时大于1。%判断平衡点的稳定性（参考教材p200）fx1=diff(f,'x1');fx2=diff(f,'x2');gx1=diff(g,'x1');gx2=diff(g,'x2');A=[fx1,fx2;gx1,gx2]symsx1x2;p=subs(-(fx1+gx2),{x1,x2},{P(:,1),P(:,2)});p=simple(p);%简化符号表达式pq=subs(det(A),{x1,x2},{P(:,1),P(:,2)});q=simple(q);[Ppq]%得到教材p186表2的前3列，经测算可得该表的第4列，即稳定条件。8-3种群的相互竞争（2）求微分方程组)1()()1()(2211222222111111NxNxxrtxNxNxxrtx的数值解，分别画出教材p189中的图5-1，图5-2，图5-3。有关数据参见教材p188中“计算与验证”。[提示]（1）求微分方程组的数值解可参考教材p139的程序。（2）在figure(1)中画图5-1，在figure(2)中画图5-2，在figure(3)中画图5-3。在程序中，figure(图形编号)用于定位对应图形。（3）使用text(x,y,’标识文本’)，坐标点(x,y)在“标识文本”的左边，调整(x,y)值，使“标识文本”放在图中的适当位置。（4）用axis([xminxmaxyminymax])控制坐标的刻度范围。（5）用gridon打开网格，gridoff关闭网格。（6）用holdon把要画的图形保持在之前在同一figure上所画的图形中（同一坐标系）。（7）图5-3中的两“点线”直线，一条的两个端点为(0,1)和(1,0)，另一条的两个端点为(0,2)和(1.6,0)。四、实验结果及其分析8-1捕鱼业的持续收获——产量模型8-2种群的相互竞争（1）1.实验代码：symsr1r2N1N2k1k2x1x2;f=r1*x1*(1-x1/N1-k1*x2/N2);g=r2*x2*(1-k2*x1/N1-x2/N2);[x1,x2]=solve(f,g,x1,x2)P=[x1,x2];fx1=diff(f,'x1');fx2=diff(f,'x2');gx1=diff(g,'x1');gx2=diff(g,'x2');A=[fx1,fx2;gx1,gx2]symsx1x2;p=subs(-(fx1+gx2),{x1,x2},{P(:,1),P(:,2)});p=simple(p);q=subs(det(A),{x1,x2},{P(:,1),P(:,2)});q=simple(q);[Ppq]2.实验结果8-3种群的相互竞争（2）1.实验代码%脚本文件functionf=fun(t,x)r1=2.5;r2=1.8;N1=1.6;N2=1;k1=0.5;k2=1.6;f=[r1*x(1).*(1-x(1)./N1-k1.*(x(2)./N2));r2*x(2).*(1-k2*x(1)./N1-x(2)./N2)];%[t,x]=ode45('fun',[08],[0.1;0.1]);plot(t,x(:,1),t,x(:,2));axis([0802]);gridon;[t,x]=ode45('fun',[08],[1;2]);plot(t,x(:,1),t,x(:,2));axis([0802]);gridon;[t,x]=ode45('fun',[08],[0.1;0.1]);plot(x(:,1),x(:,2));holdon;[t,x]=ode45('fun',[08],[1;2]);plot(x(:,1),x(:,2));x1=0:0.1:1;y1=-x1+1;x2=0:0.1:2;y2=-1.25*x2+2;2.实验结果