一階建模與定性分析

收穫模型

假設一個族群按邏輯斯諦方式增長,但人們同時也在取走一部分——在池塘捕魚、撲殺畜群、砍伐森林。你能取走多少,又能讓明年還剩下族群?收穫模型在邏輯斯諦方程上加一個移除項,並帶著一個尖銳的警告:取得太多,族群就會崩潰,而且毫無溫和的預警。

從邏輯斯諦增長出發,減去被收穫的量。最簡單的情形是以固定速率 H 收穫:dP/dt = rP(1 − P/K) − H。增長曲線 rP(1 − P/K) 是關於 P 的開口向下的拋物線;減去 H 把整條曲線下移 H。只要 H 夠小,曲線仍與零交於兩點——一個較低的平衡點(不穩定)與一個較高的(穩定),高於較低點的族群會趨向較高點。但當你提高 H,這兩個平衡點便相向滑動。在臨界收穫率 H = rK/4 時它們相撞並消失:超過此率便完全沒有正平衡點,dP/dt 處處為負,無論起始多大,族群都被推向滅絕。

這是鞍結分岔(saddle-node bifurcation)生動的現實範例:一個參數(收穫率)跨過閾值,平衡點便消失。對漁業與野生動物管理的啟示嚴峻——最大可持續產量恰位於那刀刃之上,哪怕只略微越過,都不只是減少存量,而可能將其滅絕。更糟的是,崩潰可能突如其來,因為在閾值附近,穩定族群已經很低、吸引力又弱。

一個 r = 0.4/年、K = 10000 的漁場,其最大可持續固定收穫量為 H_max = rK/4 = 0.4·10000/4 = 1000 條魚/年。每年捕 1100 條,則對每個 P 都有 dP/dt < 0,存量便崩潰至零。

固定收穫把增長拋物線下移;超過 H = rK/4,平衡點便消失。

固定速率收穫的危險在於它隱藏的懸崖:在臨界率之下存量看似無虞,但再略微提高便完全移除平衡點,導致不可逆的崩潰。

又称
harvesting modelfishing model捕撈模型採收模型