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Logistische GleichungDie logistische Gleichung wurde ursprünglich 1837 von Pierre François Verhulst als demografisches Modell eingeführt. Die Gleichung ist ein Beispiel dafür, wie komplexes, chaotisches Verhalten aus einfachen nichtlinearen Gleichungen entstehen kann. Infolge einer richtungsweisenden Arbeit des theoretischen Biologen Robert May aus dem Jahr 1976 fand sie weite Verbreitung. Bereits 1825 stellte Benjamin Gompertz in einem verwandten Zusammenhang eine ähnliche Gleichung vor. Die zugehörige Dynamik kann anhand eines sogenannten Feigenbaumdiagramms (siehe unten) veranschaulicht werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die schon 1975 von Mitchell Feigenbaum gefundene Feigenbaum-Konstante. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Das demographische ModellEs werden mathematische Gesetzmäßigkeiten gesucht, die die Entwicklung einer Population modellhaft darstellen. Aus der Größe Xn der Population zu einem gewissen Zeitpunkt soll auf die Größe Xn + 1 nach einer Fortpflanzungsperiode (z. B. nach einem Jahr) geschlossen werden. Das logistische Modell berücksichtigt zwei Einflüsse:
Der erste Prozess allein wird mathematisch beschrieben durch die Gleichung
der zweite Prozess allein durch
Zusammengefasst ergeben diese Prozesse die Gleichung
Siehe auch: logistische Funktion Um die folgenden mathematischen Untersuchungen zu vereinfachen, wird die Populationsgröße Xn oft als Bruchteil xn der Maximalgröße G angegeben:
G, qf und qv werden zusammengefasst zu der Zahl
Zusatz: Eine weitere gängige Schreibweise für die logistische Differentialgleichung ist die folgende:
Hierbei ist K die Kapazität des Biotops, d.h. die Population, die bei geeigneter Wahl von r dem Fixpunkt der Dynamik entspricht. Das mathematische ModellDamit ergibt sich: , xn ist dabei eine Zahl zwischen 0 und 1. Sie repräsentiert die relative Größe der Population im Jahr n. Die Zahl x0 steht also für die Startpopulation (im Jahr 0). r ist immer eine positive Zahl, sie gibt die kombinierte Auswirkung von Vermehrung und Verhungern wieder. Verhalten in Abhängigkeit von rBei verschiedenen r können die folgenden Verhaltensweisen für große n beobachtet werden. Dabei hängt dieses Verhalten nicht vom Anfangswert ab, sondern nur von r:
Dieser Übergang von konvergentem Verhalten über Periodenverdopplungen zu chaotischen Verhalten ist generell für nichtlineare Systeme typisch, die in Abhängigkeit von einem Parameter chaotisches oder nicht chaotisches Verhalten zeigen. Ein weiteres Beispiel für die Universalität dieses chaostheoretischen Phänomens ist die der Mandelbrot-Menge zugrunde liegende Zahlenfolge. Graphische DarstellungDas folgende Bifurkationsdiagramm, bekannt als Feigenbaum-Diagramm, fasst diese Beobachtungen zusammen. Die horizontale Achse gibt den Wert des Parameters r an und die vertikale Achse die Häufungspunkte für die Folge xn. Analytische LösungFür den Parameter 2 existiert eine analytische Lösung:
Siehe auchChaosforschung, Bénard-Experiment, Wachstumsgesetz, Lotka-Volterra-Gleichung, Wator Literatur
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Logistische_Gleichung aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |