当兔子和狐狸处于同一栖息地时,忽略其他因素,只考虑兔子数量和狐狸数量的相互影响,为了简便起见,不妨做如下假设:
(1)由于自然繁殖,兔子数每年增长10%,狐狸数每年减少15%;
(2)由于狐狸吃兔子,兔子数每年减少狐狸数的0.15倍,狐狸数每年增加兔子数的0.1倍;
(3)第n年时,兔子数量Rn用表示,狐狸数量用Fn表示;
(4)初始时刻(即第0年),兔子数量有R0=100只,狐狸数量有F0=30只.
请用所学知识解决如下问题:
(1)列出兔子与狐狸的生态模型;
(2)求出Rn、Fn关于n的关系式;
(3)讨论当n越来越大时,兔子与狐狸的数量是否能达到一个稳定的平衡状态,说明你的理由.
(1)∵兔子数每年增长10%,狐狸数每年减少15%,兔子数每年减少狐狸数的0.15倍,狐狸数每年增加兔子数的0.1倍
∴
(n≥1)…4’Rn=1.1Rn-1-0.15Fn-1 Fn=0.1Rn-1+0.85Fn-1
(2)设
=αn
,M=Rn Fn 1.1 0.1 -0.15 0.85
∴
=Mαn
=M(Mαn-1
)=…=Mnαn-2 α∞
又矩阵M的特征多项式f(λ)=λ-1.1 -0.1
=λ2-1.95λ+0.95=(λ-1)(λ-0.95)0.15 λ-0.85
令f(λ)=0得:λ1=1,λ2=0.95
特征值λ1=1对应的一个特征向量为
=α1 3 2
特征值λ2=0.95对应的一个特征向量为
=α2
…6’1 1
且
=α0
=70100 30
-1103 2
=701 1
-110α1 α2
∴
=Mnα0=70αn λ n1
-110α1 λ n2
=70α2
-110•0.95n3 2
=1 1 210-110•0.95n 140-110•0.95n
∴
…14’Rn=210-110•0.95n Fn=140-110•0.95n
(3)当n越来越大时,0.95n越来越接近于0,Rn,Fn分别趋向于常量210,140.即随着时间的增加,兔子与狐狸的数量逐渐增加,当时间充分长后,兔子与狐狸的数量达到一个稳定的平衡状态.…2’