matematika v biologii i - masaryk universitypospisil/files/matematika_v_biologii_i.pdf ·...

147
Matematika v biologii I Zdenˇ ek Posp´ ıˇ sil 22. bˇ rezna 2011

Upload: others

Post on 15-Feb-2020

17 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I

Zdenek Pospısil

22. brezna 2011

Page 2: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Uvod

Uvod

Lindenmayerovysystemy

Maticove populacnımodely

Rust homogennıpopulacev diskretnım case

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 2 / 20

Page 3: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Lindenmayerovy systemy

Uvod

LindenmayerovysystemySystemy sdiskretnım casem aparalelnımprepisovanım

Maticove populacnımodely

Rust homogennıpopulacev diskretnım case

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 3 / 20

Page 4: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Aristid Lindenmayer (1925–1989)

Page 5: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Aristid Lindenmayer (1925–1989)

Abeceda: mnozina A

Stav: konecna posloupnost prvku z A

Axiom: inicialnı stav s0Prepisovacı pravidla: zobrazenı f : A → A ∪A2 ∪ A3 ∪ . . .Stav si+1 vznikne ze stavu si tak, ze kazdy clen x v si se nahradı vyrazem f(x)

Page 6: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Aristid Lindenmayer (1925–1989)

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

Page 7: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

Page 8: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23

Page 9: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23

s2 =224

Page 10: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23

s2 =224

s3 =2254

Page 11: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23

s2 =224

s3 =2254

s4 =22654

Page 12: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224

s3 =2254

s4 =22654

Page 13: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254

s4 =22654

Page 14: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654

Page 15: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

Page 16: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 17: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 18: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 19: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 20: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 21: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 22: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 23: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 24: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 25: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 26: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 27: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 28: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Systemy s diskretnım casem a paralelnım

prepisovanım

Matematika v biologii I – 4 / 20

Abeceda: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (, )Axiom: 1Prepisovacı pravidla: 1 7→ 23 2 7→ 2 3 7→ 24 4 7→ 54 5 7→ 6

6 7→ 7 7 7→ 8(1) 8 7→ 8 ( 7→ ( ) 7→ )

s0 =1

s1 =23 s5 =227654

s2 =224 s6 =228(1)7654

s3 =2254 s7 =228(23)8(1)7654

s4 =22654 s8 =228(224)8(23)8(1)7654

s9 =228(2254)8(224)8(23)8(1)7654

s10 =228(22654)8(2254)8(224)8(23)8(1)7654

Page 29: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

Page 30: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

Page 31: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

i = 0

Page 32: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

i = 1

Page 33: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

i = 2

Page 34: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

i = 3

Page 35: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

i = 4

Page 36: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 5 / 20

Abeceda: M , S, +, −, [, ]Axiom: MPravidla: M 7→ S[+M ][−M ]SM S 7→ SS

i = 5

Page 37: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Maticove populacnı modely

Uvod

Lindenmayerovysystemy

Maticove populacnımodely

Fibonacciovi kralıci

Leslieho populacePopulacestrukturovana podlestadiıObecny maticovymodel

Rust homogennıpopulacev diskretnım case

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 6 / 20

Page 38: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250)

Page 39: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250):

Kdosi umıstil par kralıku na urcitem mıste, se vsech stran ohrazenemzdı, aby poznal, kolik paru kralıku se pri tom zrodı prubehem roku,jestlize u kralıku je tomu tak, ze par kralıku privede na svet mesıcnejeden par a ze kralıci pocınajı rodit ve dvou mesıcıch sveho veku.

Page 40: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250):

Kdosi umıstil par kralıku na urcitem mıste, se vsech stran ohrazenemzdı, aby poznal, kolik paru kralıku se pri tom zrodı prubehem roku,jestlize u kralıku je tomu tak, ze par kralıku privede na svet mesıcnejeden par a ze kralıci pocınajı rodit ve dvou mesıcıch sveho veku.

x(t) – pocet paru kralıku v t-tem mesıci

Page 41: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250):

Kdosi umıstil par kralıku na urcitem mıste, se vsech stran ohrazenemzdı, aby poznal, kolik paru kralıku se pri tom zrodı prubehem roku,jestlize u kralıku je tomu tak, ze par kralıku privede na svet mesıcnejeden par a ze kralıci pocınajı rodit ve dvou mesıcıch sveho veku.

x(t) – pocet paru kralıku v t-tem mesıci

x(t) = x(t− 1) + x(t− 2)

Page 42: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250):

Kdosi umıstil par kralıku na urcitem mıste, se vsech stran ohrazenemzdı, aby poznal, kolik paru kralıku se pri tom zrodı prubehem roku,jestlize u kralıku je tomu tak, ze par kralıku privede na svet mesıcnejeden par a ze kralıci pocınajı rodit ve dvou mesıcıch sveho veku.

x(t) – pocet paru kralıku v t-tem mesıci

x(t) = x(t− 1) + x(t− 2)

x(t+ 2) = x(t+ 1) + x(t), x(0) = 1, x(1) = 2

Page 43: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250):

Kdosi umıstil par kralıku na urcitem mıste, se vsech stran ohrazenemzdı, aby poznal, kolik paru kralıku se pri tom zrodı prubehem roku,jestlize u kralıku je tomu tak, ze par kralıku privede na svet mesıcnejeden par a ze kralıci pocınajı rodit ve dvou mesıcıch sveho veku.

x(t) – pocet paru kralıku v t-tem mesıci

x(t) = x(t− 1) + x(t− 2)

x(t+ 2) = x(t+ 1) + x(t), x(0) = 1, x(1) = 2

t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12x(t) 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

Page 44: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

Leonardo Pisansky, Fibonacci (1170–1250):

Kdosi umıstil par kralıku na urcitem mıste, se vsech stran ohrazenemzdı, aby poznal, kolik paru kralıku se pri tom zrodı prubehem roku,jestlize u kralıku je tomu tak, ze par kralıku privede na svet mesıcnejeden par a ze kralıci pocınajı rodit ve dvou mesıcıch sveho veku.

x(t) – pocet paru kralıku v t-tem mesıci

x(t) = x(t− 1) + x(t− 2)

x(t+ 2) = x(t+ 1) + x(t), x(0) = 1, x(1) = 2

x(t) =1√5

(

1 +√5

2

)t+1

− 1√5

(

1−√5

2

)t+1

Page 45: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem mesıci

y(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem mesıci

Page 46: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem mesıciy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem mesıci

x(t+ 1)= y(t)y(t+ 1)=x(t)+ y(t)

Page 47: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem mesıciy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem mesıci

x(t+ 1)= y(t)y(t+ 1)=x(t)+ y(t)

(

x(t+ 1)y(t+ 1)

)

=

(

0 11 1

)(

x(t)y(t)

)

Page 48: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem obdobıy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem obdobı

σ1 – podıl juvenilnıch paru, ktere prezijı jedno obdobıσ2 – podıl plodnych paru, ktere prezijı jedno obdobıγ – podıl juvenilnıch paru, ktere behem jednoho obdobı dospejıb – plodnost: prumerny pocet paru ktere ,,vyprodukuje” plodny par za jedno obdobı

Page 49: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem obdobıy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem obdobı

σ1 – podıl juvenilnıch paru, ktere prezijı jedno obdobıσ2 – podıl plodnych paru, ktere prezijı jedno obdobıγ – podıl juvenilnıch paru, ktere behem jednoho obdobı dospejıb – plodnost: prumerny pocet paru ktere ,,vyprodukuje” plodny par za jedno obdobı

x(t+ 1)= (1− γ)σ1 x(t)+ b y(t)y(t+ 1)= γσ1 x(t)+σ2 y(t)

Page 50: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem obdobıy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem obdobı

σ1 – podıl juvenilnıch paru, ktere prezijı jedno obdobıσ2 – podıl plodnych paru, ktere prezijı jedno obdobıγ – podıl juvenilnıch paru, ktere behem jednoho obdobı dospejıb – plodnost: prumerny pocet paru ktere ,,vyprodukuje” plodny par za jedno obdobı

x(t+ 1)= (1− γ)σ1 x(t)+ b y(t)y(t+ 1)= γσ1 x(t)+σ2 y(t)

(

x(t+ 1)y(t+ 1)

)

=

(

σ1(1− γ) b

σ1γ σ2

)(

x(t)y(t)

)

Page 51: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem obdobıy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem obdobı

σ1 – podıl juvenilnıch paru, ktere prezijı jedno obdobıσ2 – podıl plodnych paru, ktere prezijı jedno obdobıγ – podıl juvenilnıch paru, ktere behem jednoho obdobı dospejıb – plodnost: prumerny pocet paru ktere ,,vyprodukuje” plodny par za jedno obdobı

x(t+ 1)= (1− γ)σ1 x(t)+ b y(t)y(t+ 1)= γσ1 x(t)+σ2 y(t)

(

x

y

)

(t+ 1) =

(

σ1(1− γ) b

σ1γ σ2

)(

x

y

)

(t)

Page 52: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Fibonacciovi kralıci

Matematika v biologii I – 7 / 20

x(t) – mnozstvı paru juvenilnıch kralıku v t-tem obdobıy(t) – mnozstvı paru plodnych kralıku v t-tem obdobı

σ1 – podıl juvenilnıch paru, ktere prezijı jedno obdobıσ2 – podıl plodnych paru, ktere prezijı jedno obdobıγ – podıl juvenilnıch paru, ktere behem jednoho obdobı dospejıb – plodnost: prumerny pocet paru ktere ,,vyprodukuje” plodny par za jedno obdobı

x(t+ 1)= (1− γ)σ1 x(t)+ b y(t)y(t+ 1)= γσ1 x(t)+σ2 y(t)

(

x

y

)

(t+ 1) =

(

σ1(1− γ) b

σ1γ σ2

)(

x

y

)

(t)

x(t+ 1) = Ax(t)

Page 53: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

Patrick Holt Leslie (1900–1972)

Page 54: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

xi(t) – pocet zen veku i let; presneji veku z intervalu (i− 1, i〉 letpi – podıl zen veku i, ktere prezijı do dalsıho roku

Page 55: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

xi(t) – pocet zen veku i let; presneji veku z intervalu (i− 1, i〉 letpi – podıl zen veku i, ktere prezijı do dalsıho roku

xi+1(t+ 1)= pixi(t), i = 1, 2, . . . , k − 1

Page 56: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

xi(t) – pocet zen veku i let; presneji veku z intervalu (i− 1, i〉 letpi – podıl zen veku i, ktere prezijı do dalsıho rokufi – ocekavany pocet dcer, ktere behem roku porodı zena veku i let

xi+1(t+ 1)= pixi(t), i = 1, 2, . . . , k − 1

Page 57: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

xi(t) – pocet zen veku i let; presneji veku z intervalu (i− 1, i〉 letpi – podıl zen veku i, ktere prezijı do dalsıho rokufi – ocekavany pocet dcer, ktere behem roku porodı zena veku i let

x1(t+ 1)= f1x1(t) + f2x2(t) + · · ·+ fkxk(t)

xi+1(t+ 1)= pixi(t), i = 1, 2, . . . , k − 1

Page 58: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

xi(t) – pocet zen veku i let; presneji veku z intervalu (i− 1, i〉 letpi – podıl zen veku i, ktere prezijı do dalsıho rokufi – ocekavany pocet dcer, ktere behem roku porodı zena veku i let

x1(t+ 1)= f1x1(t) + f2x2(t) + · · ·+ fkxk(t)

xi+1(t+ 1)= pixi(t), i = 1, 2, . . . , k − 1

x1(t+ 1)x2(t+ 1)x3(t+ 1)

...xk−1(t+ 1)xk(t+ 1)

=

f1 f2 f3 . . . fk−1 fkp1 0 0 . . . 0 00 p2 0 . . . 0 0...

......

. . ....

...0 0 0 . . . 0 00 0 0 . . . pk−1 0

x1(t)x2(t)x3(t)...

xk−1(t)xk(t)

Page 59: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Leslieho populace

Matematika v biologii I – 8 / 20

xi(t) – pocet zen veku i let; presneji veku z intervalu (i− 1, i〉 letpi – podıl zen veku i, ktere prezijı do dalsıho rokufi – ocekavany pocet dcer, ktere behem roku porodı zena veku i let

x1(t+ 1)= f1x1(t) + f2x2(t) + · · ·+ fkxk(t)

xi+1(t+ 1)= pixi(t), i = 1, 2, . . . , k − 1

x1(t+ 1)x2(t+ 1)x3(t+ 1)

...xk−1(t+ 1)xk(t+ 1)

=

f1 f2 f3 . . . fk−1 fkp1 0 0 . . . 0 00 p2 0 . . . 0 0...

......

. . ....

...0 0 0 . . . 0 00 0 0 . . . pk−1 0

x1(t)x2(t)x3(t)...

xk−1(t)xk(t)

x(t+ 1) = Ax(t)

Page 60: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

Leonard Lefkowitch (1929–2010)

Page 61: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

Obojzivelnıci: vajıcko – pulec – dospely jedinec

Page 62: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

Obojzivelnıci: vajıcko – pulec – dospely jedinecHmyz: vajıcko – larva – kukla – imago

Page 63: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

Obojzivelnıci: vajıcko – pulec – dospely jedinecHmyz: vajıcko – larva – kukla – imago

Rostliny: semeno – mala ruzice – strednı ruzice – velka ruzice – kvetoucı rostlina

Page 64: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

xi(t) – pocet jedincu stadia i v case t (i = 1 – ,,novorozenci”)pii – podıl jedincu stadia i, kterı prezijı obdobı a nepromenı se; 0 ≤ pii ≤ 1pij – podıl jedincu stadia j, kterı se behem obdobı premenı na stadium i; 0 ≤ pij ≤ 1fi – ocekavany pocet ,,novorozencu”, ktere vyprodukuje jedinec stadia i; fi ≥ 0

Page 65: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

xi(t) – pocet jedincu stadia i v case t (i = 1 – ,,novorozenci”)pii – podıl jedincu stadia i, kterı prezijı obdobı a nepromenı se; 0 ≤ pii ≤ 1pij – podıl jedincu stadia j, kterı se behem obdobı premenı na stadium i; 0 ≤ pij ≤ 1fi – ocekavany pocet ,,novorozencu”, ktere vyprodukuje jedinec stadia i; fi ≥ 0

k∑

j=1

pij ≤ 1, i = 1, 2, . . . , k

Page 66: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

xi(t) – pocet jedincu stadia i v case t (i = 1 – ,,novorozenci”)pii – podıl jedincu stadia i, kterı prezijı obdobı a nepromenı se; 0 ≤ pii ≤ 1pij – podıl jedincu stadia j, kterı se behem obdobı premenı na stadium i; 0 ≤ pij ≤ 1fi – ocekavany pocet ,,novorozencu”, ktere vyprodukuje jedinec stadia i; fi ≥ 0

k∑

j=1

pij ≤ 1, i = 1, 2, . . . , k

x1(t+ 1)=k∑

j=1

fjxj(t),

xi(t+ 1)=k∑

j=1

pijxj(t), i = 2, 3, . . . , k

Page 67: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace strukturovana podle stadiı

Matematika v biologii I – 9 / 20

xi(t) – pocet jedincu stadia i v case t (i = 1 – ,,novorozenci”)pii – podıl jedincu stadia i, kterı prezijı obdobı a nepromenı se; 0 ≤ pii ≤ 1pij – podıl jedincu stadia j, kterı se behem obdobı premenı na stadium i; 0 ≤ pij ≤ 1fi – ocekavany pocet ,,novorozencu”, ktere vyprodukuje jedinec stadia i; fi ≥ 0

k∑

j=1

pij ≤ 1, i = 1, 2, . . . , k

x1(t+ 1)=k∑

j=1

fjxj(t),

xi(t+ 1)=k∑

j=1

pijxj(t), i = 2, 3, . . . , k

x(t+ 1) = Ax(t)

Page 68: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

Page 69: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

λ1, λ2, . . . , λk – vlastnı hodnoty matice A, λ1 ≥ |λ2| ≥ · · · ≥ |λk|w1,w2, . . . ,wk – prıslusne vlastnı vektory

Page 70: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

λ1, λ2, . . . , λk – vlastnı hodnoty matice A, λ1 ≥ |λ2| ≥ · · · ≥ |λk|w1,w2, . . . ,wk – prıslusne vlastnı vektory

Pro jednoduchost predpokladejme, ze λ1 > |λ2| a λi 6= λj pro i 6= j.

Page 71: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

λ1, λ2, . . . , λk – vlastnı hodnoty matice A, λ1 ≥ |λ2| ≥ · · · ≥ |λk|w1,w2, . . . ,wk – prıslusne vlastnı vektory

Pro jednoduchost predpokladejme, ze λ1 > |λ2| a λi 6= λj pro i 6= j.

x(0) = c1w1 + c2w2 + · · ·+ ckwk

Page 72: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

λ1, λ2, . . . , λk – vlastnı hodnoty matice A, λ1 ≥ |λ2| ≥ · · · ≥ |λk|w1,w2, . . . ,wk – prıslusne vlastnı vektory

Pro jednoduchost predpokladejme, ze λ1 > |λ2| a λi 6= λj pro i 6= j.

x(0) = c1w1 + c2w2 + · · ·+ ckwk

x(1) = c1λ1w1 + c2λ2w2 + · · ·+ ckλkwk

Page 73: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

λ1, λ2, . . . , λk – vlastnı hodnoty matice A, λ1 ≥ |λ2| ≥ · · · ≥ |λk|w1,w2, . . . ,wk – prıslusne vlastnı vektory

Pro jednoduchost predpokladejme, ze λ1 > |λ2| a λi 6= λj pro i 6= j.

x(0) = c1w1 + c2w2 + · · ·+ ckwk

x(1) = c1λ1w1 + c2λ2w2 + · · ·+ ckλkwk

x(t) = c1λt1w1 + c2λ

t2w2 + · · ·+ ckλ

tkwk

Page 74: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Obecny maticovy model

Matematika v biologii I – 10 / 20

x(t+ 1) = Ax(t)

λ1, λ2, . . . , λk – vlastnı hodnoty matice A, λ1 ≥ |λ2| ≥ · · · ≥ |λk|w1,w2, . . . ,wk – prıslusne vlastnı vektory

Pro jednoduchost predpokladejme, ze λ1 > |λ2| a λi 6= λj pro i 6= j.

x(0) = c1w1 + c2w2 + · · ·+ ckwk

x(1) = c1λ1w1 + c2λ2w2 + · · ·+ ckλkwk

x(t) = c1λt1w1 + c2λ

t2w2 + · · ·+ ckλ

tkwk

1

λt1

x(t) = c1w1 + c2

(

λ2

λ1

)t

w2 + · · ·+ ck

(

λk

λ1

)t

wk

Page 75: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Rust homogennı populace v diskretnım case

Uvod

Lindenmayerovysystemy

Maticove populacnımodely

Rust homogennıpopulacev diskretnım casePopulace bezomezenıPopulace somezenymi zdroji

Interagujıcı populace

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 11 / 20

Page 76: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

Leonhard Euler (1707–1783), Introductio in analysin infinitorum (1748)

Page 77: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

Page 78: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

Page 79: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0

Page 80: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0

Page 81: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0r = 1− d+ b – rustovy koeficient, r ≥ 0

Page 82: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t) = rx(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0r = 1− d+ b – rustovy koeficient, r ≥ 0

Page 83: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t) = rx(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0r = 1− d+ b – rustovy koeficient, r ≥ 0

x(t+ 1) = rx(t)

Page 84: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t) = rx(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0r = 1− d+ b – rustovy koeficient, r ≥ 0

x(t+ 1) = rx(t)

Rekurentnı formule pro geometrickou posloupnost

Page 85: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t) = rx(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0r = 1− d+ b – rustovy koeficient, r ≥ 0

x(t+ 1) = rx(t)

x(0) = x0 – pocatecnı velikost populace

x(t) = x0rt

Page 86: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

Thomas R. Malthus (1766–1834)

x(t) – velikost populace v case t, ktery plyne v ,,prirozenych” jednotkach

x(t+ 1) = x(t)− uhynulı+ narozenı

x(t+ 1) = x(t)− dx(t) + bx(t) = (1− d+ b)x(t) = rx(t)d – umrtnost (pravdepodobnost umrtı behem casove jednotky), d ∈ 〈0, 1〉b – porodnost (prumerny pocet potomku jedince), b ≥ 0r = 1− d+ b – rustovy koeficient, r ≥ 0

x(t+ 1) = rx(t)

x(0) = x0 – pocatecnı velikost populace

x(t) = x0rt

r > 1, tj. b > d, populace roste

r = 1, tj. b = d, populace ma konstatntnı velikost

r < 1, tj. b < d, populace vymıra

Page 87: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t+ 1) = rx(t), x(0) = x0

Page 88: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t+ 1) = rx(t), x(0) = x0

rustovy koeficient

r =x(t+ 1)

x(t)

Page 89: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace bez omezenı

Matematika v biologii I – 12 / 20

x(t+ 1) = rx(t), x(0) = x0

rustovy koeficient

r =x(t+ 1)

x(t)

zavisı na velikosti populacer = r

(

x(t))

Page 90: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)

Page 91: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

Page 92: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

Page 93: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

Page 94: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

Page 95: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

∆x(t) = (r − 1)x(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

Page 96: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

∆x(t) = (r − 1)x(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

∆x(t) = (r − 1)

(

1−x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

Page 97: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

∆x(t) = (r − 1)x(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

∆x(t) = (r − 1)

(

1−x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

∆x(t) =(r − 1)

1 + (r − 1)x(t)

K

(

1−x(t)

K

)

x(t)

Page 98: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

∆x(t) = (r − 1)x(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

∆x(t) = (r − 1)

(

1−x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

∆x(t) =r − 1

r

(

1−x(t)

K

)

x(t+ 1)

Page 99: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

∆x(t) = (r − 1)x(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

∆x(t) = (r − 1)

(

1−x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

∆x(t) =(

r1−x(t)K − 1

)

x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

∆x(t) =r − 1

r

(

1−x(t)

K

)

x(t+ 1)

Page 100: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)Malthus:x(t+ 1) = rx(t)

∆x(t) = (r − 1)x(t)

Verhulst:

x(t+ 1) =

(

r − (r − 1)x(t)

K

)

x(t)

∆x(t) = (r − 1)

(

1−x(t)

K

)

x(t)

Ricker:x(t+ 1) = r1−

x(t)K x(t)

∆x(t) =(

r1−x(t)K − 1

)

x(t)

Beverton-Holt, Pielou:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)x(t)

K

x(t)

∆x(t) =r − 1

r

(

1−x(t)

K

)

x(t+ 1)

Page 101: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)

Page 102: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)

Zakladnı rovnice:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)

(

x(t)

K

)βx(t)

∆x(t) =r − 1

1 + (r − 1)

(

x(t)

K

(

1−

(

x(t)

K

)β)

x(t) =r − 1

r

(

1−

(

x(t)

K

)β)

x(t+ 1)

Page 103: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

x(t)K

1

r

x(t+ 1)

x(t)

Rovnice se zpozdenım:

x(t+ 1) =r

1 + (r − 1)

(

x(t− 1)

K

)βx(t)

Page 104: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

Warder Clyde Allee (1885–1955)

x(t)Kϑ

1

r

x(t+ 1)

x(t)

Allee:

x(t+ 1) = r4K

(K−ϑ)2

(

1−x(t)K

)

(x−ϑ)x(t)

Page 105: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Populace s omezenymi zdroji

Matematika v biologii I – 13 / 20

Benjamin Gompertz (1779–1865)

x(t)Kϑ

1

r

x(t+ 1)

x(t)

Gompertz:

x(t+ 1) =(

rx(t)−ln rln K

)

x(t)

Page 106: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Page 107: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

Page 108: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

rustovy koeficient: r1−x(t)K klesa s rostoucı velikostı populace

Page 109: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

rustovy koeficient: r1−x(t)K klesa s rostoucı velikostı populace

x(t), y(t) – velikosti dvou interagujıcıch populacı v case t

Page 110: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

rustovy koeficient: r1−x(t)K klesa s rostoucı velikostı populace

x(t), y(t) – velikosti dvou interagujıcıch populacı v case t

Lotka-Volterra:

x(t+ 1) = r1− x(t)

K1−α12y(t)

1 x(t), x(0) = x0

y(t+ 1) = r1− y(t)

K2−α21x(t)

2 y(t), y(0) = y0

Page 111: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

rustovy koeficient: r1−x(t)K klesa s rostoucı velikostı populace

x(t), y(t) – velikosti dvou interagujıcıch populacı v case t

Lotka-Volterra:

x(t+ 1) = r1− x(t)

K1−α12y(t)

1 x(t), x(0) = x0

y(t+ 1) = r1− y(t)

K2−α21x(t)

2 y(t), y(0) = y0

α12 > 0, α21 > 0 – konkurence, kompetice

Page 112: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

rustovy koeficient: r1−x(t)K klesa s rostoucı velikostı populace

x(t), y(t) – velikosti dvou interagujıcıch populacı v case t

Lotka-Volterra:

x(t+ 1) = r1− x(t)

K1−α12y(t)

1 x(t), x(0) = x0

y(t+ 1) = r1− y(t)

K2−α21x(t)

2 y(t), y(0) = y0

α12 > 0, α21 > 0 – konkurence, kompeticeα12 < 0, α21 < 0 – mutualismus, symbioza

Page 113: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Interagujıcı populace

Matematika v biologii I – 14 / 20

Rust jedne populace (Rickeruv model)

x(t+ 1) = r1−x(t)K x(t), x(0) = x0

rustovy koeficient: r1−x(t)K klesa s rostoucı velikostı populace

x(t), y(t) – velikosti dvou interagujıcıch populacı v case t

Lotka-Volterra:

x(t+ 1) = r1− x(t)

K1−α12y(t)

1 x(t), x(0) = x0

y(t+ 1) = r1− y(t)

K2−α21x(t)

2 y(t), y(0) = y0

α12 > 0, α21 > 0 – konkurence, kompeticeα12 < 0, α21 < 0 – mutualismus, symbioza

α12 > 0, α21 < 0 – predace (populace s velikostı x je korist, s velikostı y je dravec)

Page 114: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Lekarska diagnostika

Uvod

Lindenmayerovysystemy

Maticove populacnımodely

Rust homogennıpopulacev diskretnım case

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 15 / 20

Page 115: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

Page 116: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence chorobyP(+|A) – senzitivita testuP(−|AC) – specificita testu

Page 117: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

Page 118: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

Page 119: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA

AC

Σ

Page 120: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA

AC

Σ 1 000 000

Page 121: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 5 000AC

Σ 1 000 000

Page 122: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 5 000AC 995 000Σ 1 000 000

Page 123: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 4 950 5 000AC 995 000Σ 1 000 000

Page 124: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 4 950 50 5 000AC 995 000Σ 1 000 000

Page 125: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 4 950 50 5 000AC 945 250 995 000Σ 1 000 000

Page 126: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 4 950 50 5 000AC 49 750 945 250 995 000Σ 1 000 000

Page 127: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =

+ − ΣA 4 950 50 5 000AC 49 750 945 250 995 000Σ 54 700 945 300 1 000 000

Page 128: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) = 0,0905

+ − ΣA 4 950 50 5 000AC 49 750 945 250 995 000Σ 54 700 945 300 1 000 000

Page 129: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Thomas Bayes (1701–1761)

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =P(+|A) P(A)

P(+|A) P(A) + P(+|AC) P(AC)

Page 130: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Thomas Bayes (1701–1761)

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =P(+|A) P(A)

P(+|A) P(A) +(

1− P(−|AC))(

1− P(A))

Page 131: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Thomas Bayes (1701–1761)

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+) =P(+|A) P(A)

P(+|A) P(A) +(

1− P(−|AC))(

1− P(A)) = 0,0905

Page 132: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Thomas Bayes (1701–1761)

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|++) =P(+|A) P(A|+)

P(+|A) P(A|+) +(

1− P(−|AC))(

1− P(A|+)) = 0,663

Page 133: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 16 / 20

Thomas Bayes (1701–1761)

Stav pacienta: ma chorobu A

nema chorobu AC

Test diagnostikuje chorobu +nediagnostikuje chorobu −

P(A) – prevalence nebo incidence choroby 0,005P(+|A) – senzitivita testu 0,99P(−|AC) – specificita testu 0,95

P(A|+++) =P(+|A) P(A|++)

P(+|A) P(A|++) +(

1− P(−|AC))(

1− P(A|++)) = 0,952

Page 134: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Hardyho-Weinberguv zakon

Uvod

Lindenmayerovysystemy

Maticove populacnımodely

Rust homogennıpopulacev diskretnım case

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 17 / 20

Page 135: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Godfrey Harold Hardy (1877–1947) Science (1908)Wilhelm Weinberg (1862–1937) Jahresh. Wuertt. Ver. vaterl. Natkd. (1908)

Page 136: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Godfrey Harold Hardy (1877–1947) Science (1908)Wilhelm Weinberg (1862–1937) Jahresh. Wuertt. Ver. vaterl. Natkd. (1908)

dospely samec

dospela samice

gameta

gametazygota dospely jedinec-

-

-

���*HHHj

Page 137: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Godfrey Harold Hardy (1877–1947) Science (1908)Wilhelm Weinberg (1862–1937) Jahresh. Wuertt. Ver. vaterl. Natkd. (1908)

dospely samec

dospela samice

gameta

gametazygota dospely jedinec-

-

-

���*HHHj

dospely jedinec: diploidnı (2 alely v lokusu)gameta: haploidnı (1 alela v lokusu)

Page 138: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Godfrey Harold Hardy (1877–1947) Science (1908)Wilhelm Weinberg (1862–1937) Jahresh. Wuertt. Ver. vaterl. Natkd. (1908)

dospely samec

dospela samice

gameta

gametazygota dospely jedinec-

-

-

���*HHHj

dospely jedinec: diploidnı (2 alely v lokusu)gameta: haploidnı (1 alela v lokusu)

• plodnost nezavisı na genotypu• prezitı nezavisı na genotypu• alela je do gamety vybrana nahodne• nahodne krızenı

Page 139: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.

Page 140: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.Rodicovska generace: x = P(a1a1), y = P(a1a2), z = P(a2a2)

Page 141: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.Rodicovska generace: x = P(a1a1), y = P(a1a2), z = P(a2a2)

p = P(a1) = x+ 12y, q = P(a2) =

12y + z

Page 142: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.Rodicovska generace: x = P(a1a1), y = P(a1a2), z = P(a2a2)

p = P(a1) = x+ 12y, q = P(a2) =

12y + z

Vytvorenı gamety:◦

a1a1

� a1a2

� a2a2

a1m a1m a2m a2m��

��

AA

AA

���

���

@@@

@@@

x y z

1 112

12

Page 143: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.Rodicovska generace: x = P(a1a1), y = P(a1a2), z = P(a2a2)

p = P(a1) = x+ 12y, q = P(a2) =

12y + z

Vytvorenı gamety:◦

a1a1

� a1a2

� a2a2

a1m a1m a2m a2m��

��

AA

AA

���

���

@@@

@@@

x y z

1 112

12

a1ma1m a1ma2m a2ma1m a2ma2m

a1m a2m

p q p q

p q

��

��

AA

AA

��

��

AA

AA

����

HHHH

Spojenı gamet:

Page 144: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.Rodicovska generace: x = P(a1a1), y = P(a1a2), z = P(a2a2)

p = P(a1) = x+ 12y, q = P(a2) =

12y + z

Vytvorenı gamety:◦

a1a1

� a1a2

� a2a2

a1m a1m a2m a2m��

��

AA

AA

���

���

@@@

@@@

x y z

1 112

12

a1ma1m a1ma2m a2ma1m a2ma2m

a1m a2m

p q p q

p q

��

��

AA

AA

��

��

AA

AA

����

HHHH

Spojenı gamet:

Filialnı generace: P(a1a1) = p2, P(a1a2) = pq + qp = 2pq, P(a2a2) = q2

Page 145: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 18 / 20

Lokus A s alelami a1, a2.Rodicovska generace: x = P(a1a1), y = P(a1a2), z = P(a2a2)

p = P(a1) = x+ 12y, q = P(a2) =

12y + z

Vytvorenı gamety:◦

a1a1

� a1a2

� a2a2

a1m a1m a2m a2m��

��

AA

AA

���

���

@@@

@@@

x y z

1 112

12

a1ma1m a1ma2m a2ma1m a2ma2m

a1m a2m

p q p q

p q

��

��

AA

AA

��

��

AA

AA

����

HHHH

Spojenı gamet:

Filialnı generace: P(a1a1) = p2, P(a1a2) = pq + qp = 2pq, P(a2a2) = q2

P(a1) = p2 + pq = p(p+ q) = p, P(a2) = pq + q2 = (p+ q)q = q

Page 146: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

K dalsımu ctenı

Uvod

Lindenmayerovysystemy

Maticove populacnımodely

Rust homogennıpopulacev diskretnım case

Lekarska diagnostika

Hardyho-Weinberguvzakon

K dalsımu ctenı

Matematika v biologii I – 19 / 20

Page 147: Matematika v biologii I - Masaryk Universitypospisil/FILES/Matematika_v_biologii_I.pdf · Matematika v biologii I – 3 / 20. Syst´emy s diskr´etn´ım ˇcasem a paraleln´ım pˇrepisov´an´ım

Matematika v biologii I – 20 / 20

• John Maynard Smith. Mathematical Ideas in Biology. Cambridge Univ. Press: Cambridge, 1968.

• Tomas Havranek a kol. Matematika pro biologicke a lekarske vedy Academia: Praha, 1981.

• James Dickson Murray. Mathematical Biology. I An Introduction, II Spatial Models and Biomedical Applications.

Springer: New York-Berlin-Heidelberg, 2001, 2003.

• Hal Caswell. Matrix Population Models. Sinauer: Sunderland MA, 2001.

• Mark Kot. Elements of Mathematical Ecology. Cambridge Univ. Press: Cambridge, 2001.

• Kurt Kreith, Don Chakerian. Iterative Algebra and Dynamic Modeling. Springer: New York, 1999.

• Vojtech Jarosık. Rust a regulace populacı. Academia: Praha, 2005.

• Anthony W.F. Edwards. Foundations of Mathematical Genetics. Cambridge Univ. Press: Cambridge, 1977.

• John A. Adam. Mathematics in Nature. Modeling Patterns in the Natural World. Princeton University Press:Princeton&Oxford, 2003.

• 7 ruznych autoru SSSR. Cıslo a myslenı. Mlada fronta: Praha, 1983.

• Ian Stewart. Cısla prırody. Neskutecna skutecnost matematicke predstavivosti. Archa: Bratislava, 1996.