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      人口預測模型非線性動力學

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      人口問題不僅是20世紀我國所面臨的最重大的問題之一,而且在新世紀中將繼續(xù)存在。無論是對我國目前經(jīng)濟發(fā)展狀況的認識,還是對未來經(jīng)濟發(fā)展的預測,人口問題的研究都具有十分重要的意義。

      眾所周知,人口的增長并不是按比例線性增長的,也就是說人口問題是非線性動力學問題。在非線性系統(tǒng)中,可能會出現(xiàn)分岔現(xiàn)象,分岔理論為我們研究人口問題提供了一種新的方法。分岔和混沌是非線性系統(tǒng)特有的現(xiàn)象,而實際上我們所處的社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的絕大部分都是非線性,因此可以運用分岔和混沌理論來研究。本文將分岔和混沌理論用以研究人口問題,提出了人口的跨臨界分岔。

      一、模型的建立

      設(shè)在時刻t(以年為單位)時的人口數(shù)量為p(t),則人口的增長率為,再假設(shè)出生率b(p,t)和死亡率d(p,t)不隨時間變化,則由馬爾薩斯人口理論可得:

      附圖

      其中:d[,1]=b(p,t)-d(p,t)>0,一般而言出生率大于死亡率。

      顯然馬爾薩斯模型存在著重大的缺陷,它沒有考慮到物種之間的競爭、自然界的平衡和人文環(huán)境因素,即生活資料及空間的局限、人與人的競爭、生產(chǎn)力水平、文化水平以及傳統(tǒng)觀念等因素。

      生活資料及空間的局限和人與人的競爭會導致沖突,對人口的增長起到制約的作用。統(tǒng)計規(guī)律顯示,從人口p(t)中隨機抽取一個人,他與其他人沖突的概率與人口總數(shù)成正比,即:沖突次數(shù)=k[,1]p(t),那么個人沖突的總次數(shù)為。而制約作用也是隨著總次數(shù)的增長而增長的,同總次數(shù)成正比,以δ[,1](p,t)表示制約作用,則

      附圖

      可以認為影響作用與生產(chǎn)力發(fā)展水平α[,2]成反比,與文化發(fā)展水平α[,3]成反比,與中國傳統(tǒng)觀念α[,4]成正比,與人口數(shù)量p(t)成正比,用δ[,2](p,t)表示這種影響,則:

      附圖

      假設(shè)在未來的若干年內(nèi),各地區(qū)的人口比例保持不變,則對于某個地區(qū)來說,機械遷徙的人口數(shù)量與該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達程度α[,5]成正比,與遷出區(qū)的人口數(shù)量成正比,由于可以近似地認為各地區(qū)的人口比例不變,所以可以認為與該地區(qū)的人口數(shù)量成正比,則:

      附圖

      二、模型分析

      附圖

      運用穩(wěn)定性分析方法,可以很容易地判斷其穩(wěn)定性。

      附圖

      圖中,實線表示穩(wěn)定,虛線表示不穩(wěn)定。由分岔圖可以看出該模型發(fā)生跨臨界分岔。由分岔圖可以看出,在α的某個領(lǐng)域內(nèi),當α>0時,人口數(shù)量是穩(wěn)定增長的;而當α<0時,從α系數(shù)的物理含義上看,說明死亡率大于其他影響因素系數(shù)之和,但是此時由于先前α>0,人口數(shù)量已經(jīng)有所增加,所以能保持人口數(shù)量的穩(wěn)定,同時我們也可以看出只有短期內(nèi)保持α<0,人口數(shù)量才會穩(wěn)定。

      將再分岔出周期8解、16解等等,大約在3.56994時,進入混沌區(qū),如圖2所示。

      三、模型的求解

      設(shè)初始時刻t[,0]的人口為p[,0],將(5)式分離變量后兩邊取定積分,進行求解可得:

      附圖

      只要求出α和β,就可以運用(9)式作人口預測。理論上,只要將兩年的年份與人口數(shù)量,即:t[,1]、P(t[,1])、t[,2]、P(t[,2])代入(9)式,則可得一個二元方程組,通過求解此二元方程組,便可以得到α和β值,但是此二元方程組為超越方程組,求解十分困難。

      生態(tài)學家通過大量的統(tǒng)計,認為不鼓勵也不限制生育時的α值為0.029,將α代入(9)式則可求得:,可以看出β會隨著所代入的t的不同而變化,不再是一個常數(shù),而是一個變量;另一方面,我國實行計劃生育,限制了出生率,并且模型(5)中考慮了生活資料和空間的局限性、人與人的競爭、生產(chǎn)力水平、文化水平以及中國傳統(tǒng)觀念等因素的影響,因此α的值不再是0.029。

      基于上述原因,本文采用數(shù)值解法,即:確定適當?shù)摩梁挺拢沟茫?/p>

      附圖

      其中:p[,i]是第i年的人口數(shù)量。則

      附圖

      根據(jù)(11)式求解十分復雜,可以用Matlab或c語言編寫一段程序,在一定范圍內(nèi)搜索α與β值,使得(10)式成立。

      四、實證分析

      本文就河北省1952年~2000年人口數(shù)量進行實證分析和檢驗。眾所周知,在建國后近50年中,我國經(jīng)歷了3年自然災害,80年代開始實行了計劃生育政策,這些都會改變動力系統(tǒng)的特征,因此不能將這49年的數(shù)據(jù)看成是同一動力系統(tǒng)的,而應該將它們分成不同的動力系統(tǒng):1952年~1959年、1966年~1979年、1980年~1989年、1990年~2000年。3年自然災害造成了人口數(shù)量的驟減,不僅改變了動力系統(tǒng)的特征,而且還造成了1960年~1965年數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定,應予以剔除;80年代后實行計劃生育,但是1989年的學潮引起了大量人口的機械遷移,因此90年代視為另一個動力系統(tǒng)。

      表1數(shù)據(jù)計算和檢驗(單位:萬人)

      附圖

      由表1可以看出,使用本文所提出的方法,能夠較為精確地預測出人口的數(shù)量。四個階段的α均大于0.029,這表明生活資料和空間的局限性、人與人的競爭、生產(chǎn)力水平、文化水平、中國傳統(tǒng)觀念、人口機械遷移以及實行計劃生育等因素的綜合影響,使人口趨于增多。相對人口增長率,即,總體上越來越小,80年代的攀升主要是由于人口遷移的影響,從整體上看人口自然增長率(一般小于人口增長率)也是逐年降低的。

      【責任編輯】顧嵐

      【參考文獻】

      1方亞玲.《對人口模型的研究》.《山西煤炭管理干部學院學報》,2000年第2期.

      2羅警山.《人口模型中的分岔研究》.《系統(tǒng)工程與電子技術(shù)》,1990年第10期.

      3王洪禮,張琪昌.《非線性動力學理論及應用》,天津科學技術(shù)出版社,1999.

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