人口模型

更新时间:2023-12-09 13:06

人口模型是描述一国或地区人口总量和结构变动规律的系统动力学模型。总人口和出生人口数形成一个正反馈回路,它决定总人口的增长。总人口与死亡人数构成一个负反馈回路,它决定总人口的减少。整个人口系统由这正、负反馈回路耦合而成。总人口的增长趋势取决于这两个反馈回路的相互作用结果(强度差)。如何制定人口政策、制定适度人口和合理人口结构对策,可以在模型上做实验,控制与调整总人口出生率和总人口死亡率。较复杂的人口动态系统引入了多个年龄组,从而形成多个反馈回路的耦合,与实际更为接近。

系统简介

中国的系统动力学人口模型建立于1981年,其阶数达70多,方程数近900个。模型中拥有66个年龄组,死亡率因年龄而异,是期望寿命的函数;并把工业产出、劳务产出、食物产量引人为模型中的外生变量。该模型可用于研究人口发展的动态特性、人口变化总趋势、人口年龄结构、主劳动力与老年人比例的动态变化、生育率、死亡率的动态变化、人口问题对社会经济发展近期与远期的影响、人口控制政策的模拟实验与制定等。该模型具有一定的通用性。

本词条仅介绍几个简化的人口模型,包括 Logistic 模型和 Leslie 模型等,并解释一些人口动力学中的常见概念。

人口模型介绍

主述文章:逻辑斯蒂增长模型

逻辑斯蒂 (Logistic) 人口模型是对总人口 Nt建立的非线性动力学模型,它满足

这里 r = 人口的自然增长率,K = 环境资源允许的稳定人口数。它从总体上考虑了人口的自然出生和因环境资源有限导致的死亡。求解以上微分方程得到

这里 N0 为 t = 0 时刻的人口数初条件。该模型包含人口 Nt<< K时的指数增长行为 Nt~ N0ert (见 “马尔萨斯模型”),人口 Nt < K 时受天花板 K 限制的 S 型增长行为,以及人口 Nt > K 过剩时的负增长行为。

逻辑斯蒂人口模型较为简单,参数少,但不够精细。比如它没有考虑到人口的年龄结构、性别比、迁入迁出等因素的影响。逻辑斯蒂模型假设人口的净增长速率 dNt/ dt 由当下的总人口 Nt 瞬时地决定,而实际的人口动力学由于年龄结构的影响,带有很强的延迟性。此外,通常在非战争、饥荒条件下,人口的增长和死亡主要受生育政策和医疗条件等人为可控因素影响,而环境天花板 K 的概念通常更适用于动物种群数量的建模。

人口模型作用

主述文章:莱斯利矩阵

Leslie 人口模型是一个考虑人口年龄结构的线性动力学模型,它满足

这里我们把总人口中的女性分成了 N 个年龄组。例如第一个年龄组 n1 表示 0 ~ 1 岁,n2 表示 1 ~ 2 岁,以此类推。整个模型有 2N-1 个参数,其中 fi 表示第 i 个年龄组贡献的出生率,si 表示第 i 个年龄组存活到第 i+1 个年龄组的概率。把所有的 fi 都除以 2 是因为所出生的孩子中仅有一半是女性。用 N 个 fi 参数和 N-1 个 si 参数对人口的生育和死亡行为进行考虑年龄结构的精细建模,能更好地预测人口数量的时间演化。

平均预期寿命

用 Leslie 模型可以得出几个与人口总体有关的统计量,例如平均预期寿命 (Life expectancy at birth, 简称 LEB),定义为

平均预期寿命的含义是假定每个年龄组的存活率 si 保持不变,一个个体从出生到死亡的寿命的数学期望。注意这个数值一般不等于一年之内死去的人口的平均寿命 L。这是因为

可见 L 受人口年龄结构 ni 的影响。用 Leslie 模型可以得到一个指数增长(或指数衰减)的长期稳定年龄结构,为 Leslie 矩阵的最大特征值的特征向量。对增长型的人口,稳定年龄结构较为年轻化,故有 L < LEB. 而对于衰退型人口,稳定年龄结构较为老龄化,故有 L > LEB.可见平均预期寿命 LEB 是消除了人口年龄结构影响的统计量,能比平均寿命 L更准确地反映个体的寿命预期。为保持总人口稳定不变,稳定人口数满足如下公式:

稳定人口数 = 年出生人口 (n1) * 平均预期寿命 (LEB).

用以上公式可以计算出每年需要出生多少人口才能在现有的 LEB 条件下保持人口总数稳定。不过由于人口动力学的延迟性,达到稳定人口数需要的时间很长,且过程不一定单调(可以有振荡)。

总和生育率

总和生育率 (Total fertility rate, 简称 TFR) 是指一个女性人口一生平均生育的子女数目,计算公式为

由于所生子女中平均而言仅有一半是女性,所以维持总人口不变的条件为 TFR = 2. 用 Leslie 模型可以证明由 TFR 和 LEB 两个统计量给出的人口稳定的条件是等价的。通过计划生育、晚婚晚育政策可以减小 TFR 控制人口增长。而通过二孩政策则可以增加 TFR,控制人口过早、过快进入老龄化

人口代际时间 (Generation time, 简称 GT) 是指平均而言一个女性生育子女时的年龄,计算公式为

每个母亲每生一个孩子时,她的年龄就被统计一次。所有母亲生育所有子女时的年龄的平均值,消除人口年龄结构的影响,得到的结果就是代际时间 GT. 根据 Leslie 模型,人口年龄结构稳定且 TFR ≈ 2 时,人口增长率 ≈ (TFR / 2 – 1) / GT.于是从人口代际时间的角度可以看出,计划生育、晚婚晚育政策既减小分子的 TFR,又延长分母的代际时间 GT,故而对于控制人口增长产生了明显成效。而二孩政策虽然短期增加 TFR,但长期来看会延长代际时间 GT,从而一定程度上削弱人口增加的效果。 对二孩政策采用 Leslie 模型进行研究的文章见。

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