Nå integrer vi begge sider og får på venstre side. der C 1 er en vilkårlig konstant. Høyre side blir. Dette gir. og dermed

Transkript

1 Kapittel 6 Vekstmodeller For å forstå prosesser i naturen er matematiske modeller et nyttig verktøy. Matematiske modeller tar utgangspunkt i naturlover og modellerer disse i et matematisk språk. Naturlovene uttaler seg veldig ofte om hva som kommer til å skje med et system når forutsetningene er gitt og tiden går. F.eks. vil en ball falle til bakken når vi slipper den fra en høyde. Ved å stille opp en matematisk modell som beskriver gravitasjon, kan vi med stor nøyaktighet regne ut hvor lang tid det tar før ballen treffer bakken. Ingrediensene i en matematisk modell er en eller flere størrelser, deres relasjoner i forhold til hverandre og ikke minst, kunnskap om hvordan størrelsene forandrer seg over tid. Størrelsene erstatter vi med funksjoner eller variable, og endringer modellerer vi ved derivasjon. Dermed ender en matematisk modell gjerne opp som en likning som involverer funksjoner og deres deriverte. Dette er det vi kaller differensiallikninger. I dette kapittelet skal vi se på noen enkle fysiske prosesser, stille opp modeller for disse og se hvordan vi ved å bruke matematiske verktøy kan predikere hva som vil skje over tid. Det er viktig å understreke at matematiske modeller bare er modeller av virkeligheten. Modellene kan være gode eller dårlig, alt etter som hvor nøyaktig de beskriver et tidsforløp. Men de vil aldri være virkeligheten. 6. Enkle vekstmodeller Vi lar y = y(t) betegne en størrelse som varierer med tiden. Anta at endringen av y er konstant og derfor ikke varierer, verken med hensyn på tid eller størrelsen på y. Dette gir oss likningen = k som betyr at y har lineær vekst, y = kt +C, hvor k og C er reelle konstanter. Selv om vi snakker om vekst, er det fullt mulig at k er negativ, slik at y avtar. Mao negativ vekst er også en form for vekst. En veldig typisk vekstmodell er det som kalles eksponensiell vekst. I en eksponensiell vekstmodell antar vi at vekstraten til en størrelse er proporsjonal med størrelsen selv. Eksempler på slike vekstmodeller er befolkningsvekst, radioaktiv stråling og unimolekylære reaksjoner. Kaller vi den gitte størrelsen for y = y(t) sier modellen at = l y Dette er en første ordens differensiallikning og vi kan løse den ved en teknikk som kalles separasjon av variable. Differensiallikninger som er mulig å løse med denne teknikken kalles separable differensiallikninger. Vi samler alt som har med y å gjøre på venstre side av likhetstegnet og resten på høyre side. Det gir y = l Nå integrer vi begge sider og får på venstre side y = lny +C der C er en vilkårlig konstant. Høyre side blir l = lt +C 2 Dette gir og dermed lny = lt +C 2 C y(t)=ce lt der vi har slått sammen konstantene C = e C 2 C. 86

2 Eksempel 6... En befolkning N = N(t) vokser med en konstant vekstrate l, og ved tiden t = 0 har vi N(0)= Det gir = l t og derfor N(t)=Ce l t Vi kan sette inn t = 0 for å bestemme C: Det gir N(0)=Ce l 0 = C = N(t)=5 0 6 e l t Et annet eksempel på eksponensiell vekst er radioaktiv stråling. En av karbon-isotopene, C 4 er ustabil, med en halveringstid på ca år. Ved utstråling av b-partikler vil isotopen omdannes til en stabil nitrogenisotop. Eksempel Den matematiske modellen sier at mengden av stråling er proporsjonal med mengden av gjenværende C 4. Vi kaller mengden av C 4 for y = y(t). Det gir = ly der l er en positiv konstant. Vi har satt minus foran siden strålingen reduserer mengden av C 4. Likningen har løsning y(t)=y 0 e lt hvor vi har y 0 = y(0). Halveringstiden til den ustabile isotopen er den tiden det tar til halvparten av den opprinnelige mengden er borte. Hvis vi kaller halveringstiden for T har vi Det betyr at y(t )= y 0 2 = y 0e lt lt = ln 2 som vi løser ut mhp l og får dvs. l = ln2 T y(t)=y 0 e ln2 T t = y 0 ( 2 ) t T Vi kan sammenfatte det vi har sagt til nå i følgende teorem: Teorem 6... La y = y(t) være en deriverbar funksjon som oppfyller differensiallikningen = l y og hvor y(0)=y 0. Da er løsningen av likningen gitt ved y(t)=y 0 e lt Modellen over kalles en første ordens differensiallikning. Et eksempel på en andre ordens differensiallikning er en modell for en kjemisk reaksjon der reaktanden består av to like atomer, f.eks 2NO 2! 2NO+ O 2 Vi lar y = y(t) betegne konsentrasjonen av NO 2. Da vil y tilfredsstille differensiallikningen = l y2 Dette er også en separabel likning som vi løser ved samme teknikk som over, separasjon av variable: y 2 = l Nå integrer vi begge sider og får på venstre side y 2 = y +C der C er en vilkårlig konstant. Høyre side blir l = lt +C 2 Dette gir eller y +C = lt +C 2 y = C lt der igjen C = C C 2 er en felles konstant. Setter vi y(0)=y 0 inn i likningen får vi som gir y 0 = y(0)= C 0 = C y(t)= y 0 lt = y 0 y 0 lt 87

3 Eksempel La N = N(t) være antallet r, f.eks. kaniner på en øy, uten naturlige fiender. I modellen antar vi at økningen i antall kaniner er proporsjonal med antall kaniner. Vi tenker oss at kaninene ferdes fritt og at formeringen bare avhenger av hvor ofte to kaniner møtes. Dette antallet møter mellom to kaniner vil være proporsjonalt med kvadratet av antall kaniner. Dermed få vi den matematiske modellen gitt ved likningen = l N 2 Vi har akkurat vist at løsningen av denne likningen er N(t)= N 0 N 0 lt Et interessant poeng med denne formelen er at dersom vi lar t! N 0 l,såvil N(t)!. Det er jo selvfølgelig umulig i praksis. Det betyr ikke at modellen er dårlig, for så lenge antall kaniner er lavt tenker vi oss at modellen stemmer go med virkeligheten. Dette er et eksempel på at modeller kan ha et gyldighetsområde. Så lenge antall kaniner holder seg i det området fungerer modellen, dvs. modell og virkelighet stemmer go overens. Når vi beveger oss ut av dette gyldighetsområdet begynner det å bli stort avvik mellom modell og virkelighet, selvfølgelig fordi andre faktorer, som f.eks konsekvenser av overbefolkning som matmangel og forurensing, begynner å bli vesentlige faktorer. Dermed kollapser modellen som modell av virkeligheten. 6.2 Logistisk vekst I det forrige eksempelet så vi at vekstmodellen kollapset når antallet kaniner begynte å bli veldig stort. En måte å modifisere modellen for å ta hensyn til denne effekten kalles logistisk vekst. I den logistiske vekstmodellen antar vi at vekstraten til en størrelse y = y(t) er proporsjonal, ikke bare med y, men også med A y der A er bærekraften til størrelsen. Vi skriver likningen som = l y(a y) Dette er også en separabel differensiallikning som vi kan skrive på formen y(a y) = l For å løse denne likningen bruker vi likheten y(a y) = A ( y + A y ) Det gir y(a y) = A ( y + )=l A y Vi integrerer begge sider og får på venstre side A ( y + A y )= (lny ln(a y)) A Høyresiden blir l = lt +C 0 Som vi har sett tidligere trenger vi bare å ta med en integrasjonskonstant på den ene siden. Regnereglene for logaritmefunksjoner gir at y lny ln(a y)=ln( A y ) Ved å bruke ekspnensialfunksjonen på likheten og det faktum at eksponensialfunksjonen og logaritmefunksjonen er omvene funksjoner får vi y A y = elt+c0 = Ce lt hvor vi for enkelthet skyld har satt C = e C0. Setter vi y(0)=y 0 får vi C = y 0 A y 0 dvs. y A y = y 0 e lt A y 0 Denne likningen kan vi løse med hensyn på y og vi får (med litt regning) Ay 0 y(t)= (A y 0 )e lt + y 0 Hvis vi lar t!, så vil leddet (A står igjen med lim y(t)= Ay 0 = A t! 0 + y 0 y 0 )e lt! 0, og vi Denne funksjonen er illusterert i figur 6.. Den vannrette aksen er tid. Så lenge y er liten vil funksjonen oppføre seg veldig likt vanlig eksponensiell vekst, siden A y-faktoren er tilnærmet konstant. Etter hvert som y øker vil veksten begynne å avta siden leddet A y gjør at vekstraten igjen blir redusert. Størst vekst har vi når de to faktorene y og A y er like, dvs. for y = A 2.Når y nærmer seg bærekraft-grensa A vil veksten flate ut og etter hvert gå mot 0. 88

4 Fra reaksjonslikningen vet vi at for hver spaltet kjerne får vi frigjort 2 nøytroner. På den annen side vil vær spalting sluke ett nøytron. Det betyr at antall frie nøytroner er gitt ved [n]=2y y = y, og vi får Figur 6.. Grafen til en logistisk vekstfunksjon Vi kan sammenfatte dette resonnementet i et teorem: Teorem La y = y(t) være en deriverbar funksjon som tilfredsstiller differensiallikningen = l y(a y) og hvor l og A er positive konstanter. Anta videre at y(0)=y 0. Da kan y(t) skrives på formen Ay 0 y(t)= (A y 0 )e lt + y 0 En kjemisk reaksjon sies å være autokatalytisk dersom et av reaksjons-produktene også virker som en katalysator for den samme eller en koplet reaksjon. Et eksempel på en autokatalytisk reaksjon er spalting av uran i en atombombe-eksplosjon. Under reaksjonen skytes et nøytron inn i en uran-kjerne som så spaltes og frigjør energi og 2 nye nøytroner. I tillegg dannes noen restprodukter. De 2 nøytronene kan inngå i nye kjernereaksjoner, slik at mengden spaltinger øker raskt. Vi skriver reaksjonslikningen som U + n! 2n + energi + rest produkter der U står for den aktuelle uran-isotopen og n et nøytron. La y = y(t) betegne antall spaltede uran-kjerner, og A det totale antall av uran-isotopen rett før kjernereaksjonen starter. Antall spaltbare uran-atomer vil da være A y. La [n] være antall frie nøytroner. Den første antagelsen vi gjør i modellen er at antall kjernereaksjoner er proporsjonalt med produktet av antall uranatomer og antall frie nøytroner. Dette er en rimelig antagelse siden kjerne-reaksjonene er direkte avhengig av at et nøytron treffer et uran-atom, og frekvensen av slike treff er proporsjonal både med antall atom-kjerner og antall frie nøytroner. Dermed har vi likningen = l (A y) [n] = l (A y) y som svarer helt til den logistiske vekstmodellen. Teoremet og figuren over gir da en komplett beskrivelse av forløpet av atombombe-eksplosjonen. Alle modellene vi har sett på i dette kapitlet er spesialtilfeller av det som heter separable differensiallikninger. En separabel første-ordens differensiallikning er en likning på formen = f (y) g(t) hvor f og g er to funksjoner, den ene i variabelen y og den andre i variabelen t. Vi kan separere variablene, f (y) = g(t) og regne ut en anti-derivert på begge sider, f (y) = g(t) Dermed får vi en relasjon mellom en funksjon i y og en i t. Hvis mulig, så løser vi ut denne relasjonen med hensyn på y, forå forsøke å uttrykke y som en funksjon i t. Vi skal se på et eksempel. Eksempel Et legeme beveger seg med konstant akselerasjon a i en rett-linjet bevegelse. Ved tidspunktet t har legemet flyttet seg s(t). Da har vi likningen v = ds = at hvor farten v er uttrykt som den deriverte av strekningen s med hensyn på tiden t. Dette er en saparable differensiallikning med f (y)= og g(t)=at. Separering av de variable og påfølgende integrasjon gir ds = at eller s = s(t)= 2 at2 +C hvor C = s(0). Eksempel I en innsjø slippes det kontinuerlig ut en viss mengde av en miljøgft. Samtidig foregår den en jevn utskifting av vannet i innsjøen gjennom elver og 89

5 bekker som dels renner ut i innsjøen, dels renner ut av innsjøen. Vannvolumet i innsjøen er V, utskiftingen av vann pr. tidsenhet setter vi til v og mengden av miljøgift som slippes ut pr. tidsenhet er p. Den totale mengde av miljøgift i innsjøen kaller vi P = P(t). Vi antar at giften til enhver tid er jevnt fordelt i hele vannvolumet V. Konsentrasjonen av giften er da gitt ved V P. Det betyr at mengden gift som dreneres ut pr. tidsenhet er V P v. Samtidig tilføres ny gift med p pr. tidsenhet. Totalregnskapet for endring av giftmengde blir da dp = P V v + p = v V (P v ) Likningen har to variable, P og t, mens V, v og p er konstanter. Den er separabel og vi kan skrive dp v = P V v som gir ln(p v )= v V +C0 Vi bruker eksponensialfunksjonen på begge sider og får P v = Ce v V t hvor vi for enkelthet skyld har satt C = e C0. Det gir oss giftmengden i sjøen gitt ved P = v +Ce Vi ser at når t! så vil det høyre leddet gå mot 0. Det betyr at lim t! P = v som forteller oss at giftmengden etter hvert stabiliserer seg på et bestemt nivå. Dette kunne vi alternativt ha sett direkte fra differensiallikningen; stabil giftmengde betyr at dp = 0 eller v V (P v V t v )=0 mao P = v. Denne verdien kaller vi for en likevektstilstand for modellen. Oppgave. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten y 0 = y der y(0)=. Oppgave 2. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten y 0 = 2y der y(0)=. Oppgave 3. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten y 0 = y der y()= 2 e. Oppgave 4. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten y 0 = 2 p y der y(0)=. Oppgave 5. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten der y(0)=2. y 0 = y Oppgave 6. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten der y(0)=2. y 0 = t y Oppgave 7. La y = y(t). Bruk framgangsmåten i teksten y 0 = y( y) der y(0)=. Oppgave 8. Finn en likevektstilstand for modellen gitt ved likningen = 2y y2 Oppgave 9. En matematisk modell er beskrevet av differensiallikningen = y(y )(y 2) Finn likevektstilstandene til modellen. 90

6 Oppgave 0. En matematisk modell er gitt ved differensiallikningen y 0 = y 2 3y + 2 For hvilke verdier av y vil vekstraten ha sin største verdi? Oppgave. En matematisk modell er gitt ved differensiallikningen yy 0 = 2t 3 hvor y(0)=0. Finn y = y(t). Oppgave 2. En hårlokk som påstås å være fra Harald Hårfagres pannelugg blir C 4 -datert. Det viser seg at hårlokken inneholder 98% av naturlig mengde av C 4 - isotopen. Er det noen grunn til å stole påpåstanden? Oppgave 3. En fiskebestand N = N(t) vokser i henhold til en logistisk vekstmodell = bn(b N) der b er positiv konstant og B er bestandens bærekraftsgrense. Man bestemmer seg for drive en viss fangst fra fiskebestanden. Når vi tar hensyn til fangsten vil fiskebestanden være modellert av differensiallikningen = bn(b N) h der h beskriver fangstvolum pr tidsenhet. Hva vil likevektstilstanden for bestanden være med en slik fangst? Vi setter h = B2 4. Kan du finne en løsning av likningen? 9