Diferansiyel Denklemler · 2. Ünite: Birinci Mertebeden Denklemlerin Uygulamaları

Nüfus Modelleri (Eksponansiyel ve Lojistik)

Bir bakteri kültürü, bir balık stoğu ya da bir ülkenin nüfusu zamanla nasıl değişir? Birinci mertebeden tek bir otonom denklem, $P' = g(P)$, bu soruya şaşırtıcı ölçüde zengin bir yanıt verir: sınırsız üstel büyüme, kaynakların sınırladığı S biçimli büyüme, bir eşiğin altında yok oluş ve aşırı hasatla çöküş. Konunun sonunda Malthus ve lojistik modelleri kurup analitik olarak çözebilecek, çözümü bulmadan faz çizgisinden denge noktalarını ve kararlılıklarını okuyabilecek, dönüm noktasını türetebilecek ve hasatlı modelde maksimum sürdürülebilir hasadı ($rK/4$) bulup bunun bir çatallanma (bifurcation) olduğunu açıklayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Nüfus Neden Bir Diferansiyel Denklemdir?

  2. Eksponansiyel (Malthus) Model

  3. Lojistik Model: Sınırlı Kaynak ve Taşıma Kapasitesi

  4. Lojistik Denklemin Analitik Çözümü ve S-Eğrisi

  5. Eşik Modeli: Çok Seyrek Nüfus Tükenir

  6. Hasatlı Model, Maksimum Sürdürülebilir Hasat ve Çatallanma

  7. Sınır Durumları ve Simülasyonla Keşif

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Otonom denklem (autonomous equation)
Sağ tarafı yalnızca bağımlı değişkene bağlı olan $y' = g(y)$ biçimli denklem; $t$ açıkça yer almaz.
Eksponansiyel (Malthus) model
Kişi başına büyüme oranı sabit olan $P' = rP$ modeli; çözümü $P_0e^{rt}$, ikiye katlanma süresi $\ln 2 / r$.
Taşıma kapasitesi (carrying capacity)
Lojistik modelde ortamın sürdürebileceği en büyük nüfus $K$; kararlı denge noktasıdır.
Denge noktası (equilibrium)
$g(P^*) = 0$ olan sabit çözüm $P \equiv P^*$; nüfusun değişmediği değer.
Faz çizgisi (phase line)
$P'$ işaretinin $P$ ekseni üzerinde oklarla gösterildiği, çözümsüz niteliksel analiz aracı.
Kararlılık (stability)
Denge yakınındaki çözümler ona yaklaşıyorsa kararlı, uzaklaşıyorsa kararsız; $g'(P^*) < 0$ kararlı, $> 0$ kararsız.
Dönüm noktası (inflection point)
Lojistik çözümde eğriliğin işaret değiştirdiği nokta; $P = K/2$ ve en büyük büyüme hızı noktasıdır.
Eşik modeli (threshold model)
$P' = -r(1 - P/T)P$; $T$'nin altında nüfus tükenir, üstünde sonlu zamanda patlar.
Maksimum sürdürülebilir hasat (maximum sustainable yield)
Nüfusu tüketmeden alınabilecek en büyük sabit hasat; lojistik modelde $h_{\max} = rK/4$.
Eyer-düğüm çatallanması (saddle-node bifurcation)
Parametre değişirken iki denge noktasının birleşip yok olması; hasatlı modelde $h = rK/4$'te olur.

Örnek soru

Bir bakteri kültürü $P' = 0{,}03\,P$ (zaman birimi: saat) Malthus modeline uyuyor. Nüfusun iki katına çıkması yaklaşık kaç saat sürer?

  1. 33,3 saat
  2. 23,1 saat
  3. 66,7 saat
  4. 0,021 saat
  5. 0,043 saat

Doğru cevap: B

Çözüm

1. $P = P_0e^{0{,}03t}$ ve $P(t_d) = 2P_0$ koşulundan $e^{0{,}03\,t_d} = 2$ olur.
2. Her iki tarafın doğal logaritması: $t_d = \dfrac{\ln 2}{0{,}03} \approx \dfrac{0{,}693}{0{,}03} \approx 23{,}1$ saat. B
3. Bu süre $P_0$'dan bağımsızdır.
Çeldiriciler: $1/r = 33{,}3$ (ln 2 unutuldu), $2/r = 66{,}7$ ($P = 2$ sanıldı), $r\ln 2$ ve $r/\ln 2$ ise çarpma ya da bölmeyi yanlış kurmanın sonucudur.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular