fr Mod%C3%A8le de Verhulst

En dynamique des populations, le modèle de Verhulst a été proposé par Pierre François Verhulst vers 1840^[1]^,^[2]. Il a proposé ce modèle de croissance en réponse au modèle de Malthus qui proposait un taux d'accroissement constant sans frein conduisant à une croissance exponentielle de la population.

Le modèle de Verhulst fait l'hypothèse que le taux de natalité et le taux de mortalité sont des fonctions affines respectivement décroissante et croissante de la taille de la population. Autrement dit, plus la taille de la population augmente, plus son taux de natalité diminue et son taux de mortalité augmente. Verhulst pose d'autre part que, lorsqu'une population est de petite taille, elle a tendance à croître.

Le même modèle est utilisable pour des réactions autocatalytiques, dans lesquelles l'augmentation des individus touchés est proportionnelle à la fois au nombre d'individus déjà touchés et au nombre d'individus qui peuvent encore être touchés.

Ce modèle conduit, en temps continu, à une fonction logistique ; et en temps discret à une suite logistique dont la particularité est d'être, dans certaines circonstances, chaotique.

Mise en place mathématique

Si on appelle :

$y$ la taille de la population ;
$m (y)$ le taux de mortalité ;
$n (y)$ le taux de natalité,

alors, en s'inspirant du modèle de Malthus, la taille de la population suit l'équation différentielle :

{\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}}=y\cdot \left(n(y)-m(y)\right)

Si $m$ et $n$ sont des fonctions affines respectivement croissante et décroissante alors $n - m$ est une fonction affine décroissante. Si d'autre part, pour $y$ tendant vers 0, la croissance est positive, l'équation peut s'écrire :

{\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}}=y\cdot (a-b\cdot y)

avec

a

et

b

deux réels positifs.

C'est le modèle proposé par Verhulst^[3].

Puis, en posant $K = a / b$ , l'équation devient alors :

{\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}}=a\cdot y\cdot \left(1-{\frac {y}{K}}\right)\quad {\text{avec}}\quad a,K>0.

Une observation immédiate montre que :

la fonction constante $y = K$ est solution de cette équation ;
si $y < K$ alors la population croît ;
si $y > K$ alors la population décroît.

Le paramètre $K$ est appelé la capacité d'accueil ou capacité de charge.

Le modèle auto-catalytique conduit à la même équation (accroissement proportionnel à la population touchée et à la population restante) :

{\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}}=\alpha \cdot y\cdot (K-y)=\alpha \cdot K\cdot y\cdot \left(1-{\frac {y}{K}}\right).

Résolution en temps continu

Article détaillé : fonction logistique (Verhulst).

La recherche des fonctions strictement positives définies sur $[0;+\infty [$ et vérifiant le système :

$y(0)=y_{0}~$
$y'=a\cdot y\cdot \left(1-{\frac {y}{K}}\right)$

conduit à la solution logistique :

y(t)=K{\frac {1}{1+\left({\frac {K}{y_{0}}}-1\right)\cdot e^{-a\cdot t}}}

où l'on observe que la population tend vers la capacité d'accueil K, qu'elle est croissante si la population initiale est inférieure à la population d'accueil, et décroissante sinon.

Résolution en temps discret

Article détaillé : Suite logistique.

En temps discret, le modèle se transforme en :

u_{n+1}-u_{n}=a\cdot u_{n}\cdot \left(1-{\frac {u_{n}}{K}}\right)

.

Puis, en posant :

$a+1=\mu$ ,
$v_{n}={\frac {a\cdot u_{n}}{\mu \cdot K}}$ ,

la relation de récurrence devient :

v_{n+1}=\mu \cdot v_{n}\cdot (1-v_{n})\,

.

C'est sous cette forme qu'elle est étudiée comme suite logistique. Bien que simple par son expression, elle peut conduire à des résultats très variés.

Notes et références

↑ Cf. notamment Martial Schtickzelle, « Pierre-François Verhulst (1804-1849). La première découverte de la fonction logistique », Population, Institut National d'Etudes Démographiques, vol. 36, n^o 3,‎ mai-juin 1981, p. 541-556 (DOI 10.2307/1532620, lire en ligne).
↑ On trouve selon les sources 1838 dans [1], 1844 dans [2], 1846 dans (en) John J. O'Connor et Edmund F. Robertson, « Pierre François Verhulst », sur MacTutor, université de St Andrews.
↑ Article publié dans l'ouvrage édité sous la direction d'Adolphe Quetelet, Correspondance mathématique et physique de l'Observatoire de Bruxelles, vol. X, t. IV, Bruxelles, Société belge de librairie (imprimeur M.Hayez), 1838 (lire en ligne), « Notice sur la loi que la population poursuit dans son accroissement », de P.-F. Verhulst, pages 113 à 121 :
note historique (pages 115 et 116) : Pierre-François Verhulst avait supposé au départ une croissance proportionnelle à la taille de la population (de type mp) freinée par une fonction croissante de p. Il a essayé plusieurs modèles, où le frein est une puissance de la population (de type np^α) ou une fonction en log p, et prend finalement la valeur la plus simple np², par analogie à la force de frottement que subirait un système évoluant dans un milieu résistant (à vitesse élevée, voir l'article "Frottement fluide")^{[réf. nécessaire]}.

Voir aussi

Bibliographie

Nicolas Bacaër, Histoires de mathématiques et de populations, Éditions Cassini, coll. « Le sel et le fer », 2008, 212 p. (ISBN 9782842251017), « Verhulst et l'équation logistique »
Bernard Delmas, « Pierre-François Verhulst et la loi logistique de la population », Mathematics and Social Sciences, vol. 167,‎ 2004 (lire en ligne)
Pierre-François Verhulst, « Notice sur la loi que la population poursuit dans son accroissement », Correspondance mathématique et physique, n^o 10,‎ 1838, p. 113-121 (lire en ligne)
Pierre-François Verhulst, « Recherches mathématiques sur la loi d'accroissement de la population », Nouveaux Mémoires de l'Académie Royale des Sciences et Belles-Lettres de Bruxelles, n^o 18,‎ 1845, p. 1-42 (lire en ligne)
Pierre-François Verhulst, « Deuxième mémoire sur la loi d'accroissement de la population », Mémoires de l'Académie Royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-Arts de Belgique, n^o 20,‎ 1847, p. 1-32 (lire en ligne)

Articles connexes

Lien externe

Christelle Magal, Mathématiques en dynamiques des populations [PDF]

[Schtickzelle-1] Cf. notamment Martial Schtickzelle, « Pierre-François Verhulst (1804-1849). La première découverte de la fonction logistique », Population, Institut National d'Etudes Démographiques, vol. 36, n^o 3,‎ mai-juin 1981, p. 541-556 (DOI 10.2307/1532620, lire en ligne).

[2] On trouve selon les sources 1838 dans [1], 1844 dans [2], 1846 dans (en) John J. O'Connor et Edmund F. Robertson, « Pierre François Verhulst », sur MacTutor, université de St Andrews.

[3] Article publié dans l'ouvrage édité sous la direction d'Adolphe Quetelet, Correspondance mathématique et physique de l'Observatoire de Bruxelles, vol. X, t. IV, Bruxelles, Société belge de librairie (imprimeur M.Hayez), 1838 (lire en ligne), « Notice sur la loi que la population poursuit dans son accroissement », de P.-F. Verhulst, pages 113 à 121 :
note historique (pages 115 et 116) : Pierre-François Verhulst avait supposé au départ une croissance proportionnelle à la taille de la population (de type mp) freinée par une fonction croissante de p. Il a essayé plusieurs modèles, où le frein est une puissance de la population (de type np^α) ou une fonction en log p, et prend finalement la valeur la plus simple np², par analogie à la force de frottement que subirait un système évoluant dans un milieu résistant (à vitesse élevée, voir l'article "Frottement fluide")^{[réf. nécessaire]}.

[1]

[2]

[3]

Modèle de Verhulst