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河南理工大学河南理工大学20142014年数学建模竞赛论文年数学建模竞赛论文答卷编号(竞赛组委会填写):
题目编号:
(E)论文题目:
中国人口预测参赛队员信息(必填):
姓姓名名专业班级专业班级联系电话联系电话队员队员11刘兵刘兵电气电气12-0612-061830060976618300609766队员队员22常自杰常自杰电气电气12-0612-061830060998518300609985队员队员33/答卷编号(竞赛组委会填写):
评阅情况(学校评阅专家填写):
评阅1.评阅2.评阅3.1中国人口预测中国人口预测摘要摘要我国是一个人口大国,人口问题是关系到我国经济发展,社会进步的重要问题。
因此,认识人口数量的变化规律,作出较准确的预报,不仅具有实际意义,也是有效控制人口增长的前提。
本文采用由浅到深,由简单到复杂的建模原则,依次介绍了三个预测人口的模型,即指数增长模型,阻滞增长模型和考虑年龄结构和生育模式的人口模型,并利用我国1999年至2013年人口统计数据,对模型中的参数进行求解,最后用它预测未来30年我国人口数量,并分析比较“单独二孩”政策对人口变化的影响模型一:
建立了指数增长模型。
根据规律建立模型公式年增长率r不变。
我们要验证该模型是否适用。
取题目中给出的数据1999年至2006年的,数据拟合用MATLAB软件计算的增长率r以及初始人口数。
将以上两参数带入公式,算的人口数量,将之与实际人口数相比较画出对比图形,发现比较相符。
又取1999至2013年的数据,重复刚才步骤。
发现算出数据前半部分相符,但后半部分不太符合。
所以,Malthus人口模型只适用于短期,并不适用于长期的人口预测。
因为人口在增长到一定程度时,由于资源和环境对人口增长的阻滞作用使增长率下降。
模型二:
建立了阻滞增长人口阻滞增长模型。
根据查到的数据和公式做出人口的时间变化率与人口容量的关系图,以及人口与时间的关系图。
用MATLAB软件计算出增长率和人口容量。
根据得到的数据带入公式,计算人口数量。
可以看出这个模型的吻合度较好。
于是阻滞增长人口模型,有效的预测在以后一段时间人口增长。
模型三:
对模型进行了进一步的修正。
最后,考虑年龄结构和生育模式对人口数量的影响。
由此构造的模型是我们讨论的重点最后,对第三个模型进行优缺点评价与改进。
关键字关键字人口预测;matlab软件;人口指数增长模型;阻滞增长模型;年龄结构;生育模式;优化模型2一、一、问题重述问题重述人口的数量和结构是影响经济社会发展的重要因素。
从20世纪70年代后期以来,我国鼓励晚婚晚育,提倡一对夫妻生育一个孩子。
该政策实施30多年来,有效地控制了我国人口的过快增长,对经济发展和人民生活的改善做出了积极的贡献。
但另一方面,其负面影响也开始显现。
如小学招生人数(1995年以来)、高校报名人数(2009年以来)逐年下降,劳动人口绝对数量开始步入下降通道,人口抚养比的相变时刻即将到来,这些对经济社会健康、可持续发展将产生一系列影响,引起了中央和社会各界的重视。
二、问题分析二、问题分析人口的变化受到众多方面因素的影响,因此对人口的预测与控制也就十分复杂,很难在一个模型中综合考虑到各个因素的影响。
为了更好的解决此问题,我们先建立两个简单的,粗糙的模型,然后,不断的改进得到最终的优化模型1。
1.先拟合出指数增长模型中的参数,再检验实际人口增长是否相符。
由于经历的时间比较长,所以我们分为长期和短期分别检验。
就会发现规律,短期的符合该模型,而长期误差较大。
对于这个问题我们认为。
由于资源、环境问题,使人口增加到一定数量时,增长率会减慢。
据此改进,我们就得到了第二个模型。
2.得到第二个模型后,先找出增长率随时间的变化规律以及人口容量值。
分析人口随时间的变化率与人口容量的关系。
然后得出人口与时间的关系。
最后检验计算值与实际值是否相符,结果显示符和较好。
3.分析两模型的优缺点,进而,得到最终的优化模型,用它预测未来三十年中国人口数量并借它讨论分析“单独二孩”政策对人口变化的影响。
三、模型假设三、模型假设1.1.模型一模型一人口指数增长模型(马尔萨斯Malthus,1766-1834)1)时刻t人口增长的速率与当时人口数成正比,增长率为常数r。
2)以P(t)表示时刻t我国的人口数,设人口数P(t)足够大,可以视作连续函数处理,且P(t)关于t连续可微。
2.2.模型二模型二阻滞增长模型(Logistic)1)地球上的资源有限,不妨设为1;而一个人的正常生存需要占用资源1/Pm(t);2)在时刻t,人口增长的速率与当时人口数成正比,为简单起见也假设与当时剩余资源成正比;比例系数表示人口的固有增长率;3)设人口数P(t)足够大,可以视作连续变量处理,且P(t)关于t连续可微。
mPPs/133.3.模型三模型三1)基于模型一和二,对模型二进行了进一步的修正,得到考虑年龄相关性和生育模式的人口增长预测模型;2)只考虑自然的出生与死亡,不计迁移等社会因素的影响;3)在社会安定的局面下和不太长的时间内,死亡率大致与时间无关,于是可近似的假设(r,t)=(r);4)在稳定环境下可近似认为H(r,t)=H(r)。
四、符号说明四、符号说明1.1.模型一模型一t表示某一时刻;P(t)表示时刻t我国的人口数,P0=P(0);r表示人口增长率为常数。
2.2.模型二模型二t表示某一时刻;P(t)表示时刻t我国的人口数;Pm(t)表示自然资源和环境条件能容纳的最大人口数量;r为固有增长率,表示人口很少是(理论上是x=0)的增长率。
3.3.模型三模型三1)F(r,t):
人口分布函数;2)f(t):
婴儿出生率;3)(t):
总和生育率;4)h(r,t):
生育模式。
五、模型的建立五、模型的建立5.15.1指数增长模型指数增长模型5.1.15.1.1模型建立模型建立记时刻t的人口数为P(t),当考察我国的人口时,P(t)是一个很大的整数。
利用微积分知识,将P(t)视为关于t连续可微。
记初始时刻(t=0)的认可为P0.。
加上假设人口增长率为常数r,即单位时间内P(t)的增量等于r乘以P(t)。
当考虑t到t+t时间内人口的增量,则有P(t+t)-P(t)=rPt
(1)4令t0,得到P(t)满足微分方程2PrdtdP
(2)由这个方程可以解出P(t)=P0ert(3)r0时,表示人口将按指数规律随时间无限增长。
利用线性最小二乘法3,将(3)式取对数,得到y=rt+a,y=lnP,a=lnP0(4)运用Matlab编程4(程序见附录1),以1999-2006年至的数据对(4)进行数据拟合,得到相关的参数a=lnP0=7.1385;r=0.0063,得到P0=exp(a)=1259.5(百万)。
因此可以得到指数增长模型的方程为:
P(t)=1259.5*exp(0.0063*t)(5)同理可得:
若以全部数据拟合对(4)进行数据拟合,得到指数增长模型的方程为:
P(t)=1262.6*exp(0.0055*t)(6)5.1.25.1.2结果分析与模型检验结果分析与模型检验将(5)、(6)式的计算结果与实际数据作比较,表二中人口P1是用1999年至2006年的数据拟合的结果,P2是用1999年至2013年的数据拟合的结果,图1、图2是它们的图形表示(*是实际数据,曲线是计算结果)。
(程序见附录1)表一中国实际人口与按指数增长模型计算的比较(单位:
亿)年份1999200020012002200320042005实际人口12.578612.674312.762712.845312.922712.998813.0756指数模型12.625312.694912.764912.835312.906112.977313.04892006200720082009201020112012201313.144813.212913.280213.345013.409113.473513.540413.607213.120913.193213.266013.339113.412713.486713.561113.63595图1指数增长模型拟合图形(19992006)图2指数增长模型拟合图形(19992013)可以看出,用这个模型基本上能够描述二十世纪以前中国人口的增长,但是6进入21世纪以后,中国人口增长率变慢,这个模型就不合适了。
显然,用它作短期人口预测也可以得到较好的结果。
即在这种情况下:
模型的基本假设-人口增长率是常数-大致成立。
但是从长期来看,任何地区的人口都不可能无限增长,即指数模型不能描述也不能预测较长时期的人口演变过程。
排除灾难、战争等特殊时期,一般来说,当人口较少时,增长较快,即增长率较大;人数增长到一定数量以后,增长就会慢下来,即增长率减小。
预测预测未来未来3030年年中中国人口国人口的数量的数量:
P(t)=1262.6*exp(0.0055*t)(百万)以下表格中的数据单位为(亿)年份2014201520162017201820192020指数模型13.78713.86313.94014.01714.09414.17214.2502021202220232024202520262027202814.32914.40814.48714.56714.64714.72814.80914.8912029203020312032203320342035203614.97315.05615.13915.22215.36015.39115047615.561203720382039204020412042204315.64715.73315.82015.90715.99516.08316.172查权威数据可知,我国最大的人口容量是15-16亿,上表中的数据大于16亿,并有继续上升的趋势,因此,此模型误差较大,究其原因,主要在于没有资源、环境的限制。
5.25.2阻滞增长模型阻滞增长模型5.2.15.2.1模型建立模型建立人口增长到一定数量后增长率下降的主要原因中,自然资源、环境条件等因素对人口的增长起着阻滞作用,并且随着人口的增加,阻滞作用越来越大。
阻滞增长模型就是考虑了这些因素,对指数增长的基本假设进行修改后得到的。
阻滞增长作用主要是体现在对人口增长率r的影响上,使得随着r的增长人口数量P(t)的增长而下降。
则可以把r表示为P的函数r(P),且它应是减函数。
于是方程应该改写为rPdtdP,P(0)=P0
(1)假设r(P)是一个关于P的线性函数,即r(P)=r-Ps(r=0,s0)
(2)其中这里的r为固有增长率,表示人口很少是(理论上是x=0)的增长率。
引入自然资源和环境条件能容纳的最大人口数量Pm(t)当P(t)=Pm(t)时,人口不再增7长,即增长率r(P)=0,代入得到s=PmP,于是有P(t)=r(1-PmP)(3)将(3)代入方程得)PmP1(rPdtdP,P(0)=P0(4)解方程(4)可得:
rtmePPtP)1(1P)(0m(5)根据方程(4)作出Pdtdp曲线图,见图1-1,由该图可看出人口增长率随人口数的变化规律.根据结果(5)作出Pt曲线,见图1-2,由该图可看出人口数随时间的变化规律.图1-1(dy/dt即为dp/dt)8图1-25.2.25.2.2结果分析与模型检验结果分析与模型检验据中国科学院国情研究中心公布的资料,中国的整个自然环境最多能容纳1516亿人口,做保守估计,取r=0.0405,Pm=1500百万.将r=0.0405,Pm=1500代入公式(5)则有:
tetP*0405.0)11257.861500(11500)(求出用阻滞增长模型预测的2014-2043的人口数,也可将方程(4)离散化得:
)(P)P)(P1()(PP)(P)1(Pttr
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