建模歷程(NPMCM)1——人口增長(zhǎng)模型的確定

人口增長(zhǎng)模型的確定?這道題是我們建模訓(xùn)練時(shí)的第一道題,說(shuō)起來(lái)這是一道很早的題了,題目本身也并不是特別復(fù)雜,畢竟經(jīng)過(guò)很多年的研究和探討,在題目整體思路以及一些細(xì)節(jié)處理上已經(jīng)有很多的經(jīng)驗(yàn)可供我們參考。 首先,自人類誕生以來(lái)地球的人口數(shù)量大體上始終維持不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)(部分特殊時(shí)期人口規(guī)模出現(xiàn)倒退),而本題是對(duì)1790-1980年這二百年間,中國(guó)和美國(guó)人口的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,并對(duì)1980年之后兩國(guó)人口進(jìn)行預(yù)測(cè)。 在對(duì)人口進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),通常最為常見(jiàn)也最為經(jīng)典的就是(Malthus)指數(shù)增長(zhǎng)模型和(Logistic)阻滯增長(zhǎng)模型,當(dāng)然后來(lái)諸多研究者在這兩個(gè)人口預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了很多變形,這些改進(jìn)的模型在進(jìn)行人口預(yù)測(cè)時(shí)可能有著更好的效果。 本文做題時(shí),使用了Malthus型、Malthus改進(jìn)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)人口增長(zhǎng)進(jìn)行擬合、預(yù)測(cè)。下面為兩種模型具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式,Malthus改進(jìn)模型可以看做阻滯增長(zhǎng)模型一種變形,我的觀點(diǎn)就是表達(dá)形式不同,其內(nèi)在含義是相通的。

(Malthus)數(shù)增長(zhǎng)


本文使用的Malthus改進(jìn)模型:

(Malthus)數(shù)增長(zhǎng)型與Malthus改進(jìn)模型對(duì)美國(guó)人口的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1、圖2所示,對(duì)比兩圖中的擬合曲線無(wú)論是從整體擬合效果還是后期對(duì)1980年之后美國(guó)人口的預(yù)測(cè)結(jié)果,Malthus改進(jìn)模型都有著更優(yōu)異的表現(xiàn)。

圖1

圖2

圖3為Malthus改進(jìn)模型對(duì)同時(shí)期中國(guó)人口的預(yù)測(cè)結(jié)果,1789-1880年這一時(shí)期中國(guó)人口出現(xiàn)了較大波動(dòng),人口規(guī)模出現(xiàn)的倒退。這是由于這一時(shí)期,中國(guó)經(jīng)歷了戰(zhàn)爭(zhēng)以及自然災(zāi)害,Malthus改進(jìn)模型在這一時(shí)段內(nèi)擬合效果不佳,但對(duì)1880年之后的人口擬合效果基本良好。對(duì)比Malthus改進(jìn)模型對(duì)同時(shí)期美國(guó)和中國(guó)人口預(yù)測(cè)效果,對(duì)美國(guó)的整體擬合預(yù)測(cè)效果更加優(yōu)異,但對(duì)后期的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯出現(xiàn)了較大偏差;而對(duì)中國(guó)的擬合預(yù)測(cè)效果恰好相反,整體擬合效果較差,但對(duì)后期人口的預(yù)測(cè)偏差更小。出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是由于,在整個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)期內(nèi)中國(guó)的人口變化相較于美國(guó)更加復(fù)雜,主要是受到戰(zhàn)爭(zhēng)、自然災(zāi)害以及國(guó)家政策的影響。

圖3

以上兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果已經(jīng)較為精確了,但為了更加精確的對(duì)人口增長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)還可以使用智能算法進(jìn)行擬合以及預(yù)測(cè),下面使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)中國(guó)人口進(jìn)行擬合預(yù)測(cè),結(jié)果如圖4所示,相較于Malthus改進(jìn)模型擬合曲線,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合、預(yù)測(cè)結(jié)果偏差更小。

圖4

本文使用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法包含有2隱含層(Hidden Layer),如圖5所示。

圖5

參考文獻(xiàn)

[1]汪愛(ài)紅,丁建林.分離變量微分方程的人口總量預(yù)測(cè)模型改進(jìn)[J].高師理科學(xué)刊,2018,38(06):10-14.

[2]汪愛(ài)紅.可分離變量微分方程的人口總量預(yù)測(cè)模型[J].甘肅高師學(xué)報(bào),2018,23(02):15-17.


BP預(yù)測(cè)代碼(matlab)后臺(tái)回復(fù)“Population BP”或“PBP”獲取。


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