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生物数学的蓬勃发展

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:1202年,意大利数学家裴波那契(Fibonacci,1174—1250)出版了一部名为《筹书》(又名《算盘书》)的著作,系统介绍了印度-阿拉伯数码,解释了位值制原理及四则运算,论述了各种应用题,还有平方根、立方根、线性方程及二次方程的解法等,为印度-阿拉伯数码在欧洲的流传起了重要作用,在欧洲持续产生了200多年的影响.《筹书》中所论算盘,并不单是罗马算盘或沙盘这类计算工具,更是一般计算. 这本书

1202年,意大利数学家裴波那契(Fibonacci,1174—1250)出版了一部名为《筹书》(又名《算盘书》)的著作,系统介绍了印度-阿拉伯数码,解释了位值制原理及四则运算,论述了各种应用题,还有平方根、立方根、线性方程及二次方程的解法等,为印度-阿拉伯数码在欧洲的流传起了重要作用,在欧洲持续产生了200多年的影响.《筹书》中所论算盘,并不单是罗马算盘或沙盘这类计算工具,更是一般计算. 这本书里出现了一些有趣的问题. 1228年的修订本(原版已失传)中增加了著名的“兔子问题”: 如果兔子不会死亡,而且成熟后都有生育能力且必须生育,若雌雄一对小兔,在一个月之后长成大兔,在第2个月之后(即第3个月)就出生一雌一雄的一对小兔,而这对小兔出生两个月之后也能出生如前的一对新兔,问从第一对小兔开始,一年之后(即第13个月)能繁殖出多少对兔子?

这一道涉及生物的问题,影响十分深远. 我们将兔子的繁殖状况列成如下表,就可得出答案.

月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 …

兔子数1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 …

按照题目要求,一年之后应能繁殖233对兔子.

但事情并非如此简单,以后我们还会遇上它.

兔子繁殖的这个数列,称为裴波那契数列,简称F数列,用在数学符号记为{Fn}或{un}. 在没有特别说明的时候,这个数列可写成:

1,2,3,5,8,…,x,y,x+y,…

这就是上述问题的一个模型,求出数列各项之和就是问题的解,在数论中,F数列被看用是一个特殊的线性递归数列.

18世纪,英国经济学家马尔萨斯(T.R.Malthus,1766—1834)在他的《人口论》中认为,人口增长趋势永远快于生产的增长,人口增长是按几何级数增长的,而生产水平是按算术级数增长的,当人口扩张到生产资料仅能维持生存的极限时,就会出现饥饿、战争与疾病. 他的理论曾受到责难,但基点是正确的,尽管人口的增长或减少是离散的,但在人口的量很大的情况下,作为连续变量来处理是符合实际的. 因此,我们可以作两点假设:①人口数量是连续变化的量; ②人口增长的瞬时速度与人口基数成正比. 基于人口是时间的连续函数,若某地区人口在t时刻为y(t),则人口随时间的变化率y'(t),用k(t)表示出生率与死亡率的差,若该地区的人口既无移出也无移进,则人口变化率为

y'(t) =ky(t)

于是得到

这一方程在人口学中称为马尔萨斯定律.

即 y=Cekt(C为任意常数).

如果在t0时,某些地区的人口数为y0,则y0=Cekt0,C=y0e-kt0,代入前一方程有

y=y0ek(t-t0)(1.32)

式(1.32)即可反映某地区任何时候的人口数量. 我们看到了人口按指数增长的规律,是否很符合实际,值得进一步探讨.

以上两例是生物学中不自觉运用数学的例子. 从这个角度来说,到19世纪,数学在生物学上应用几乎为零. 自1865年奥地利生物学家孟德尔(G.J.Mendel,1822—1884),用数学中的排列组合关系,提出遗传单位(现称基因)的概念,并阐明其遗传的规律之后,用数学来研究生物学才引起重视. 20世纪初,英国的卡尔·皮尔逊(K.Pearson,1857—1936)把统计思想用于进化论,创办《生物计量学》杂志,成为《数理统计》发展的园地. 由于费希尔(R.A.Fisher,1890—1960)的工作,数理统计学脱离生物计量学的范围获得了独立,同时也促进了生物数学的发展.

1908年,哈代(G. H. Harldy,1877—1947,英国数学家)给《科学》一封信指出: 生物种群中孟德尔特征中显性因子和隐性因子的比例,当转移到更大种群时仍将保持,也就是说,在一个大的随机交配的种群中,当没有迁移、选择和突变的情形发生时,基因频率和基因型频率在任何时代都是恒定的,不会改变. 这一结论,已载入生物学科的教科书,并称之为“哈代法则”.

由于生物界现象远比物理现象和化学现象复杂,它所使用的数学工具,微分方程、概率论、数理统计、抽象代数以及代数、几何、拓扑学、计算机图形学等等,必然多样化,不拘一格. 目前,数学方法几乎渗透到生物学的每一个角落,已形成了统计生物学、数学生态学、数学遗传学、数学生物分类学四个分支,生物数学的发展正方兴未艾. 有人预言生物学将会取代物理学,成为数学工具最多的部门. 21世纪将是生物数学的黄金时代.

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