개체군 역학과 수학적 모형이름학교1. 탐구의 필요성 및 목적내가 가장 좋아하는 분야인 생명과학과 수학의 연관성을 찾아보다 책을 읽게 되었다. 생명과학과 수학에는 전혀 연관성이 없다고 생각했는데 이 책을 읽고 정말 많은 연관성을 찾을 수 있음을 알게되었다. 그중에서도 개체군 역학에 관한 내용이 흥미롭게 느껴져 탐구해보게 되었다.2. 탐구 내용1.1 개체군 역학개체군 역학이란 생명체 군집의 개체 수가 증가하고, 먹이 공급의 한계를 초과하면서 폭락하는 똑같은 과정을 반복하는 순환과정을 생태학 내에서 다루는 분야이다.2.2 개체 수 증가에 대한 수학 모형개체 수 증가에 대한 수학 모형을 최초로 다룬 사람은 1202년 토끼 문제를 제시한 레오나르도이다.토끼 문제는 어린 토끼 한 쌍에서 시작해 한 철이 지난 후 어른 토끼가 되어 다시 어린 토끼 쌍을 낳는 과정을 반복한다. 어떤 토끼도 죽지 않는다고 가정했을 때 토끼 개체 수가 앞의 두 단계에서의 개체 수를 더한 피보나치 수열을 이루는 것을 보여준다.그러나 이러한 모형은 토끼가 죽지 않는다고 가정할 뿐만 아니라, 토끼의 탄생과 관련된 규칙을 모두 따라야 하는 등 많은 제약으로 실제와 전혀 다르다. 이를 보완한 일반화된 모형이 바로 레슬리 모형이다.2.3 로지스틱 방정식레슬리 모형을 설명하기에 앞서 로지스틱 방정식에 대해 알아보도록 하자. 로지스틱 방정식에 따르면 개체군의 성장률은 개체 수에 비례해 커지지만, 그 수가 지속 가능한 개체군 크기의 상한에 가까워지면 상한이 중단된다.로지스틱 방정식 :{dN} over {dt} `=`rN`(`1- {N} over {K} ) 으로 나타낼 수 있다. r은 무제한의 성장률이고, K는 개체군의 최대 크기이다. N은 상수이고, 실제 성장률은r(1- {N} over {K} )이다. 초기 조건이N(0)=N _{0} 일 때 방정식의 해는N(t)= {KN _{0} e ^{rt`}} over {K+N _{0} (e ^{rt} -1)} 이다.로지스틱 방정식은 어렵게만 느껴지지만, 수식보다도 중요한 이 식의 의의는 성장률의 정점을 알 수 있다는 것에 있다. 즉, 이 그래프에서 볼 수 있는 개체 수의 정점 위치를 로지스틱 방정식을 통해 구할 수 있다.2.3 로지스틱 방정식레슬리 모형은 레슬리 행렬이라는 숫자표를 기초로 한다. 레슬리 행렬의 (i,j)번째 셀은 j단계의 각 개체에 대해 다음 단계에 몇 명의 개체가 연령층 i에 속하는지를 나타내며, 각 시간 단계에서 개체 수 벡터에 레슬리 행렬을 곱하여 다음 단계에 대한 개체 수 백터를 생성할 수 있다.