人口增长
人口增长是数列应用的经典例子,从简单的指数增长模型到复杂的Logistic模型,都涉及数列知识。
指数增长模型
最简单的人口增长模型假设:每年人口增长率固定。
设第 年人口为 ,年增长率为 ,则:
这是等比数列!
指数增长公式
其中 是初始人口。
实际应用
例1:城市人口预测
某城市2020年人口100万,年增长率2%,预测2030年人口。
解:
例2:细菌繁殖
某细菌每小时分裂一次(数量翻倍),初始有1000个,6小时后有多少个?
解:
例3:翻倍时间
人口年增长率3%,多少年后人口翻倍?
解:
Logistic模型(选学)
实际中,人口不会无限增长,会受到资源限制。Logistic模型考虑了环境承载力 :
当 接近 时,增长率趋于0。
疫情传播模型
COVID-19等疫情的传播也可用类似模型:
其中 是基本再生数, 是总人口, 是第 天感染人数。
指数增长的可怕:如果 (每个感染者传染2人),10代后感染人数就是 倍!这就是为什么疫情防控要”早发现、早隔离”。
练习题
练习 1
某国2020年人口5000万,年增长率1.5%,预测2050年人口。
参考答案(2 个标签)
数列应用人口增长
解:
答案:约7816万
练习 2
某种病毒每天传播率为50%(每个感染者平均传染0.5人),初始10人感染,7天后约有多少人感染?(假设总人口足够大)
参考答案(2 个标签)
数列应用人口增长
解:
简化模型(忽略环境承载力):
答案:约171人
总结
本文出现的符号
| 符号 | 类型 | 读音/说明 | 在本文中的含义 |
|---|---|---|---|
| 数学符号 | P-sub-n | 第 年人口 | |
| 数学符号 | P-sub-zero | 初始人口 | |
| 数学符号 | r | 年增长率 | |
| 数学符号 | n | 年数 | |
| 数学符号 | K | 环境承载力 | |
| 数学符号 | R-sub-zero | 基本再生数 | |
| 数学符号 | N | 总人口 | |
| 数学符号 | I-sub-n | 第 天感染人数 | |
| 数学符号 | natural log | 自然对数 |
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 指数增长 | exponential growth | /ˌekspəˈnenʃəl ɡrəʊθ/ | 按固定比例增长 |
| 增长率 | growth rate | /ɡrəʊθ reɪt/ | 每期增长的百分比 |
| 承载力 | carrying capacity | /ˈkæriɪŋ kəˈpæsəti/ | 环境能承载的最大数量 |
| 递推关系 | recurrence relation | /rɪˈkʌrəns rɪˈleɪʃən/ | 由前项推出后项的式子 |
| 基本再生数 | basic reproduction number | /ˈbeɪsɪk ˌriːprəˈdʌkʃən ˈnʌmbə/ | 单个感染者平均传染人数 |
