Матрица Лесли - Leslie matrix

В Прикладная математика, то Матрица Лесли это дискретный, возрастной модель рост населения это очень популярно в экология населения. Он был изобретен и назван в честь Патрик Х. Лесли. Лесли матрица (также называемая моделью Лесли) - один из наиболее известных способов описания роста популяций (и их прогнозируемого возрастного распределения), при котором популяция закрыта для миграции, растет в неограниченной среде и где только один пол, обычно женский, Считается.

Матрица Лесли используется в экология моделировать изменения в популяции организмов за определенный период времени. В модели Лесли население делится на группы в зависимости от возрастных категорий. Похожая модель, которая заменяет возрастные классы на онтогенетические стадии называется матрицей Лефковича,^[1] при этом люди могут оставаться в одном и том же сценическом классе или переходить к следующему. На каждом временном шаге популяция представлена вектор с элементом для каждого возрастного класса, где каждый элемент указывает количество людей, находящихся в данный момент в этом классе.

Матрица Лесли - это квадратная матрица с тем же количеством строк и столбцов, что и у вектора населения. (I, j) -я ячейка в матрице указывает, сколько человек будет в возрастном классе я на следующем временном шаге для каждого человека на этапе j. На каждом временном шаге вектор населенности умножается на матрицу Лесли, чтобы сгенерировать вектор населенности для последующего временного шага.

Чтобы построить матрицу, необходимо знать некоторую информацию от населения:

• ${\displaystyle n_{x}}$, количество особей (п) каждой возрастной категории Икс
• ${\displaystyle s_{x}}$, доля особей, выживших из возрастного класса Икс к возрастному классу х + 1,
• ${\displaystyle f_{x}}$, плодовитость, то на душу населения среднее число потомков женского пола, достигающее ${\displaystyle n_{0}}$ рожден от матери возрастного класса Икс. Точнее, его можно рассматривать как количество потомков, рожденных в следующем возрастном классе. ${\displaystyle b_{x+1}}$ взвешенные по вероятности достижения следующего возрастного класса. Следовательно, ${\displaystyle f_{x}=s_{x}b_{x+1}.}$

Из наблюдений, что ${\displaystyle n_{0}}$ вовремя т + 1 представляет собой просто сумму всех потомков, рожденных на предыдущем временном шаге, и что организмы, дожившие до времени т + 1 организмы во времени т выжить с вероятностью ${\displaystyle s_{x}}$, получается ${\displaystyle n_{x+1}=s_{x}n_{x}}$. Тогда это подразумевает следующее матричное представление:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}n_{0}\\n_{1}\\\vdots \\n_{\omega -1}\\\end{bmatrix}}_{t+1}={\begin{bmatrix}f_{0}&f_{1}&f_{2}&\ldots &f_{\omega -2}&f_{\omega -1}\\s_{0}&0&0&\ldots &0&0\\0&s_{1}&0&\ldots &0&0\\0&0&s_{2}&\ldots &0&0\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\vdots \\0&0&0&\ldots &s_{\omega -2}&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}n_{0}\\n_{1}\\\vdots \\n_{\omega -1}\end{bmatrix}}_{t}}$

куда ${\displaystyle \omega }$ - это максимальный возраст, достижимый для населения.

Это можно записать так:

${\displaystyle \mathbf {n} _{t+1}=\mathbf {L} \mathbf {n} _{t}}$

или же:

${\displaystyle \mathbf {n} _{t}=\mathbf {L} ^{t}\mathbf {n} _{0}}$

куда ${\displaystyle \mathbf {n} _{t}}$ вектор населения во времени т и ${\displaystyle \mathbf {L} }$ - матрица Лесли. Доминирующий собственное значение из ${\displaystyle \mathbf {L} }$, обозначенный ${\displaystyle \lambda }$, дает асимптотический темп роста населения (темп роста при стабильном возрастном распределении). Соответствующие собственный вектор обеспечивает стабильное возрастное распределение, пропорцию людей каждого возраста в популяции, которая остается постоянной в этой точке асимптотического роста, за исключением изменений показателей естественной смертности.^[2] При достижении стабильного возрастного распределения популяция подвергается экспоненциальный рост по ставке ${\displaystyle \lambda }$.

В характеристический многочлен матрицы задается Уравнение Эйлера – Лотки.

Модель Лесли очень похожа на дискретное время. Цепь Маркова. Основное отличие состоит в том, что в марковской модели можно было бы иметь ${\displaystyle f_{x}+s_{x}=1}$ для каждого ${\displaystyle x}$, а в модели Лесли эти суммы могут быть больше или меньше единицы.

Стабильная возрастная структура

Эта модель роста с возрастной структурой предполагает установившуюся или стабильную возрастную структуру и скорость роста. Независимо от первоначального размера популяции, ${\displaystyle N_{0}}$, или возрастное распределение, население асимптотически стремится к этой возрастной структуре и темпам роста. Он также возвращается в это состояние после возмущения. В Уравнение Эйлера – Лотки обеспечивает средства определения собственной скорости роста. Стабильная возрастная структура определяется как скоростью роста, так и функцией выживаемости (т.е. матрицей Лесли). Например, население с высокой внутренней скоростью роста будет иметь непропорционально «молодую» возрастную структуру. Население с высокими показателями смертности в любом возрасте (то есть с низкой выживаемостью) будет иметь аналогичную возрастную структуру. Чарльзуорт (1980) предоставляет дополнительные подробности о скорости и форме конвергенции к стабильной возрастной структуре.

Случайный случай Лесли

Существует обобщение скорости роста населения на случай, когда матрица Лесли имеет случайные элементы, которые могут быть коррелированы. При характеристике расстройства или неопределенности жизненно важных параметров; пертурбативный формализм должен использоваться, чтобы иметь дело с линейными неотрицательными случайная матрица разностные уравнения. Тогда нетривиальное эффективное собственное значение, которое определяет долгосрочную асимптотическую динамику среднего вектора состояния популяции, может быть представлено как эффективный темп роста. Это собственное значение и связанный с ним инвариантный вектор состояния среднего значения могут быть вычислены из наименьшего положительного корня секулярного полинома и остатка среднезначной функции Грина. Таким образом, точные и возмущающие результаты могут быть проанализированы для нескольких моделей беспорядка.

Рекомендации

1. Хэл Касвелл (2001). Матричные модели популяции: построение, анализ и интерпретация. Синауэр.
2. Миллс, Л. Скотт. (2012). Сохранение популяций дикой природы: демография, генетика и управление. Джон Вили и сыновья. п. 104. ISBN  978-0-470-67150-4.

Источники

• Кребс CJ (2001) Экология: экспериментальный анализ распространения и численности (5-е издание). Сан-Франциско. Бенджамин Каммингс.
• Чарльзуорт, Б. (1980) Эволюция населения с возрастной структурой. Кембридж. Издательство Кембриджского университета
• Лесли, П. (1945) «Использование матриц в математике некоторых популяций». Биометрика, 33(3), 183–212.
• Лесли, П. (1948) "Некоторые дальнейшие заметки об использовании матриц в математике народонаселения". Биометрика, 35(3–4), 213–245.
• Лотка, А.Дж. (1956) Элементы математической биологии. Нью-Йорк. Dover Publications Inc.
• Кот, М. (2001) Элементы математической экологии, Кембридж. Издательство Кембриджского университета.