邏輯斯蒂方程(logistic equation)
純指數增長——dy/dt = r*y——是個幻想:它說種群、銀行存款或謠言會永遠翻倍、毫無上限。現實有極限。邏輯斯蒂方程是最簡單而誠實的修正,它讓增長在資源充裕時以指數起步,卻在種群逼近環境所能支撐的上限時溫和地剎車。它是非線性模型的典範開篇,也是定性理論的展品。
它的形式是 dy/dt = r*y*(1 - y/K),其中 r 是內稟增長率,K 是承載力。讀這兩個因子:當 y 小時,括號接近 1,增長幾乎指數式,dy/dt 約等於 r*y;當 y 攀向 K 時,括號縮向 0,增長停滯;若 y 曾超過 K,括號變負,y 又回落。該方程可分離(也是一個 n = 2 的伯努利方程),其解是著名的 S 形曲線 y(t) = K/(1 + A*e^(-r*t))——起步緩慢、中段陡峭、在 K 處趨平。在相線上它有兩個平衡點:y = 0(不穩定)與 y = K(穩定),於是每個正的初始種群都被導向承載力。
邏輯斯蒂方程是科學中最常被複用的模型之一:種群生物學、流行病與創新的傳播、自催化化學反應、腫瘤生長,以及資源的加載曲線,都披著它的 S 形。它是把整個領域串起來的完美例題——可分離、可用伯努利法求解、帶一條富有教益的相線和一個乾淨的穩定性判定。誠實的告誡是它是有意為之的簡化:它假定固定的承載力、單一物種、無時滯、無年齡結構、無噪聲,而真實種群常常偏離。
一個 r = 0.5/年、K = 1000 的魚群服從 dy/dt = 0.5*y*(1 - y/1000)。從 100 起步,它緩慢上升,在陡峭的中段加速,最後在 1000 附近趨平——即那條 S 曲線,1000 是它不會長久超越的穩定承載力。
起初指數,隨後剎車至承載力 K——經典的 S 形曲線。
邏輯斯蒂曲線並非唯一的 S 形增長律,平滑趨近 K 是一種建模假設,而非自然法則。加入時滯,或令 r 足夠大,會使其離散版本陷入混沌——即著名的邏輯斯蒂映射——提醒我們這個乾淨的連續模型是一種簡化。