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Mathematical Models in Agriculture,2nd Ed
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ISBN-10 : 085199010X
ISBN-13 : 9780851990101
Mathematical Models in Agriculture,2nd Ed [Paperback] 중고
저자 Thornley | 출판사 CAB International
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2005년 7월 0일 출간
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This is a completely rewritten and expanded version of the successful 1984 book of the same name published by Butterworths. The objective remains the same: to teach students of agriculture and related ecological problems how to express ideas mathematically and solve the resulting mathematical problem. The book is designed to be a textbook, and is suitable for self-study, with exercises and answers. While the level of mathematics is dictated by the problem, the book uses a qualified simplicity. The need of many students to grasp every step of a mathematical model is appreciated and catered for. This book will appeal to graduate students and researchers in agriculture, including crop, environmental, and animal sciences.

저자소개

목차


Preface xv
PART I TECHNIQUES
Role of Mathematical Models 1(18)
Summary 1(1)
Agriculture and Science 1(2)
What is a Mathematical Model? 3(3)
Hierarchy in Biology 6(1)
Types of Models 7(3)
Evaluation and Validation of Models 10(1)
Possible Modelling Objectives 11(2)
Models for Research and Models for Application 13(1)
Models: Documentation, Presentation and Reviewing 14(3)
Units 17(2)
Exercises 18(1)
Dynamic Deterministic Models 19(38)
Summary 19(1)
Variables 19(3)
State variables 20(1)
Rate variables 20(1)
Driving variables 21(1)
Other variables 21(1)
Parameters and Constants 22(1)
Differential Equations 23(3)
Explicit time dependence 24(1)
Memory and delay 25(1)
Numerical Integration 26(10)
Euler's method -- a first-order method 28(2)
Trapezoidal method -- a second-order method 30(1)
Runge--Kutta method -- a fourth-order fixed step method 31(1)
Oscillations caused by too large an integration step 32(1)
Stiff equations 33(3)
Models and Data: to Fit or Not to Fit 36(5)
Predictions and measurements 37(1)
Residual lack of fit 38(1)
Confidence limits for fitted parameters 39(2)
Sensitivity analysis 41(1)
Multiple Steady States 41(16)
Switches 42(5)
Catastrophe 47(2)
Oscillations 49(1)
Chaos 50(4)
Exercises 54(3)
Mathematical Programming 57(34)
Summary 57(1)
Introduction 57(1)
Mathematical Formulation 58(4)
Example 59(3)
Graphical Solution 62(3)
Computer Solution 65(6)
Worked Example 71(5)
Formulation 72(2)
Solution 74(2)
Special Topics 76(15)
Parametric programming 76(1)
Separable programming 77(6)
Integer programming 83(1)
Goal programming 84(1)
Dynamic programming 85(3)
Exercises 88(3)
Basic Biological Processes 91(45)
Summary 91(1)
Chemical Kinetics 91(11)
First-order reactions 93(3)
Second-order reactions 96(2)
Stochastic approach to chemical kinetics 98(4)
Catalysis 102(5)
Arrhenius equation 103(2)
Phenomenological temperature function 105(2)
Biochemical Kinetics 107(11)
Michaelis--Menten kinetics 107(2)
Sigmoidal kinetics 109(1)
Transport plus Michaelis--Menten kinetics 110(3)
Bisubstrate Michaelis--Menten equation 113(1)
Inhibition 114(2)
Activation 116(1)
Futile cycles 116(2)
Transport 118(11)
Diffusion -- Fick's law 118(2)
Convection 120(1)
General equation for transport and chemical reaction 120(2)
Examples 122(4)
Lumped representation of transport 126(2)
Difference equation representation 128(1)
Local and Non-local Variables 129(7)
Exercises 131(5)
Growth Functions 136(36)
Summary 136(1)
Introduction 136(3)
Exponential Growth 139(1)
Monomolecular Equation 140(3)
Logistic Equation 143(2)
Gompertz Equation 145(3)
Chanter Equation 148(2)
Exponential Quadratic Equation 150(2)
Von Bertalanffy Equation 152(3)
Richards Equation 155(2)
Schumacher Equation 157(3)
Morgan Equation 160(3)
Other Growth Equations 163(9)
Exercises 169(3)
Simple Dynamic Growth Models 172(41)
Summary 172(1)
Introduction 172(1)
Autocatalytic Growth with Sigmoidal Substrate Limitation 173(1)
Delayed Growth 174(4)
Compensatory Growth 178(6)
Model scheme 178(4)
Simulations 182(2)
Square-root-time Growth Equation 184(2)
'Open' Logistic Growth 186(2)
Logistic Equation Modified for Substrate Supply and Product Inhibition 188(2)
Gompertz with Delayed Development 190(2)
Expo-linear-asymptotic Growth 192(4)
Hyperbolic formulation 193(3)
Negative-exponential formulation 196(1)
Allometry and Scaling 196(8)
Application of simple geometrical factors 198(1)
A branching model for allometric scaling 199(3)
Scaling in relation to maturity 202(2)
Biological Oscillators 204(9)
Gene-metabolism oscillator 204(2)
Alternative-pathways oscillator 206(2)
Grazed-pasture oscillator 208(2)
Exercises 210(3)
Simple Ecological Models 213(22)
Summary 213(1)
Introduction 213(1)
Difference Equations and Differential Equations 214(1)
Age-structured Models of Population Growth 215(8)
Discrete-age discrete-time model 216(3)
Discrete-age continuous-time scheme 219(2)
Continuous-age continuous-time model 221(2)
Morph-structured Growth Model 223(3)
Morph- and Age-structured Growth Model 226(1)
Lotka--Volterra Type Model 227(2)
Disease/Epidemic Models 229(6)
Five-compartment disease model 229(1)
Spatial aspects 230(3)
Exercises 233(2)
Environment and Weather 235(40)
Summary 235(1)
Introduction 235(1)
Time 236(1)
Solar Angles and Day Length 237(6)
Day length switching 241(2)
Representing Weather in Models 243(20)
Need for diurnal data in models 243(1)
Matching measured diurnal data to the model 244(1)
Generating diurnal data from daily data 245(6)
Generating daily data from monthly data deterministically 251(2)
Generating daily data from monthly data stochastically 253(9)
Deterministic sinusoidal seasonal variation 262(1)
Bright Sunshine Hours and Daily Radiation Receipt 263(1)
Angular Distribution of Radiation 264(3)
Direct solar radiation 265(1)
Diffuse radiation from a clear sky 265(1)
Overcast skies 265(2)
Wind 267(3)
Diurnal variation 269(1)
Seasonal variation 270(1)
Climate Change 270(5)
Exercises 272(3)
PART II CROPS
Plant and Crop Processes 275(110)
Summary 275(1)
Introduction 275(2)
Light Interception 277(11)
Crops with closed canopies 278(4)
Single plant 282(2)
Discontinuous canopies 284(3)
Mixtures 287(1)
Photosynthesis 288(17)
Overview of photosynthesis 289(1)
Leaf photosynthesis 290(5)
Canopy photosynthesis 295(1)
Integrable closed-canopy models 296(5)
Single-plant photosynthesis 301(2)
Photosynthesis of discontinuous canopies 303(2)
Mixtures 305(1)
Nitrogen Uptake; Nitrogen Fixation 305(5)
Nitrogen uptake 306(3)
Nitrogen fixation 309(1)
Growth and Respiration 310(16)
Growth 311(1)
Maintenance 312(1)
Pathway analysis 313(11)
Futile cycles 324(2)
Allocation 326(15)
Empiricism 327(1)
Teleonomy 327(6)
Mechanism 333(8)
Development 341(8)
Temperature sums 343(2)
Generalized developmental rates 345(1)
Compartmental models of development 346(2)
Survey of recent contributions 348(1)
Water 349(26)
Water potential 350(3)
Soil water 353(4)
Root and shoot water 357(5)
Transpiration 362(11)
Soil surface evaporation 373(1)
Rainfall interception by canopy and evaporation 374(1)
Leaf Stomatal Resistance 375(10)
Basic definitions 376(2)
Responses of stomata to environment and plant variables 378(3)
Exercises 381(4)
Crop Models 385(65)
Summary 385(1)
Introduction 385(2)
Crop Model Structure 387(1)
Simple Generic Daily Crop Model 388(25)
Environment 390(2)
Temperature functions 392(1)
Plant submodel 393(8)
Litter and soil submodel 401(2)
Hydrology 403(5)
Simulations 408(5)
Supply--Demand Models 413(13)
Supply and demand in relation to carbon and nitrogen 415(1)
Supply--demand model of lettuce growth with osmotic regulation 416(9)
Supply--demand models: do they have a role? 425(1)
Plant Competition 426(18)
Two plants compete for a single substrate 427(2)
Interaction of two plants simulated 429(2)
Crops, weeds and mixtures 431(5)
Self-thinning: the three-halves rule 436(3)
Intercropping and agroforestry 439(2)
Genetically modified crops 441(3)
Allelopathy and Phytotoxicity 444(6)
Stimulus and inhibition 445(1)
Dynamics of an allelochemical and its effect 445(2)
Exercises 447(3)
Crop Husbandry 450(31)
Summary 450(1)
Introduction 450(1)
A Grass Drying Enterprise 451(3)
Allocating Land to Arable Crops 454(3)
Harvesting Plans for Brussels Sprouts 457(3)
Planting Wheat 460(2)
Grazing 462(4)
Systems of rotational grazing 462(2)
Continuous and rotational grazing 464(2)
Grassland and Fertilizer Usage 466(3)
Silage 469(12)
Anaerobic phase of ensiling 469(8)
Exercises 477(4)
Plant Diseases and Pests 481(41)
Summary 481(1)
Introduction 481(2)
Estimation of Yield Loss 483(1)
Disease Prediction 484(4)
Potato late blight 484(3)
Sugar beet yellows virus 487(1)
Mechanistic Disease Simulation 488(16)
Sugar beet fungal root infection 488(6)
Potato late blight 494(10)
Pests 504(18)
Plant, pests and parasites 504(4)
Plants and aphids 508(10)
Exercises 518(4)
PART III ANIMALS
Animal Processes 522(38)
Summary 522(1)
Introduction 522(1)
Tissue and Whole-body Protein Synthesis 523(2)
Production of Volatile Fatty Acids in the Rumen 525(4)
Viability of the Fungal Population in the Rumen 529(5)
Leucine Kinetics in the Udder 534(5)
Degradation of Feed in the Rumen 539(8)
In sacco system 539(4)
In vitro system 543(4)
Passage of Digesta through the Gastro-intestinal Tract 547(13)
Exercises 553(7)
Animal Organs 560(33)
Summary 560(1)
Introduction 560(1)
The Mammary Gland 560(10)
Hormone, H 562(1)
Division of undifferentiated cells, Cu 563(1)
Production and loss of secretory cells, Cs 563(2)
Secretion and removal of milk, M 565(1)
Averaged amount of milk in animal, M 566(1)
Substrate, S 567(1)
Mathematical summary 567(1)
Application 568(2)
More detailed mammary models 570(1)
The Rumen 570(5)
Model description 570(3)
Model application 573(1)
Model developments 574(1)
Other Organs 575(1)
Blood 575(18)
Dual indicator method for estimating blood flow 577(2)
Blood flow and uptake of nutrients by the udder 579(4)
Exercises 583(10)
Whole-animal Models 593(27)
Summary 593(1)
Introduction 593(1)
The Veal Calf 593(6)
Digestion 594(1)
Protein metabolism 595(1)
Energy metabolism 596(1)
Body ash and auxiliary variables 596(1)
Model application 597(2)
The Lactating Dairy Cow 599(6)
Rumen module 600(2)
Body metabolism module 602(1)
Model application 603(1)
Other dairy cow models 604(1)
The Pig 605(15)
Auspig 605(2)
Lactating sow model 607(3)
Exercises 610(10)
Animal Products 620(57)
Summary 620(1)
Introduction 620(1)
Milk Yield by the Dairy Cow 620(12)
Gaines equation 621(1)
Wood equation 622(5)
Dijkstra equation 627(3)
Other lactation equations 630(2)
Efficiency of Energy Utilization for Milk Production 632(3)
Meat Produced by the Growing Animal 635(6)
Blaxter equation 636(4)
Allometry and body composition 640(1)
Efficiency of Energy Utilization for Growth 641(4)
Intake and liveweight gain 642(2)
Feed consumption and liveweight 644(1)
Egg Production by the Laying Hen 645(5)
McMillan equation 646(3)
Other egg production equations 649(1)
Amino Acid Requirements of Laying Hens 650(4)
Hurwitz equation 650(1)
Reading model 651(3)
Calcium and Phosphorus Flows in Laying Hens 654(9)
Model formulation 655(6)
Operation 661(1)
Results 661(2)
Wool Growth 663(14)
Physiology of wool growth 664(1)
Research models of wool growth 664(6)
Simplified models of wool growth for decision support 670(2)
Exercises 672(5)
Animal Husbandry 677(17)
Summary 677(1)
Introduction 677(1)
Ration Formulation 677(5)
Allocating Pregnant Ewes to Feeding Groups 682(3)
Effects of Feeding Level on Milk Production and Live-weight 685(3)
Pattern of Calving 688(2)
Replacement 690(4)
Exercises 691(3)
Animal Diseases 694(23)
Summary 694(1)
Introduction 694(1)
Bovine Spongiform Encephalopathy 695(8)
Deterministic five-pool BSE model 695(3)
Age-stratified BSE model 698(5)
Rabbit Haemorrhagic Disease 703(3)
Foot and Mouth Disease 706(11)
Single-farm disease dynamics 708(3)
Spatial disease spread 711(1)
Secondary infections 712(3)
Exercises 715(2)
Solutions to Exercises 717(86)
Mathematical Glossary 803(38)
Bessel Functions 803(2)
Binomial and Poisson Distributions 805(3)
Coordinate Axes Systems 808(2)
Determinants, see Matrices and Determinants Differentiation 810(2)
Dirac Delta Function 812(1)
Duality 813(1)
Eigenvalues 814(1)
Error Function 815(1)
Fourier Series 816(2)
F-test 818(1)
Gamma Function and Gamma Distribution 818(4)
Geometric Series 822(1)
Hopital's Rule 822(1)
Hyperbolas: Rectangular and Non-rectangular 823(2)
Integration by Parts 825(1)
Linear Differential Equations 825(2)
Matrices and Determinants 827(3)
Newton--Raphson Method 830(1)
Normal and Log-normal Distribution Functions 831(4)
Numerical Differentiation 835(1)
Partial Fractions 835(1)
Poisson Distribution, see Binomial and Poisson Distributions Quadratic Forms 836(1)
Taylor Series 837(1)
t-distribution 838(1)
Vectors 839(2)
Appendix: Constants and Conversions 841(2)
Bibliography: Further Reading and References 843(44)
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