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大年与小年
自然界有许多令人琢磨不透的事情,如:某地柑橘的产量往往是一年大、一年小地交替出现;虫灾的周期性出现;甚至近来上海地区的梅雨季也呈一年短、一年长之势。其背后究竟隐藏着什么呢?
容易知道,名牌高校的考分若呈现一年高一年低之状,是考生的心态在作祟。而虫灾的周期性出现则牵涉到生物的生存规律。
当年,某物种的数目不仅与上一年的数目有着相当直接的关系,还受环境的限制,若上一年的物种太多,在争夺生存资源的种内竞争中,不仅直接导致该物种的数目下降,还将破坏生存环境降低环境负荷量,最终导致数目大幅下降。Logistic映射基本反映了这种情况:
f(x)=ax(1-x) x∈[0,1]
和相应的迭代
xn+1=axn(1-xn)
必须注意的是:xn表示该物种总数除以某个可能达到的最大值。于是xn∈[0,1],下一年的总数xn+1主要依赖上一年的总数xn,也依赖于资源供应系数a(视为常量)。
当0<a<1时,由于0≤xn+1≤axn,则有xn趋于0,(当n趋于∞时)
当1<a<3 时,任取x0∈(0,1),有xn趋于1-1/a,(当n趋于∞)
这可由不动点方程:
f(x)=x
即 ax(1-x)=x解得。而通过稳定性分析可知解x=0不稳定,而解x=1-1/a却是稳定的。
当3<a<1+√6时,解x=1-1/a以变得不稳定了,而方程x=f[2](x)的四个解中却有两个是稳定的,于是xn开始绕两个数值振动,k趋于∞时有:x2k趋于b1; x2k+1趋于b2。其中 b1,b2=(1/2a)[1+a±√(a+1)(a-3)]
这就是某物种数目的有大年、小年的原因了。
a继续增大,周期将变为4,8,16,……,称为倍周期分叉,且变化得越来越快,当a趋于3.569945557391……时,周期趋于∞;而一旦a越过了这个值,便进入了混沌区。请看Logistic映射的分叉结构图。
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