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Ecuaciones Diferenciales Modelos matemáticos

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Page 1: Presentación grupo 2

Ecuaciones DiferencialesModelos matemáticos

Page 2: Presentación grupo 2

Escuela Politécnica Nacional

Integrantes:

Cerón Laura

Chirau Diana

Tacàn Deysi

Velasco Kevin

Page 3: Presentación grupo 2

CRECIMIENTO POBLACIONAL

Page 4: Presentación grupo 2

RESEÑA HISTÓRICA

Robert Malthus fue una de las primeras personas que

estudio el crecimiento demográfico.

El libro “ENSAYO SOBRE EL PRINCIPIO DE LA

POBLACIÓN” de Robert Malthus, fue muy celebre en 1798.

Sus ideas tuvieron alguna influencia en la teoría de la

evolución de Darwin.

Page 5: Presentación grupo 2

MARCO TEÓRICO

Lo que veremos a continuación será modelo de

ecuaciones diferenciales aplicadas al crecimiento

poblacional, en donde se puede constatar que la

población evoluciona conforme pasa el tiempo P(t).

Esta variación se da debido a que todos los seres vivos

cumplen con el ciclo biológico de nacer, crecer,

reproducir y morir. Esto se da en todas las poblaciones

como bacterias, hongos, animales, seres humanos, etc.

Pero lo que mas afecta a la variación de la población

son los nacimientos, y muertes.

Page 6: Presentación grupo 2

Modelo de Malthus

Fue al parecer Euler quien desarrolló los primeros modelos

de población, pero comúnmente se atribuye a Malthus el

desarrollo y análisis del primer modelo de evolución de

P(t), según el cual:

Es decir, en cada instante la rapidez de cambio de la

población es proporcional al total de la población

presente. Por ejemplo, si P(t) >= 0 y P(t ) creciente, esto

implica que k > 0.

Page 7: Presentación grupo 2

Resolvemos la ecuación diferencial

Integrando se tiene:

Page 8: Presentación grupo 2

Aunque hemos visto que el modelo funciona

razonablemente bien para poblaciones grandes, hay que

hacer varias correcciones pues si P(t) empieza a crecer

demasiado habrá muchos otros factores como la falta de

espacio o de alimentos que frenará el crecimiento.

Page 9: Presentación grupo 2

ab ǂ 0

totr

rt

eocpr

op

cpr

p

queasipotopcomoCecpr

p

Ctcpr

p

rcprp

dp

dtcprp

dp

)(

)(

)(

log1

)(

)(

Page 10: Presentación grupo 2

pr/c

Page 11: Presentación grupo 2

Graficas de modelo de crecimiento poblacional.

Page 12: Presentación grupo 2

DESCOMPOSICIÓN RADIACTIVA

Page 13: Presentación grupo 2

Reseña histórica • Poco después de que se descubriera los

rayos X, en 1895, Antoine Henri Becquerel(1852-1908) trató de demostrar la relaciónentre los rayos X y la fosforescencia de lassales de uranio.

• Envolvió una placa fotográfica en papelnegro, colocó una muestra de sal de uraniosobre ella y la expuso a la luz solar.

Page 14: Presentación grupo 2

• Al revelar la placa apareció que los rayos emitidos por lasal habían penetrado a través del papel.

• Repitió el experimento en la oscuridad total y obtuvo losmismos resultados

• Probando así que la sal de uranio emitía rayos queafectaban la emulsión fotográfica, sin necesidad de serexpuesta a la luz solar. De este modo fue que Becquereldescubrió la radiactividad.

Page 15: Presentación grupo 2

• Radiactividad es la emisión espontánea de partículas o

rayos por el núcleo de un átomo. A los elementos que

tienen esta propiedad se les llama radiactivos.

• Ernest Rutherford, en 1899, comenzó a investigar la

naturaleza de los rayos emitidos por el uranio. Encontró

dos tipos de rayos, a los que llamó rayos alfa y beta.

• A la altura de 1912 se conocían ya más de 30 isótopos

radiactivos y hoy se conocen mucho más.

• Paul Villard descubrió en 1900, los rayos gamma, un

tercer tipo de rayos que emiten los materiales

radiactivos y que es semejante a los rayos X.

Page 16: Presentación grupo 2
Page 17: Presentación grupo 2

Donde k<0 representa un decrecimiento e

n la masa atómicakAdt

dA

Page 18: Presentación grupo 2

Grafica

C

A(t) = c e kt

con k<0

Page 19: Presentación grupo 2

Ejercicios de AplicaciónCrecimiento Poblacional

Page 20: Presentación grupo 2

Ejemplo general

Un cultivo de células dispuestas en un laboratorio tiene una

cantidad inicial Po, al transcurrir una hora, el analista observaque la cantidad es 4/3 de la cantidad inicial; si se sabe que la

rapidez del crecimiento en la población es proporcional a la

cantidad de células presentes. Cuál será el tiempo necesario

para que la población se haya duplicado?

Page 21: Presentación grupo 2

Se resuelve por

variables separables

Se obtiene

Ce

CetP

eeP

eee

CktP

CktdPP

C

kt

Ckt

CktP

1

1

1

)(

ln

1

ln

1

1

Page 22: Presentación grupo 2

Para conocer las variables se utiliza las condiciones valor inicial

ENTONCES :

Sabemos que en t=0, P=Po

En los datos del problema también se conoce que

en t=1, P=(4Po/3), de lo que obtenemos

CP

CePCetP

CetP

kkt

kt

0

)0(

0)(

)(

2876.0

3

4ln

3

4

3

4 )1(

000

k

k

ePPPP k

Page 23: Presentación grupo 2

Con los datos calculados, se puede decir que la población

en cualquier instante esta determinada por la siguiente

ecuación:

Con la ecuación encontrada, se puede responder a la

pregunta planteada en el ejercicio planteado.

t=?, para que P=Po

tePtP 2876.0

0)(

410.22876.0

2ln

2876.02ln

2 2876.0

00

t

t

ePP t

Page 24: Presentación grupo 2

Modelo de Malthus

En un cultivo de bacterias, se estimó que inicialmente había 150

bacterias y 200 después de una hora (h). Suponiendo una rapidez

de crecimiento proporcional a la cantidad de bacterias presente,

determinar:

La cantidad de bacterias después de t horas.

El tiempo que debe transcurrir para que la población se

triplique.

Page 25: Presentación grupo 2

Si P (t) es la cantidad de bacterias presentes después de t horas, entonces P

(0)= Po = 150 y P (1)= P1 = 200

Page 26: Presentación grupo 2

Para que la población se triplique:

Page 27: Presentación grupo 2

kt

ktkt

ktkt

ktkt

ktktkt

ktkdt

cek

EIp

cEIk

eep

EIepe

EIedt

ped

EIekpedt

dpe

ee

EIkpp

EIkpdt

dp

)(

)(

)()(

)()(

)()(

'

)(

Modelo Logístico

Page 28: Presentación grupo 2

añopormillonesdemilesP

kPoP

kPoetP

oePtP

kt

kt

0804.0)25.365)(00022.0()0(

)0´(

)´(

)(

Page 29: Presentación grupo 2

Ejercicios de AplicaciónDescomposición Radiactiva

Page 30: Presentación grupo 2

EjercicioLa conversión de una sustancia B sigue la ley de

descomposición. Si solo tres cuartas partes de la sustancia hasido convertida después de diez segundos. Encuéntrese

cuanto tardan en convertir 1/10 de la sustancia.

Solución:

X: es la cantidad de sustancia B

Según los datos se tiene

X Xo 3/4X0 X0/10

t 0 10 t

Page 31: Presentación grupo 2

kxdt

dx

Page 32: Presentación grupo 2

OBSERVACIONES

Los modelos matemáticos son uno de los tipos de modelos científicos que

emplea algún tipo de formulismo matemático para expresar relaciones,

proposiciones sustantivas de hechos, variables, parámetros, entidades y

relaciones entre variables y/o entidades u operaciones, para estudiar

comportamientos de sistemas complejos ante situaciones difíciles de

observar en la realidad.

Una de las herramientas mas interesantes que actualmente disponemos

para analizar y predecir el comportamiento de un sistema biológico es la

construcción y posterior simulación de un modelo matemático. Son

muchas las razones que justifican la edad de oro que hoy en día vive la

modelización matemática, pero debemos de destacar, en primer lugar, el

mejor conocimiento de los procesos biológicos, y en segundo lugar, el

espectacular avance de los ordenadores y el software matemático.

Page 33: Presentación grupo 2

CONCLUCIONES

El uso de modelados matemáticos como herramientas que facilitan

el desarrollo de problemas resultan de gran utilidad, ya que de entre

todas sus aplicaciones en las ecuaciones diferenciales permiten

conocer aproximaciones de resultados que se podrían necesitar

para el planteamiento de cierto proyecto laboral educativo u

empresarial.

A partir de una ecuación diferencial se puede calcular y modelar el

crecimiento o decrecimiento de una determinada población, ypredecir la variación de dicha población con respecto al tiempo.