BEBOERHUSET I FEBRUAR 2015
Transcription
BEBOERHUSET I FEBRUAR 2015
Oversigt 1 Stofskifte og kropsvægt hos pattedyr 2 Vægtforhold mellem kerne og strå Gymnasielærerdag 3 Priselasticitet Thomas Vils Pedersen 4 Nedbrydning af organisk materiale 5 Populationsvækst 6 Forurening af en sø 7 Simpel model for epidemier 8 SIR-modellen for epidemier 9 Svampesygdom i en plantage 10 Temperatursvingninger i jord Eksempler på hvordan matematik indgår i undervisningen på LIFE Institut for Grundvidenskab og Miljø [email protected] 16 14 12 10 10 8 6 x5 4 2 0 2 4 6 t 8 10 12 28. februar 2011 — Dias 1/42 Tidsplan Dias 2/42 Indhold 14.15–14.45: Oplæg om matematik i forskning og undervisning på LIFE • De følgende slides viser en række matematiske modeller fra undervisningen på LIFE 14.45–15.15: Oplæg om fysik i forskning og undervisning på LIFE 15.15–15.45: Gruppearbejde: Hvordan kan I benytte de gennemgåede emner i jeres undervisning? • Disse slides gennemgås relativt hurtigt 15.45–16.00: Pause • Derefter skal I i grupper diskutere, hvordan I kan benytte det i jeres undervisning 16.00–16.15: Udveksling af konklusioner fra gruppearbejde 16.15–17.15: Beskrivelse af et konkret undervisningsforløb i matematik Dias 3/42 Dias 4/42 Stofskifte og kropsvægt hos pattedyr Dyr Kropsvægt, K Stofskifte, S Stofskifte og kropsvægt hos pattedyr (fortsat) Flagermus Ørkenræv Næsebjørn Hyæne Kænguru Jordsvin 0.029 1.1 3.9 7.0 33 48 0.027 0.4 1.0 2.2 5.8 6.0 Spørgsmål Er stofskiftet proportionalt med kropsvægten? (Det ser ikke sådan ud.) Undersøger det ved at udregne forholdene Dyr Kropsvægt, K Stofskifte, S 8 7 S : K Flagermus Ørkenræv Næsebjørn Hyæne Kænguru Jordsvin 0.029 1.1 3.9 7.0 33 48 0.027 0.4 1.0 2.2 5.8 6.0 6 S 0.93 5 K S4 0.36 0.26 0.31 0.18 0.13 3 Konklusion 2 • Stofskiftet er ikke proportionalt med kropsvægten. 1 0 10 20 30 40 • Stofskiftet vokser langsommere end kropsvægten. 50 K Spørgsmål Hvordan kan man beskrive sammenhængen mellem stofskifte og kropsvægt? Konklusion Jo større kropsvægt, jo større stofskifte. Dias 5/42 Stofskifte og kropsvægt hos pattedyr (fortsat) Stofskifte og kropsvægt hos pattedyr (fortsat) Ny ide Udregner for hvert dyr størrelsen S K 0.75 Dias 6/42 Målepunkterne sammen med grafen for S = 0.38 K 0.75: 8 : 7 6 Dyr Kropsvægt, K Stofskifte, S Flagermus Ørkenræv Næsebjørn Hyæne Kænguru Jordsvin 0.029 1.1 3.9 7.0 33 48 0.027 0.4 1.0 2.2 5.8 6.0 5 S4 3 S 0.38 K 0.75 0.37 0.36 0.43 0.42 0.33 2 1 0 Konklusion S K 0.75 10 20 30 40 50 K ≃ 0.38 så Konsekvens af formlen S = 0.38 K 0.75: Hvis kropsvægten fordobles, så ganges stofskiftet med 20.75 ≃ 1.7. S ≃ 0.38 K 0.75 Dias 7/42 Dias 8/42 Vægtforhold mellem kerne og strå Stofskifte og kropsvægt hos pattedyr (fortsat) Mystik Hvordan i alverden fandt vi på at udregne S K 0.75 ? S = bK a . • Matematisk model for potens vækst: • Vårbyg grønhøstes bl.a. med henblik på udnyttelse som foder. • Trick: Tag logaritmen! ln S = ln b + a lnK (dvs. ln S er en lineær funktion af ln K ). • Da næringsindholdet er større i afgrødens kerner end i stråene, ønsker man at kende vægtforholdet mellem kerne og strå til et givet tidspunkt. (ln K , ln S ): • Indtegn målepunkterne • På et tidligt tidspunkt i vækstperioden er der langt mere strå end kerne, men derefter vokser vægtforholdet mellem kerne og strå frem til afgrødens modning. ln S 3 2 1 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 ln K 0 • Hvordan vokser vægtforholdet med tiden? -1 -2 • Vi vil opstille en matematisk model til at beskrive problemstillingen. -3 -4 ln S = −0.94 + 0.75 ln K . • Vha. lineær regression fås • Omformes til S = 0.39 K 0.75 . (0.38 var en “afrundingsfejl”.) Dias 9/42 Dias 10/42 Vægtforhold mellem kerne og strå (fortsat) Vægtforhold mellem kerne og strå (fortsat) Vækstens forløb Målinger (foretaget på Statens Forsøgsstation i Ødum) af kerne- og stråvægt for vårbyg. • Til at starte med vokser vægtforholdet K S ret kraftigt. • Derefter aftager væksten. • I det lange løb lader vægtforholdet til at nærme sig en øvre grænse, der ligger et sted mellem 1.3 og 1.4. 1.4 t K S 4 10 18 24 31 38 48 1082 1249 3062 5219 4123 5835 4849 5414 5057 5357 5883 3220 4443 3693 K 1.2 S 0.200 0.247 0.572 0.887 1.280 1.313 1.313 Matematisk model for væksten 1 • Vækst af denne type kan ofte beskrives vha. en logistisk funktion: 0.8 K/S y (t ) = 0.6 B 1 + ce −rt . 0.4 Her er B , r , c såkaldte parametre der tilpasses efter situationen. 0.2 • Vi har 0 0 10 20 30 40 50 60 y (t ) → B når t → ∞ t så i det lange løb nærmer y (t ) sig bærekapaciteten B. Dias 11/42 Dias 12/42 Vægtforhold mellem kerne og strå (fortsat) Vægtforhold mellem kerne og strå (fortsat) Tilpasning af modellen til målingerne • Vi vil undersøge, om vores målinger y = beskrives ved en logistisk funktion. K S Passer modellen med målingerne? Grafen for y (t ) sammen med målepunkterne: af vægtforholdet kan • Først bestemmes de værdier af parametrene B , r og c, der får den logistiske funktion y (t ) til at stemme bedst muligt overens med målingerne. 1.4 1.2 1 Dette gøres vha. en statistisk metode kaldet mindste kvadraters metode. 0.8 K/S 0.6 • De bedste parameterværdier er 0.4 B = 1.38, r = 0.158 og c = 21.7. 0.2 0 0 • Den logistiske funktion, der passer bedst med målingerne, er derfor y (t ) = 1.38 1 + 21.7 e −0.158 t 10 20 30 40 50 60 t . Konklusion Den logistiske funktion y (t ) beskriver ret godt udviklingen af vægtforholdet. Dias 13/42 Vægtforhold mellem kerne og strå (fortsat) Vægtforhold mellem kerne og strå (fortsat) Forudsigelser om vægtforholdet vha. funktionen y(t) Ønsker at høste, når vægtforholdet er 1.1 ↔ bestem t så at y (t ) = 1.1: Omskrivning af logistisk funktion Vi vil bestemme halvmætningskonstanten t0 således at y (t 0 ) = Vi har y (t0 ) = B 2 1.38 B . 2 1 + 21.7 e −0.158 t ⇔ ce−rt0 = 1 ⇔ c = ert0 ⇔ t0 = y (t ) = B 1 + ce −rt = B 1 + e rt0 e −rt Dias 14/42 = ln c . r Dermed er = 1 .1 . Løsning af denne ligning giver B t ≃ 28.1. 1 + e −r (t −t0) For at få et vægtforhold på 1.1 skal man altså høste efter godt 28 dage. .7 ≃ 19.5 så I vores tilfælde t0 = ln0.21 158 y (t ) = 1.38 1 + 21.7 e −0.158 t = 1.38 1 + e −0.158(t −t0) = Forbindelse til differentialligninger Den logistiske funktion y (t ) er endvidere løsning til den logistiske differentialligning dy y = ry 1 − . dt B 1.38 1 + e −0.158(t −19.5) Dias 15/42 Dias 16/42 Priselasticitet Priselasticitet (fortsat) • p: Prisen på en vare. Omsætning Fører øgede priser til øget omsætning = pris · efterspørgsel ? • q: Efterspørgslen på varen. • Opfatter q som funktion af p. O (p ) = p · q (p ) Eksempel q = 1000 e −3p . så Lille stigning 1p i prisen ⇒ lille negativ ændring 1q i efterspørgslen ′ ε = − · dp q ′ = − q (p ) · q (p ) = q (p) (1 − ε) Ændring i omsætning • ε<1 (> 0) ⇒ ⇒ • ε>1 Mere præcist: dq p p ′ O (p ) = q (p ) + p · q (p ) = q (p ) 1 + q (p ) · Priselasticiteten Forholdet mellem de relative ændringer: 1q /q 1q p ε ≃ − = − · 1p/p 1p q ′ O ′ (p ) > 0 så omsætningen vokser når prisen stiger. O ′ (p ) < 0 så omsætningen aftager når prisen stiger. Eksempel For q = 1000 e −3p : p • For p < q (p ) • For p > 1 3 1 3 vil omsætningen vokse når prisen stiger. vil omsætningen aftage når prisen stiger. Eksempel For q = 1000 e −3p er ε = 3p. Dias 17/42 Dias 18/42 Nedbrydning af organisk materiale Nedbrydning af organisk materiale (fortsat) Observation Den procentdel P af en mængde organisk materiale, der er tilbage til tiden t (målt i dage): Forklaring Nedbrydningen foregår med en hastighed, der er proportional med mængden af det organiske materiale. P = 100 · e −kt Derfor vil der i et lille tidsrum af længde 1t (fra t til t + 1t) nedbrydes kP 1t (procent) af materialet. hvor parameteren k (nedbrydningsraten) afhænger af nedbrydningsforholdene. 100 Materiale Nedbrudt P kP 1t 80 60 Procent k=0.002 Ændring: k=0.005 Fører til differentialligningen 40 1P = −kP 1t 20 0 100 200 t 300 400 Løsning: Dias 19/42 dvs. dP dt 1P = −kP 1t = −kP med P (0) = 100 P (t ) = 100 · e −kt Dias 20/42 Populationsvækst Befolkningstallet i USA i perioden 1790-1860 vokser eksponentielt: 100 Populationsvækst (fortsat) 80 N (t ) = 3 . 9 e 0.03(t −1790) Hvorfra kom differentialligningen 60 20 • fødselsraten er konstant, 1800 1820 1840 1860 1880 • dødsraten er konstant. 1900 t Spørgsmål Hvordan udvikler befolkningens størrelse sig med tiden? Forklaring Skyldes at befolkningstallet opfylder differentialligningen dt = 0.03 N ? Problemformulering: Antagelser Om en befolkning antages det at 40 (i mio.) dN dN dt Metode Vi vil undersøge dette ved brug af matematisk modellering. = 0.03 N (vækstrate 3%) og begyndelsesbetingelsen Tilsvarende i Danmark Vækstrate 1% dvs. N (1790) = 3.9. dN dt = 0.01 N i 1769-1970. Dias 21/42 Dias 22/42 Populationsvækst (fortsat) Populationsvækst (fortsat) Befolkningstallet i USA vokser ikke eksponentielt efter 1860. N: f: δ: 1t: Befolkningen til tiden t Fødselsraten Dødsraten Lille tidsrum fra t til t + 1t Nettoændring: differentialligningen: Fuldstændig løsning: Nyfødte Befolkning Døde fN 1t N δ N 1t dt 250 200 1N = (f − δ)N 1t dvs. dN Derimod kan det i perioden 1790-1940 beskrives ved den logistiske funktion: N (t ) = 1N = (f − δ)N 1t 187 150 1 + 47 e −0.032 (t −1790) 100 (med bærekapacitet 187 mio.) 50 = (f − δ)N 0 1800 1850 1900 t 1950 2000 Forklaring Befolkningstallet opfylder den logistiske differentialligning N (t ) = ce (f −δ)t dN Fortolkning af resultatet: Befolkningen dt • vokser eksponentielt, hvis fødselsraten er større end dødsraten, = 0.032 N 1 − N 187 og begyndelsesbetingelsen N (1790) = 3.9 • aftager eksponentielt, hvis det modsatte er tilfældet. Efter 1940 Baby-boom! Dias 23/42 Dias 24/42 Forurening af en sø Forurening af en sø (fortsat) Problemformulering: Matematisk beskrivelse og analyse af modellen: • M = M (t ) er mængden af stoffet til tiden t. • En sø tilføres 6 gram/s af et stof • Søens volumen er 1000 m3 • I tidsrummet fra t til t + 1t: • Gennemstrømningen er 2 m3 /s • Til t = 0: 500 gram af stoffet i søen Sø Stof ind: 6 g/s Stof ind Sø Stof ud 6 · 1t M 2 · 1t 1000 Vand ud: 2 m3 /s 1000 m3 ·M • Nettoændring = stof ind − stof ud: 1M = 6 · 1t − Vand ind: 2 m3 /s 2 · 1t 1000 · M = (6 − 0.002M )1t • Leder til differentialligningen dM Spørgsmål Hvad sker der i det lange løb med mængden af stoffet i søen? Hvem “vinder”: forureningen eller gennemstrømningen? dt = 6 − 0.002 M = −0.002 M + 6 Dias 25/42 Forurening af en sø (fortsat) dM dt Dias 26/42 Simpel model for epidemier = −0.002 M + 6 K: N = N (t ): Fuldstændig løsning M (t ) = 3000 + c e −0.002 t (c ∈ R) Antagelser om smitteraten M (t ) = 3000 − 2500 e −0.002 t Startværdien M (0) = 500 giver dN dt er proportional med N (antallet af smittede) [Sygdommen breder sig langsomt, så længe der kun er få smittede] • dN dt 2500 1500 M dN : dt • 3000 2000 Befolkningens størrelse Antal smittede til tiden t er proportional med K − N (antallet af ikke-smittede) [Sygdommen breder sig langsomt, når der kun er få tilbage, som ikke er smittede] 1000 Fører til 500 dN 0 200 400 600 800 1000 t 1200 1400 1600 1800 2000 dt = aN (K − N ) = aKN 1 − N K = rN 1 − N K (med r = aK ) dvs. en logistisk differentialligning med “bærekapacitet” K . Fortolkning af resultatet: M (t ) vokser og nærmer sig med tiden 3000 gram (3 gram/m3 ) Dias 27/42 Dias 28/42 Simpel model for epidemier (fortsat) SIR-modellen for epidemier Løsning til differentialligningen N (t ) = K En model for sygdomsudbredelse i en befolkning Til tidspunktet t: 1 + ce −rt • St : Antal modtagelige (“susceptible”) Konstanten c kan bestemmes, hvis man (f.eks.) kender antallet af smittede til tiden t = 0. • It : Antal smittede (“infected”) • Rt : Antal helbredte og dermed immune (“recovered”) Influenzaepidemi med r = 1.5 i en population på 2000 med 2 smittede til t = 0: 2000 N (t ) = 1 + 999 e −1.5 t Bevægelse mellem de 3 grupper fra tid t til tid t + 1 • Antal modtagelige, der bliver smittede: aSt It St og It ) 2000 • Antal smittede, der bliver helbredte: bIt 1800 (proportional med både (proportional med It ) 1600 Kompartmentdiagram 1400 1200 1000 N St 800 It aSt It 600 Rt bIt 400 200 0 1 2 3 4 t 5 6 7 8 Dias 29/42 Dias 30/42 SIR-modellen for epidemier (fortsat) SIR-modellen for epidemier (fortsat) Grafisk angivelse af udviklingen S0 = 990, I0 = 10 og R0 = 0: SIR-modellen St +1 = St − aSt It 1000 It +1 = (1 − b )It + aSt It 800 Rt +1 = Rt + bIt 2 970 22 8 10 813 109 78 20 282 240 478 50 93 3 904 99 92 0 908 100 92 0 908 Modtagelige Smittede Helbredte 400 1 985 13 2 200 0 990 10 0 0 t St It Rt 600 Fremskrivning Beregne udviklingen med tiden ud fra en startpopulation Et taleksempel Med a = 0.0005 og b = 0.2 fås (afrundet til hele tal) Konklusion I det lange løb stabiliserer fordelingen sig: Ingen smittede, 92 bliver aldrig smittet mens resten har været smittet, men er blevet helbredt. 0 10 20 30 40 50 t Dias 31/42 Dias 32/42 SIR-modellen for epidemier (fortsat) Grafisk angivelse af udviklingen S0 = 300, I0 = 100 og R0 = 0: 300 SIR-modellen for epidemier (fortsat) 250 Mange varianter af SIR-modellen, f.eks. 200 • SIS: Ingen immunitet, kan blive rask (I→ S) 150 • SI: Ingen immunitet, kan ikke blive rask • SIRS: Immunitet forsvinder med tiden (R→ S) 100 • MSIR: Babyer er immune over for mange sygdomme de første par måneder (“maternally derived immunity”) 50 Modtagelige Smittede Helbredte 0 • Modeller der inddrager dødelighed 0 10 20 30 40 50 t Forklaring Man kan vise, at It er aftagende, hvis S0 ≤ Værdien b a b a kaldes af denne grund tærskelværdien for epidemien. Dias 33/42 Svampesygdom i en plantage Svampesygdom i en plantage (fortsat) Oplysninger • 26000 træer i alt. • Træerne deles op i “raske” og “syge” • 94% af de raske træer er raske året efter, mens 6% af dem er syge • 72% af de syge træer er raske året efter, mens 28% er syge Et år Dias 34/42 Et taleksempel 20000 raske og 6000 syge til at starte med. Året efter • Raske: 20000 · 0.94 + 6000 · 0.72 = 23120 • Syge: 20000 · 0.06 + 6000 · 0.28 = 2880 Året efter igen Året efter • Raske: 23120 · 0.94 + 2880 · 0.72 = 23806 94% Rask • Syge: 23120 · 0.06 + 2880 · 0.28 = 2194 Rask 72% Et andet taleksempel 24000 raske og 2000 syge til at starte med. Året efter 6% Syg • Raske: 24000 · 0.94 + 2000 · 0.72 = 24000 Syg 28% • Syge: 24000 · 0.06 + 2000 · 0.28 = 2000 så antallene ændrer sig ikke til året efter. Spørgsmål Hvad sker der med antallene af raske og syge træer i det lange løb? Plantagen siges da at være i ligevægt. Dias 35/42 Dias 36/42 Temperatursvingninger i jord Svampesygdom i en plantage (fortsat) • Temperatur i overfladen (t er tiden i måneder; 15. april ∼ t = 0): Formler for antallene af raske og syge træer T0 (t ) = 8 + 8 sin π6 t • rt = antallet af raske træer i år t • st = antallet af syge træer i år t • Temperatur i 1 meters dybde: Så har vi: T1 (t ) = 8 + 5.4 sin π6 t − 0.4 = 8 + 5.4 sin π6 (t − 0.76) rt +1 = 0.94 rt + 0.72 st st +1 = 0.06 rt + 0.28 st 15 10 Overfladen T Dette kan kort skrives 1 meters dybde 5 hvor rt +1 st +1 = 0.94 0.06 0.94 0.06 0.72 0.28 rt 0 1 2 3 4 st 5 6 t 7 8 9 10 11 12 To fænomener • Mindre udsving i 1 meters dybde. • Temperaturen i 1 meters dybde er desuden forskudt (“forsinket”) 0.8 måned i forhold til temperaturen i overfladen. 0.72 0.28 er en såkaldt matrix, der indeholder al information om modellen. Dias 37/42 Dias 38/42 Temperatursvingninger i jord (fortsat) Temperatursvingninger i jord (fortsat) 3-dimensionel graf af temperatursvingningerne (med temperaturen i dybderne x = 0 og x = 1 indtegnet) Idé Samle udtrykkene for T0 (t ) og T1 (t ) til en funktion af to variable: 16 T (t , x ) = 8 + 8e −0.4 x sin( π6 t − 0.4 x ) 14 12 hvor 10 • t er tiden i måneder; 15. april svarer til t = 0 8 • x er dybden målt i meter; jordoverfladen svarer til x = 0 6 4 Bemærk 2 T (t , 0 ) = T 0 (t ) 0 T (t , 1 ) = T 1 (t ) 0 10 2 8 4 6 t 6 4 8 2 10 x 12 Dias 39/42 Dias 40/42 Temperatursvingninger i jord (fortsat) Temperatursvingninger i jord (fortsat) Hvornår og hvor i jorden er temperaturen 8 grader? En mere generel model Grafisk illustration: T (t , x ) = M + A0 e −kx sin π6 t − kx 16 14 12 10 Parametre 8 6 • M: årets middeltemperatur 4 • A0 : temperatursvingningens amplitude (maksimale udsving) ved overfladen 2 10 0 0 8 2 4 6 x t • k : temperaturkonstanten (afhænger af jordens sammensætning) 6 4 8 10 Bemærk 2 12 amplituden i dybden x er 0 A0 e −kx t = 0.76 x eller t = 0.76 x + 6 dvs. den aftager eksponentielt med dybden x. Dias 41/42 Dias 42/42