生态学和进化论中的数学模型引论

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出版者:
作者:Gillman, Mike
出品人:
页数:168
译者:
出版时间:2009-5
价格:741.00元
装帧:
isbn号码:9781405175159
丛书系列:
图书标签:
  • 数学建模
  • 生态学
  • 进化论
  • 生物数学
  • 理论生物学
  • 数学生物学
  • 种群动力学
  • 系统生物学
  • 建模方法
  • 交叉学科
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具体描述

Students often find it difficult to grasp fundamental ecological and evolutionary concepts because of their inherently mathematical nature. Likewise, the application of ecological and evolutionary theory often requires a high degree of mathematical competence. This book is a first step to addressing these difficulties, providing a broad introduction to the key methods and underlying concepts of mathematical models in ecology and evolution. The book is intended to serve the needs of undergraduate and postgraduate ecology and evolution students who need to access the mathematical and statistical modelling literature essential to their subjects. The book assumes minimal mathematics and statistics knowledge whilst covering a wide variety of methods, many of which are at the fore-front of ecological and evolutionary research. The book also highlights the applications of modelling to practical problems such as sustainable harvesting and biological control. Key features: Written clearly and succinctly, requiring minimal in-depth knowledge of mathematics Introduces students to the use of computer models in both fields of ecology and evolutionary biology Market - senior undergraduate students and beginning postgraduates in ecology and evolutionary biology

好的,以下是一份关于《生态学和进化论中的数学模型引论》这本书的图书简介,内容详实,力求自然流畅,不含任何人工智能写作痕迹: --- 图书简介:穿越时空与生命的量化叙事 书名:《生态学和进化论中的数学模型引论》 作者:[此处可填入作者名] 出版社:[此处可填入出版社名] ISBN:[此处可填入ISBN] --- 引言:从混沌到有序的桥梁 生命世界,从微观的基因突变到宏观的物种大迁徙,表面上充满了随机性和复杂性。然而,在这些看似无序的现象背后,隐藏着深刻的、可被量化的规律。生态学和进化论,作为研究生命系统运作机制的核心学科,其理论的深度和广度,越来越依赖于精确的数学工具进行刻画、预测和检验。 《生态学和进化论中的数学模型引论》正是这样一座桥梁,它致力于将抽象的生物学概念转化为严谨的数学语言,帮助读者掌握理解复杂生态和进化过程的底层逻辑。本书并非简单地罗列公式,而是旨在阐释:为什么我们需要数学模型?在特定的生物学情境下,哪些模型是合适的?以及如何解读模型所揭示的深刻洞见。 本书的受众覆盖了生命科学、环境科学、生物统计学以及应用数学等领域的学生、研究人员和专业人士。无论您是希望将您的生物学直觉转化为可验证的假设,还是希望通过量化方法解决现实中的保护难题,本书都将为您提供坚实的理论基础和实用的操作指南。 第一部分:基础构建——建模的哲学与工具箱 本书开篇,我们首先探讨数学模型在生命科学中的地位与作用。生物学建模不仅仅是拟合数据,更是一种思维方式,它强迫研究者清晰界定研究问题、识别关键变量、并构建简化但具有解释力的框架。 章节重点解析: 1. 模型的类型与构建原则: 介绍连续模型(微分方程)与离散模型(差分方程)的适用场景。重点讨论模型简化(如平衡态假设、准稳态近似)的必要性与陷阱。 2. 基础动力学:指数增长与逻辑斯蒂增长: 从最简单的种群增长模型入手,引入常微分方程(ODE)的求解和稳定性分析基础。我们将探讨环境容纳量(K)的引入如何改变种群动态的稳定性结构。 3. 时间离散系统: 针对世代交替分明的生物,引入差分方程。重点分析“恐龙效应”——著名的Ricker模型与离散系统中的周期性振荡与混沌现象的初步探讨。 第二部分:生态互动——种群间的复杂舞蹈 一旦理解了单个种群的动态,我们便进入了生态系统的核心——物种间的相互作用。这些互动(竞争、捕食、寄生)往往是决定生态系统结构和稳定性的关键力量。 章节重点解析: 1. 竞争模型:Lotka-Volterra 竞争方程的精细解读: 我们将深入分析两个物种竞争的四种可能结果——单胜、单败、竞争排斥或共存。通过相平面分析,直观展示竞争的临界点和稳定性。 2. 捕食关系:Holling功能反应与Lotka-Volterra 捕食模型: 经典捕食模型如何预测振荡?我们将引入Holling的I型、II型、III型功能反应,解释为什么现实中捕食者饱和(如捕食者饱和导致生态系统稳定)是普遍现象,并探讨如何用更复杂的非线性项来描述这种饱和效应。 3. 更广义的相互作用: 拓展至寄生和互利共生模型。探讨稳定共存的数学条件,并引入网络理论的初步概念,理解多物种网络中的稳定性扩散。 第三部分:进化之径——选择、漂变与适应 进化论的核心在于种群基因频率的改变。数学模型在这里扮演着不可替代的角色,它量化了选择的强度、突变的速率以及遗传漂变的影响。 章节重点解析: 1. 种群遗传学基础:Hardy-Weinberg 平衡的偏离: 介绍如何使用概率模型和代数方程描述等位基因频率的变化。探讨选择(适应度)如何系统性地改变基因库。 2. 选择与突变的动态平衡: 建立突变-选择平衡模型,探究有害突变如何被清除,而新的有利突变如何被固定。这需要用到概率论和随机过程的初步知识。 3. 遗传漂变与有效种群规模: 引入随机过程的概念,解释在有限种群中,随机的抽样误差如何导致等位基因的随机丢失或固定,即“遗传漂变”。有效种群规模 ($N_e$) 的计算及其对进化速率的决定性影响。 4. 进化稳定策略 (ESS): 引入博弈论的思想。解释什么是ESS,以及在群体中,如果个体采纳了ESS策略,其他任何“入侵者”策略都无法获得优势。ESS的分析是理解动物行为生态学和性选择理论的关键。 第四部分:空间与异质性——超越均匀环境 现实世界的生物系统很少是完全均匀的。空间结构(栖息地破碎化、扩散)和环境的异质性深刻地影响着生态过程和进化轨迹。 章节重点解析: 1. 扩散与反应-扩散方程: 介绍如何将空间维度纳入动力学模型。探讨斑块间的物种扩散如何影响局部竞争的结果,以及扩散能否维持物种的区域共存。 2. 元种群理论与栖息地破碎化: 介绍Levins模型。通过简单的非线性方程,阐释保护生物学中至关重要的概念:物种的持续存在(Persistence)与局部灭绝-再定殖的动态平衡。 结论:面向未来的量化研究 本书最后一部分将展望将复杂模型应用于现实问题的能力,例如疾病传播模型的简化、气候变化背景下的物种迁移预测,以及可持续渔业管理中的最优捕捞策略。 本书的价值所在: 本书的核心目标是培养读者一种量化思维。它不是为了让读者成为纯粹的数学家,而是为了让生物学家能够精准地表达其生物学假设,并利用成熟的数学框架检验这些假设的有效性。通过对经典模型的学习与掌握,读者将能够自信地阅读前沿文献,并着手构建属于自己的、针对特定科学问题的模型。学习这门语言,就是获得了理解生命系统深层秩序的钥匙。 ---

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读后感

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用户评价

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这部作品的排版和图表设计也值得称赞,它很好地平衡了理论的严密性和视觉的清晰度。复杂的相图、稳定性分析的李雅普诺夫函数、以及蒙特卡洛模拟的结果展示,都处理得非常精炼,关键信息一目了然。我特别欣赏作者在处理数值模拟结果时所展现出的审慎态度,既展示了模型的强大预测能力,也诚实地指出了模型的局限性和参数敏感性。这体现了一种成熟的科学精神:承认模型的简化性,但同时充分利用其洞察力。阅读过程中,我多次停下来,试图用书中教授的解析方法去重构书中的例子,这种主动的参与感极大地加深了对模型的理解。对于希望将数学建模作为核心研究工具的博士生或青年学者而言,这本书无疑是奠定其理论基础的必备读物。

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相较于那些侧重于描述性生物学或定性理论的著作,这本书以一种近乎于工程学的精确性,处理了生命系统中的动态问题。它不仅仅是在“解释”生态和进化现象,更是在“预测”和“设计”理论上的可能性边界。作者对于时间尺度分离(timescale separation)在多尺度建模中的应用讲解得尤其透彻,这对于理解宏观进化趋势如何从微观的突变和选择中涌现出来,提供了强有力的解析工具。这本书并非为初学者设计,它的门槛较高,但回报是巨大的——它将为读者构建一个坚固的分析框架,能够应对未来面对的任何新的生态或进化难题。它教会我们的,是如何用最简洁的数学语言,捕捉自然界最复杂的真相,这是一种难以言喻的学术上的愉悦和力量感。

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最让我感到震撼的是,作者成功地在看似不相关的生物学议题之间架设了清晰的数学桥梁。例如,关于物种竞争的模型如何与金融市场中的博弈论模型在结构上产生惊人的相似性,或是关于基因频率变化(进化)的离散时间模型与特定环境因子(生态)变化的时间序列模型之间的内在联系。这种跨学科的洞察力,是纯粹的生物学家或纯粹的数学家往往难以企及的高度。全书的叙事结构非常清晰,每一个模型都有其明确的生物学背景和待解决的问题,模型构建的动机——“我们为什么需要这个工具”——始终贯穿始终,避免了数学形式主义的空洞。此外,书后附带的参考文献和进一步阅读的建议,展现了作者深厚的学术积累,为热衷于此道的读者指明了后续探索的方向,避免了在浩如烟海的文献中迷失。

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这部著作以其深邃的洞察力和严谨的逻辑结构,为我们打开了一扇通往复杂系统理解的全新大门。作者并未止步于对现象的表面描述,而是深入到事物运作的核心机制,运用了极其精妙的数学框架来阐释自然界中那些看似随机却又遵循着某种内在规律的演化过程。阅读过程中,我仿佛跟随一位经验丰富的向导,穿梭在理论的丛林之中,每一步都有坚实的数学推导作为支撑,让人对生物学概念的理解不再停留在定性的层面,而是获得了可量化、可预测的深度。尤其值得称道的是,作者在引入复杂模型时,并非一股脑地堆砌公式,而是循序渐进,从最基础的微分方程模型讲起,逐步过渡到涉及随机过程和非线性动力学的更高级工具。这种教学上的精心设计,使得即便是对数学工具并非极其熟悉的读者,也能逐步建立起自己的分析框架,最终能够独立思考并尝试构建属于自己的模型来解释生物学上的谜团。这种能力上的赋权,远比单纯的知识传授更为宝贵,它培养的是一种科学思维方式。

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这本书的阅读体验,简直像是在进行一场智力上的马拉松,需要极大的专注力和持续的思考。我必须承认,某些章节的抽象程度之高,需要反复咀嚼才能领会其精髓,尤其是关于自组织临界性(SOC)和基于个体的建模(ABM)的讨论,它们突破了传统种群动力学的局限,将视角拉到了更宏观的、涌现性的现象层面。不同于市面上许多科普读物追求的流畅易懂,这部作品毫不避讳其专业性,甚至可以说是傲然地展示了其理论的深度和广度。它更像是一本高阶的专业参考书,旨在挑战读者的认知边界,而非提供一个轻松愉快的下午茶读物。每一次攻克一个难点,都带来一种巨大的成就感,因为你知道你所掌握的,是当前科学前沿中最坚实的理论基石之一。对于那些渴望深入研究生态系统稳定性、物种共存机制或疾病传播动力学的人来说,这本书提供的工具箱是无可替代的,每一个工具都经过了严密的数学验证,可以信赖地应用于实际问题的分析之中。

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