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Mathematische Populationsmodelle oder Was bewirkt DDT?

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<strong>Mathematische</strong> <strong>Populationsmodelle</strong><br />

<strong>oder</strong><br />

<strong>Was</strong> <strong>bewirkt</strong> <strong>DDT</strong>?<br />

Martin Pohl<br />

Fachhochschule Regensburg<br />

Fakultät für Informatik und Mathematik<br />

MNU-Tag Regensburg,<br />

15. 02. 2007<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 1 / 32


Inhaltsübersicht<br />

1 <strong>Mathematische</strong> Modelle<br />

2 Modelle für eine Population<br />

Differentialgleichungen erster Ordnung<br />

Exponentielles Wachstum<br />

Logistisches Wachstum<br />

3 Modelle für zwei Populationen<br />

Vorbemerkungen<br />

Das Räuber-Beute Modell von Volterra<br />

Untersuchung der Lösungen in der Phasenebene<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 2 / 32


Wozu Mathematik?<br />

Mathematik erklärt die Welt.<br />

Mathematik ist die Antwort des Menschen auf die<br />

Komplexität der Welt.<br />

Die Mathematik ist eine wunderbare Lehrerin für die<br />

Kunst, die Gedanken zu ordnen, Unsinn zu beseitigen<br />

und Klarheit zu schaffen.<br />

(J. H. Fabre)<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 3 / 32


Wozu mathematische Modelle?<br />

Modelle helfen Verstehen und Entscheiden<br />

Einfache mathematische Modelle statt schwieriger<br />

„real-world“-Probleme<br />

Einfache Modelle durch einfache Annahmen<br />

Verifizierung von nicht kausal begründbaren Modellen —<br />

Vergleich realer Daten mit Ergebnissen des Modells<br />

Sensitivitätsanalyse — quantitativ und qualitativ<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 4 / 32


Modellkategorien<br />

Empirische Modelle: Anpassung von Kurven an Messdaten<br />

Stochastische Modelle: Grundlage sind Wahrscheinlichkeiten für<br />

das Auftreten von Ereignissen<br />

Deterministische Modelle: Prozessbeschreibung durch<br />

Gleichungen wie z.B. Differentialgleichungen<br />

Simulationsmodelle: Nachbildung des Prozesses mit einem<br />

Computerprogramm<br />

Statistische Modelle: Testen von Hypothesen mit Hilfe von<br />

Stichproben<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 5 / 32


Modellierungsprozess<br />

Prozess wird mehrfach zyklisch durchlaufen<br />

Ziel: Kompromiss zwischen Genauigkeit und Lösbarkeit<br />

Die Schritte im einzelnen:<br />

1 Identifikation und Beschreibung des Problems<br />

2 Treffen von Annahmen (−→ einfaches Modell)<br />

3 Erstellen von Gleichungen:<br />

Flussdiagramme −→ verbale Gleichungen −→<br />

Differentialgleichungen<br />

4 Lösen der Gleichungen: analytisch <strong>oder</strong> numerisch<br />

5 Darstellung und Interpretation der Ergebnisse<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 6 / 32


Annahmen aller <strong>Populationsmodelle</strong><br />

Annahmen<br />

1 Die Population ist sehr groß<br />

Größe der Population ist ganzzahlig<br />

Annäherung durch eine stetig differenzierbare Funktion möglich<br />

2 Alles passiert sofort<br />

Keine Zeitverzögerung, keine „Einschwingphase“<br />

Geburts- und Sterberaten unabhängig vom Alter<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 7 / 32


Differentialgleichungen erster Ordnung<br />

Definition<br />

Die Gleichung<br />

dy<br />

dx = y ′ = f (x, y)<br />

heißt Differentialgleichung (DGL) erster Ordnung.<br />

y ′ = f (x, y), y(x0) = y0 heißt Anfangswertproblem (AWP).<br />

y ′ = g(x) · h(y) heißt DGL mit getrennten Variablen.<br />

Bemerkung<br />

Ist x von der Zeit t abhängig, so schreibt man<br />

dx<br />

dt<br />

= <br />

x = f (x, t)<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 8 / 32


Differentialgleichungen erster Ordnung<br />

Satz<br />

Ist die Funktion f und die partielle Ableitung ∂f<br />

stetig, so ist das<br />

∂y<br />

AWP<br />

lokal eindeutig lösbar.<br />

y ′ = f (x, y), y(x0) = y0<br />

Für die DGL y ′ = g(x) · h(y) mit getrennten Variablen gilt:<br />

Jede Nullstelle y0 von h ist eine konstante Lösung.<br />

Ist H ′ (y) = 1<br />

h(y) und G′ (x) = g(x), so kann man die<br />

Lösungskurven implizit darstellen als Lösungen der Gleichung<br />

H(y) = G(x) + C, C ∈ R.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 8 / 32


Differentialgleichungen erster Ordnung<br />

Bemerkung<br />

Formale Lösung von y ′ = g(x) · h(y):<br />

dy<br />

dx<br />

dy<br />

= g(x) · h(y) =⇒ = g(x) dx<br />

h(y)<br />

Integration beider Seiten ergibt:<br />

<br />

dy<br />

h(y) =<br />

<br />

g(x) dx ⇐⇒ H(y) = G(x) + C, C ∈ R<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 8 / 32


Geometrische Deutung<br />

Steigung der Lösung im Punkt<br />

(x0, y0) ist f (x0, y0)<br />

Pfeil durch (x0, y0) mit dieser<br />

Steigung ist tangential zu der<br />

Kurve<br />

Lösungskurven schmiegen sich<br />

in das Richtungsfeld<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 9 / 32


Exponentielles Wachstum, Modell<br />

Annahmen<br />

Größe P der Population stetig differenzierbar<br />

Individuelle Geburtenrate pro Zeiteinheit ist β<br />

(konstant und von P unabhängig)<br />

Individuelle Sterberate pro Zeiteinheit ist α<br />

(konstant und von P unabhängig)<br />

Keine externen Einflüsse<br />

(Einwanderung, Auswanderung, Fang, Ernte)<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 10 / 32


Exponentielles Wachstum, Modell<br />

Beispiel<br />

Daten für die Erdbevölkerung (Stand 1990) sind:<br />

Geburtenrate pro Kopf ist β = 0.027 pro Jahr<br />

Sterberate pro Kopf ist α = 0.010 pro Jahr<br />

Daten für die Bevölkerung von Australien:<br />

β = 0.014 und α = 0.007<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 10 / 32


Exponentielles Wachstum, Modell<br />

Modell<br />

Zunahme von P durch Geburten: βP<br />

Abnahme von P durch Tode: αP<br />

Änderungsrate von P:<br />

dP <br />

= P = βP − αP<br />

dt<br />

Effektive individuelle Änderungsrate: λ = β − α<br />

Anfangswert P(0) = P0<br />

Resultierendes AWP:<br />

<br />

P = λP, P(0) = P0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 10 / 32


Exponentielles Wachstum, Lösung<br />

=⇒<br />

P>0<br />

dP<br />

dt<br />

Gegebenes AWP:<br />

= λP =⇒ dP<br />

P<br />

<br />

P = λP, P(0) = P0<br />

= λ dt =⇒<br />

<br />

dP<br />

P =<br />

<br />

λ dt<br />

ln P = λt + ˜ C =⇒ P = e λt+ ˜ C =⇒ P(t) = C e λt<br />

Mit C = P(0) = P0 erhält man schließlich<br />

P(t) = P0 e λt<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 11 / 32


Diskussion der Lösung<br />

Weltbevölkerung,<br />

t = 0 für 1990<br />

λ = 0.017 und<br />

P0 = 5.3 · 10 9<br />

Modell für lange Zeiträume ungenügend<br />

P(t) = 5.3 · 10 9 · e 0.017t<br />

Verlauf vom U.S. Census<br />

Bureau<br />

Modell ←→ Wirklichkeit<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 12 / 32


Verbesserungen des Modells<br />

Werte für Vergangenheit<br />

zu klein,<br />

Wachstumsrate nicht<br />

konstant<br />

Qualitativer Kurvenverlauf<br />

für Zukunft nicht zutreffend<br />

Effektive Wachstumsrate<br />

sinkt bei großer<br />

Bevölkerung<br />

Große Population −→ Konkurrenz um begrenzte Ressourcen<br />

−→ Sterberate steigt<br />

Hohe Populationsdichte −→ ev. sinkende Geburtenrate<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 13 / 32


Logistisches Wachstum, Modell<br />

Annahmen<br />

P ist stetig differenzierbar<br />

P(t) ≤ K , K ist die maximale Kapazität<br />

Individuelle Geburtenrate ist β<br />

Individuelle Sterberate wächst linear mit P sie ist α + γP<br />

Keine externen Einflüsse<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 14 / 32


Logistisches Wachstum, Modell<br />

Modell<br />

Zunahme von P durch Geburten: βP<br />

<br />

Abnahme von P durch Tode: α + γP · P = αP + γP 2<br />

Änderungsrate von P:<br />

λ = β − α<br />

Anfangswert: P(0) = P0<br />

Resultierendes AWP:<br />

<br />

P = βP − αP − γP 2<br />

<br />

P = λP − γP 2 , P(0) = P0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 14 / 32


Logistisches Wachstum, qualtitative Diskussion<br />

<br />

P = λP − γP 2 = P λ − γP = 0 =⇒ P = 0 <strong>oder</strong> P = λ<br />

γ<br />

0 < P < λ<br />

γ<br />

P > λ<br />

γ<br />

=⇒ <br />

P > 0<br />

=⇒ <br />

P < 0<br />

P0 > 0 =⇒ lim P(t) =<br />

t→∞ λ<br />

γ<br />

Kapazität ist K = λ<br />

γ<br />

γ = λ<br />

<br />

=⇒ P = λP<br />

K 1 − P<br />

K<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 15 / 32


Logistisches Wachstum, qualtitative Diskussion<br />

Krümmungsverhalten und Wendepunkte im Fall 0 < P < K<br />

<br />

<br />

P = λP 1 − P<br />

<br />

=⇒<br />

K<br />

<br />

P = λ <br />

<br />

P 1 − P<br />

<br />

P <br />

− λP = λP 1 −<br />

K K 2P<br />

<br />

K<br />

P < K<br />

2<br />

P > K<br />

2<br />

=⇒ <br />

P > 0<br />

=⇒ <br />

P < 0<br />

Wendepunkt bei P = K<br />

2<br />

lim P(t) = K<br />

t→∞<br />

S-förmiger Kurvenverlauf<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 15 / 32


Logistisches Wachstum, qualtitative Diskussion<br />

Bemerkung<br />

Eine Anwendung ist die Marktforschung:<br />

Die Kapazität (hier Marktdurchdringung) kann man abschätzen, wenn<br />

man in den Absatzzahlen einen Wendepunkt feststellt.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 15 / 32


Logistisches Wachstum, Lösung<br />

Gegebenes AWP:<br />

dP<br />

dt = λP K − P <br />

K<br />

=⇒<br />

0


Logistisches Wachstum, Lösung<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 16 / 32


Logistisches Wachstum, Erweiterungen<br />

Einfluss einer konstanten Ernterate h:<br />

<br />

<br />

P = λP 1 − P<br />

<br />

− h= −<br />

K<br />

λ<br />

<br />

P<br />

K<br />

2 − KP + Kh<br />

<br />

λ<br />

stationäre Lösungen sind: P1, 2 = K<br />

<br />

1 ± 1 −<br />

2<br />

4h<br />

<br />

K λ<br />

1 h ≥<br />

2 h <<br />

K λ<br />

4 =⇒ <br />

K λ<br />

4<br />

P ≤ 0 =⇒ Population stirbt aus<br />

P2 < P < P1 =⇒ lim<br />

t→∞ P(t) = P1 = K<br />

2<br />

<br />

1 +<br />

P < P2 =⇒ <br />

P < 0 =⇒ Population stirbt aus<br />

<br />

1 − 4h<br />

<br />

K λ<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 17 / 32


Logistisches Wachstum, Erweiterungen<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 17 / 32


Logistisches Wachstum, Erweiterungen<br />

Einfluss einer konstanten Fangquote h0:<br />

<br />

<br />

P = λP 1 − P<br />

<br />

− h0P= −<br />

K<br />

λ<br />

K P<br />

<br />

P − K 1 − h0<br />

<br />

λ<br />

<br />

<br />

stationäre Lösungen sind P = 0 und P = K 1 − h0<br />

<br />

λ<br />

<br />

1 h0 < λ =⇒ lim P(t) = K 1 −<br />

t→∞ h0<br />

<br />

λ<br />

2 h0 ≥ λ =⇒ lim<br />

t→∞ P(t) = 0<br />

−→ h0 muss reduziert werden zu einem h0 < λ<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 17 / 32


Logistisches Wachstum, Erweiterungen<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 17 / 32


Modellbeispiele mit zwei Populationen<br />

Wettbewerbsmodelle: Konkurrenz um begrenzte Ressourcen.<br />

Stabile Lösungen erst mit mindestens drei Populationen.<br />

Symbiose: Positive Wechselwirkung.<br />

Epidemien: Infizierte und Anfällige. Ausbruch oberhalb eines<br />

Schwellenwertes möglich.<br />

Gefechtsmodell: Schlachten zwischen zwei Armeen. Ergebnisse<br />

waren den Feldherren des 18. Jhd. bekannt.<br />

Räuer-Beute Modelle: Beutepopulation hat unbegrenzten<br />

Nahrungsvorrat, Räuber ernähren sich nur von der Beute.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 18 / 32


Systeme von Differentialgleichungen erster Ordung<br />

Definition<br />

Das System<br />

<br />

x = f (x, y)<br />

<br />

y = g(x, y)<br />

heißt autonomes System von Differentialgleichungen erster<br />

Ordnung.<br />

Die Lösungen (x0, y0) des Gleichungssystems<br />

f (x, y) = 0<br />

g(x, y) = 0<br />

heißen stationäre Lösungen <strong>oder</strong> Gleichgewichtslagen.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 19 / 32


Systeme von Differentialgleichungen erster Ordung<br />

Bemerkung<br />

Die Gleichgewichtslagen (x0, y0) sind gerade die konstanten<br />

Lösungen von<br />

<br />

x = f (x, y)<br />

<br />

y = g(x, y)<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 19 / 32


Systeme von Differentialgleichungen erster Ordung<br />

Satz<br />

Sind die Funktionen f (x, y) und g(x, y) und deren partielle<br />

Ableitungen nach x und y stetig, so ist das AWP<br />

lokal eindeutig lösbar.<br />

<br />

x = f (x, y), x(0) = x0<br />

<br />

y = g(x, y), y(0) = y0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 19 / 32


Die Phasenebene<br />

Geometrische „Theorie“ der Lösungen von<br />

<br />

x = f (x, y)<br />

<br />

y = g(x, y)<br />

Die Lösungen x(t) und y(t) definieren die Trajektorie x(t), y(t) ∈ R 2<br />

Die Menge aller Trajektorien heißt Phasenportrait.<br />

In (x0, y0) läuft die Trajektorie in Richtung f (x0, y0), g(x0, y0) T<br />

Einen geometrischen Eindruck über den Verlauf der Trajektorien<br />

ermöglicht das Richtungsfeld.<br />

Bemerkung<br />

Lösungen eindeutig ⇐⇒ Trajektorien schneiden sich nicht<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 20 / 32


Die Phasenebene<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 20 / 32


Die Phasenebene<br />

Wie findet man die Trajektorien?<br />

Annahme: Trajektorie ist lokal darstellbar als y = y(x)<br />

=⇒ dy<br />

dx<br />

= dy/dt<br />

dx/dt =<br />

<br />

y<br />

<br />

x<br />

= g(x, y)<br />

f (x, y)<br />

Elimination von t führt zu der DGL y ′ =<br />

g(x, y)<br />

f (x, y)<br />

Nachteil: Information über zeitlichen Verlauf geht verloren<br />

Vorteil: Manche Eigenschaften der Trajektorien leicht zu beweisen<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 20 / 32


Räuber-Beute Modell<br />

Annahmen<br />

Es gibt nur die zwei Populationen:<br />

„Beute“-Population B der Größe B(t), unbegrenzte<br />

Nahrungsvorräte, alle werden gefressen.<br />

„Räuber“-Population R der Größe R(t), B ist einzige Nahrung.<br />

Beispiele<br />

B sind Speisefische, R sind Raubfische, z.B. Haie.<br />

B sind Schädlingsinsekten, R sind deren natürliche Feinde (z.B.<br />

andere Insekten).<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 21 / 32


Volterrasches Räuber-Beute Modell, Geschichte<br />

Vor 80 Jahren untersucht der italienische Biologe D’Ancona die Wechselwirkungen<br />

verschiedener Fischarten:<br />

Fischfang reduziert =⇒<br />

Anteil Haie größer<br />

Anteil Speisefische kleiner<br />

Räuber profitieren mehr vom Rückgang der Fischerei als<br />

Speisefische.<br />

D’Ancora fand hierfür keine biologische Erklärung.<br />

Er bittet den Mathematikkollegen Volterra um Hilfe.<br />

Volterra entwickelt das Räuber-Beute Modell und beantwortet die<br />

Frage von D’Ancora.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 22 / 32


Räuber-Beute Modell<br />

Annahmen<br />

B und R sind stetig differenzierbar<br />

Individuelle Geburtenrate der Beute ist β1<br />

Individuelle Sterberate der Beute ist proportional zu R<br />

Individuelle Geburtenrate der Räuber ist proportional zum<br />

Nahrungsangebot<br />

Individuelle Sterberate der Räuber ist α2<br />

Keine externen Einflüsse (Fischfang, <strong>DDT</strong>)<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 23 / 32


Räuber-Beute Modell<br />

Modell<br />

Geburtenrate der Beute: β1B<br />

Sterberate der Beute: c1RB<br />

<br />

Änderungsrate Beute: B = β1B − c1RB<br />

Geburtenrate der Räuber: f · c1RB = c2RB<br />

Sterberate der Räuber: α2R<br />

<br />

Änderungsrate Räuber: R = c2BR − α2R<br />

Resultierendes DGL-System:<br />

<br />

B = β1B − c1BR = B β1 − c1R <br />

<br />

R = c2BR − α2R = R <br />

c2B − α2<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 23 / 32


Räuber-Beute Modell, Interpretation<br />

Beute allein: exponentielles Wachstum mit Rate β1<br />

Räuber allein: exponentielles Aussterben mit Rate α2<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 24 / 32


Räuber-Beute Modell, Interpretation<br />

Wechselwirkung zwischen B und R:<br />

Betrachtung eines kurzen Zeitintervalls ∆t:<br />

Jeder Räuber sucht pro Zeiteinheit den Anteil a der Fläche ab.<br />

Jeder Räuber hat ein eigenes Jagdrevier.<br />

Zeit zum Verzehr der Beute wird vernachlässigt.<br />

Während ∆t fängt jeder Räuber aB∆t Beutetiere.<br />

Gesamte Sterberate von B ist aBR = c1BR.<br />

c1 ist die Suchrate der Räuber.<br />

(pro Zeiteinheit bejagter Flächenanteil)<br />

Sterberate Beute = c1BR = Nahrungsangebot<br />

Geburtenrate Räuber = f · c1BR = c2BR<br />

f = c2 = Anzahl der Beutetiere, die für eine Geburt eines Räubers<br />

c1<br />

gefressen werden.<br />

f ist ein Maß für den Nahrungsbedarf der Räuber.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 24 / 32


Räuber-Beute Modell, Lösung<br />

Das Räuber-Beute Modell kann nicht explizit gelöst werden. Die<br />

numerisch ermittelten Lösungen sehen folgendermaßen aus:<br />

B(t) und R(t) sehen periodisch aus.<br />

R(t) hinkt gegenüber B(t) um eine viertel Periode hinterher.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 25 / 32


Räuber-Beute Modell, Varianten<br />

Externe Engriffe: Fangquoten<br />

Fangquoten wirken sowohl auf B als auch auf R<br />

Sterberate von B um p1B erhöht<br />

Sterberate von R um p2R erhöht<br />

Modifiziertes Modell ist:<br />

<br />

B = β1B − c1BR − p1B<br />

<br />

R = c2BR − α2R − p2R<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 26 / 32


Räuber-Beute Modell, Varianten<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 26 / 32


Räuber-Beute Modell, Varianten<br />

Kapazität K für Beutepopulation<br />

Mit R = 0 logistisches Wachstum für B<br />

Modifiziertes Modell ist:<br />

<br />

B = β1B<br />

<br />

R = c2BR − α2R<br />

<br />

1 − B<br />

<br />

− c1BR<br />

K<br />

Jetzt streben die Lösungen einem Grenzwert zu<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 26 / 32


Räuber-Beute Modell, Varianten<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 26 / 32


Räuber-Beute Modell, Varianten<br />

Beobachtung verschiedener realer Systeme zeigt:<br />

Volterra-Modell beschreibt manche Systeme gut.<br />

Erweiterung mit logistischem Wachstum beschreibt manche<br />

Systeme gut.<br />

Für manche Systeme passen die Modelle nicht:<br />

Ohne Räuber logistisches Wachstum.<br />

Mit Räuber periodisches Verhalten.<br />

Erweiterung von Holling-Tanner:<br />

Fresszeiten werden berücksichtigt.<br />

Räuber fressen nichts, wenn sie satt sind.<br />

Kapazität für Räuber, abhängig von Beutepopulation.<br />

Ergebnis: Logistisches Wachstum und periodische Grenzwerte.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 26 / 32


Übergang zur Phasenebene<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 27 / 32


Übergang zur Phasenebene<br />

Erste Diskussion der Trajektorien von<br />

<br />

B = β1B − c1BR = B β1 − c1R <br />

<br />

R = c2BR − α2R = R <br />

c2B − α2<br />

Stationäre Punkte: (0, 0) und (B0, R0) =<br />

<br />

<br />

<br />

α2<br />

,<br />

c2<br />

β1<br />

c1<br />

B > 0 ⇐⇒ R < R0 und B < 0 ⇐⇒ R > R0<br />

<br />

<br />

R > 0 ⇐⇒ B > B0 und R < 0 ⇐⇒ R < R0<br />

Links von B = B0 nach unten, rechts von B = B0 nach oben<br />

Über R = R0 nach links, unter R = R0 nach rechts<br />

Trajektorien laufen im Uhrzeigersinn um den Punkt (B0, R0).<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 27 / 32


Übergang zur Phasenebene<br />

Mögliche Trajektorienverläufe in der Phasenebene<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 27 / 32


Gleichungsdarstellung der Trajektorien<br />

Anwendung der Kettenregel auf das System<br />

ergibt<br />

dR<br />

dB =<br />

<br />

B = β1B − c1BR = B β1 − c1R <br />

<br />

R = c2BR − α2R = R <br />

c2B − α2<br />

<br />

R<br />

<br />

B<br />

= R(c2B − α2)<br />

B(β1 − c1R) =<br />

also eine DGL mit getrennten Variablen.<br />

R<br />

β1 − c1R · c2B − α2<br />

B<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 28 / 32


Gleichungsdarstellung der Trajektorien<br />

dR<br />

dB =<br />

R<br />

β1 − c1R · c2B − α2<br />

=⇒<br />

B<br />

β1<br />

R<br />

− c1<br />

=⇒ β1 − c1R<br />

dR =<br />

R<br />

c2B − α2<br />

B<br />

<br />

dR = c2 − α2<br />

<br />

dB<br />

B<br />

=⇒ β1 ln R − c1R = c2B − α2 ln B + ˜ C<br />

=⇒ β1 ln R − c1R + α2 ln B − c2B = ˜ C<br />

Anwendung der e-Funktion ergibt<br />

R β 1 · B α 2<br />

e c 1R · e c 2B = Bα 2<br />

e c 2B · Rβ 1<br />

e c 1R<br />

= C, C > 0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 28 / 32<br />

dB


Gleichungsdarstellung der Trajektorien<br />

Mit den Funktionen<br />

f (B) = Bα 2<br />

e c 2B<br />

und g(R) = Rβ 1<br />

e c 1R<br />

sind die Trajektorien die Lösungsmengen der Gleichung<br />

f (B) · g(R) = C, C > 0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 28 / 32


Periodizität der Lösungen<br />

Trajektorien geschlossene Kurven =⇒ Lösungen periodisch<br />

x a<br />

Zunächst: Kurvendiskussion von h(x) = ,<br />

ebx a, b > 0, x ≥ 0<br />

h(0) = 0, lim h(x) = 0<br />

x→∞<br />

x > 0 =⇒ h(x) > 0<br />

=⇒ globales Maximum von h bei Nullstelle der Ableitung<br />

h ′ (x) = ax a−1 − bx a<br />

e bx<br />

= x a−1<br />

e bx<br />

<br />

>0 für x>0<br />

· a − bx <br />

Das Maximum von h wird an der Stelle x0 = a<br />

b angenommen.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 29 / 32


Periodizität der Lösungen<br />

Folgerungen für die Funktionen f und g:<br />

f (B) = Bα 2<br />

e c 2B nimmt ihr Maximum an der Stelle B = B0 = α2<br />

Der Maximalwert von f ist M f = f (B0).<br />

g(R) = Rβ 1<br />

e c 1R nimmt ihr Maximum an der Stelle R = R0 = β1<br />

Der Maximalwert von g ist Mg = g(R0).<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 29 / 32<br />

c2<br />

c1<br />

an.<br />

an.


Periodizität der Lösungen<br />

Wann sind die Lösungskurven von f (B) · g(R) = C geschlossen?<br />

1 Für vorgegebenes C1 > 0 gibt es keine Lösung.<br />

2 Für vorgegebenes C2 > 0 gibt es genau eine Lösung, nämlich<br />

(B0, R0).<br />

3 Für vorgegebenes C3 > 0 ist die Lösungsmenge eine<br />

geschlossene Kurve:<br />

Es gibt zwei Werte B1 < B0 und B2 > B0 mit:<br />

B < B1 <strong>oder</strong> B > B2 =⇒ f (B) · g(R) = C3 hat keine Lösung R<br />

Für B = B1 <strong>oder</strong> B = B2 hat f (B) · g(R) = C3 nur die Lösung<br />

R = R0<br />

Für B ∈ (B1, B2) hat f (B) · g(R) = C3 genau zwei Lösungen<br />

R1(B) < R0 und R2(B) > R0<br />

Es ist lim<br />

B→B1+ R1, 2(B) = R0 und lim<br />

B→B2− R1, 2(B) = R0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 29 / 32


Periodizität der Lösungen<br />

f (B) · g(R) = C, C > 0,<br />

f (B) ≤ f (B0) = M f , g(R) ≤ g(R0) = Mg<br />

1 C1 > M f · Mg =⇒ es gibt keine Lösung<br />

2 C2 = M f · Mg =⇒ es gibt nur die Lösung (B0, R0)<br />

3 0 < C3 < M f · Mg =⇒ f (B) · g(R) = µ · Mg, 0 < µ < M f<br />

⇐⇒ g(R) = µ<br />

f (B) · Mg ist zu lösen<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 29 / 32


Periodizität der Lösungen<br />

3 g(R) = µ<br />

f (B) · Mg, 0 < µ < Mf f (B) = µ =⇒ B = B1 < B0 <strong>oder</strong> B = B2 > B0<br />

B < B1 <strong>oder</strong> B > B2 =⇒ f (B) < µ =⇒ µ<br />

> 1<br />

B1 < B < B2 =⇒ f (B) > µ =⇒ µ<br />

< 1<br />

f (B)<br />

f (B)<br />

B < B1 <strong>oder</strong> B > B2 =⇒ µ<br />

µ<br />

> 1 =⇒ g(R) = · Mg<br />

f (B) f (B)<br />

B = B1, 2 =⇒ µ<br />

<br />

= 1 =⇒ g(R) =<br />

f (B) µ<br />

f (B) · Mg<br />

<br />

⇐⇒ R = R0<br />

B1 < B < B2 =⇒ µ<br />

µ<br />

< 1 =⇒ g(R) =<br />

f (B) f (B) · Mg hat zwei<br />

Lösungen R1 < R0 und R2 > R0<br />

B → B1+ =⇒ R1, 2 → R0 und B → B2− =⇒ R1, 2 → R0<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 29 / 32


Mittelwerte der Populationen<br />

Trajektorien geschlossen =⇒ Lösungen periodisch, d.h. es gibt<br />

ein T mit B(t + T ) = B(t) und R(t + T ) = R(t) für alle t.<br />

Die (Zeit-)Mittelwerte B von B(t) und R von R(t) sind<br />

Es gilt<br />

T<br />

0<br />

B = 1<br />

T<br />

T<br />

0<br />

<br />

B(t)<br />

B(t) dt= lnB(t) T<br />

<br />

B(t) dt und R = 1<br />

T<br />

Aus der DGL <br />

B = B(β1 − c1R) folgt:<br />

0 = 1<br />

T<br />

T<br />

0<br />

<br />

B 1<br />

dt=<br />

B T<br />

T<br />

0<br />

0<br />

T<br />

0<br />

R(t) dt<br />

= ln B(T ) − ln B(0) = 0<br />

T<br />

<br />

β1 − c1R dt= β1 − c1 · 1<br />

R dt<br />

T 0<br />

<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 30 / 32<br />

=R


Mittelwerte der Populationen<br />

Der Mittelwert von R ist daher<br />

Analog erhält man:<br />

Bemerkung<br />

R = β1<br />

c1<br />

B = α2<br />

c2<br />

= R0<br />

= B0<br />

Die Lösungen des Volterraschen Räuber-Beute Modells sind<br />

periodisch. Die stationäre Lösung stimmt mit den Mittelwerten der<br />

Populationen überein, (B, R) = (B0, R0).<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 30 / 32


Zurück zu D’Ancona<br />

Räuber-Beute Modell für Haie und Speisefische mit konstanter<br />

Fangquote:<br />

<br />

B = β1B − c1BR − p1B = B (β1 − p1) − c1R <br />

<br />

R = c2BR − α2R − p2R = R c2B − (α2 + p2) <br />

p1 > 0: Fangquote der Speisefische, p2 > 0: Fangquote der Haie<br />

Mittelwerte der Populationen mit Fischfang:<br />

B1 = α2 + p2<br />

c2<br />

und R1 = β1 − p1<br />

c1<br />

Fischfang =⇒ mehr Speisefische aber weniger Haie.<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 31 / 32


Zurück zu D’Ancona<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 31 / 32


<strong>Was</strong> hat das mit <strong>DDT</strong> zu tun?<br />

1868: „Einfuhr“ des Baumwollschuppen-Insekts von Australien<br />

nach Amerika<br />

Folge: Zitrusfrüchteindustrie stark bedroht<br />

Maßnahme: Einfuhr der natürlichen Feinde, einer Marienkäferart<br />

Folge: Erträgliche Reduzierung der Schädlinge<br />

Maßnahmen nach Erfindung von <strong>DDT</strong>:<br />

Einsatz des Mittels zur weiteren Reduzierung der Schädlinge<br />

Folgerung aus dem Räuber-Beute Modell:<br />

Schädlinge nehmen zu, Fressfeinde nehmen ab<br />

Kann so ein mathematisches Modell stimmen? „Nein“ ???<br />

Und die Folgen?<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 32 / 32


<strong>Was</strong> hat das mit <strong>DDT</strong> zu tun?<br />

Es gibt Dinge, die den meisten Menschen unglaublich erscheinen, die<br />

nicht Mathematik studiert haben.<br />

(Archimedes)<br />

Martin Pohl (FH Regensburg, FB IM) <strong>Populationsmodelle</strong> 15. 02. 2007 32 / 32

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