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Modèles, transport d'énergie et dynamique des populations · Dynamique des populations

Modèles de croissance et suites

Dans le parc national de la Vanoise, des écologues suivent une population de bouquetins. Chaque année, ils notent l'effectif. Si la population augmente de 4 % par an, que peut-on prévoir dans dix ans ? Et si le milieu ne peut nourrir qu'un nombre limité d'animaux, la prévision reste-t-elle valable ? Pour répondre, on transforme la situation en suite numérique : c'est un modèle, c'est-à-dire une description simplifiée de la réalité qui permet de calculer et de prévoir.

Croissance en pourcentage : la suite géométrique

Quand une population varie d'un même pourcentage à chaque période, on peut la modéliser par une suite géométrique.

Exemple : une colonie de 1 000 bactéries augmente de 30 % chaque heure. Après une heure, il y a $1\,000 + 0{,}30 \times 1\,000 = 1\,000 \times 1{,}3 = 1\,300$ bactéries. Chaque heure, on multiplie par le même nombre, $1{,}3$.

Pourquoi $u_n = u_0 \times q^n$ ? Parce qu'on multiplie $u_0$ par $q$, $n$ fois de suite.

Deux courbes d'évolution d'un effectif : croissance géométrique de raison supérieure à 1 et décroissance géométrique de raison inférieure à 1. temps n effectif q > 1 : croissance 0 < q < 1 : décroissance
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Une population de bactéries compte $500$ individus et augmente de $20\ \%$ chaque heure. On note $u_n$ l'effectif après $n$ heures. a) Donner $u_0$ et la nature de la…

Une population de bactéries compte $500$ individus et augmente de $20\ \%$ chaque heure. On note $u_n$ l'effectif après $n$ heures.

  1. a) Donner $u_0$ et la nature de la suite $(u_n)$.
  2. b) Exprimer $u_n$ en fonction de $n$.
  3. c) Calculer $u_3$.
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Une population de $2\,000$ individus d'une espèce d'oiseaux diminue de $5\ \%$ par an. a) Calculer l'effectif au bout d'un an puis de deux ans. b) Exprimer l'effectif au…

Une population de $2\,000$ individus d'une espèce d'oiseaux diminue de $5\ \%$ par an.

  1. a) Calculer l'effectif au bout d'un an puis de deux ans.
  2. b) Exprimer l'effectif au bout de $n$ années.
  3. c) Calculer l'effectif arrondi à l'unité au bout de $10$ ans.
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Une population d'insectes vérifie $u_{n+1}=1{,}5\,u_n$ avec $u_0=200$. a) Exprimer $u_n$ en fonction de $n$. b) Déterminer à partir de quelle génération l'effectif…

Une population d'insectes vérifie $u_{n+1}=1{,}5\,u_n$ avec $u_0=200$.

  1. a) Exprimer $u_n$ en fonction de $n$.
  2. b) Déterminer à partir de quelle génération l'effectif dépasse $10\,000$.
  3. c) Expliquer pourquoi ce modèle n'est pas réaliste à long terme.
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Ajouter un prélèvement : $u_{n+1} = a\,u_n + b$

Dans la réalité, il y a souvent deux effets à chaque période : une croissance en pourcentage (naissances moins décès) et une quantité fixe qui s'ajoute ou se retire (pêche, chasse, lâcher d'animaux).

Exemple : un lac contient 1 000 poissons. Chaque année l'effectif augmente de 20 %, puis on pêche 100 poissons. Avec $u_n$ l'effectif après $n$ années :

$$u_{n+1} = 1{,}2\,u_n - 100.$$

L'ordre des opérations compte : on applique d'abord le pourcentage à $u_n$, puis on retire la quantité fixe.

On peut aussi programmer ce calcul en Python (on écrit ici le coefficient $1{,}2$ sous la forme $12/10$) :

u = 1000

for n in range(3):

    u = 12 * u / 10 - 100

print(round(u))  # affiche 1364
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Une population compte $P_0=100$ individus. Chaque année, le nombre d'individus augmente de $15\ \%$ puis $10$ individus sont prélevés. On note $P_n$ l'effectif après $n$…

Une population compte $P_0=100$ individus. Chaque année, le nombre d'individus augmente de $15\ \%$ puis $10$ individus sont prélevés. On note $P_n$ l'effectif après $n$ années.

  1. a) Exprimer $P_{n+1}$ en fonction de $P_n$.
  2. b) Calculer $P_1$ et $P_2$.
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Une population de poissons dans un lac de l'Isère compte $4\,000$ individus. Chaque année, elle augmente de $10\ \%$, puis on pêche $300$ individus. On note $u_n$…

Une population de poissons dans un lac de l'Isère compte $4\,000$ individus. Chaque année, elle augmente de $10\ \%$, puis on pêche $300$ individus. On note $u_n$ l'effectif après $n$ années.

  1. a) Montrer que $u_{n+1}=1{,}1\,u_n-300$.
  2. b) Calculer $u_1$, $u_2$ et $u_3$.
  3. c) Déterminer le point d'équilibre $\ell$ tel que $\ell=1{,}1\ell-300$.
  4. d) Interpréter ce point d'équilibre.
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Point fixe et suite auxiliaire

Y a-t-il un effectif pour lequel la population ne bouge plus ? C'est un point d'équilibre, appelé aussi point fixe.

Pour $u_{n+1} = 1{,}2\,u_n - 100$, on résout $\ell = 1{,}2\,\ell - 100$, donc $0{,}2\,\ell = 100$, d'où $\ell = 500$. Si le lac contient exactement 500 poissons, la croissance de $0{,}2 \times 500 = 100$ poissons compense exactement la pêche de 100 poissons.

Le point fixe permet aussi d'obtenir $u_n$ en fonction de $n$ grâce à une suite auxiliaire.

La gestion d'une ressource (pêche, chasse) tient à ce point : prélever plus que la croissance naturelle ne le permet conduit à l'extinction.

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Une population de cerfs vérifie $u_{n+1}=1{,}2\,u_n-60$, avec $u_0=400$. a) Déterminer le point fixe $\ell$. b) On pose $v_n=u_n-\ell$. Montrer que $(v_n)$ est…

Une population de cerfs vérifie $u_{n+1}=1{,}2\,u_n-60$, avec $u_0=400$.

  1. a) Déterminer le point fixe $\ell$.
  2. b) On pose $v_n=u_n-\ell$. Montrer que $(v_n)$ est géométrique et préciser sa raison.
  3. c) En déduire l'expression de $u_n$ en fonction de $n$.
  4. d) Étudier le comportement à long terme. Que se passe-t-il si $u_0=250$ ? Si $u_0=300$ ?
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Une population de poissons est exploitée. Chaque année, avec un taux de croissance de $8\ \%$, elle atteint $1{,}08\,u_n$, puis on prélève une quantité fixe $q$. Au…

Une population de poissons est exploitée. Chaque année, avec un taux de croissance de $8\ \%$, elle atteint $1{,}08\,u_n$, puis on prélève une quantité fixe $q$. Au départ, $u_0=10\,000$.

  1. a) Exprimer $u_{n+1}$ en fonction de $u_n$ et $q$.
  2. b) Déterminer la valeur de $q$ pour laquelle la population reste constante.
  3. c) Pour $q=1\,000$, montrer que la population s'éteint et déterminer l'année où l'effectif devient négatif ou nul.
  4. d) Interpréter ces résultats pour la gestion durable d'une ressource.
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Limites du modèle : capacité d'accueil et modèle logistique

Une suite géométrique de raison supérieure à 1 tend vers l'infini. C'est irréaliste : un milieu a des ressources limitées (nourriture, espace). On appelle capacité d'accueil, notée $K$, l'effectif maximal que le milieu peut supporter durablement.

Pour en tenir compte, le taux de croissance doit diminuer quand la population s'approche de $K$. Un modèle simple : le terme d'accroissement est proportionnel à $u_n$ et à la place restante $K - u_n$ :

$$u_{n+1} = u_n + c\,u_n\,(K - u_n).$$
  • Si $u_n$ est petit devant $K$, l'accroissement est à peu près $c\,K\,u_n$ : croissance quasi géométrique.

  • Si $u_n$ s'approche de $K$, le facteur $K - u_n$ tend vers 0 : la croissance ralentit.

  • Si $u_n = K$, alors $u_{n+1} = u_n$ : $K$ est un point fixe. Le point fixe $0$ existe aussi (sans individu, pas de naissance).

Comparaison d'une croissance exponentielle qui augmente sans limite et d'une croissance logistique qui se stabilise à la capacité d'accueil K. temps n effectif capacité d'accueil K géométrique logistique

Le modèle logistique réduit

En prenant $K$ comme unité, on note $u_n \in [0 ; 1]$ la proportion de la capacité d'accueil. Le modèle classique est

$$u_{n+1} = r\,u_n\,(1 - u_n),$$

où $r$ est un paramètre de croissance. Ses points fixes vérifient $u = r\,u\,(1-u)$, donc $u = 0$ ou $1 = r\,(1-u)$, soit $u = 1 - \frac{1}{r}$.

Exemple : pour $r = 2$ et $u_0 = 0{,}1$, on obtient $u_1 = 2 \times 0{,}1 \times 0{,}9 = 0{,}18$ puis $u_2 = 2 \times 0{,}18 \times 0{,}82 = 0{,}2952$. La suite se rapproche du point fixe $1 - \frac{1}{2} = 0{,}5$.

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Une population de $800$ individus vit dans une réserve pouvant en accueillir au plus $1\,000$. Le modèle est $u_{n+1}=u_n+0{,}002\,u_n(1\,000-u_n)\times 0{,}1$, avec…

Une population de $800$ individus vit dans une réserve pouvant en accueillir au plus $1\,000$. Le modèle est $u_{n+1}=u_n+0{,}002\,u_n(1\,000-u_n)\times 0{,}1$, avec $u_0=800$.

  1. a) Calculer $u_1$ et $u_2$ (arrondis à l'unité).
  2. b) Montrer que $1\,000$ est un point fixe de la suite.
  3. c) Expliquer le rôle de la capacité d'accueil dans ce modèle.
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Un modèle logistique discret est donné par $u_{n+1}=r\,u_n(1-u_n)$, où $u_n\in[0\,;1]$ est l'effectif rapporté à la capacité d'accueil. a) Pour $r=2$ et $u_0=0{,}2$,…

Un modèle logistique discret est donné par $u_{n+1}=r\,u_n(1-u_n)$, où $u_n\in[0\,;1]$ est l'effectif rapporté à la capacité d'accueil.

  1. a) Pour $r=2$ et $u_0=0{,}2$, calculer $u_1$, $u_2$ et $u_3$.
  2. b) Déterminer les points fixes pour $r=2$.
  3. c) Pour $r=3{,}2$ et $u_0=0{,}5$, calculer $u_1$ à $u_4$ (arrondis au millième) et conjecturer le comportement.
  4. d) Expliquer pourquoi un même modèle peut conduire à des comportements très différents selon $r$.
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Retour au début : pour les bouquetins de la Vanoise, une croissance de 4 % par an donne $u_n = u_0 \times 1{,}04^{\,n}$ sur quelques années, mais à long terme la capacité d'accueil de la montagne limite la population : le modèle géométrique ne vaut que tant que les ressources ne manquent pas.

L'essentiel

  • Une évolution de $t\ \%$ par période multiplie l'effectif par $1 \pm \frac{t}{100}$ : la suite est géométrique, $u_n = u_0\,q^n$.

  • Avec un prélèvement ou un apport fixe $b$ : $u_{n+1} = a\,u_n + b$ (suite arithmético-géométrique).

  • Le point fixe $\ell$ vérifie $\ell = a\,\ell + b$ ; avec $v_n = u_n - \ell$, la suite $(v_n)$ est géométrique de raison $a$, d'où $u_n = \ell + (u_0 - \ell)\,a^n$.

  • Pour $a > 1$, le point fixe est un équilibre instable : au-dessus la population croît, en dessous elle s'éteint.

  • La capacité d'accueil $K$ corrige le modèle géométrique : dans le modèle logistique, $K$ (ou $1$ en proportion) est un point fixe et la croissance ralentit en s'en approchant.

  • Un modèle n'est valable que dans le cadre de ses hypothèses.

Voir tous les exercices de cette partie