數(shù)學(xué)模型——微分方程

通過微分方程,探索與擬合自變量與因變量之間的關(guān)系。

大致方法

建立微分方程:
\frac{\Delta P}{\Delta t}=\frac{P(t+\Delta t)-P(t)}{\Delta t}=kP
\Delta t 趨近于零時(shí),由導(dǎo)數(shù)的定義得
\lim_{\Delta t->0} \frac{\Delta P}{\Delta t}= \frac{dP}{dt} =kP
然后解方程:
\frac{dP}{P}=kdt
lnP=kt+C \Rightarrow P(t_0)=P_0 \Rightarrow C=lnP_0-kt_0
代入得:
lnP=kt+lnP_0+kt_0
ln \frac{P}{P_0} =k(t-t_0) \Rightarrow P(t)=P_0e^{k(t-t_0)}


模型改進(jìn):

k \not= 常數(shù)k 是關(guān)于 P 的函數(shù), k=r(M-P),r>0 是系數(shù), M 是極限值。

那么得
\frac{dP}{dt}=r(M-P)P \Rightarrow \frac{dP}{P(M-P)}=rdt
\frac{1}{P(M-P)}= \frac{1}{M}(\frac{1}{P}+\frac{1}{M-P}) \Rightarrow \frac{dP}{P}+\frac{dP}{M-P}=rMdt

求積分得 lnP-ln|M-P|=rMt+C ,由 P(t_0)=P_0 得:
C=ln \frac{P_0}{M-P_0}-rMt_0
帶入后化簡(jiǎn)方程得:
ln (\frac{P(M-P_0)}{P_0(M-P)})=rM(t-t_0) \Rightarrow \frac{P(M-P_0)}{P_0(M-P)}=e^{rM(t-t_0)}
得 P(t)=\frac{P_0Me^{rM(t-t_0)}}{M-P_0-P_0e^{rM(t-t_0)}}= \frac{MP_0}{[P_0+(M-P_0)e^{-rM(t-t_0)}]}
故得: \lim_{t \to \infty}P(t)=M
所以現(xiàn)在轉(zhuǎn)換成求 rM
由 \frac{dP}{dt}=r(M-P)P \Rightarrow P''=rMP'-2rPP'=rP'(M-2P)
得:當(dāng)P=M/2 時(shí),P''=0 ,即在 M/2 處,P' 最大,然后從 M/2M 逐漸減小至零。
所以,可根據(jù)此,結(jié)合擬合的圖像(模擬遍歷),推算出 M ,從而在推算出 r 。至此,方程參數(shù)已確定完畢。

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