Aula 05
A lei logística posta à prova
Os problemas 1, 2, 4, 5 e 12 de §1.5 — a letra miúda da dedução da logística, como Pearl e Reed tiraram a e b de três censos, o dado que derruba Malthus, e um modelo em que a mesma constante a/b deixa de ser um teto e vira um limiar de extinção.
- Exercícios
- 5
- Enunciados
- Braun §1.5, p. 37-39 (PDF: p. 53–55)
- Exercita
- Modelos populacionais
Esta é a primeira lista que não é sobre um método de resolução. A equação logística já foi resolvida — no tópico e no próprio texto da seção —, e os cinco problemas são sobre o que se faz com a solução depois de tê-la: justificar um passo que a dedução deixou pendente, ajustar os parâmetros a dados reais, testar um modelo contra observações e reconhecer o mesmo cálculo com o sinal trocado.
As duas equações do texto. Vale ter à mão o que a seção numera como (2) e (3). Resolvendo com , a integração por frações parciais dá
e, isolando ,
Escrevendo — a capacidade de suporte, a notação do tópico —, a mesma fórmula (3) fica
Como os cinco se dividem. Os problemas 1 e 2 são sobre a logística: o primeiro fecha um buraco na dedução de (2), o segundo mostra como se obtêm e a partir de três censos — e refaz a conta de Pearl e Reed. Os problemas 4 e 5 são sobre o malthusiano: o 5 isola a assinatura do crescimento exponencial, e o 4 exibe um conjunto de dados que a viola. O 12 troca a hipótese sobre a taxa de nascimento e, com isso, inverte todas as conclusões.
O enunciado é do livro; a resolução é nossa. Os cinco são de demonstração, e o livro não responde nenhum deles — não há gabarito para conferir, o que é ainda mais razão para tentar antes de abrir.
Prove que é positivo para .
Sugestão do livro: use a Equação (2) para mostrar que nunca pode ser igual a se .
Dica
Repare em onde este quociente apareceu no texto: dentro de um logaritmo que, a rigor, deveria estar entre módulos. O que se pede é a licença para apagá-los. E o denominador só zera se atingir .
Resolução
Do que se trata. A integração que produz (2) passa por , cuja primitiva envolve e . Ou seja, o que a conta entrega de verdade é
e escrever (2) sem os módulos exige saber que o argumento é positivo. Este exercício é exatamente essa licença — é a letra miúda da dedução, não uma curiosidade à parte.
O fator não dá trabalho: , e é solução de equilíbrio, de modo que uma solução que começa positiva nunca chega a zero (pelo mesmo argumento de unicidade que vem a seguir). Toda a questão é o sinal de .
O argumento. O denominador só se anula se . Ora, a função constante é solução da equação: os dois lados dão zero. Se a nossa solução valesse em algum instante finito , ela e a constante passariam pelo mesmo ponto ; como o lado direito é um polinômio em — em particular de classe , portanto localmente lipschitziano —, o teorema de existência e unicidade obriga as duas a coincidir em toda parte, contradizendo .
Logo não se anula em instante algum. Sendo contínuo, ele conserva o sinal que tem em , isto é, o sinal de . Dois números de mesmo sinal têm quociente positivo:
O caminho sugerido pelo livro, que não usa unicidade. Da forma com módulos, suponha que . O denominador tende a zero, o argumento do logaritmo tende a , e portanto : o valor só seria atingido em tempo infinito. Em qualquer finito, ainda não zerou, e a conclusão é a mesma.
O que isso diz sobre o modelo. A reta é intransponível dos dois lados: uma população que começa abaixo da capacidade de suporte se aproxima dela sem nunca alcançá-la, e uma que começa acima decresce em direção a ela, também sem tocá-la. É a mesma afirmação da Proposição sobre convergência do tópico — ” nunca atravessa ” —, aqui na versão de que se precisa para que a Equação (2) esteja escrita corretamente.
(a) Escolha três instantes , e , com . Mostre que (3) determina e de maneira única em termos de , , , , e .
(b) Mostre que o período de crescimento acelerado dos Estados Unidos terminou em abril de 1913.
(c) Seja uma população que cresce segundo a lei logística (3), e seja o instante em que metade da população limite é atingida. Mostre que
Dica
Os três itens ficam fáceis na variável : nela a logística vira uma equação linear. Em (a), o espaçamento igual faz de , , uma progressão geométrica. Em (b), 'crescimento acelerado' termina no ponto de inflexão.
Resolução
A troca de variável que organiza tudo. Seja . Então
na variável recíproca, a logística é uma equação linear de primeira ordem. Sua solução, com , é
Isto é: a distância de até decai exponencialmente. Invertendo recupera-se (3), e os três itens do exercício são consequências dela.
(a) Determinação de e . Sejam , e . Aplicando nos dois intervalos,
ou seja, , , formam uma progressão geométrica — é para isso que serve o espaçamento igual. Logo o termo do meio é a média geométrica dos outros:
Expandindo, os termos se cancelam e sobra uma equação linear em :
Determinado , a razão sai de , e daí
Os dois ficam determinados, e de maneira única — que é o que se pedia.
Quando a conta falha, e por quê. O único obstáculo é . Pelo que está acima, isso equivale a , isto é, a (ou seja ) ou a . Nos dois casos a população observada é constante — e de três medidas iguais não se extraem dois parâmetros. Fora dessas degenerescências, três censos igualmente espaçados bastam.
Em termos das populações. Passando para dentro,
A conta de Pearl e Reed. É este o cálculo que produziu os números do tópico. Tomando o censo americano de , e — igualmente espaçados por anos —,
a fórmula acima dá
e então ,
exatamente os valores que o tópico cita — de população limite, e , este último com o último algarismo arredondado para cima. Note o que aconteceu: dois parâmetros foram extraídos de três pontos, sem mínimos quadrados e sem nenhum ajuste — a curva passa exatamente pelos três censos escolhidos, e é por isso que a Tabela 2 do texto tem erro nos anos , e .
(b) O fim do crescimento acelerado. “Crescimento acelerado” é o trecho em que ainda está aumentando, e ele termina no ponto de inflexão, onde — é a Proposição sobre o ponto de inflexão do tópico. Em termos de , a condição é . Levando a :
Com os valores do item (a) e :
isto é,
e de ano são cerca de quatro meses: fim de abril de 1914.
Sobre a data do enunciado. O livro pede para mostrar “abril de 1913”, e escreve na Equação (5) da seção. O mês está certo e o ano não — com os próprios e que a seção deduz, dá . Três conferências:
- A Tabela 2 do texto prevê milhões em e milhões em . Metade da população limite é milhões, que cai entre os dois, perto de — e não em , que é anterior ao primeiro.
- Substituindo na fórmula do item (c), reproduz-se a tabela do texto ao milhar: (tabela: ), (), (). Com , o valor de daria — fora.
- A curva publicada por Pearl e Reed em 1920 é .
Ou seja: o método do enunciado está certo, a resposta é abril de 1914, e a data impressa é uma errata. Vale registrar que o valor de Pearl e Reed sai com todos os algarismos da fórmula do item (a) — o que também confere o item (a).
(c) A forma sigmoide. Por definição de , temos , e o cálculo do item (b) deu . Levando isso a :
Invertendo, e lembrando que ,
Por que esta é a forma boa. Sumiram e , e sobraram três constantes com significado separado: é a escala vertical, é a escala de tempo e é a origem do tempo. Toda logística é a mesma curva, vista com esses três ajustes — não há uma família de formatos, há um só.
E ela exibe uma simetria que a forma (3) esconde: para todo ,
de modo que a curva é simétrica pelo ponto . A segunda metade do crescimento é a primeira de cabeça para baixo — e é por isso que o ponto de inflexão cai exatamente na metade da população limite, e não em algum lugar arbitrário.
Suponha que uma população dobra o seu tamanho original em anos e o triplica em anos. Mostre que essa população não pode satisfazer a lei malthusiana de crescimento populacional.
Dica
No modelo malthusiano, o que acontece nos primeiros cem anos já decide o que acontece nos segundos — não sobra parâmetro para ajustar.
Resolução
A conta. A lei malthusiana é , cuja solução com é . A primeira informação dá
Mas então o valor em está determinado, sem nenhuma liberdade:
O enunciado diz . Como , não existe algum que sirva.
O que de fato falhou. Não foi o valor de : foi a estrutura do modelo. No crescimento exponencial o fator de multiplicação num intervalo depende só da duração do intervalo, nunca de onde ele começa — que é precisamente o exercício 5 desta lista. Dobrar no primeiro século obriga, por isso, a quadruplicar em dois. O primeiro dado já consumiu o único parâmetro disponível; o segundo é um a mais do que um modelo de um parâmetro pode acomodar.
Dito com logaritmos: o malthusiano exige que seja afim em , ou seja, que os três pontos
sejam colineares — o que pediria , isto é, . E a desigualdade tem direção: é menor que . A população cresceu menos do que o exponencial previa, isto é, a taxa per capita caiu — que é exatamente o que o termo de competição da logística descreve.
O que estes dados de fato são. Como são três medidas igualmente espaçadas (), o exercício 2(a) se aplica. Com , e :
logo ; e
Pela fórmula do exercício 2(b), anos. Conferindo na forma sigmoide:
Os mesmos dados que refutam o malthusiano determinam exatamente uma logística — e ela prevê que a população se estabilize em quatro vezes o tamanho inicial, com o crescimento mais rápido justamente no ano .
Assuma que satisfaz a lei malthusiana de crescimento populacional. Mostre que os acréscimos de em intervalos de tempo sucessivos de igual duração formam os termos de uma progressão geométrica.
Esta é a origem do famoso dito de Thomas Malthus: “a população, quando não contida, cresce em razão geométrica; a subsistência cresce apenas em razão aritmética. Uma ligeira familiaridade com números mostrará a imensidão da primeira potência em comparação com a segunda.”
Dica
Escreva o acréscimo do -ésimo intervalo e ponha em evidência o que não depende de .
Resolução
A conta. Com , fixe uma duração e considere os acréscimos sobre os intervalos sucessivos :
O segundo fator não depende de . Logo
progressão geométrica de razão .
Repare na razão. Ela é a mesma da própria população, . Os acréscimos crescem exatamente no mesmo ritmo do que cresce — é outra maneira de dizer que o modelo não tem escala nenhuma: um intervalo de anos faz a mesma coisa em qualquer época, com qualquer tamanho de população. Essa é a assinatura do exponencial, e é o que o exercício 4 confronta com dados.
De fato, o exercício 4 é este aqui, contado com acréscimos: com a razão é , então e , e portanto — o mesmo , obtido sem escrever nenhuma exponencial.
O dito de Malthus. A “razão aritmética” da subsistência é a mesma frase com progressão aritmética no lugar da geométrica: acréscimos constantes, , o que corresponde a — crescimento linear, . Postos lado a lado,
e, sejam quais forem as constantes, a primeira acaba passando a segunda: é todo o argumento de Malthus, e ele é uma afirmação sobre exponencial contra reta, não sobre biologia ou agricultura.
O que a seção acrescenta é a ressalva: a conclusão depende de a hipótese exponencial valer para sempre. O exercício 4 exibe dados que já a violam em dois séculos.
Uma observação sobre a recíproca. A propriedade, para um fixo, é mais fraca do que ser malthusiano: dela sai apenas que nos pontos da grade, e o malthusiano é o caso . Para caracterizar o exponencial é preciso exigi-la de todo .
Há classes importantes de organismos cuja taxa de natalidade não é proporcional ao tamanho da população. Suponha, por exemplo, que cada membro da população precise de um parceiro para se reproduzir e que dependa de encontros ao acaso para achá-lo. Se o número esperado de encontros é proporcional ao produto do número de machos pelo de fêmeas, e se estes estão igualmente distribuídos na população, então o número de encontros — e portanto também a taxa de natalidade — é proporcional a . A taxa de mortalidade continua proporcional a . Consequentemente, satisfaz
Mostre que quando se . Assim, uma vez que a população caia abaixo do tamanho crítico , ela tende à extinção — e uma espécie é classificada como ameaçada quando o seu tamanho atual está perigosamente próximo do seu tamanho crítico.
Dica
Fatore o lado direito e localize os equilíbrios. É a logística com os dois sinais trocados — e o que lá era um teto, aqui é um piso.
Resolução
A equação é a logística com os sinais trocados. Fatorando,
Os equilíbrios são os mesmos de sempre, e , mas trocaram de papel: na logística, é a capacidade de suporte, para a qual tudo converge; aqui é um limiar, do qual tudo se afasta. Um teto virou um piso.
Argumento qualitativo — já basta para o que se pede. Suponha . Enquanto , o fator é negativo e , logo : a população decresce. Ela não pode chegar a zero, porque é solução e o lado direito é polinomial em — mesmo argumento de unicidade do exercício 1 —, nem pode subir de volta até , já que é decrescente. Fica presa em , decrescente e limitada inferiormente, portanto converge para algum .
Esse limite tem de ser um equilíbrio: se fosse , teríamos , e uma função cuja derivada tende a um número negativo não pode convergir. O único equilíbrio em é o zero, logo .
A solução explícita. Separando e decompondo,
e integrando de a dentro da faixa , onde :
É a Equação (3) com e — o único vestígio da troca de sinais é o expoente positivo. Como , o coeficiente é positivo, o denominador cresce sem limite e , o que dá a mesma conclusão por outro caminho. Melhor ainda, dá a taxa:
extinção exponencial com expoente — a taxa de mortalidade pura. Faz sentido: quando é pequeno, o termo de natalidade é desprezível diante de , e o que resta é morrer.
O outro lado do limiar. Se , então e o denominador se anula em
isto é, a população vai a infinito em tempo finito. Nada a segura: o termo de natalidade ultrapassa o de mortalidade e a distância só aumenta. Num modelo realista haveria competição para conter isso — mas a dicotomia é verdadeira e é o ponto do exercício: é um divisor de águas, com extinção de um lado e disparada do outro, e o próprio é um equilíbrio instável.
De onde vem o . É a mesma contagem de pares que produz o termo quadrático da equação logística, com o sinal contrário: lá os encontros são disputas por recursos e freiam o crescimento; aqui são encontros reprodutivos e o aceleram. Uma única hipótese combinatória, dois modelos com comportamentos opostos.
E a leitura do enunciado é a que importa na prática: uma espécie ameaçada não é a que tem poucos indivíduos, é a que está perto do seu tamanho crítico. Abaixo dele, proteger indivíduos não basta — o que falhou foi o mecanismo de encontro, e o modelo diz que a queda continua sozinha.