Математичне моделювання та диференціальні рівняння

1.1. Поняття математичного моделювання.

Поняття математичного моделювання трактується різними авторами по своєму. Ми будемо його пов’язувати з нашою спеціалізацією – прикладна математика. Під математичним моделюванням ми будемо розуміти метод дослідження процесів або явищ шляхом побудови їхніх математичних моделей і дослідження цих процесів. В основу методу покладемо адекватність між змінними складеного рівняння і досліджуваного процесу. Зрозуміло, що на практиці ці процеси не будуть абсолютно ідентичні. Але можна удосконалювати математичну модель, яка більш точно буде описувати цей процес. Треба пам’ятати, що в останньому випадку, як правило, математичні рівняння ускладнюються. А це означає, що їх моделювання на ЕОМ потребує більше часу, або ж більше не визначаючих обчислювальних комплексів.

Схема таких досліджень починається з постановки задачі і закінчується проведенням ефективного обчислювального експерименту. Її умови можна записати в такій формі:

а) постановка задачі;

б) побудова математичної моделі;

в) перевірка її адекватності;

г) узагальнення та теоретичне дослідження даного класу задач;

д) створення програмного забезпечення;

е) проведення обчислювального експерименту;

ж) впровадження цих результатів в виробництво.

Розглянемо питання використання диференціальних рівнянь в деяких предметних областях.

1.2. Диференціальні рівняння в екології.

Екологія вивчає взаємо відношення людини і, взагалі, живих організмів з навколишнім середовищем. Основним об’єктом дослідження в екології являється еволюція популяцій (сукупність одного виду рослин, тварин, чи мікроорганізмів, які населяють протягом тривалого часу певну територію).

Опишемо математично процес розмноження чи вмирання популяцій.

Нехай – кількісний стан популяції в момент , – число, яке відповідає кількості народжених, – умираючих в одиницю часу. Тоді запис зміни координати задається формулою:

В (1.1) і можуть залежати від . Наприклад:

Де – коефіцієнт народжуваності, – смертності. Маємо з (1.2)

Розв’язок диференціального рівняння запишемо в вигляді

З розв’язку (1.4) видно, що при популяція виживаюча, а при – вмираюча.

Рівняння (1.3) в деяких випадках береться нелінійне

Це рівняння Беруллі при і його розв’язок запишеться в такому вигляді