数学建模实例--人口预报问题

数学建模实例 人口预报问题数学建模实例 人口预报问题 1 问题问题 人口问题是当前世界上人们最关心的问题之一人口问题是当前世界上人们最关心的问题之一 认识人口数量的变化规律 认识人口数量的变化规律 作出较准确的预报 是有效控制人口增长的前提作出较准确的预报 是有效控制人口增长的前提 下面介绍两个最基本的人口模下面介绍两个最基本的人口模 型 并利用表型 并利用表 1 给出的近两百年的美国人口统计数据 对模型做出检验 最后给出的近两百年的美国人口统计数据 对模型做出检验 最后 用它预报用它预报 2000 年 年 2010 年美国人口年美国人口 表表 1 美国人口统计数据美国人口统计数据 年 公元 年 公元 人口 百万 人口 百万 1790 3 9 1800 5 3 1810 7 2 1820 9 6 1830 12 9 1840 17 1 1850 23 2 年 公元 年 公元 人口 百万 人口 百万 1860 31 4 1870 38 6 1880 50 2 1890 62 9 1900 76 0 1910 92 0 1920 106 5 年 公元 年 公元 人口 百万 人口 百万 1930 123 2 1940 131 7 1950 150 7 1960 179 3 1970 204 0 1980 226 5 1990 251 4 2 指数增长模型 马尔萨斯人口模型 指数增长模型 马尔萨斯人口模型 此模型由英国人口学家马尔萨斯 此模型由英国人口学家马尔萨斯 Malthus1766 1834 于 于 1798 年提出年提出 1 假设 人口增长率假设 人口增长率是常数 或单位时间内人口的增长量与当时的人口成是常数 或单位时间内人口的增长量与当时的人口成r 正比 正比 2 建立模型 建立模型 记时刻记时刻t 0 时人口数为时人口数为 x0 时刻时刻t的人口为的人口为 由于量大 由于量大 tx 可视为连续 可微函数可视为连续 可微函数 t到到时间内人口的增量为 时间内人口的增量为 txtt trx t txttx 于是于是满足微分方程 满足微分方程 tx 1 0 d d 0 x rx t xx 3 模型求解 模型求解 解微分方程 解微分方程 1 得 得 2 0e rt x tx 表明 表明 时 时 0 t txr 4 模型的参数估计 模型的参数估计 要用模型的结果 要用模型的结果 2 来预报人口 必须对其中的参数 来预报人口 必须对其中的参数 r 进行估计 这可进行估计 这可 以用表以用表 1 1 的数据通过拟合得到的数据通过拟合得到 拟合的具体方法见本书第拟合的具体方法见本书第 16 章或第章或第 18 章章 通过表中通过表中 1790 1980 的数据拟合得 的数据拟合得 0 307 r 5 模型检验 模型检验 将将 x0 3 9 0 307 代入公式 代入公式 2 求出用指数增长模型预测的 求出用指数增长模型预测的 1810 r 1920 的人口数 见表的人口数 见表 2 表表 2 美国实际人口与按指数增长模型计算的人口比较美国实际人口与按指数增长模型计算的人口比较 指数增长模型指数增长模型年年 公元公元 实际人口实际人口 百万 百万 预测人口 百万 预测人口 百万 误差 误差 17903 9 18005 3 18107 27 31 4 18209 610 04 2 183012 913 76 2 184017 118 79 4 185023 225 610 3 186031 435 010 8 187038 647 823 8 188050 265 530 5 189062 989 642 4 190076 0122 561 2 191092 0167 682 1 1920106 5229 3115 3 从表从表 2 可看出 可看出 1810 1870 间的预测人口数与实际人口数吻合较好 但间的预测人口数与实际人口数吻合较好 但 1880 年以后的误差越来越大年以后的误差越来越大 分析原因 该模型的结果说明人口将以指数规律无限增长分析原因 该模型的结果说明人口将以指数规律无限增长 而事实上 随着人而事实上 随着人 口的增加 自然资源 环境条件等因素对人口增长的限制作用越来越显著口的增加 自然资源 环境条件等因素对人口增长的限制作用越来越显著 如果如果 当人口较少时人口的自然增长率可以看作常数的话 那么当人口增加到一定数当人口较少时人口的自然增长率可以看作常数的话 那么当人口增加到一定数 量以后 这个增长率就要随着人口增加而减少量以后 这个增长率就要随着人口增加而减少 于是应该对指数增长模型关于人于是应该对指数增长模型关于人 口净增长率是常数的假设进行修改口净增长率是常数的假设进行修改 下面的模型是在修改的模型中著名的一个下面的模型是在修改的模型中著名的一个 3 阻滞增长模型 阻滞增长模型 logistic 模型 模型 1 假设 假设 a 人口增长率 人口增长率为人口为人口的函数的函数 减函数 减函数 最简单假定 最简单假定r tx xr 线性函数 线性函数 叫做固有增长率叫做固有增长率 0 srsxrxrr b 自然资源和环境条件年容纳的最大人口容量 自然资源和环境条件年容纳的最大人口容量 m x 2 建立模型 建立模型 当当 时 增长率应为时 增长率应为 0 即 即 0 于是 于是 代入 代入 m xx m r x m r s x 得 得 sxrxr 3 m 1 x r xr x 将 将 3 式代入 式代入 1 得 得 模型 模型 4 m 0 1 0 dxx rx dtx xx 3 模型的求解 模型的求解 解方程组 解方程组 4 得 得 5 m m 0 11 rt x x t x e x 根据方程 根据方程 4 作出 作出 曲线图 见图曲线图 见图 1 由该图可看出人口增长率随 由该图可看出人口增长率随 d d x x t 人口数的变化规律人口数的变化规律 根据结果 根据结果 5 作出 作出x t曲线 见图曲线 见图 2 由该图可看出人口数 由该图可看出人口数 随时间的变化规律随时间的变化规律 4 模型的参数估计 模型的参数估计 利用表利用表 1 中中 1790 1980 的数据对的数据对 和和拟合得 拟合得 0 2072 464 r m xr m x 5 模型检验 模型检验 将将 0 2072 464 代入公式 代入公式 5 求出用指数增长模型预测的 求出用指数增长模型预测的 1800 r m x 1990 的人口数 见表的人口数 见表 3 第第 3 4 列列 也可将方程 也可将方程 4 离散化 得 离散化 得 t 0 1 2 6 1 1 tx x tx rtxxtxtx m 用公式 用公式 6 预测 预测 1800 1990 的人口数 结果见表的人口数 结果见表 3 第第 5 6 列列 表表 3 美国实际人口与按阻滞增长模型计算的人口比较美国实际人口与按阻滞增长模型计算的人口比较 阻滞增长模型阻滞增长模型 公式 公式 5 公式 公式 6 年年 实际实际 人口人口 百万百万 预测人口预测人口 百万百万 误差 误差 预测人口预测人口 百万百万 误差 误差 17903 9 18005 35 90250 11373 90000 2642 18107 27 2614 0 0085 6 50740 0962 O x m x2 m x dt dx 图 1 曲线图 dx x dt x m x 2 0 x 0 x tO 图 2 x t 曲线图 18209 68 93320 06958 68100 0957 183012 910 98990 148111 41530 1151 184017 113 52010 209415 12320 1156 185023 216 63280 283119 81970 1457 186031 420 46210 348326 52280 1553 187038 625 17310 347835 45280 0815 188050 230 9687 0 383143 53290 1328 189062 938 09860 394356 1884 0 1067 190076 046 86990 383370 14590 0770 191092 057 66070 373384 73050 0790 1920106 570 93590 3339102 46260 0379 1930123 2 87 26740 2917118 9509 0 0345 1940131 7107 35880 1848137 88100 0469 1950150 7132 07590 1236148 7978 0 0126 1960179 3162 4835 0 0938170 27650 0503 1970204 0199 8919 0 0201201 17720 0138 1980226 5245 91270 0857227 57480 0047 1990251 430