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MATH0300 Mathematical Ecology Problem Sheet 1

1.  Suppose that the per-capita net reproductive rate of a species with population density N is r(1 - N2 /K), where r, K > 0 are constants

a) Find the population density N(t)

b) Sketch N as a function of t for (i) N(0) > ^K and (ii) 0 < N(0) < ^K

c) Discuss the biological implications of the solutions

 r      


2. If the per-capita net reproductive rate of a species with density x is  1 + x/K , where r, K > 0 are constants, is the population bounded if x(0) > 0?  (You may use that x(t) 2 0 for all t 2 0.)

3. In lectures we derived the Master Equation for the probability pn (t) of having n indi- viduals at a time t given a constant reproduction rate b and null mortality rate,


dpn (t) dt

= b (-npn (t) + (n - 1)pn_1 (t)) .

Given that at a time t = 0 there are m individuals, we can define the initial population as pn (0) = δn,m  where δn,m  is Kronecker delta:

a) What is the probability pn (t) for n < m?

b) Find the probability pn (t) for n = m.

c) Find the probability pn (t) for n = m + 1.

d) Using this result nd the general probability pn (t) for n > m.

4. Let the death rate be d(t), so that the net intrinsic growth rate (per individual) is r(t) = b(t) - d(t).  Using pk (t) to denote the probability that the population is size k at time t:

a) Derive a new set of differential equation for pk (t) for each k = 0, 1, . . .

b) Show that the expected value for the number of individuals (n(t)) =      kpk (t) is given by (n(t)) = (n(0)) exp 0(t) r(s) ds.

c) When r(t) = e_λt , so that the net intrinsic growth rate goes to zero as t → o, what happens to the mean population size in the long run?