Logistisk vekstmodell

Logistisk vekstmodell

Tabellen nedenfor viser folketallet på et lite tettsted, noen år i perioden 1960–1980.

År196019611963196519671971197519771980
Folketall500604852104315102163254426392715

Bruk informasjonen til å lage en modell FF på formen

F(t)=B1+aektF(t) = \frac{B}{1 + a \cdot e^{-kt}}

for antall personer F(t)F(t) som bodde på dette tettstedet tt år etter 1960. Vurder modellens gyldighetsområde.

Bestem F(12)F'(12) og F(12)F''(12). Gi en praktisk tolkning av svarene.

Når økte antall personer som bodde på dette tettstedet, med mer enn 150 personer per år ifølge modellen?

Fasit

F(t)=28411+5,08e0,247tF(t) = \dfrac{2841}{1 + 5{,}08 \cdot e^{-0{,}247t}}

F(12)115F'(12) \approx 115 pers/år, F(12)16,7F''(12) \approx -16{,}7 (veksten avtar)

t(3,33,  9,82)t \in (3{,}33,\; 9{,}82), dvs. ca. 1963–1970

Løsningsforslag

Vi plotter datapunktene i GeoGebra og bruker Regresjon → Logistisk til å tilpasse en logistisk modell på formen F(t)=B1+aektF(t) = \dfrac{B}{1 + a \cdot e^{-kt}}.

Regresjonen gir (avrundede verdier):

F(t)=28411+5,08e0,247tF(t) = \frac{2841}{1 + 5{,}08 \cdot e^{-0{,}247t}}

Modell: F(t)=28411+5,08e0,247t\underline{\underline{F(t) = \dfrac{2841}{1 + 5{,}08 \cdot e^{-0{,}247t}}}}

Gyldighetsområde: Dataene strekker seg fra 1960 til 1980 (t[0,20]t \in [0, 20]). Modellen gir rimelige resultater i dette intervallet. Utenfor dette vil vi ha større usikkerhet – særlig for t20t \gg 20 der befolkningstallet ifølge modellen nærmer seg metningsgrensen B2841B \approx 2841.

Vi deriverer F(t)F(t) og evaluerer i GeoGebra CAS:

F(t)=Bkaekt(1+aekt)2F'(t) = \frac{B \cdot k \cdot a \cdot e^{-kt}}{(1 + a \cdot e^{-kt})^2}

GeoGebra CAS løsning for oppgave 2-1b

F(12)115\underline{\underline{F'(12) \approx 115}} personer per år.

Praktisk tolkning: I 1972 (dvs. t=12t = 12) økte befolkningstallet med omtrent 115 personer per år.

F(12)16,7\underline{\underline{F''(12) \approx -16{,}7}} (personer per år) per år.

Praktisk tolkning: F(12)<0F''(12) < 0 betyr at veksthastigheten er avtagende i 1972 – befolkningsveksten er på vei ned fra toppen. (Vendepunktet, der veksthastigheten er størst, inntreffer ved t6,6t \approx 6{,}6, dvs. rundt 1966–1967.)

Vi setter F(t)=150F'(t) = 150 og løser i GeoGebra CAS:

F(t)=150F'(t) = 150

GeoGebra CAS løsning for oppgave 2-1c

Løsningene er t3,33t \approx 3{,}33 og t9,82t \approx 9{,}82.

Siden F(t)F'(t) stiger mot maksimum og deretter synker, er F(t)>150F'(t) > 150 for t(3,33,  9,82)t \in (3{,}33,\; 9{,}82), det vil si fra ca. midten av 1963 til slutten av 1969 økte befolkningstallet med mer enn 150 personer per år.

t(3,33,  9,82)\underline{\underline{t \in (3{,}33,\; 9{,}82)}}, dvs. fra ca. 1963 til 1970.


Sensorveiledning

1 poeng for å finne modellen og 1 poeng for å vurdere gyldighetsområde.

1 poeng for å finne F(12)F'(12) og F(12)F''(12) og 1 poeng for den praktiske tolkningen. Kandidater som finner en av verdiene og har en praktisk tolkning av den, kan få 1 poeng.

For å få full uttelling må kandidaten svare et tidsintervall.