عملية موران

عملية موران أو نموذج موران هي عملية عشوائية بسيطة تُستخدم في علم الأحياء لوصف التجمعات السكانية المحدودة . سُميت هذه العملية نسبةً إلى باتريك موران ، الذي اقترح النموذج لأول مرة عام 1958. [ 1 ] يمكن استخدامها لنمذجة العمليات التي تزيد التنوع، مثل الطفرة، وكذلك التأثيرات التي تقلل التنوع، مثل الانحراف الوراثي والانتخاب الطبيعي . يمكن لهذه العملية وصف الديناميكيات الاحتمالية في تجمع سكاني محدود ذي حجم ثابت N ، حيث يتنافس أليلان A وB على السيادة. يُعتبر هذان الأليلان مُستنسخين حقيقيين (أي كيانات تُنتج نسخًا من نفسها).

في كل خطوة زمنية، يُختار فرد عشوائي (من النوع أ أو ب) للتكاثر، ويُختار فرد عشوائي آخر للموت؛ مما يضمن ثبات حجم الجماعة. ولنمذجة الانتقاء، يجب أن يتمتع أحد النوعين بملاءمة أعلى، وبالتالي يكون أكثر عرضة للاختيار للتكاثر. ويمكن اختيار الفرد نفسه للموت والتكاثر في الخطوة نفسها.

الانحراف المحايد

الانحراف المحايد هو فكرة مفادها أن الطفرة المحايدة يمكن أن تنتشر في جميع أنحاء الجماعة، بحيث يختفي الأليل الأصلي في نهاية المطاف . لا تُضيف الطفرة المحايدة أي ميزة أو عيب في اللياقة البدنية لحاملها. ويمكن وصف هذه الظاهرة ببساطة من خلال عملية موران.

تُعرَّف عملية موران على فضاء الحالة i = 0, ..., N ، حيث يُحسب عدد الأفراد من الفئة A. وبما أن عدد الأفراد من الفئة A لا يمكن أن يتغير بأكثر من واحد في كل خطوة زمنية، فإن الانتقال موجود فقط بين الحالة i والحالة i − 1، و i و i + 1. وبالتالي، فإن مصفوفة الانتقال للعملية العشوائية ثلاثية الأقطار، واحتمالات الانتقال هي

Pأنا،أنا-1=شمال-أناشمالأناشمالPأنا،أنا=1-Pأنا،أنا-1-Pأنا،أنا+1Pأنا،أنا+1=أناشمالشمال-أناشمال{\displaystyle {\begin{aligned}P_{i,i-1}&={\frac {Ni}{N}}{\frac {i}{N}}\\P_{i,i}&=1-P_{i,i-1}-P_{i,i+1}\\P_{i,i+1}&={\frac {i}{N}}{\frac {Ni}{N}}\\\end{aligned}}}

المدخلPأنا،ج{\displaystyle P_{i,j}}يرمز إلى احتمالية الانتقال من الحالة i إلى الحالة j . لفهم صيغ احتمالات الانتقال، يجب النظر إلى تعريف العملية الذي ينص على أنه سيتم دائمًا اختيار فرد واحد للتكاثر وآخر للموت. بمجرد انقراض الأفراد من النوع A، لن يتم إدخالهم مرة أخرى إلى المجموعة السكانية لأن العملية لا تأخذ الطفرات في الحسبان (لا يمكن إعادة إدخال A إلى المجموعة السكانية بعد انقراضه والعكس صحيح ).P0،0=1{\displaystyle P_{0,0}=1}وللسبب نفسه، سيظل عدد الأفراد من الفئة A ثابتًا عند N بمجرد وصولهم إلى هذا العدد وسيطرتهم على السكان، وبالتاليPشمال،شمال=1{\displaystyle P_{N,N}=1}تُسمى الحالتان 0 و N بالحالات المستقرة ، بينما تُسمى الحالات من 1 إلى N -1 بالحالات العابرة . ويمكن تفسير احتمالات الانتقال الوسيطة باعتبار الحد الأول احتمال اختيار الفرد الذي سيزداد عدده بمقدار واحد، والحد الثاني احتمال اختيار النوع الآخر للموت. ومن الواضح أنه إذا تم اختيار النوع نفسه للتكاثر والموت، فإن عدد أي من النوعين لا يتغير.

في نهاية المطاف، سيصل عدد السكان إلى إحدى الحالات المستقرة، ثم يستقر فيها إلى الأبد. أما في الحالات الانتقالية، فستحدث تقلبات عشوائية، ولكن في نهاية المطاف سينقرض عدد السكان من المجموعة A أو سيصل إلى حالة استقرار. هذا أحد أهم الفروقات بين هذه العملية والعمليات الحتمية التي لا تستطيع نمذجة الأحداث العشوائية. يمكن حساب القيمة المتوقعة والتباين لعدد أفراد المجموعة A، X ( t عند النقطة الزمنية عندما تكون الحالة الابتدائية X (0) = i معطاة.

هـ[X(ت)|X(0)=أنا]=أنامتغير(X(ت)|X(0)=أنا)=2أناشمال(1-أناشمال)1-(1-2شمال2)ت2شمال2\displaystyle \begin{aligned}\operatorname {E} [X(t)\mid X(0)=i]&=i\\\operatorname {Var} (X(t)\mid X(0)=i)&={\tfrac {2i}{N}}\left(1-{\tfrac {i}{N}}\right){\frac {1-\left(1-{\frac {2}{N^{2}}}\right)^{t}}{\frac {2}{N^{2}}}}\end{aligned}}}
للحصول على اشتقاق رياضي للمعادلة أعلاه، انقر على "إظهار" لعرضها

بالنسبة للقيمة المتوقعة، تتم العملية الحسابية على النحو التالي . بكتابة p = i / N ،

هـ[X(ت)|X(ت-1)=أنا]=(أنا-1)Pأنا،أنا-1+أناPأنا،أنا+(أنا+1)Pأنا،أنا+1=2أناص(1-ص)+أنا(ص2+(1-ص)2)=أنا.{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {E} [X(t)\mid X(t-1)=i]&=(i-1)P_{i,i-1}+iP_{i,i}+(i+1)P_{i,i+1}\\&=2ip(1-p)+i(p^{2}+(1-p)^{2})\\&=i.\end{aligned}}}

كتابةY=X(ت){\displaystyle Y=X(t)}وZ=X(ت-1){\displaystyle Z=X(t-1)}وبتطبيق قانون التوقع الكلي ،هـ[Y]=هـ[هـ[Y|Z]]=هـ[Z].{\displaystyle \operatorname {E} [Y]=\operatorname {E} [\operatorname {E} [Y\mid Z]]=\operatorname {E} [Z].}يؤدي تطبيق الحجة بشكل متكرر إلىهـ[X(ت)]=هـ[X(0)]،{\displaystyle \operatorname {E} [X(t)]=\operatorname {E} [X(0)],}أوهـ[X(ت)|X(0)=أنا]=أنا.{\displaystyle \operatorname {E} [X(t)\mid X(0)=i]=i.}

لحساب التباين، يتم إجراء الحساب على النحو التالي. كتابةVت=متغير(X(ت)|X(0)=أنا)،{\displaystyle V_{t}=\operatorname {Var} (X(t)\mid X(0)=i),}لدينا

V1=هـ[X(1)2|X(0)=أنا]-هـ[X(1)|X(0)=أنا]2=(أنا-1)2ص(1-ص)+أنا2(ص2+(1-ص)2)+(أنا+1)2ص(1-ص)-أنا2=2ص(1-ص){\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=E\left[X(1)^{2}\mid X(0)=i\right]-\operatorname {E} [X(1)\mid X(0)=i]^{2}\\&=(i-1)^{2}p(1-p)+i^{2}\left(p^{2}+(1-p)^{2}\right)+(i+1)^{2}p(1-p)-i^{2}\\&=2p(1-p)\end{aligned}}}

لكل t ،(X(ت)|X(ت-1)=أنا){\displaystyle (X(t)\mid X(t-1)=i)}و(X(1)|X(0)=أنا){\displaystyle (X(1)\mid X(0)=i)}موزعة توزيعاً متطابقاً، لذا فإن تبايناتها متساوية. أكتب كما سبق.Y=X(ت){\displaystyle Y=X(t)}وZ=X(ت-1){\displaystyle Z=X(t-1)}وبتطبيق قانون التباين الكلي ،

متغير(Y)=هـ[متغير(Y|Z)]+متغير(هـ[Y|Z])=هـ[(2Zشمال)(1-Zشمال)]+متغير(Z)=(2هـ[Z]شمال)(1-هـ[Z]شمال)+(1-2شمال2)متغير(Z).{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {Var} (Y)&=\operatorname {E} [\operatorname {Var} (Y\mid Z)]+\operatorname {Var} (\operatorname {E} [Y\mid Z])\\&=E\left[\left({\frac {2Z}{N}}\right)\left(1-{\frac {Z}{N}}\right)\right]+\operatorname {Var} (Z)\\&=\left({\frac {2\operatorname {E} [Z]}{N}}\right)\left(1-{\frac {\operatorname {E} [Z]}{N}}\right)+\left(1-{\frac {2}{N^{2}}}\right)\operatorname {Var} (Z).\end{aligned}}}

لوX(0)=أنا{\displaystyle X(0)=i}، نحصل

Vت=V1+(1-2شمال2)Vت-1.{\displaystyle V_{t}=V_{1}+\left(1-{\frac {2}{N^{2}}}\right)V_{t-1}.}

إعادة كتابة هذه المعادلة على النحو التالي

Vت-V12شمال2=(1-2شمال2)(Vت-1-V12شمال2)=(1-2شمال2)ت-1(V1-V12شمال2){\displaystyle V_{t}-{\frac {V_{1}}{\frac {2}{N^{2}}}}=\left(1-{\frac {2}{N^{2}}}\right)\left(V_{t-1}-{\frac {V_{1}}{\frac {2}{N^{2}}}}\right)=\left(1-{\frac {2}{N^{2}}}\right)^{t-1}\left(V_{1}-{\frac {V_{1}}{\frac {2}{N^{2}}}}\right)}

العائد

Vت=V11-(1-2شمال2)ت2شمال2{\displaystyle V_{t}=V_{1}{\frac {1-\left(1-{\frac {2}{N^{2}}}\right)^{t}}{\frac {2}{N^{2}}}}}

حسب الرغبة.


يُطلق على احتمال وصول A إلى حالة التثبيت اسم احتمال التثبيت . بالنسبة لعملية موران البسيطة، يكون هذا الاحتمال xᵢ = i / N.

بما أن جميع الأفراد يتمتعون بنفس اللياقة، فإن لديهم أيضًا نفس الفرصة ليصبحوا أسلافًا للسكان بأكملهم؛ هذا الاحتمال هو 1 / N ، وبالتالي فإن مجموع جميع الاحتمالات i (لجميع الأفراد A) هو i / N . يُعطى متوسط ​​الوقت اللازم للامتصاص بدءًا من الحالة i بالعلاقة التالية :

كأنا=شمال[ج=1أناشمال-أناشمال-ج+ج=أنا+1شمال-1أناج]{\displaystyle k_{i}=N\left[\sum _{j=1}^{i}{\frac {N-i}{N-j}}+\sum _{j=i+1}^{N-1}{\frac {i}{j}}\right]}
للحصول على اشتقاق رياضي للمعادلة أعلاه، انقر على "إظهار" لعرضها

متوسط ​​الوقت الذي يقضيه الشخص في الحالة j عند بدء وجوده في الحالة i يُعطى بالمعادلة التالية:

كأناج=دلتاأناج+Pأنا،أنا-1كأنا-1ج+Pأنا،أناكأناج+Pأنا،أنا+1كأنا+1ج{\displaystyle k_{i}^{j}=\delta _{ij}+P_{i,i-1}k_{i-1}^{j}+P_{i,i}k_{i}^{j}+P_{i,i+1}k_{i+1}^{j}}

هنا ، يرمز δij إلى دالة كرونكر دلتا . يمكن حل هذه المعادلة التكرارية باستخدام متغير جديد qᵢ بحيثPأنا،أنا-1=Pأنا،أنا+1=qأنا{\displaystyle P_{i,i-1}=P_{i,i+1}=q_{i}}وبالتاليPأنا،أنا=1-2qأنا{\displaystyle P_{i,i}=1-2q_{i}}وأعيدت كتابتها

كأنا+1ج=2كأناج-كأنا-1ج-دلتاأناجqأنا{\displaystyle k_{i+1}^{j}=2k_{i}^{j}-k_{i-1}^{j}-{\frac {\delta _{ij}}{q_{i}}}}

المتغيرyأناج=كأناج-كأنا-1ج{\displaystyle y_{i}^{j}=k_{i}^{j}-k_{i-1}^{j}}يتم استخدامها وتصبح المعادلة

yأنا+1ج=yأناج-دلتاأناجqأناأنا=1مyأناج=(ك1ج-ك0ج)+(ك2ج-ك1ج)++(كم-1ج-كم-2ج)+(كمج-كم-1ج)=كمج-ك0جأنا=1مyأناج=كمجy1ج=(ك1ج-ك0ج)=ك1جy2ج=y1ج-دلتا1جq1=ك1ج-دلتا1جq1y3ج=ك1ج-دلتا1جq1-دلتا2جq2yأناج=ك1ج-ر=1أنا-1دلتارجqر={ك1ججأناك1ج-1qججأناكأناج=م=1أناyمج={أناك1ججأناأناك1ج-أنا-جqججأنا{\displaystyle {\begin{aligned}y_{i+1}^{j}&=y_{i}^{j}-{\frac {\delta _{ij}}{q_{i}}}\\\\\sum _{i=1}^{m}y_{i}^{j}&=(k_{1}^{j}-k_{0}^{j})+(k_{2}^{j}-k_{1}^{j})+\cdots +(k_{m-1}^{j}-k_{m-2}^{j})+(k_{m}^{j}-k_{m-1}^{j})\\&=k_{m}^{j}-k_{0}^{j}\\\sum _{i=1}^{m}y_{i}^{j}&=k_{m}^{j}\\\\y_{1}^{j}&=(k_{1}^{j}-k_{0}^{j})=k_{1}^{j}\\y_{2}^{j}&=y_{1}^{j}-{\frac {\delta _{1j}}{q_{1}}}=k_{1}^{j}-{\frac {\delta _{1j}}{q_{1}}}\\y_{3}^{j}&=k_{1}^{j}-{\frac {\delta _{1j}}{q_{1}}}-{\frac {\delta _{2j}}{q_{2}}}\\&\vdots \\y_{i}^{j}&=k_{1}^{j}-\sum _{r=1}^{i-1}{\frac {\delta _{rj}}{q_{r}}}={\begin{cases}k_{1}^{j}&j\geq i\\k_{1}^{j}-{\frac {1}{q_{j}}}&j\leq i\end{cases}}\\\\k_{i}^{j}&=\sum _{m=1}^{i}y_{m}^{j}={\begin{cases}i\cdot k_{1}^{j}&j\geq i\\i\cdot k_{1}^{j}-{\frac {i-j}{q_{j}}}&j\leq i\end{cases}}\end{aligned}}}

مع العلم أنكشمالج=0{\displaystyle k_{N}^{j}=0}و

qج=Pج،ج+1=جشمالشمال-جشمال{\displaystyle q_{j}=P_{j,j+1}={\frac {j}{N}}{\frac {N-j}{N}}}

يمكننا حسابك1ج{\displaystyle k_{1}^{j}}:

كشمالج=أنا=1مyأناج=شمالك1ج-شمال-جqج=0ك1ج=شمالج{\displaystyle {\begin{aligned}k_{N}^{j}=\sum _{i=1}^{m}y_{i}^{j}=N\cdot k_{1}^{j}&-{\frac {N-j}{q_{j}}}=0\\k_{1}^{j}&={\frac {N}{j}}\end{aligned}}}

لذلك

كأناج={أناجكجججأناشمال-أناشمال-جكجججأنا{\displaystyle k_{i}^{j}={\begin{cases}{\frac {i}{j}}\cdot k_{j}^{j}&j\geq i\\{\frac {N-i}{N-j}}\cdot k_{j}^{j}&j\leq i\end{cases}}}

معكجج=شمال{\displaystyle k_{j}^{j}=N}الآن، يمكن حساب k i ، وهو إجمالي الوقت اللازم للتثبيت بدءًا من الحالة i .

كأنا=ج=1شمال-1كأناج=ج=1أناكأناج+ج=أنا+1شمال-1كأناج=ج=1أناشمالشمال-أناشمال-ج+ج=أنا+1شمال-1شمالأناج{\displaystyle {\begin{aligned}k_{i}=\sum _{j=1}^{N-1}k_{i}^{j}&=\sum _{j=1}^{i}k_{i}^{j}+\sum _{j=i+1}^{N-1}k_{i}^{j}\\&=\sum _{j=1}^{i}N{\frac {N-i}{N-j}}+\sum _{j=i+1}^{N-1}N{\frac {i}{j}}\end{aligned}}}

بالنسبة لقيم N الكبيرة ، يكون التقريب

ليمشمالكأنا-شمال2[(1-xأنا)ln(1-xأنا)+xأناln(xأنا)]{\displaystyle \lim _{N\to \infty }k_{i}\approx -N^{2}\left[(1-x_{i})\ln(1-x_{i})+x_{i}\ln(x_{i})\right]}

يحجز.

اختيار

إذا كان لأحد الأليلين ميزة تنافسية على الأليل الآخر، فسيكون من المرجح اختياره للتكاثر. ويمكن دمج ذلك في النموذج إذا كان الأفراد الذين يحملون الأليل A يتمتعون بميزة تنافسية.وأنا>0{\displaystyle f_{i}>0}والأفراد الذين يحملون الأليل B يتمتعون باللياقة البدنيةزأنا>0{\displaystyle g_{i}>0}أينأنا{\displaystyle i}يمثل عدد الأفراد من النوع أ؛ وبالتالي يصف عملية ولادة ووفاة عامة. مصفوفة الانتقال للعملية العشوائية ثلاثية الأقطار . ليكنرأنا:=وأنا/زأنا{\displaystyle r_{i}:=f_{i}/g_{i}}إذاً، فإن احتمالات الانتقال هي

Pأنا،أنا-1=زأنا(شمال-أنا)وأناأنا+زأنا(شمال-أنا)أناشمال=شمال-أناشمالرأناأناشمال+شمال-أناشمالأناشمالPأنا،أنا=1-Pأنا،أنا-1-Pأنا،أنا+1Pأنا،أنا+1=وأناأناوأناأنا+زأنا(شمال-أنا)شمال-أناشمال=رأناأناشمالرأناأناشمال+شمال-أناشمالشمال-أناشمال{\displaystyle {\begin{aligned}P_{i,i-1}&={\frac {g_{i}\cdot (N-i)}{f_{i}\cdot i+g_{i}\cdot (N-i)}}\cdot {\frac {i}{N}}={\frac {\frac {N-i}{N}}{r_{i}\cdot {\frac {i}{N}}+{\frac {N-i}{N}}}}\cdot {\frac {i}{N}}\\P_{i,i}&=1-P_{i,i-1}-P_{i,i+1}\\P_{i,i+1}&={\frac {f_{i}\cdot i}{f_{i}\cdot i+g_{i}\cdot (N-i)}}\cdot {\frac {N-i}{N}}={\frac {r_{i}\cdot {\frac {i}{N}}}{r_{i}\cdot {\frac {i}{N}}+{\frac {N-i}{N}}}}\cdot {\frac {N-i}{N}}\\\end{aligned}}}

المدخلPأنا،ج{\displaystyle P_{i,j}}يشير إلى احتمالية الانتقال من الحالة i إلى الحالة j . ويكمن الفرق عن الانتقاء المحايد المذكور أعلاه في أنه يتم الآن اختيار الطفرة، أي الفرد الذي يحمل الأليل A، للتكاثر باحتمالية

رأناأناشمالرأناأناشمال+شمال-أناأنا،{\displaystyle {\frac {r_{i}\cdot {\frac {i}{N}}}{r_{i}\cdot {\frac {i}{N}}+{\frac {N-i}{i}}}},}

ويتم اختيار فرد يحمل الأليل B باحتمال

شمال-أناشمالرأناأناشمال+شمال-أناأنا،{\displaystyle {\frac {\frac {N-i}{N}}{r_{i}\cdot {\frac {i}{N}}+{\frac {N-i}{i}}}},}

عندما يكون عدد الأفراد الذين يحملون الأليل A هو بالضبط i.

وفي هذه الحالة أيضًا، يتم تحديد احتمالات التثبيت عند البدء في الحالة i من خلال التكرار.

xأنا={0أنا=0βأناxأنا-1+(1-αأنا-βأنا)xأنا+αأناxأنا+11أناشمال-11أنا=شمال{\displaystyle x_{i}={\begin{cases}0&i=0\\\beta _{i}x_{i-1}+(1-\alpha _{i}-\beta _{i})x_{i}+\alpha _{i}x_{i+1}&1\leq i\leq N-1\\1&i=N\end{cases}}}

والصيغة المغلقة معطاة بـ

xأنا=1+ج=1أنا-1ك=1جγك1+ج=1شمال-1ك=1جγك(1){\displaystyle x_{i}={\frac {\displaystyle 1+\sum _{j=1}^{i-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}}{\displaystyle 1+\sum _{j=1}^{N-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}}}\qquad {\text{(1)}}}

أينγأنا=Pأنا،أنا-1/Pأنا،أنا+1{\displaystyle \gamma _{i}=P_{i,i-1}/P_{i,i+1}}بحسب التعريف، وسيكون كذلك.زأنا/وأنا{\displaystyle g_{i}/f_{i}}للحالة العامة.

للحصول على اشتقاق رياضي للمعادلة أعلاه، انقر على "إظهار" لعرضها

في هذه الحالة أيضًا، يمكن حساب احتمالات التثبيت، لكن احتمالات الانتقال ليست متناظرة.Pأنا،أنا+1=αأنا،Pأنا،أنا-1=βأنا،Pأنا،أنا=1-αأنا-βأنا{\displaystyle P_{i,i+1}=\alpha _{i},P_{i,i-1}=\beta _{i},P_{i,i}=1-\alpha _{i}-\beta _{i}}وγأنا=βأنا/αأنا{\displaystyle \gamma _{i}=\beta _{i}/\alpha _{i}}يتم استخدامها. يمكن تعريف احتمالية التثبيت بشكل متكرر ومتغير جديدyأنا=xأنا-xأنا-1{\displaystyle y_{i}=x_{i}-x_{i-1}}يتم تقديمه.

xأنا=βأناxأنا-1+(1-αأنا-βأنا)xأنا+αأناxأنا+1βأنا(xأنا-xأنا-1)=αأنا(xأنا+1-xأنا)γأناyأنا=yأنا+1{\displaystyle {\begin{aligned}x_{i}&=\beta _{i}x_{i-1}+(1-\alpha _{i}-\beta _{i})x_{i}+\alpha _{i}x_{i+1}\\\beta _{i}(x_{i}-x_{i-1})&=\alpha _{i}(x_{i+1}-x_{i})\\\gamma _{i}\cdot y_{i}&=y_{i+1}\end{aligned}}}

يمكن الآن استخدام خاصيتين من تعريف المتغير y i لإيجاد حل مغلق لاحتمالات التثبيت:

أنا=1مyأنا=xم1yك=x1ل=1ك-1γل2م=1أناyم=x1+x1ج=1أنا-1ك=1جγك=xأنا3{\displaystyle {\begin{aligned}\sum _{i=1}^{m}y_{i}&=x_{m}&&1\\y_{k}&=x_{1}\cdot \prod _{l=1}^{k-1}\gamma _{l}&&2\\\Rightarrow \sum _{m=1}^{i}y_{m}&=x_{1}+x_{1}\sum _{j=1}^{i-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}=x_{i}&&3\end{aligned}}}

بدمج (3) و x N = 1 :

x1(1+ج=1شمال-1ك=1جγك)=xشمال=1.{\displaystyle x_{1}\left(1+\sum _{j=1}^{N-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}\right)=x_{N}=1.}

وهذا يعني:

x1=11+ج=1شمال-1ك=1جγك{\displaystyle x_{1}={\frac {1}{1+\sum _{j=1}^{N-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}}}}

وهذا بدوره يعطينا:

xأنا=1+ج=1أنا-1ك=1جγك1+ج=1شمال-1ك=1جγك{\displaystyle x_{i}={\frac {\displaystyle 1+\sum _{j=1}^{i-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}}{\displaystyle 1+\sum _{j=1}^{N-1}\prod _{k=1}^{j}\gamma _{k}}}}

تتم دراسة هذه الحالة العامة حيث تعتمد لياقة A و B على وفرة كل نوع في نظرية الألعاب التطورية .

يتم الحصول على نتائج أقل تعقيدًا إذا كانت نسبة اللياقة ثابتةر=1/γأنا{\displaystyle r=1/\gamma _{i}}يُفترض أن يكون لكل i. يتكاثر الأفراد من النوع A بمعدل ثابت بينما يتكاثر الأفراد الذين يحملون الأليل B بمعدل 1. بالتالي، إذا كان للنوع A ميزة لياقة على النوع B، فسيكون r أكبر من واحد، وإلا فسيكون أصغر من واحد. لذا، فإن مصفوفة الانتقال للعملية العشوائية ثلاثية الأقطار، واحتمالات الانتقال هي

P0،0=1Pأنا،أنا-1=شمال-أنارأنا+شمال-أناأناشمال=شمال-أناشمالرأناشمال+شمال-أناشمالأناشمالPأنا،أنا=1-Pأنا،أنا-1-Pأنا،أنا+1Pأنا،أنا+1=رأنارأنا+شمال-أناشمال-أناشمال=رأناشمالرأناشمال+شمال-أناشمالشمال-أناشمالPشمال،شمال=1.{\displaystyle {\begin{aligned}P_{0,0}&=1\\P_{i,i-1}&={\frac {N-i}{r\cdot i+N-i}}\cdot {\frac {i}{N}}={\frac {\frac {N-i}{N}}{r\cdot {\frac {i}{N}}+{\frac {N-i}{N}}}}\cdot {\frac {i}{N}}\\P_{i,i}&=1-P_{i,i-1}-P_{i,i+1}\\P_{i,i+1}&={\frac {r\cdot i}{r\cdot i+N-i}}\cdot {\frac {N-i}{N}}={\frac {r\cdot {\frac {i}{N}}}{r\cdot {\frac {i}{N}}+{\frac {N-i}{N}}}}\cdot {\frac {N-i}{N}}\\P_{N,N}&=1.\end{aligned}}}

في هذه الحالةγأنا=1/ر{\displaystyle \gamma _{i}=1/r}يمثل عاملاً ثابتاً لكل تركيبة من تركيبات السكان، وبالتالي فإن احتمال التثبيت من المعادلة (1) يتبسط إلى

xأنا=1-ر-أنا1-ر-شمالx1=ρ=1-ر-11-ر-شمال(2){\displaystyle x_{i}={\frac {1-r^{-i}}{1-r^{-N}}}\quad \Rightarrow \quad x_{1}=\rho ={\frac {1-r^{-1}}{1-r^{-N}}}\qquad {\text{(2)}}}

حيث أن احتمال تثبيت طفرة واحدة A في مجموعة سكانية تتكون من جميع الطفرات B غالباً ما يكون ذا أهمية ويرمز له بـ ρ .

وفي حالة الاختيار أيضاً، يمكن حساب القيمة المتوقعة وتباين عدد الأفراد من الفئة أ.

هـ[X(ت)|X(ت-1)=أنا]=صs1-صصs+1+أنامتغير(X(ت+1)|X(ت)=أنا)=ص(1-ص)(s+1)+(صs+1)2(صs+1)2{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {E} [X(t)\mid X(t-1)=i]&=ps{\dfrac {1-p}{ps+1}}+i\\\operatorname {Var} (X(t+1)\mid X(t)=i)&=p(1-p){\dfrac {(s+1)+(ps+1)^{2}}{(ps+1)^{2}}}\end{aligned}}}

حيث p = i / N ، و r = 1 + s .

للحصول على اشتقاق رياضي للمعادلة أعلاه، انقر على "إظهار" لعرضها

بالنسبة للقيمة المتوقعة، تتم عملية الحساب على النحو التالي

هـ[Δ(1)|X(0)=أنا]=(أنا-1-أنا)Pأنا،أنا-1+(أنا-أنا)Pأنا،أنا+(أنا+1-أنا)Pأنا،أنا+1=-شمال-أنارأنا+شمال-أناأناشمال+رأنارأنا+شمال-أناشمال-أناشمال=-(شمال-أنا)أنا(رأنا+شمال-أنا)شمال+أنا(شمال-أنا)(رأنا+شمال-أنا)شمال+sأنا(شمال-أنا)(رأنا+شمال-أنا)شمال=صs1-صصs+1هـ[X(ت)|X(ت-1)=أنا]=صs1-صصs+1+أنا{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {E} [\Delta (1)\mid X(0)=i]&=(i-1-i)\cdot P_{i,i-1}+(i-i)\cdot P_{i,i}+(i+1-i)\cdot P_{i,i+1}\\&=-{\frac {N-i}{ri+N-i}}{\frac {i}{N}}+{\frac {ri}{ri+N-i}}{\frac {N-i}{N}}\\&=-{\frac {(N-i)i}{(ri+N-i)N}}+{\frac {i(N-i)}{(ri+N-i)N}}+{\frac {si(N-i)}{(ri+N-i)N}}\\&=ps{\dfrac {1-p}{ps+1}}\\\operatorname {E} [X(t)\mid X(t-1)=i]&=ps{\dfrac {1-p}{ps+1}}+i\end{aligned}}}

بالنسبة للتباين، يتم إجراء الحساب على النحو التالي، باستخدام تباين خطوة واحدة

متغير(X(ت+1)|X(ت)=أنا)=متغير(X(ت))+متغير(Δ(ت+1)|X(ت)=أنا)=0+هـ[Δ(ت+1)2|X(ت)=أنا]-هـ[Δ(ت+1)|X(ت)=أنا]2=(أنا-1-أنا)2Pأنا،أنا-1+(أنا-أنا)2Pأنا،أنا+(أنا+1-أنا)2Pأنا،أنا+1-هـ[Δ(ت+1)|X(ت)=أنا]2=Pأنا،أنا-1+Pأنا،أنا+1-هـ[Δ(ت+1)|X(ت)=أنا]2=(شمال-أنا)أنا(رأنا+شمال-أنا)شمال+(شمال-أنا)أنا(1+s)(رأنا+شمال-أنا)شمال-هـ[Δ(ت+1)|X(ت)=أنا]2=أنا(شمال-أنا)2+s(رأنا+شمال-أنا)شمال-هـ[Δ(ت+1)|X(ت)=أنا]2=أنا(شمال-أنا)2+s(رأنا+شمال-أنا)شمال-(صs1-صصs+1)2=ص(1-ص)2+s(صs+1)(صs+1)2-ص(1-ص)صs2(1-ص)(صs+1)2=ص(1-ص)2+2صs+s+ص2s2(صs+1)2{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {Var} (X(t+1)\mid X(t)=i)&=\operatorname {Var} (X(t))+\operatorname {Var} (\Delta (t+1)\mid X(t)=i)\\&=0+E\left[\Delta (t+1)^{2}\mid X(t)=i\right]-\operatorname {E} [\Delta (t+1)\mid X(t)=i]^{2}\\&=(i-1-i)^{2}\cdot P_{i,i-1}+(i-i)^{2}\cdot P_{i,i}+(i+1-i)^{2}\cdot P_{i,i+1}-\operatorname {E} [\Delta (t+1)\mid X(t)=i]^{2}\\&=P_{i,i-1}+P_{i,i+1}-\operatorname {E} [\Delta (t+1)\mid X(t)=i]^{2}\\&={\frac {(N-i)i}{(ri+N-i)N}}+{\frac {(N-i)i(1+s)}{(ri+N-i)N}}-\operatorname {E} [\Delta (t+1)\mid X(t)=i]^{2}\\&=i(N-i){\frac {2+s}{(ri+N-i)N}}-\operatorname {E} [\Delta (t+1)\mid X(t)=i]^{2}\\&=i(N-i){\frac {2+s}{(ri+N-i)N}}-\left(ps{\dfrac {1-p}{ps+1}}\right)^{2}\\&=p(1-p){\frac {2+s(ps+1)}{(ps+1)^{2}}}-p(1-p){\frac {ps^{2}(1-p)}{(ps+1)^{2}}}\\&=p(1-p){\dfrac {2+2ps+s+p^{2}s^{2}}{(ps+1)^{2}}}\end{aligned}}}

معدل التطور

في مجتمع يتكون من جميع أفراده من النوع B ، سيسيطر فرد طافر واحد من النوع A على المجتمع بأكمله باحتمالية

ρ=1-ر-11-ر-شمال.(2){\displaystyle \rho ={\frac {1-r^{-1}}{1-r^{-N}}}.\qquad {\text{(2)}}}

إذا كان معدل الطفرة (للانتقال من الأليل B إلى الأليل A ) في المجتمع هو فإن المعدل الذي سيتحول به فرد واحد من أفراد المجتمع إلى A يُعطى بواسطة N × والمعدل الذي ينتقل به المجتمع بأكمله من جميع الأليلات B إلى جميع الأليلات A هو معدل ظهور طفرة واحدة A مضروبًا في احتمال سيطرتها على المجتمع ( احتمال التثبيت ):

R=شمالuρ=uلوρ=1شمال.{\displaystyle R=N\cdot u\cdot \rho =u\quad {\text{if}}\quad \rho ={\frac {1}{N}}.}

وبالتالي، إذا كانت الطفرة محايدة (أي أن احتمال تثبيتها يساوي 1/ N )، فإن معدل ظهور الأليل وانتشاره في الجماعة لا يعتمد على حجم الجماعة، ويساوي معدل الطفرة. هذه النتيجة المهمة هي أساس نظرية التطور المحايد ، وتشير إلى أن عدد الطفرات النقطية المرصودة في جينومات نوعين مختلفين يُعطى ببساطة بمعدل الطفرة مضروبًا في ضعف الزمن منذ التباعد . وهكذا، توفر نظرية التطور المحايد ساعة جزيئية ، بافتراض تحقق الشروط، وهو ما قد لا يكون صحيحًا في الواقع.

انظر أيضاً

مراجع

للمزيد من القراءة

  • نواك، مارتن أ. (2006). الديناميات التطورية: استكشاف معادلات الحياة . دار بيلكناب للنشر. ISBN 978-0-674-02338-3.
  • موران، باتريك ألفريد بيرس (1962). العمليات الإحصائية لنظرية التطور . أكسفورد: مطبعة كلارندون.