问题分析 & Z5 ?) K& H& Y: ^
男生追女生,对男生来说最重要的是学习、爱情两不误。因此我们引进男生的学业成绩函数Y(t)。 % S( e3 f8 y; e$ \/ ]$ T) s2 s # W% A- _7 y7 ~# n C 首先,我们不考虑男生的追求攻势,则影响该函数的因素主要是两个人的关系程度。为了便于分析,我们将两人的关系简化为女生对该男生的疏远度,于是引入疏远度函数X(t)。 5 X! @, K* {. _0 H
( F9 O: L( Q: d7 I% u 问题就转化为求解Y(t)和X(t)的相互作用关系。利用微分,很容易就可以求出两者的关系。但现实中男生可能会对该女生发起一轮轮的追求攻势,因此还要考虑到追求攻势对模型的影响。而追求攻势又与女生的疏远度有关,可以简化地将两者看成是正比关系。将追求攻势加入到模型中,就可以找出攻势与Y(t)和X(t)的关系了。 . r4 W! ^ ^/ r7 q9 o* C
: \- O p8 q+ Q: F7 Q, c
模型假设 2 z3 N3 a0 W4 H/ H2 l {- D 4 i) R/ G" C8 e! U: b; Q6 R+ z 1、t时刻A君的学业成绩为Y(t); * K) c7 z' p& [ 0 a p# ~& y, c% x! e- y9 r 2、t时刻B女对A君的疏远度为X(t); " E) F/ q; U1 T0 [
' ]# f; V! P3 h" t$ z
3、当A君没开始追求B女时B女对A君的疏远度增长(平时发现的A君的不良行为)符合Malthus模型,即dX/dt=aX(t)其中a为正常数。 : N* Q6 h3 X$ o3 e9 b0 h, K& o
4、当Y(t)存在时,单位时间内减少X(t)的值与X(t)的值成正比,比例常数为b,从而 dX(t)/dt=aX(t)-bX(t)Y(t)。 ! J0 @9 M# U) A- t: ]( S4 m! d9 |. }& i4 J. q* I$ K
5、A君发起对B女追求后,立即转化为B女对A君的好感,并设定转化系数为 α,而随着的A君发起对B女的追求,A君学业的自然下降率与学业成绩成正比,比例系数为e。于是有dY(t)/dt=αbX(t)Y(t)-eY(t)。 - k2 z4 r' e$ g: S
+ B5 z2 I$ }: L: v' P
模型构成 " y( Q4 Q/ I8 {. l
! }4 T* w4 z3 ~: q. R
由假设4和假设5,就得到了学业与疏远度在无外界干扰的情况下互相作用的模型: : x# H. A! Q/ D$ o6 y* D ; }: C' |5 U8 o, O {dX(t)/dt=aX-bXY;dY(t)/dt=cXY-eY} 其中c=αb. (1) 3 N) f. m1 f2 r, o7 L1 I " X4 l- v" g! W+ N 这是一个非线性自治系统,为了求两个数X与Y的变化规律,我们对它作定性分析。令{aX-bXY=0;cXY-eY=0} 解得系统(1)的两个平衡位置为:O(0,0),M (e/c,a/b)。从(1)的两方程中消去dt,分离变量可求得首次积分: & o( k0 _( N% H' q 6 y i7 s1 ]- o F(X,Y)=cX-dln|X|-aln|Y|=k (2) # `1 \5 t1 ^" W6 G1 r7 P* \
2 O3 P* j8 @5 W" n% S4 V
容易求出函数F(X,Y)有唯一驻点为M(e/c,a/b)。再用极值的充分条件判断条件可以判断M是F的极小值点。同时易见,当X→∞(B女对A君恨之入骨)或Y→∞ (A君是一块只会学习的木头)时均有F→∞;而X→0(A君作了变形手术,B女对他毫无防备)或Y→0(A君不学无术,丝毫不学习)时也有F→∞。由此不难看出,在第一象限内部连续的函数z=F(X,Y)的图形是以M为最小值点,且在第一卦限向上无限延伸的曲面,因而它与z=k(k>0)的交线在相平面XOY的投影F(X,Y)=k (k>0)是环绕点M的闭曲线簇。这说明学业成绩和疏远度的指数成周期性变化。 * m$ ^ x8 B+ f8 @$ ^$ Q
# I9 x+ \" C- r$ W! t& v* k2 N
结果解释 ( y- n5 Q& o/ ], }/ ^1 O2 ~, H 6 Q( `4 j- l8 D3 Z7 m0 }7 t1 | 从生态意义上看这是容易理解的,当A君的学习成绩Y(t)下降时,B女会疏远 A君,疏远度X(t)上升;于是A君就又开始奋发图强,学习成绩Y(t)又上升了。于是B女就又和A君开始了来往,疏远度X(t)又下降了。与B女交往多了,当然分散了学习时间,A君的学习成绩Y(t)下降了。 9 k' U/ b7 e) Q6 D3 d& U4 z
7 X7 Z* E$ B( N' U/ q& O0 l 然而我们可证明,尽管闭轨线不同,但在其周期内的X和Y的平均数量都分别是一常数,而且恰为平衡点M的两个坐标。事实上,由(1)的第二个方程可得: dY/Ydt=cX- e,两端在一个周期时间T内积分,得: ( a& E: X! a& o* J* E$ U " F$ a+ ]8 u# G }/ |, ] ∫(dy/Ydt)dt=c∮Xdt-dT (3) 7 Z' H# D/ e/ V7 d
, I, f0 s% V) T5 u 注意到当t经过一个周期T时,点(X,Y)绕闭轨线运行一圈又回到初始点,从而:∫(dY/Ydt)dt=∮dY/Y=0。所以,由(3)式可得:(∫Xdt)/T=e/c。 + ]/ x, _ E. i+ F$ z. @4 d# P; s$ s; P
同理,由(1)的第一个方程可得:(∫Ydt)/T=a/b。 ' C4 {1 B, B5 t; `$ @* {- c( `5 R
) R9 u, T9 L$ I O
模型优化 ' O+ J, R; t T. R. K5 ]# i9 m