應用與數學建模

競爭物種模型(competing-species model)

現在想像兩個物種,牠們不互相獵食,卻想要「同一樣東西」——一個湖裡兩種魚爭奪同一種食物,或兩種植物搶同一片陽光。各自單獨都活得好,卻彼此擠壓。競爭物種模型提出一個尖銳的問題:牠們能共存、永遠共享這個湖嗎,還是其中一方必逼另一方滅絕?答案竟然優美地取決於各方對對方施壓的力道。

每個物種單獨時都按邏輯斯諦方式增長——朝自己的承載力——但也被對手拖住。常見形式為 x' = x (1 - x - a y) 與 y' = y (1 - y - b x)。1 - x 部分是普通的邏輯斯諦自我限制;-a y 與 -b x 部分表示對方越多、各自受害越深,而 a 與 b 衡量各方感受到的競爭有多強。一切的關鍵在於 a 與 b 是大於還是小於 1,也就是種間擠壓是否勝過種內擠壓。

在相平面上追蹤各平衡點,會出現四種情形。若競爭溫和(a < 1 且 b < 1),兩者安定於穩定的共存——兩族群都趨近的一個共享穩態。若競爭激烈(a > 1 且 b > 1),共存變成鞍點:一條不穩定的刀鋒,最終勝者取決於誰起步領先——這就是競爭排斥原理,敗者被徹底消滅。兩個混合情形則讓某一物種無論起點如何都必勝。於是同一組方程,配上不同的力道,便預測出和諧、贏者全拿,或由先佔者決定的結局——這正是生態學家青睞此模型的原因。

它仍是一幅漫畫:它把承載力凍結,忽略空間、年齡與機運,並把所有的「競爭」濃縮成兩個數字。但它仍當之無愧,因為它把一場含糊的口頭爭論——「兩個相似物種能共享一個生態位嗎?」——化為一個你可以檢驗的、清晰的幾何判準。

取 a = 0.5、b = 0.5(溫和競爭),系統有一個穩定的內部平衡點,約在 (2/3, 2/3):以任意正的兩物種數量出發,兩者都漂向共享這個湖。把 a 與 b 推到 1 以上,同一個內部點就變成鞍點——共存崩潰,早期領先者勝出。

內部平衡點是匯(sink)還是鞍點,正是區分共存與排斥的關鍵。

競爭排斥是「這個」模型在強競爭下的一個預測,並非自然界的鐵律——真實物種透過資源分割、利用波動,或棲息於斑塊化的空間而共存,而這些正是此模型刻意略去的。

又称
Lotka-Volterra competition modeltwo-species competition種間競爭模型競爭方程